摘要
简易车库是用来实现各种车辆的自动存储。由于社会经济水平的不断提高，基本每个家庭都有小汽车。没有车位停车，每个地方都会出现。简易车库只要是在土地平整的地方都可以建造，根据要求，尽它所能停满车辆。垂直简易车库的PLC控制系统设计作为我这次设计的课题。简易车库的风格有很多，比如说，像小区，商场这种地方就可以用到升降横移式的简易车库，这种车库特别方便，对环境什么的没太多的要求，可以建在地面上也可以在地下，这种车库可以自己的观点，想要组成几层几列就可做成几层几列的，十分便捷。像在办公楼，医院这种地方，垂直升降类的车库就比较多见了，占用的空间很小。我这次设计的就是升降横移类的车库。本文讲解了它的发展情况，工作原理以及设计的总体结构和它的控制系统。
关键词：简易车库；PLC；控制；车辆
1绪论
1.1研究背景及意义
人们有钱了，买车的人变多了，城市里面停车的地方也受到了限制。停不了车成为了道路两侧停车位和城市空间中的一个重要矛盾，这将不可避免地使已经本来就很小的路更加停不了车。所以我们必须想尽办法来搞定这个问题。
老百姓的生活水平质量也起来了，但城市交通拥堵是一个非常严重的问题，主要是由于难以找到地方来停车。我们要造个东西来停车，那就是简易车库。我们主要有两个方向：一个是多造一点停车位，另一个是有规律的停车，腾出足够的空间。控制系统采用PLC，主要的原因是PLC不容易发生错误、编程容易、功能全面、很多地方用的到等优点。我们可以利用PLC这种优点来造一个简易车库。
1.2国内外现状和发展趋势
1.2.1国外现状和发展趋势
它最初是在二十世纪七十年代开始流行的：普通家庭在房子附近的开放空间里建造了一个2-4层的垂直车库;市中心的商业住宅开发商正在一些建筑下面建造停车场。二十世纪七十年代末，全世界的经济和汽车不断地被制造的，人口多、土地少的国家和地区开始积极研究和设计停车技术。港澳台等地早就开始引进停车技术，经济水平飞速上升，解决了停车困难的问题，卖出了很多有关产品。
简易车库包括了机器、电、计算机等多方面技术。模块化设计设备具有多种配合、我们可以很容易上手。用闭环改变频率控制速度的控制技术的控制器，它可以运动不会晃动、节能、振动小噪声低的优点。
1.2.2国内现状和发展趋势
我们国家的机械停车库在一九八几年左右这个时间才开始研发，一九九几年开始生产。当前，有很多家垂直简易车库制造商开始生产不同种类的停车设备。中国正在大力引进国外的机械停车技术，研发国内市场急需的产品。在我们国家，在停车场这个行业上有众多的困难，模仿其他国家的产品能力还不能够达到要求；研究这种东西的专家很少；停车发展相对的慢。要找到方法来解决问题。
1.3设计内容
造价问题，用户的各类要求，满足这些要求的车库应该是属于升降横移种类的，这里就用升降横移这种类型的车库来探讨。
1.3.1设计框架
（1）整体机架的研究设计；
（2）研究设计怎么运作的；
（3）研究怎么升降横移的。
1.3.2设计理念
（1）参考现在已经运用的车库，讨论怎么操作的，我们用的时候要注意到什么，以及我们停车的整个过程。
（2）查阅一些国外的资料，车库怎么来控制的，需要的控制元件有什么，如何构建车库的以及要我们了解需要注意哪些方面在选取电机上。
（3）通过车库的型号，和制造的材料，造简易车库的材料大概有电动机、传感器、控制元件。
（4）选好东西之后，用AUTOCAD来画图。其优势是：在画图的时候，把刚才选的不对的材料换掉，这样可以得到最好的效果。
（5）编写控制程序。
（6）最后把报告完善。
1.3.3设计思路
我们用PLC来控制整个简易车库，我们只要操作控制面板就能够实现车库的上下横移。
有两种控制系统：一个是用高电流控制的，另一个是低电流控制的。高的系统控制有：车位上下移动用的电机，位置检查和限制停车板位置的机构。车库用的是车位检测，不是用的人工检测。操作升降横移机构，使车子挪到规定的地方。此外，控制面板配置一个红色急停按钮，发生意外状况的时候，我们只要按下红色按钮，整个车库立马停止，起到安全保护的作用。
利用人机交互平台，把操作信号输入控制系统，整理过后，控制信息变为车库辅助设备的输出信号，让垂直简易车库正常运行。这个过程就是车库控制系统原理。
将升降横移电机作为主要控制目标，首先，控制系统使升降横移电机能够向正反向旋转；然后是运行安全灯和防止载车板掉落的钩子等辅助装置。我们在设计中用了很多的行程开关，就是要让载车板能够顺利到我们指定的位置。小型的车库都是用开关来控制的，大型的车库就不会用开关了，就要用到上位机。我们这次设计的车库用的就是开关控制的，PLC自身的抗干扰就很强能够到达规定。
2机械各个部件的设计
2.1车库的简单介绍
2.1.1升降横移种类的简易车库工作方式
车辆的存储是用升降横移载车板来完成的。第一层的车子停在载车板上作横向移动，无法上下移动，上层车位不能直接升降必须得让中间层横向移动空出位置形成垂直通道，这样上层的载车板就可以下降到地上的那一层。只有这样，司机才能够停车或者开车。下图展示了3层10车位的简易车库，工作过程如下：第3层的4个车位能够上下降，第2层的三个车位不仅可以上下移动而且可以横向移动，地面层的3个车位只能横向滑动。上面两层车位要想上下移动就要通过空车位进行。地面层可以直接停车；12号要下降到地上的那一层才能停车子；车子要想停在五号位置的话，就要先把1号、2号、3号的位置往右边挪动，形成垂直通道。车子要想停在6号位置的话，先将载车板2号、3号的位置往右边挪动，形成垂直通道。车子要想停在7号位置的话，先将载车板3号的位置往右边挪动，形成垂直通道。车子要想停在9号位置的话，先将载车板1号、2号、3号、5号、6号、7号的位置往右边挪动，形成垂直通道。要想车子停在10号位置的话，先将2号、3号、6号、7号的位置往右边挪动，形成垂直通道.想要把车子停在11号位置的话，就要先把3号、7号的位置往右边挪动，形成垂直通道。12号位置可以直接往下降。对于被建设的场地，升降横移式垂直简易车库能够快速适应各种环境，每一个机械部件可以根据不同的场地任意组装，没有严格要求，规模可以是大可以小，没有什么特别的要求，我们经常用这种车库。
图2.1车库模型
2.1.2各个机器部分的功能要求
主要组成部分如下图所示。
图2.2车库组成各个部分
（1）顶层载车板升降系统
把电机和传动链组合形成顶层载车板的传动系统。在模型图里展现了它是怎么工作的。要想让载车板上下降，只要控制电动机的正反转。链条承载力度主要是由你停放车辆的重量以及你制造的载车板重量决定。两个载车板之间的距离根据你停放的车子高度决定的。这样链条的规格也可以确定了。
（2）底层载车板横移系统
链条在地面层载车板上是不被用到的，地面层上的每块载车板的下面都装了四个钢轮。在长传动轴的两边装主动轮，可以在轨道上直接滑，其余两个作为从动钢轮使用。长传动的轴运行由马达减速机构执行，主动轮可以让地面层的载车板在轨道上运动。电机功率主要由板子运动的速度、轮子和轨道之间的摩擦和总重量决定。
（3）保护设备
防坠装置：在竖着的钢板两边装两个钩子，对应的载车板上两边装环，我们控制载车板到达位置的时候，钩子就会挂住环，不让载车板掉下去，起到了安全保护作用。如果刹车坏了，由于防坠装置的起到了作用，上层载车板不能从上脱落破坏下车。下层的载车板的安全保护装置就是防撞板和行程开关。防撞板起到的作用是：下层的载车板左右移动的时候，如果撞到东西(包括升降电机)时，电机的所有电源都会自动切断，这就迫使电机停止横向移动。当载车板挪动到了规定地方的时候，行程开关作用：载车板到达指定的位置候就会停止工作。
（4）控制系统
通常情况下控制系统都是自动模式的，只有需要调试和维护控制系统时才在手动模式下，处理完问题后进行校零，发生突发状况的时候，红色急停按钮就用到了。我们设计的三层四列的车库，PLC控制第2、3层两层7台升降电机和1、2层6台横移电机的旋转方向。
2.2垂直简易车库机械结构设计
把从动轮、主动轮、减速电机和导轨组合在一起就构成了横向平移传动机构。升降机构在升降横移式简易车库的二和三层停车位都装备了，我们在第一层和第二层载车板上都装了左右移动的机构。上下移动的机构主要部件是传动的整个系统和上下移动的机架。
通过分析，设计可以用链条或者钢丝绳，再将两者进行比较，链传动更符合要求。把电动机和链传动配合也能够满足在左右移动的复杂要求。
2.2.1横向移动部件的设计
图2.3工作原理简图
载车板钢轮的转动是由减速机构控制联轴器的，使得载车板作车出横向运动。
（1）主要参数如下：
选用X明椿电机型号为CLPK22040505是因为载车板结构紧凑。
减速电机的参数如下：
载车板的承载能力范围是：1吨到1.6吨，我们不需要考虑，直接选用200w的减速电机。
2.2.2提升部件的设计
上下升降部件采用链传动。其结构与左右部件相似，效率能达到95%到98%，精准的传动比，很小的传动力等优点。
图2.4载车板纵向移动原理图
传动达到的效果靠轴，在轴的设计中，第一步估算一下轴，第二是部件设计，最后确定轴，在进行轴的强度验算。这个设计中用的横移电机的型号是CLPK类型，输出的最大转矩为66NM。链传动传动的最大效率为98%。
2.2.3载车板结构设计
一般的载车板有两种类型：框架的和拼板的。拼板式的先要表面处理，然后安装，这种板子不是特别重而且外观漂亮。如图2.5所示。
图2.5拼合示意图
2.2.4安全保护措施
安全对于车库来说很重要，所以应该采用相应的安全防护机构保证安全。1.急停措施：发生突发状况，车库立即停止所有工作，就是控制面板上的红色按钮。2.防火措施：在简易车库里安装一个烟雾传感器，车库里着火了，传感器就能够检测到，系统就能够立马知道。3.挡车装置：在载车板靠后的一侧安装挡铁高度不低于25mm，驾驶员就可以正确地把车停到位。4.超出工作范围的限位装置：定位开关坏掉了，超限位开关让电机停止工作，这个装置就起到了作用了。5.乱入检测装置：在车库运行过程中，突然有人或者是物品进去，被机器检测到，系统将会停止。6.防坠装置：停车的铁板在车停稳后会上升到确定的高度，因为停车板上升到一定高度后就会加大安全隐患，此时我们应该考虑到如何让铁板不坠落，这时我们就设计了让铁板避免坠落的装置。这样就增加了车库的安全性。
图2.6防坠装置
3硬件设计
3.1整体硬件设计
对于简易车库的各项功能都可以用PLC来实现。在一个现代化的城市车辆繁多一个车位非常报告对各个车位进行监控调度不浪费车位强弱电系统包含在了垂直简易车库里，所有的信号都是由弱电系统收集的。当PLC运作时，强电系统在简易车库中体现在将车抬起的板子的各个线路，车库不仅用到了机械方面的知识也用到了电子的知道，车库最重要的部分就是其先进的控制系统。
图3.1系统运作图
车库系统运作方式：它的控制方式非常简单由保安将车牌输入系统进行核对系统识别车库的空缺车位做出反馈由保安操控将车停入空缺的位置。见上图可知：
图3.2PLC结构图
在一个高档车库里都装了能实现机架上下左右运动的电机，一般电机都具备时间段正反转；整个车库还装了其他控制原件有的可以实现灯的照明，还有一些可以确保车辆到达指定位置，对于停没停车有专门的装置判断。
3.2拖动系统设计
3.2.1拖动系统主电路
本次的设计方案中七个能实现减速的电机，其基本用途给机架提供上下移动的力，六个能实现减速的电机，它的主要用途是为机架实现左右移动。我们可以改变继电器的连接点以得到改变马达位置的目的。有了这样的装置就能确保其所有动作都能够完美的实现。我们需要给所有的电机单独提供安全罩。日常生活中为什么离不开熔断器呢？在我看来是用来保护电路的。
当我们取出车辆的时候，升上下左右移动是互锁的，各个运动系统都是单独运作的。就是说上层的载车板正在升降的时候，下层载车板是不会运动，反过来也是一样，而且上层的载车板一次性只能让一块载车板运动。
3.2.2拖动系统电气保护设计
此次垂直简易车库设计中的升降横移电机是三相交流电机，改变电动机任意两相相序就可以改变电动机的正反转，当KM1得电时马达正转，当KM2得电时马达反转。
表3.3元器件选型
3.3查验系统的设计
连续运转的重要条件是保证一体化车库的正常工作。在本次设计的一体化车库中，检测信号包括载车板就位信号，汽车是否能够停在合适的位置，停车位能否全部被使用，如果有空位置，误入信号或者报警信号要能够及时发出。
3.3.1车位识别位置信号
在本次的设计中，车位的总数量有大约有10个，在停车时，载车板只能够横向移动1个单位，而第二层和第三层不一样，其车位的载车板上下左右都能动，第三层载车板，只可以上升下降。出于安全考虑，地面层车位的载车板用辅助的左右限位开关来运动，第二层车位的载车板要用到左右和上下限位开关来上下左右运动，第三层车位的载车板用上下限位开关直接运动。
在这个垂直简易车库设计中，在车库内安放接近开关来获得载车板的认址信号。与和以前的限位开关进行比较，其寿命要比一般的要长、功率消耗更低、精度也要很好多。我们要在载车板上安装用来感应的元件，离开关近的触点，把它装车库的制动点上。
下图是我们用的开关。
图3.4光电开关
3.3.2车位停车信号
在我们设计的车库里，我们可以提供光和电的性能来查看是否有小车的存在。把红外对射式光电开关装在载车板的一组对角上就能完成，如果有汽车停在上面时，就会挡住信号，不会工作；客人在办完事之后把汽车驾驶离去，传感器的信号就能够有效的输出。
图3.5光电开关
3.3.3车位正确停车信号
为了系统安全，我们需要为汽车的正确排版提出一些要求。当汽车停在合适的停车位的时候，才可以平稳运行。而在我的设计中，每一个载车板上都会安装有红外的开关，用来监控汽车是不是在准确的位置上被停放。当小车停放在合适的位置上，红外射线不会进行工作，对射开关也失去了使用功能；在汽车停放的位置发生错误的时候，红外射线就被汽车遮挡了，就会启动报警装置。
3.3.4乱入报警
这种车库在工作的时候，是就不允许车主和其他的汽车停放的，在确保安全的前提下，在这一时段不能够让任何人和汽车在车库中行动。在车库中，我们可以在车库的门上安装栅型光电系统，它主要起到防止有人在车库中行动而可以及时发出警报。图3.4就是这次设计用的装置。
图3.6光栅式保护装置
3.3.5险情警告信号
我们在确保车库的安全运行下，需要装上特定的烟雾传感器，如果在有火灾的时候就可以释放出报警信号，如果被控制系统感应出火灾的时候，车库就会终止运行。
3.4控制系统PLC的设计
3.4.1输入点/输出点
我们用到的控制方法是自动和电动。没有特殊情况，车库就自动运行，按照之前的号码取出相应的车辆，它能够运行相应的程序来进行准确的运行；当出现错误需要维修的时候才可以启动点动方式，假设在点动状态下选取我们需要的车位，就要一个一个地按下按钮进行操作。由于车位一共设置了三层，所以输入以及输出点分别如下：
输入点：
输出点：
I/O点位表详细如下：
输入点位表：
输出点位表：
3.4.2PLC选型设计
PLC最重要的装置就是微处理器了，通过计算机技术以及通信技术的专业设计的整合，在工业自动化中，PLC也被运用在很多地方。它相比其他同类型的装置，它更能够被简单运用、更加的稳定而且灵活。
S7-200对于其他元器件来说是非常小的。S7-200经济比值更合适大众，容易操作等好处，因此人们经常选择将其用于小规模控制。S7-200系列功能丰富，它能够独自运行，可以完成各种复杂的控制要求。此外，它还具有许多类型的CPU和详细的电压等级分类，从而使故障排除变得灵活。
PLC硬件主要有：ROM、CPU、输入和输出单元、通信端口、扩展端口等。它以CPU作为核心，通信端口用于与编程器或上位机等外设交互以及输入输出单元用于将输入输出设备与CPU进行连接。我们用S-700作为电气控制元件，图3.5是其外形图。
图3.5西门子控制器S7-200外形
（1）PLC电源模块的选择
电源模块的参数：型号PS307，额定电流为5A，输出电压24V。
图3.6标准电源模块
（2）CPU的选择
图3.7CPU226模块
CPU226具有数字量，模拟量，控制过程，并且可以满足设计需求。在本次设计的车库中，我大约使用了DI的数量是59个，DO的数量是44个，而且一定要选择扩展模块。
3.5控制面板的设计
在我所设计的车库这，一定要安装急停按钮、选位按钮以及其他功能的按钮。如下图3.8。
4 PLC程序设计
4.1 PLC控制程序设计思想
控制程序的语言方式可以用梯形图来表示出来。通常，控制程序设计中常采用“并行分支与汇合”，其中的并行分支是需要每个分支流程能够同时执行，在所有的工作流程完成之后，总结其他的工作，汇总每个状态进行下一步的动作。比如说，当选取第三层的载车板进行存储车的时候，下面两层的载车板可以一起动，因此，系统能够处理各个设备动作顺序之间的联锁关系，同时控制系统可以更加方便运行调试，这样把时间省下来了，能够变得更高效率。
图4.1仓库管理车辆程序流程图
为了完全的完成所需的操控要求，这里采用了模块化的结构来实现，安排出一个主要的控制程序和次要的。程序的编辑采用梯形图。设计的方案可以分为下列几个步骤：（1）为了接受正确特别区域的启动信号，所以将程序进行重置；
（2）在整个系统流程中，其中开始进车这一步的优先级是最高的。最需要完成的目的是确保在目标区域中没有其余的车辆为前提，安全的工作环境是动作的完成以及相互之间的锁定重要组成部分。到达最终目的的产生的开关信息时所占额车位应该是空缺的。链条机构的上升与下降的系统的运行和终止主要的关键是上升到一定的程度后打开开关。
（3）当程序在运行当中有一个不明信号的入侵，事故报警灯就发出警告，并加以处理及解决。当简易车库在正常工作时，只要有东西突然进去或者停的车不符合要求，就会被检测到，这时，PLC程序就将会停止设备的运行并发出警示。设计的程序能够控制整个简易车库，保证它正常运行，不会出错，安全性好。
设计的时候肯定想要方便，所以我们编写程序时可以用模块编程语言，控制系统在工作的时候只用了子程序的模块，修改程序简单明了，易于车位的扩展，才能提高它的适应性。
我们在控制系统设计用到的元器件肯定是要有断路保护的功能，要是发生断电情况，这些东西不会丢失断电前的信息，起到保护信息的作用，系统重新来电后，可以接着继续完成上次没完成的工作。有突发情况发生时，我们只需要按下急停按钮，断点信息会被自动保存下来，马达过载的话，也会导致系统的运行被终止，然后会触发报警装置，此时，系统进入手动模式，可以等待管理人员来维修。
本次控制系统的被控量主要是开关量的多少，对控制速度没有太大的要求，所以只需要选取普通的PLC规格就行了。在它的输出端有6台相同型号的小电机和7台大电机，它的输入端一定要能接受数字键盘的输入和各种的操作按钮。接下来，我们对控制功能进行分类，把功能差不多的输入输出板进行匹配。
在主程序中，子程序是用来控制整个车库运动工作的。在控制系统通电后，控制系统会接收到等待命令。当需要进行汽车存储时，存储的原则是从下到上的，即首先是停放在下层车位，当下层车位停满后才能开始往上存，第一层车位直接存放入库就行了，第二层第三层的车位才通过载车板才能升降和横移。
4.2主程序设计
手动方式还有自动方式两者使用互锁，按下急停按钮，所有的运动都会终止，进入断电保护状态，看下图。
图4.2自动模式启动
第一部分的控制属于自动化控制不需人员的主动动手操作。二三部分的车位分别为三四两种的实行需要人力，通过控制上升与下降的操作步骤按序来实行汽车有序的提取。存取部分的控制如上，其中不变的只是车子的初始排序序号，主要的不同只要在于次要的控制程序的不同，本次的工作系统主要是有七组次程序，届时上班层的顺序操
作安排基本完成，处于自动状态情况时，对应的按钮决定了该车的基本的操作顺序。如图4-3所示。
图4.35号车位子程序
调试的过程要处于一个安全清洁的环境中，这次选择手动控制模式，每个车位的载车板都可以独自控制，程序如下图。
图4.4手动模式子程序
除了自动操作的部分控制，人力把握与安排控制其中包括了人工的上升与下降和人工的向左和向右的平移，如图4.5。
图4.5点动模式下的升降横移子程序
4.3自动子程序
地面的车位可以直接存储车子，不需要控制。只有第二和第三层的几辆车辆会进行自动化的控制，当遇见了误触到紧急的按钮警报时，车辆停止直接返回起始位置如图4.6。
图4.6子程序返回
需要用到5号停车位的子程序时，子程序先会初始化，步进控制的第一步就会执行，把5号停车位的下层载车板1号、2号、3号向右移动，当1号、2号、3号车位的载车板到达指定地点后，会触发右到位开关动作，完成横移动作，并同时调用下移指令，然后复位，如图4.7。
图4.71、2、3车位向右准备
第二步的步进控制说需要让让5号车位下降，与此同时我们可以观察是否产生正负跳变来辨别有没有发生存取车动作通过检测。5号车位载车板上的红外对射装置，一定要能够在60秒内完成存取车的动作。见下图4.8。
图4.8 5号车位进出车操作
最后需要复位1、2、3、5号车位，这里的程序，都是类似的，这里就不赘述了。
4.4手动子程序
每块载车板的升降横移运动都能在手动模式下执行，我们只要写两个子程序。在手动模式下，升降与横移运动的控制过程基本相同，减少工作量，我们在这里只介绍了实现横移运动的子程序。
要横移控制的只有第一层和第二层上那6个横移马达。是否允许横移的先决条件是横移目的地的车位是空的，就是目的地车位的载车板已经被移走了，并且载车板也不能够在这个时候做出升降动作以及横向反方向动作。
以1号停车位的载车板为例。控制系统进入点动横移模式之后，选择1号车位，通过接入2号、3号车位的载车板的常闭触点达到互锁，1号载车板向右移动的过程中接入2号车位的右移限位常开触点，做完所有动作，触发1号车位的到位开关，让马达立刻停止，点动动作完成。
图4.9 1车位横移控制
结论
（1）我们对各城市进行调查，归纳了简易车库的发展趋势是怎么样的和特点如何，对市场的需求进行了解，和其他发达国家的情况进行对比，发现简易车库的市场前景十分长远。
（2）车库的经济效益要想得到上升，就必须对车库的构架进行优化，找到最适合的材料，使制作一个车库的费用变得更低。
（3）对车库的传动系统全面分析，确定了此次车库最好的传动方案。对载车板进行了全面的调查，找到了最划算性价比最高的方案。
（4）我们对简易车库的需要的要求，提出了一种满足车库检测要求的控制系统的详细方案，并确定了又便宜又实用的传感器。
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致谢
大学四年的时光非常短暂，转眼间就要毕业了。特别我要感谢指导教师。在我毕业的最后关键时刻给予我无私的帮助，给我加油打气，使得我圆满地顺利完成这次毕业设计，由衷地向指导老师致敬。
指导教师认真负责的工作态度一直以来是我今后从事工作的一个学习榜样。老师严谨细致的教研精神以及专业化的理论能力使我获得了很多东西。在我的理论知识与实践中他们给予了我许多帮助，让我的水平得到了质的飞跃，感谢指导教师对我的悉心和辅导。
仔细想想这四年来的日子，父母对我的关心和背后的付出，班主任对我无微不至的关怀和教诲，舍友和同学对我的支持和帮助，他们一直伴着我成长，让我从一个懵懂的青年慢慢走向成熟。
四年的时间即将过去，校园生活也随之而去，但是对于我来说，这也是一个新的起点，把这四年里在学校学到的知识用到工作中去。
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