基于PLC的多层升降横移立体车库控制系统设计_图文

摘 要
本文设计针对由于城市空间有限,并且城市中车辆日益增多所造成的停车难问题, 设计了基于 PLC 的多层升降横移立体车库控制系统,立体横移式车库占地面积小,操 作方面、智能,利用 PLC 程序,可以使操作变得简单易懂,使人们存取车辆更加方便 快捷,并且运用世纪星组态软件对 PLC 进行实时监控。 本文首先介绍了立体车库的开发背景、意义以及国内外的现状。其次对立体车库做 了整体性的设计,包括工作原理、操作方式等。接着对 PLC 的软件单元进行了透彻的 分析并编写控制程序,软件设计分为手动移动、自动移动两种模式,自动模式下能够实 现自动判断存取状态、自动复位等功能。最后通过世纪星组态软件实现对智能立体车库 的实时监控。 立体车库在生活中的确有着广泛的应用空间,能够给人们带来巨大的帮助。随着科 学的进一步发展,立体车库必定会有更大的发展,会更好的服务于人们。

关键词:立体车库;可编程控制器;组态软件

I

Abstract
This article is designed by the targeted to slove the problems of urban space is limited, and the growing number of cities caused by vehicles parking difficult issue. Three-dimensional sliding-garage area is small, operational, intelligence, the use of PLC program, you can make the operation simple and easy to understand, make it faster and more convenient access to vehicles, and the use of Century Star configuration software to conduct real-time monitoring of the PLC. This paper describes the development of three-dimensional garage background, the significance of the status quo at home and abroad. Secondly, three-dimensional garage done overall design, including the working principle, operation methods. Then the software unit of the PLC conducted a thorough analysis and preparation of control procedures, software design is divided into manual movement, automatically move two modes, automatic mode can be achieved automatically determine access to the state, automatic reset functions. The final adoption of the century Star configuration software for intelligent real-time monitoring of three-dimensional garage. Parking is indeed in life has a wide range of applications of space, it will give people a huge help. With the further development of science, three-dimensional garage will be greater development, will better serve the people.

Keywords: Three-dimensional Garage ; Programmable Controller; configuration software

II

目 录
绪 论 .......................................................................................................................................... 1 1 立体车库的控制方案设计 .................................................................................................. 8 1.1 立体车库的工作原理 .................................................................................................. 8 1.2 设备的控制要求及控制方式的设计 .......................................................................... 9 1.3 系统的操作过程 .......................................................................................................... 9 1.3.1 1.3.2 手动操作 ........................................................................................................... 9 自动操作 ......................................................................................................... 10

2 立体车库系统的硬件设计 ................................................................................................ 11 2.1 控制系统设计 ............................................................................................................ 11 2.2 可编程控制器(PLC)的选取 ................................................................................. 11 2.2.1 2.2.2 2.2.3 PLC 的特点 ..................................................................................................... 11 PLC 的应用广泛 ............................................................................................. 12 PLC 的工作原理简单易懂 ............................................................................. 13

2.3 立体车库机械部分部件的设计 ................................................................................ 14 2.4 其它设备的简介 ........................................................................................................ 15 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 传感器 ............................................................................................................. 15 减速电动机 ..................................................................................................... 15 行程开关 ......................................................................................................... 15 按钮 ................................................................................................................. 16 变频器 ............................................................................................................. 16

2.5 本章小结 .................................................................................................................... 16 3 立体车库系统的软件设计 ................................................................................................ 17 3.1 立体车库控制系统的程序设计 ................................................................................ 17 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 PLC 的工作原理 ............................................................................................. 17 编程软件 CX-Programmer 的应用 ................................................................ 17 PLC 的外部接线图 ......................................................................................... 18 PLC 的 I/O 地址分配 ..................................................................................... 19 立体车库控制系统的 PLC 程序编程语言的选择 ........................................ 20

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3.1.6 3.1.7

立体车库控制系统的流程图 ......................................................................... 20 立体车库控制系统的程序设计 ..................................................................... 21

3.2 世纪星组态监控 ........................................................................................................ 23 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 世纪星软件的介绍 ......................................................................................... 23 世纪星软件的特点 ......................................................................................... 23 实时监控系统的设计 ..................................................................................... 24 内部参数系统的设定 ..................................................................................... 25 软件语言的编程 ............................................................................................. 26

3.3 组态画面的动态衔接 ................................................................................................ 27 3.3.1 3.3.2 组态画面的设计 ............................................................................................. 28 动态衔接的介绍 ............................................................................................. 28

3.4 本章小结 .................................................................................................................... 30 结 论 ........................................................................................................................................ 31 致 谢 ........................................................................................................................................ 32 参考文献 .................................................................................................................................. 33 附录 A 英文原文 .................................................................................................................. 34 附录 B 中文翻译 .................................................................................................................... 45 附录 C PLC 梯形图 ................................................................................................................. 53

IV

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绪 论
(1) 课题研究的背景和意义 随着我国城市经济和汽车工业的迅速发展,拥有私家车的家庭越来越多,而与此相 对应的是城市停车状况的尴尬。以北京市为例,截止 2006 年底,市区仅有公共停车场 827 处,共计车位 5.6 万个,仅占市区机动车拥有量的 8.5%,停车环境与城市规划的矛 盾十分突出。据建设部城市交通工程技术中心对全国 15 个大城市停车现状的调查,城 市机动车保有量与停车位之比平均为 4.84:1,这一比值对于渴望―车者有其位‖的车主 来说,形式不容乐观。停车难产生最主要的原因是城市建设规划上的准备不足。上世纪 80 年代初期, 北京市权威部门对 2000 年北京汽车发展数的预测仅仅是 70 万-80 万辆, 而事实上到新世纪钟声敲响之前,北京市汽车总量则足足比预期多了 100 万辆,其中私 人小客车的数量就高达 45 万辆。面对迅速发展的城市车流,停车设施建设的落后也就 不足为奇。据建设部停车技术开发推广中心介绍,北京市停车设施的―欠账‖最保守估计 应为 20-30%[1]。

图 1 被汽车占领的城市

停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通(车辆停放状态)问题,静态交通是 相对于动态交通(车辆行驶状态)而存在的一种交通形态,二者相互联系,互相影响, 停车设施是城市静态交通的主要内容,随着城市的不断发展,各种车辆的不断增加,对

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停车设施的需求也在不断增加,如果两者之间失去平衡,城市里就会出现停车难的一系 列问题。数据显示,最近几年我国城市机动车辆平均增长速度在 15%-20%,而同时期城 市停车基础设施的平均增长速度只有 2%-3%, 特别是大城市的机动车拥有量的增长速度 远远超过停车基础设施的增长速度,因此,我们必须重视城市停车难的问题,并积极探 求解决的措施[1]。 专家们指出,解决城市静态交通问题,大体分为软硬两种措施。所谓软措施,就是 通过政策法规,限制路面停车,提高停车场利用效率,使部分车主更愿意改乘公共交通 工具,以减少机动车对停车场的需求。而硬措施,主要包括增建停车场,建设地下及立 体停车场、利用其它空间满足停车需求。而无论采取什么措施,在规划后再收拾残局, 于局限内弥补不足,政府和管理部门所需投入得精力和资金都不小。

图 2 先进的自动化立体车库

随着人类社会的不断进步和科学技术的发展,人类的生产、生活方式趋于集中,城 市的规模越来越大,人们在城市里的生存空间却越来越小,于是出现了要利用空间的理 念,城市中开始建设立体建筑、立体交通和立体停车。作为现代大都市的标志,城市中 心商住区高楼大厦林立,社区道路、高架交通干道、立交桥和地下铁路,编织出城市立 体交通网,汽车的住宅--停车场也有了长足的发展,由平面停车向立体停车,由简单的 机械车库向计算机管理高度自动化的现代立体停车演变,成为具有较强的实用性、观赏 性和适合城市环境的建筑。伴随着汽车进入家庭,城市动态、静态交通管理制度的不断 完善和人们对居住环境要求的提高,给停车产业提供了前所未有发展机遇,停车产业市 场前景广阔[2]。

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作为现代大都市的标志,立体建筑和立体交通都有了显著发展,道路拥挤、车满为 患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音,发展立体停车已成为人们的共识。目前我 国经济正处在高速发展时期,随着人们生活水平的不断提高,汽车进入家庭的步伐正在 加快,停车产业市场前景广阔。机械式立体车库既可以大面积使用,也可以见缝插针设 置, 还能与地面停车场、 地下车库和停车楼组合实施, 是解决城市停车难最有效的手段, 也是停车产业发展的必由之路。当前,我国许多大城市如北京、上海、深圳都开始大力 发展机械式立体停车产业。机械车库与传统的自然地下车库相比,在许多方面都显示出 优越性。首先,机械车库具有突出的节地优势。以往的地下车库由于要留出足够的行车 通道,平均一辆车就要占据 40 平方米的面积,而如果采用双层机械车库,可使地面的 使用率提高 80%—90%,如果采用地上多层(21 层)立体式车库的话,50 平方米的土 地面积上便可存放 40 辆车,这可以大大地节省有限的土地资源,并节省土建开发成本。 机械车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全,人在车库内或车不 停准位置,由电子控制的整个设备便不会运转。应该说,机械车库从管理上可以做到彻 底的人车分流。 在地下车库中采用机械存车,还可以免除采暖通风设施,因此,运行中的耗电量比 工人管理的地下车库低得多。机械车库一般不做成套系统,而是以单台集装而成。这样 可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势,在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以 随机设立机械停车楼。这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。 近年来 ,随着经济的发展,我国的城市化水平加快和人民生活水平的提高,汽车 数量的不断增加。截至 2003 年底,我国个人汽车保有量为 12427672 辆。其中,个人轿 车 4890387 辆,比 2002 年增加 1462441 辆,增长率为 42.7%,但与此同时,汽车停车 场地的增长却不能与之同步,汽车泊位与汽车数量的比例严重失调,由此带来停车难、 违章停车、停车管理困难等一系列问题。当以往的路边、人行道上停车、地下或地面停 车场均解决不了上述问题时,采用机械式立体停车设备是一个非常有效的措施。机 械 式立体停车设备又名立体车库, 它占地空间小, 并且可最大限度地利用空间, 安全方便, 是解决城市用地紧张,缓解停车难的一个有效手段。国家计委已明确机械式立体停车设 备及城市立体停车场为国家重点支持的产业。上述措施为我国立体车库产业的成长提供 了良好的条件、也为我国解决城市停车空间问题提供了机会。可以预见立体车库具有非 常广阔的市场前景[2]。 (2) 国内外现状

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早在 50 多年前,立体停车就在国外有所发展,先后出现了针对家庭使用的双层停 车设备;利用住宅空地建起 2-4 层升降横移停车设备;适合城市中心商住区使用的停车 楼和停车塔;利用广场、建筑物下面的空间建设地下车库。自 70 年代末起,世界经济 高速发展,汽车逐渐普及,保有量不断增加,迫使地少人多、车多的国家、地区和一些 发达国家积极开展了机械式停车技术的研究开发和制造应用。以日本、美国、德国等为 代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平,韩国和我国的港、澳、台地 区的停车行业也通过引进--移植制造,得到了蓬勃发展,较好地解决了本地区的停车难, 并开始向外输出技术和出口产品。

图 3 国外高容量的立体车库

目前世界停车产业正向多元化发展, 其停车技术几乎包含了当今机械、 电子、 液压、 光学、磁控和计算机技术等领域的所有成熟先进技术。机械方面,应用了许多新材料、 新工艺。设备结构采用模块化设计,便于组合使用,易于安装拆卸。钢结构选用新型优 质钢材,既提高了设备的强度和刚度,又使设备轻巧美观,载车板采用一次成型的镀锌 板或彩涂板组装,美观、强韧、耐用。控制技术方面,广泛采用可编程序控制器和矢量 变频变压调速闭环控制技术,使运行高速平稳,节省电力,振动和噪音也趋于最小。控 制形式有,按钮式、锁匙式、IC 卡式、键盘式、触摸屏式、遥控式等。安全元件采用各 种光栅显示屏、光电管、机械式行程开关、磁性接近开关、光敏感应开关等,安全保护 装置日臻完善,如汽车出入声光引导和定位、汽车尺寸和重量自动识别、限速保护与多

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重机构互锁、停车泊位自动跟踪、链条和钢丝绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、 汽车图象摄影对比安全检测、自动消防灭火系统等。 日本是最早应用机械式车库的国家之一,其在上世纪 60 年代初就开发并使用可最 大限度的利用空间的机械式停车设备。当时日本全国汽车保有量大约为 500 万辆,大多 采用的是垂直循环式停车设备。从 80 年代开始,日本开始向亚洲地区的韩国、中国及 台湾地区出口产品及技术。韩国机械车库技术是日本机械停车技术的派生。其机械停车 产业从 20 世纪 70 年代中期开始起步, 年代开始引进日本技术, 80 经过消化生产和本土 化,90 年代开始为供应使用阶段。由于这几个阶段得到政府的高度重视,各种机械停车 设备得到普遍开发和利用,韩国近几年增长速度都在 30%左右。目前韩国停车设备行业 进入稳步发展阶段。

图 4 韩国 LG 公司研发的塔式

我国机械式车库的早期研究开发工作是从 80 年代中期开始,90 年代开始引进和生 产停车设备,在北京、上海、广州、深圳等地都有使用。参照日本等国标准制定的我国 行业标准也于近几年出台,目前停车设备生产厂已发展到几百家,生产各种类型的停车 设备,有些停车设备已开始出口。机械式立体车库是一种具有综合性能的建筑,不仅包 含了机械停车设备,其规划建设涉及到区域整体景观、交通疏导、建筑结构、供电照明、 通讯监视、通风排水、环境保护、安全消防、收费管理等各学科领域,就停车设备本身 而言,其机械结构的发展已形成了停车设备独有的技术特征,需要多学科、多专业的复 合型人才积极参与,把国外停车技术和各领域的成熟技术移植到我国停车产业,开发出 安全、经济、高效、节能、省地的产品,满足国内外市场的需求。 在我国的停车产业发展中还存在一些问题,如没有统一的技术标准;多数产品是仿 效或引进国外技术制造,技术水平低;缺少具有一定规模的企业,生产能力不足;市场

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竞争无序,个别企业为抢占市场,采取低价竞争;缺少科研设计单位的参与,技术创新 能力严重不足;政策不配套,对停车产业发展和管理严重滞后等。解决上述问题,需要 我们在政策市场、管理和技术多方面做出努力。政策方面应参照发达国家的有关政策法 规,规划确定出专用和公共停车位的合理数量,实现投资主体多元化,确定车库的管理 属性和停车收费标准,给予投资和经营者相应的优惠政策,使其有利可图。市场方面应 建立车库市场运行机制,利用价格杠杆调高占路停车收费标准,逐步消除―路满库空‖现 象。鼓励按市场规则经营车库,并实施政府监督和政策调控,使停车产业良性发展。

图 5 在我国广泛使用的升降横移式立体车库

(3) 本文的主要工作目标和意义 目前,立体车库主要有以下几种形式:升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂 直循环式、箱型水平循环式、圆形水平循环式等。在对国内外各种同类产品进行分析的 基础上,再结合造价、技术难度以及用户需求等各个方面的因素,可以发现升降横移式 立体车库形式比较多,规模可大可小,而且对场地的适应性较强,同时采用这类设备的 车库十分普遍。因此,本文最终确定研究对象为升降横移式立体车库。 (4) 论文结构 (1)本文首先介绍了课题的背景和研究意义,简述了国内外的现状。 (2)对立体车库的工作原理作了介绍,设计了手动、自动了两种操作模式以及具

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体的运行过程。 (3)完成工作方式的设计后,针对需要实现的设计目标进行了硬件选择。并且作 了详细的介绍。 (4)本文最后根据选择的硬件以及立体车库具体功能的需要进行了软件的选择, 随后进行了相应的软件程序设计。并且设计了立体车库的世纪星组态设计。

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1 立体车库的控制方案设计
1.1 立体车库的工作原理
升降横移式立体车库是指利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停 车设备。 升降横移式立体车库每个车位均有载车板, 所需存取车辆的载车板通过升、 降、 横移运动到达地面层,驾驶员进入车库,存取车辆,完成存取过程。停泊在这类车库地 面的车只作横移,不必升降,上层车位或下层车位需通过中间层横移出空位,将载车板 升或降到地面层,驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库。以 7 车位的升降横移 式停车设备为例,具体形式如图 1.1 所示。

图 1.1 立体车库的存车状态

其工作原理是:三层三个车位可以升降,二层两个车位可以升降和平移,一层的两 个车位只能横向横移,空车位供三层和二层的车位下降时借用。1 、2 号车位可以直接 存放车辆;5 号车位需下降后再存放车辆;3 号车位,1 号载车板左移,再将 3 号载车 板下降;4 号车位,则需先将 1 号和 2 号载车板左移,再将 4 号存车板下降;6 号车位 则需要先将 1、3 号载车板右移,再将 6 号载车板降下;7 号车位需要先将 1、2、3、4 号四个载车板右移, 再将 7 号载车板下降。 由于升降横移式停车设备对场地的适应性强, 介绍系统各机械部分部件结构和功能 可根据不同的地形和空间进行任意的组合、排列,

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规模可大可小,对土建的要求比较低,因此,应用非常广泛。

1.2 设备的控制要求及控制方式的设计
本系统为升降横移式立体车库的控制系统。设置有操作面板,具有手动/自动两种工 作状态,有车位选择、移动方向选择以及复位功能。自动模式中允许用户刷卡控制,经 过相关设备的处理,直接对相应的车位进行存取操作,由 PLC 程序控制相应的变频器 和电机控制在车板移动,达到存取车辆的目的,由车位传感器确定车辆是否已经被取走 或者车辆是否已经存入,并且在完成相应的工作后自动恢复成为到原位。手动模式控制 设备与自动模式相同,主要是服务于故障检测以及特殊情况的。具体的操作是:首先选 择车位,然后选择车位的移动方向,当车位移动到相应的位置后由相应的限位开关控制 其自动停止,不同于自动控制的是,当完成相应的操作的时候,需要将车位手动复原。 可以让设备随时停止,以便于机械故障的时候减少损失和维修 在中央控制室,需要一台控制的计算机,并且利用组态软件监控车库的运行状态, 以便于及时的发现问题,组织维修。上位机与 PLC 通过通信电缆连接。

1.3 系统的操作过程
1.3.1 手动操作 选择按键手动或者自动, “手动运行”指示灯亮,即可在电柜面板上选择相应的手 动按钮及动作升降横移选择开关进行操作。 另外取车之前要保证各车位与车盘(车位与车盘的定义参见机构工位简述的规定) 在相对应的位置上,才能按照下面的操作方法进行操作,否则要根据实际情况进行相对 应的手动操作。 (1)取车位 3 上的车,手动操作过程如下: 按下车位 1 按钮,选择左移按钮,直至车位 1 移动到左侧的时候由限位开关控制自 动停止;然后选择车位 3,在选择下移按钮,车位 3 移动到底部的时候由限位开关控制 自动停止。取车完毕需要手动复位。 (2)取车位 4 上的车,手动操作过程如下: 选择车位 1,然后选择左移按钮,车位 1 实现左移;然后选择车位 2,选择左移按 钮,车位 2 实现左移;然后选择车位 4,选择下移按钮,车位 4 下移。取车完毕需要手 动复位。

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(3)取车位 5 上的车,手动操作过程如下: 选择车位五,然后选择下移按钮,则车位 5 视线下移。取车完毕需要手动复位。 (4)取车位 6 上的车,手动操作过程如下: 选择车位 1,然后选择左移,实现车位 1 左移;然后选择车位 3,选择左移按钮, 车位 3 实现左移;然后选择车位 6,选择下移按钮,车位 6 视线下移。取车完毕需要手 动复位。 (5)取车位 7 上的车,手动操作过程如下: 分别移动车位 1、车位 2、车位 3、车位 4,分别实现左移;然后选择车位 7,选择 下移按钮,视线下移。取车完毕需要手动复位。 1.3.2 自动运行 按下自动按钮,然后刷卡,则车位下移,然后通过车位传感器,实现自动归位。例 如对车位 6 的自动操作:当读卡器接到用户的输入后,车位 1 和车位 3 左移,结束后车 位六下移,当车位里的车被用户取走之后,车位六 6 自动上移,然后车位 1 和车位 3 左 移,实现自动复位。

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2 立体车库系统的硬件设计
2.1 控制系统设计
立体横移式升降横移车库的控制系统的硬件可根据具体的需要选择, 程序控制方面 需要可编程控制器(PLC) ;汽车的存放需要钢架和在车板;车位的移动控制需要变频 器和电机;载车板移动的行程采用限位开关控制;汽车已经存好或者已经取走的判断需 要车位传感器来实现。

2.2 PLC 的选取
立体车库的控制系统有很多种,各有特点,本文针对本系统的实际需要,选择 PLC 进行控制,主要是因为如下特点及原因。 2.2.1 PLC 的特点 (1)可靠性高,抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术,采 用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。使用 PLC 构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到 数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC 带有硬件故障自我检测功能,出 现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊 断程序,使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统 将极高的可靠性。 (2)配套齐全,功能完善,适用性强 PLC 发展到今天,已经形成了各种规模的系列化产品,可以用于各种规模的工业控 制场合。除了逻辑处理功能以外,PLC 大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字 控制领域。多种多样的功能单元大量涌现,使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用 PLC 组成 各种控制系统变得非常容易。 (3)易学易用,深受工程技术人员欢迎 PLC 是面向工矿企业的工控设备。 它接口容易, 编程语言易于为工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,为不熟悉电子电路、不懂

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计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。 (4)系统的设计,工作量小,维护方便,容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计 及建造的周期大为缩短,同时日常维护也变得容易起来,更重要的是使同一设备经过改 变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。 安装与布线:动力线、控制线以及 PLC 的电源线和 I/O 线应分别配线,隔离变压器 与 PLC 和 I/O 之间应采用双胶线连接。将 PLC 的 I/O 线和大功率线分开走线,如必须 在同一线槽内,分开捆扎交流线、直流线,若条件允许,分槽走线最好,这不仅能使其 有尽可能大的空间距离,并能将干扰降到最低限度。 PLC 应远离强干扰源如电焊机、 大功率硅整流装置和大型动力设备,不能与高压电器安装在同一个开关柜内。在柜内 PLC 应远离动力线 (二者之间距离应大于 200mm) 与 PLC 装在同一个柜子内的电感性 。 负载,如功率较大的继电器、接触器的线圈,应并联 RC 消弧电路。PLC 的输入与输出 最好分开走线,开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线,屏蔽 层应一端或两端接地,接地电阻应小于屏蔽层电阻的 1/10,交流输出线和直流输出线不 要用同一根电缆,输出线应尽量远离高压线和动力线,避免并行。 I/O 端的接线:输入接线一般不要太长。但如果环境干扰较小,电压降不大时,输 入接线可适当长些; 输入/输出线不能用同一根电缆,输入/输出线要分开; 尽可能采用 常开触点形式连接到输入端,使编制的梯形图与继电器原理图一致,便于阅读。输出端 接线分为独立输出和公共输出。在不同组中,可采用不同类型和电压等级的输出电压。 但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源;由于 PLC 的输出元件被 封装在印制电路板上,并且连接至端子板,若将连接输出元件的负载短路,将烧毁印制 电路板; 采用继电器输出时, 所承受的电感性负载的大小, 会影响到继电器的使用寿命, 因此, 使用电感性负载时应合理选择, 或加隔离继电器; PLC 的输出负载可能产生干扰, 因此要采取措施加以控制,如直流输出的续流管保护,交流输出的阻容吸收电路,晶体 管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。 2.2.2 PLC 的应用广泛 目前,PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽 车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况主要分为如下几类: (1)开关量逻辑控制

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取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也 可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包 装生产线、电镀流水线等。 (2)工业过程控制 在工业生产过程当中,存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量 (即模拟量) PLC 采用相应的 A/D 和 D/A 转换模块及各种各样的控制算法程序来处理 , 模拟量,完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过 程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 (3)运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块,如可驱 动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块, 广泛用于各种机械、 机床、 机器人、 电梯等场合。 (4)数据处理 PLC 具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算) 、数据传送、数据转换、 排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如 造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 (5)通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络 的发展,现在的 PLC 都具有通信接口,通信非常方便。 2.2.3 PLC 的工作原理简单易懂 PLC 是采用“顺序扫描,不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC 运行时,CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序,按指令序号(或地址号)作周 期性循环扫描,如无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序,直至程序 结束。然后重新返回第一条指令,开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中,还要完成 对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。 PLC 的一个扫描周期必经输入采样,程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC 在输入采样阶段: 首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端 子的通断状态或输入数据读入,并将其写入各对应的输入状态寄存器中,即刷新输入。 随即关闭输入端口,进入程序执行阶段。

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PLC 在程序执行阶段:按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令,经相应 的运算和处理后,其结果再写入输出状态寄存器中,输出状态寄存器中所有的内容随着 程序的执行而改变。 输出刷新阶段:当所有指令执行完毕,输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段 送至输出锁存器中,并通过一定的方式(继电器,晶体管或晶闸管)输出,驱动相应输 出设备工作。 2.3

立体车库机械部分部件结构的选取
立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主,在升降横移式车库中我们选用钢架

结构示。钢架结构与其它建筑结构相比,具有如下特点: (1)可靠性高 钢材在生产时,整个过程可严格控制,质量比较稳定,性能可靠。钢材组织均匀, 接近于各向同性匀质体;钢材的物理力学特性与工程力学对材料性能所作的基本假定符 合较好;钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果, 计算结果可靠, 所以 说钢结构的可靠性高 (2) 材料的强度高,钢结构自重小 与混凝土等材料相比,虽然钢材的重力密度大,但它的强度和弹性模量较高,而且 强度与重力密度之比也高得多。钢结构自重小,从而便于运输与安装,可减轻基础的负 荷,降低地基和基础部分的造价。 (3)材料的塑性和韧性好 钢材的塑性好,钢结构在一般条件不会因超载等而突然断裂。破坏前一般都会产生 显著的变形,易于被发现,可及时采取补救措施,避免重大事故发生。钢材的韧性好, 钢结构对动力荷载的适应性强,具有良好的吸能能力,抗震性能优越。 (4)钢结构制造简便,施工工期短 钢结构一般在专业工厂制造,易实现机械化,生产效率和产品精度高,质量易于保 证,是工程结构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后,运至施工现场拼装成 结构。拼装可采用安装方便的螺栓连接,有时还可在地面拼装成较大的单元,再进行吊 装。施工工期短,可尽快发挥投资的经济效益。由于钢结构具有连接的特性,故易于加 固、改建和拆迁。 (5)钢结构密闭性好

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钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压结构、管道等。 (6)钢材的耐锈蚀性差 在没有腐蚀介质的一般环境中,普通钢材制成的钢结构经除锈后再涂上合格的防锈 涂料,锈蚀问题并不严重。立体车库多在没有腐蚀介质的环境中,所以对钢结构本身的 维护费用低。 结构主体采用热制H型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造,具有较好的强度和刚度, 轻巧、美观,并可二次拆卸安装,运输方便。

2.4 其他设备的简介
本文篇幅有限,不能对于所使用的硬件一一详细介绍,下面涉及的都是其他必需的 硬件,简介如下。 2.4.1 传感器 它是一种测距的光电传感器,具有测距远(最远可达到 5 米) ,采用反射镜反射的 检测方式,DC12-24V 供电,遮光 ON/入光 ON 选择。 本设计中主要用于车辆有无的自动判断。 2.4.2 减速电动机 采用德国技术进行模块化设计, 于减速机、 电机、 刹车器集成机电一体化组合使用, 配置美国托林顿轴承,日本产机与德国伦茨 TSB 电磁刹车器,国内出口创汇企业的电 机,各项指标符合技术要求。TGS 专用减速机与国外进口专用减速机对比,TGS 优势是 电机连续工作制,提升重量大,刹车扭矩大。 这是本设计的核心器件之一,主要控制载车板的移动。 2.4.3 行程开关 又称限位开关,可以安装在相对静止的物体(如固定架、门框等,简称静物)上或者运 动的物体(如行车、门等,简称动物)上。当动物接近静物时,开关的连杆驱动开关的 接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电 路和机构的动作。适用于操动机构交流电压 380V、直流 220V,发热电流为 5A 的控制 电路中。 本设计中主要用于控制载车板的行程。

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2.4.4

按钮 主要用于交流 50Hz-60Hz 工作电压至 380V 和直流工作电压至 220V 的控制电路中,

作控制、信号、互锁之用。 2.4.5 变频器 本系统的核心部分就是载车板的移动,在车板主要是电机控制,出于本系统对于电 机控制的极高要求,选择了变频器作为电机的主要控制器。

2.5 本章小结
本章主要是根据立体横移车库的具体控制要求,选取相应的硬件,主要针对可编程 控制器(PLC) ,变频器,车库的钢架结构做了详细的选取说明,并且对传感器、限位 开关(又称行程开关) 、按钮等做了简要的介绍。

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3 立体车库系统软件的设计
3.1 立体车库控制系统的程序设计
本 文 选 用 的 是 欧 姆 龙 公 司 的 CPM2A 型 PLC , 该 公 司 采 用 的 编 程 软 件 是 CX-Programmer,所以选取该软件作为程序编写的工具。 3.1.1 PLC 的工作原理 PLC 的工作方式与微型计算机相比有较大的不同。 PLC 不是利用微型计算机中的中 断处理方式,而是采用循环扫描的工作方式。CPU 按照系统程序所赋予的功能,接收并 把用户程序和数据存在 RAM 中,系统上电后,它按扫描方式开始工作,从第一条用户 指令开始,逐条扫描并执行直到最后一条用户指令为止。它进行周期性扫描,每扫描一 次,程序就被执行一次,由于 PLC 扫描用户程序的时间一般只有几十 ms,因此可以满 足大多数工业控制的需要,而且响应速度远远高于其他控制器[7]。PLC 按扫描的方式执 行程度是最基本的工作方式,也是最主要的。这种工作速度不仅适应于工业生产中 80% 以上的控制设备要求,就是在具有快速处理的 PLC 中,其主程序是以扫描方式执行的。 3.1.2 编程软件 CX-Programmer 的应用 CX-Programmer 是 OMRON 公司 PLC 的软件编程﹑调试的工具程序,适用于 C, CV,CS1 系列 PLC,它可完成用户程序的建立、编辑、检查、调试以及监控,同时还 具有完善的维护等功能, 使得程序的开发及系统的维护更为简单、 快捷。 CX-Programmer 编程软件支持模块化设计, 在程序编写时可以直接将编写好的程序通过 RS-232C 传送到 PLC 来控制现场设备。CX-P 编程软件可以实现梯形图或语句表的编程、编译检查程序、 程序和数据的上载及下载、设置 PLC 的设定区、对 PLC 的运行状态或内存数据进行监 控和测试、打印程序清单、文档管理等功能[6]。 根据立体车库控制具体要求,本程序采用了 CX-Programmer 编程软件。利用 CX-Programmer 系统的继电器指令、定时器和上升、下降沿微分指令可完成立体车库控 制系统的控制要求,互锁控制手动、自动各状态下的运行;选择车位,上下左右可选择 的移动控制等。 3.1.3 PLC 外部接线图 本系统共有 18 个输出,35 个输入,经过从功能方面和价格方面两个方面的考虑,

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发现欧姆龙可编程序控制器产品 CPM2A 比较适合本系统。因为它是一种功能很强的小 型机,在设计的过程中采用先进的方法及组件使其通常只有在大型 PLC 中才具有的功 能,且具有其他控制器所不具备的功能。虽然是小型机。但是其功能较完善,能较好的 完成系统所需要的功能,而且 性能价格比高,较适合自动车库。具体接线方式如图 3.1 所示。

图 3.1 PLC 的外部接线图

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3.1.4

PLC 的 I/O 地址分配 本系统由 35 个输入和 18 个输出组成,具体功能见下表。 其中输入如表 2.1 所示。
表 2.1 I/O 分配表之输入表 输入 输入 自动 上运行选择按钮 下运行选择按钮 车位 1 选择按钮 车位 2 选择按钮 车位 3 选择按钮 车位 4 选择按钮 车位 5 选择按钮 车位 6 选择按钮 车位 7 选择按钮 限位开关 1 限位开关 2 限位开关 3 限位开关 4 限位开关 5 限位开关 6 限位开关 7 限位开关 8 限位开关 9 限位开关 10 限位开关 11 限位开关 12 限位开关 13 限位开关 14 00203 00204 00205 00206 00207 00208 00209 00000 00001 00210 00211 车位传感器 3 车位传感器 4 车位传感器 5 车位传感器 6 车位传感器 7 左运行选择按钮 右运行选择按钮 复位 手动 限位开关 15 限位开关 16

00002 00003 00004 00005 00006 00007 00008 00009 00010 00100 00101 00102 00103 00104 00105 00106 00107 00108 00109 00110 00111 00200 00201 00202

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输出如表 2.2 所示。
表 2.2 I/O 分配表之输出表 输出 01000 01002 01003 01004 01005 01006 01007 01008 01009 01010 01011 电机 1 正运行 电机 1 反运行 电机 2 正运行 电机 2 反运行 电机 3 正运行 电机 3 反运行 电机 4 正运行 电机 4 反运行 电机 5 正运行 电机 5 反运行 电机 6 正运行 02000 02001 02002 00203 00204 00205 00206 输出 电机 6 反运行 电机 7 正运行 电机 7 反运行 电机 8 正运行 电机 8 反运行 电机 9 正运行 电机 9 反运行

3.1.5

立体车库控制系统的 PLC 程序编程语言的选择 PLC 有多种编程语言:梯形图语言、助记符语言、逻辑功能图语言、布尔代数语言

和某些高级语言(如 Basic、C 语言等)。但使用最广泛的还是梯形图语言和助记符语言。 用户可以根据自己的需要利用这些软件来改善软件的开发环境,提高编程效率[9]。 鉴于梯形图简洁易懂,操作方便,而且在平时的上课与实验中一直应用,因此比较 熟悉,所以本文选择了梯形图的编程方式。 欧姆龙 CMP2A 型号 PLC 采用的是梯形图编程语言,这种语言能很简单、很容易掌 握、也很直观的看到程序的执行的结果。比起 C 语言和汇编语言等计算机语言,梯形图 语言逻辑性更强,它以图形代替一成不变的指令,让人更容易的记住它。指令也更简单 明了化,不用过多的涉及计算机的原理和结构。所以即使对计算机原理与结构掌握不够 好,学习起梯形图语言也不会有太大的障碍。 梯形图主要是以逻辑的顺序控制来编程的,也就是以内部继电器的接通顺序,以及 一些特殊的指令,如时间继电器 TIM,来实现自动控制的目的。 3.1.6 立体车库控制系统的流程图 根 据前面介绍的 PLC 的工作原理、 PLC 的接线方式、 I/O 口的具 体分 配 、

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CX-Programmer 的使用方法之外还需要流程图来辅助,根据流程图来编写具体的程序。 本设计流程图如图 3.2 所示。
开始

手动

自动

车位选择

车位选择

移动方向选择

车位移动

过程结束

完成取/存否 Y 回原位

N

过程结束

图 3.2 系统流程图

3.1.7

立体车库控制系统的程序设计 本程序主要是由四大部分组成,手动/自动选择、上下左右运行控制、车位存取自动

识别、车位选择、微分信号和一些辅助功能组合而成。 主要运用了常开、常闭触点,上升沿、下降沿微分,以及中间继电器等器件有机组 合而成。 由于本系统程序复杂,为了不使文章过长,见附录 C。下面结合车位 3 在手动模式 下左移的具体操作说明一下程序的实际运行方式。 (1)程序启动时 当启动时,需要选择手动模式或者自动模式。此时按钮 00001,则选择自动模式, 按 00002 则选择手动模式。如图 3.3 所示。

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图 3.3 手动/自动模式选择

(2)手动模式下选择车位的操作 如果选择的是手动模式,那么下面需要选择需要移动的车位。以车位 3 为例,所以 首先选择车位 1。此时按 00005 则选定车位 1。如图 3.4 所示

图 3.4 选择电机 1

(3)移动方向的选择 选定车位之后就是选择运行方式。分为上、下、左、右四种,由于需要将车位 1 左 移,人为设定左移为电机 1 反运行。此时按下 00003,则启动左运行。则相应的电机 1 反运行。如图 3.5 和图 3.6 所示。

图 3.5 选择左运行

图 3.6 电机 1 反运行

(4)关断 当遇到限位开关 4 的时候,需要关断。按键 01004 相当于限位开关 4,按下之后发 出上升沿微分, 则常闭触点 20200 瞬间断电, 揭开正运行以及电机 1 的自锁。 实现停机。 如图 3.7 所示。

图 3.7 限位开关 4 上升沿微分

完毕之后必须手动复位。

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3.2 世纪星组态监控
本系统需要设计实时监控系统,所以需要选择一款监控软件来实现,本文选择了世 纪星组态软件。 3.2.1 世纪星软件的介绍 《世纪星组态软件》是在 PC 机上开发的智能型人机接口(HMI)软件系统,运行 于 Windows 98/2000/NT/XP 中文操作系统平台,全中文界面。产品在开发和设计过程 中,采用国际先进的组态理念,吸收当前国内外先进组态软件的优秀成果,并经过严格 的实验测试和众多行业的现场实践。 《世纪星组态软件》作为一个实时的人机界面实用程序生成器,可以产生在管理级 别上的监控和数据采集(SCADA)程序。 《世纪星组态软件》由开发系统(CSMaker)和运行系统(CSViewer)两部分组成。 开发系统和运行系统是各自独立的 Windows 32 位应用程序,均可单独使用,两者又相 互依存,在开发系统中设计开发的画面应用程序必须在运行系统中才能运行。 《世纪星组态软件》开发系统是其应用程序的集成开发环境。开发者在这个环境中 完成工况画面的设计、数据库定义、动画连接、设备安装、命令语言编写等。开发系统 具有先进完善的图形生成功能;数据库中有多种数据类型,对应于控制对象的特性,对 数据的报警、趋势曲线、历史数据记录、安全防范等重要功能有简单的操作方法。 《世纪星组态软件》运行系统是世纪星的实时运行环境,用于显示开发系统中建立 的动画图形画面,并负责数据库与 I/O 服务程序的数据交换。它通过实时数据库管理 从工业控制对象采集到的各种数据,并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来,同 时完成报警、历史数据记录、趋势曲线等监视功能[10]。 3.2.2 世纪星软件的特点 (1)先进性 《世纪星组态软件》作为一个实时界面实用程序生成器,可以产生在管理级别上的 监控和数据采集程序。 《世纪星组态软件》集强大功能和使用方便于一体。可视化 IE 风 格界面、丰富的工具栏,使用它,操作人员可以直接进入开发状态,节省宝贵的时间; 上百种图形控件,既提供所需的组件,又是画面制作向导;强大的全屏幕编辑功能,提 供更大的制作空间;终身技术支持及软件升级服务,使用户系统永远保持最新的技术,

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有效地保护用户的投资。 (2)方便性 《世纪星组态软件》的网络功能使企业的基层和其它部门建立起联系,现场操作人 员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场,就可以获得实 时和历史数据,优化控制现场作业,提高生产效率和产品质量。 (3)全面性 《世纪星组态软件》可用于电力、通讯、制冷、化工、石油、机械制造、钢铁、煤 炭、水泥、纺织、造纸、食品、水处理、建材、环保、智能楼宇、实验室、交通等多种 工程领域。无论应用场合如何,都可以使用《世纪星组态软件》构造有效的监控和数据 采集系统。 (4)独特性 《世纪星组态软件》可从屏幕抓取点位图提高该系统的运行效率;用户自定义函数 功能精确的控制应用系统;用户自定义图库功能可以不受限制扩充图库或新建图库,以 满足不同行业的需求;渐进颜色的使用,将用户带入三维立体世界;真正的 32 位应用 程序,智能型人机接口软件系统,以 Microsoft Windows 98/2000/NT 中文平台作为其操 作系统的全部强大功能。能及时为用户实现各种控制策略。其功能包括:抢先多任务、 多线程、即插即用硬件兼容性等等[11]。 3.2.3 实时监控系统的设计 在设计画面之前,需要先新建一个工程。打开 CSMAKER,用鼠标单击开发系统菜 单栏中的“文件” ,待菜单弹出后选中“工程项目管理器” ,再选择“新建” ,弹出如图 3.8 所示对话框, 键入一个工程名后, 会弹出一个窗口询问是否建立新项目, 当选择 “是” 的时候会出现一个新的窗口,点击刚才输入的工程名就可以进入所新建的工程目录下 了。这样就创建了一个新的工程。

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图 3.8 建立新工程

之后,就可以进行画面的设计,首先要选择在―新画面‖这个任务栏中输入要新建的 画面名称以及画面的尺寸大小,并选择出所要设计的画面的背景色及尺寸等相关选项, 然后点击“确定” ,则出现了一个根据所选背景色及相关选项的所产生的新画面。当新 画面建立好之后, 就可以按照题目要求来用各种绘图工具以及各种控件进行组态画面的 设计。 3.2.4 内部参数的设定 世纪星提供的变量数据库是一个实时数据库,它是世纪星组态软件的核心。在运行 系统中,数据库中保存的是所有变量的实时数据。运行系统将数据库中的数据同输入的 数据以及工业现场传送来的数据进行实时处理,再将数据送回工业现场,同时更新变量 数据库中变量的实时数据。在变量数据库中定义变量时,必须为每个变量定义一种数据 类型,这样才能使用该变量。系统提供四大类型变量:系统变量、内存变量、I/O 变量 和特殊变量。本系统主要采用其中的系统变量和内存变量。系统变量是系统预先设置的 变量,这些变量用户可以直接使用。系统变量又分为系统离散、系统整数、系统实数、 系统信息和系统报警变量。系统变量设有只读和读写属性,只读变量如系统时间等,由 系统自动更新,用户改变这些变量的数值;对于具有读写属性的系统变量,用户可以改 变变量的数值。系统变量都由$字符开头,用户不能修改或删除;用户定义的变量的 ID

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号从 101 开始向下排列,定义一个变量后(已经保存),除变量类型不能修改外,变量的 其他属性都能修改。内存变量分为离散、整数、实数、信息等四种类型。其变量数据库 如图 3.9 所示。

图 3.9 内部参数设定

3.2.5 软件语言的编程 在世纪星中,图形控件的变化需要条件的触发。世纪星本身所带的类似 C 语言的命 令语言来驱动应用程序,而且系统在定义动画连接时支持动画连接表达式。世纪星的命 令语言是由简单的判断语句构成。本系统的命令语言的编程方法如图 3.10 所示。

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图 3.10 组态编程示意图

3.3 组态画面的动画衔接
3.3.1 组态画面的设计 通过 《世纪星组态软件》 设计出的立体车库控制系统的组态监控画面如图 3.11 所示。 画面中画出了立体车库控制系统的工作状况,并对 PLC 梯形图中用的输入输出都表示 了出来。

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图 3.11 立体车库系统的组态画面

3.3.2 动态衔接的介绍 动画连接就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。这样,现场状态变化时, 通过 I/O 接口, 将引起实时数据库中变量的变化, 如果定义了一个画面图素 (比如指针) 与这个变量相关,我们将会看到指针在同步偏转。动画连接的引入是人机接口的一次突 破,它把程序员从重复的图形编程中解放出来,为程序员提供了标准的工业控制图形界 面,并且有可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。图形对象与变量之间有丰富 的连接类型,给程序员设计图形界面提供了极大的方便。 图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分数等,一个图形 对象又可以同时定义多个连接。把这些动画连接组合起来,应用软件将呈现出令人难以 想象的图形动画效果。 画面编辑好以后, 需要将画面与前面定义的数据对象即变量关联起来, 以便运行时, 画面上的内容能随变量变化。例如本设计既是在 PLC 被输入了某种组合信号时,对应 的存取动作。 以下即为动画连接的车位 7 运行图为例的介绍。 如图 3.12 为车位 7 开始下 移。

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图 3.12 车位 7 下移

如图 3.13 所示,即车位 7 工作时的动态画面,系统运行后,车位 7 下行。

图 3.13 车位 7 实现取车

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如图 3.14 所示,当汽车走出之后,车位 7 回位,以便其他车位操作。

图 3.14 车位 7 复原

如图 3.14 所示, 车位 7 的存车过程与上图相同, 此图为重新加载汽车后的归位状态。

3.4 本章小结
主要是立体车库系统的软件以及监控系统的设计。首先选择了编程软件 CX-Programmer,并且对他的特点进行了详细的介绍,然后设计了世纪星组态的监控程 序,并对具体的设计过程做了详细的讲述。

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结 论
本文利用日本 OMRON 公司研制的 CPM2A PLC 成功的设计出了升降横移式立体车 库的控制系统的控制程序, 并且经检验系统能很好的实现升降横移式立体车库的控制系 统的设计要求。 本论文一开始详细介绍了升降横移式立体车库的控制系统的组成及各种 器件的选择,对于其中的设计细节做了详细的描述。并且根据需要选择了相应的软件, 编写了符合要求的控制程序,然后又论述了升降横移式立体车库的控制系统的工作顺 序,截取实际的 PLC 梯形图进行了详细的讲解。 本系统基本实现了升降横移式立体车库的控制系统的控制要求并且利用世纪星组 态软件成功的实现监控。 在整体设计过程中按照提出问题,分析问题,解决问题的主导思想,对整个监控系 统的设计工作做出了细致的阐述。 但是因为时间有限,所以本设计难免会存在一些瑕疵,经过最后的检测,发现本系 统还存在着一些不足, 主要表现在世纪星组态不能十分逼真的表现出车辆进出车库所有 运动步骤、程序设计上不能自动选择最佳空位停车等功能。希望学弟学妹能设计出更完 善的升降横移式立体车库控制系统,使它能更好的服务于广大人民。

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致 谢
毕业设计,也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想借这次机会感谢四年以来 给我帮助的所有老师、同学,你们的友谊是我人生的财富,是我生命中不可或缺的一部 分。 我首先要感谢我的毕业设计指导老师——魏静敏老师,本论文是在导师魏静敏老师 的精心指导下完成的。在这期间魏老师渊博的学识,高尚的品格、严谨的治学态度以及 兢兢业业的敬业精神,始终激励鼓舞我不断前进。她孜孜不倦的教诲和悉心全面的教导 在毕业设计期间给予了我莫大的关怀与照顾,同时为我的毕业设计指出了方法,提出了 很好的建议,并每周组织同组的同学一起研究。 日月如梭,光阴似箭,转眼间四年的大学学习即将结束。回顾这四年来紧张而又充 实的学习生活,我感受颇多。不仅学到了许多新的理论知识,而且使自己分析问题和解 决问题的能力得到了较好的锻炼。面对探求科学知识的新的道路,站在新的起点,我更 加充满信心,充满热情和希望。 感谢学校的各位老师,他们在我遇到困难时给予了大力帮助。 感谢我的师弟师妹以及同班同学,他们在我的学习中给予了我很多的帮助,与他们 之间的交流让我受益匪浅。 感谢所有关心、帮助过我的老师、同学和朋友们。

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参考文献
[1] 闰宏伟,潘宏侠.立体停布库在我国的发展前景综述讨论,2004 (3) [2] 摩根斯坦利―中国汽车业",2003 (3) [3] 徐培万.立体车库发展及市场前景.国外科技动态,2000 (5) [4] 苗深.PLC在立体停车装置控制中的应用机电工程,2000 (1) [5] 郭宗仁,吴亦峰,郭永.可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术,2002:P5-12 [6] 何波,现代可编程控制器及通信网络.陕西:陕西科学技术出版社,2004.8:P140-164 [7] 张启君.立体车库的主要形式及技术特点.机电产品开发与创新,1999 (55) [8] 刘炜,张云生.立体车库监控系统.昆明理工大学研究生论文集,1998 [9] 土耀斌,李世武,胡明.城市停车场的规划和设计.吉林工业大学自然科学学报 ,2001年 7月,31卷第三期:P98-101 [10] 世纪星组态软件V7.22用户手册.北京世纪佳诺科技有限公司,2000:P60-162 [11] 袁秀英.组态控制技术.电子工业出版社,2003:P32-38

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附录 A 英文原文 Programmable Logic Controllers (PLCs)
1 About Programmable Logic Controllers (PLCs)
PLCs (programmable logic controllers) are the control hubs for a wide variety of automated systems and processes. They contain multiple inputs and outputs that use transistors and other circuitry to simulate switches and relays to control equipment. They are programmable via software interfaced via standard computer interfaces and proprietary languages and network options. Programmable logic controllers I/O channel specifications include total number of points, number of inputs and outputs, ability to expand, and maximum number of channels. Number of points is the sum of the inputs and the outputs. PLCs may be specified by any possible combination of these values. Expandable units may be stacked or linked together to increase total control capacity. Maximum number of channels refers to the maximum total number of input and output channels in an expanded system. PLC system specifications to consider include scan time, number of instructions, data memory, and program memory. Scan time is the time required by the PLC to check the states of its inputs and outputs. Instructions are standard operations (such as math functions) available to PLC software. Data memory is the capacity for data storage. Program memory is the capacity for control software. Available inputs for programmable logic controllers include DC, AC, analog, thermocouple, RTD, frequency or pulse, transistor, and interrupt inputs. Outputs for PLCs include DC, AC, relay, analog, frequency or pulse, transistor, and triac. Programming options for PLCs include front panel, hand held, and computer. Programmable logic controllers use a variety of software programming languages for control. These include IEC 61131-3, sequential function chart (SFC), function block diagram (FBD), ladder diagram (LD), structured text (ST), instruction list (IL), relay ladder logic (RLL), flow chart, C, and Basic. The IEC 61131-3 programming environment provides support for five languages specified by the global standard: Sequential Function Chart, Function Block Diagram, Ladder Diagram, Structured Text, and Instruction List. This allows

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for multi-vendor compatibility and multi-language programming. SFC is a graphical language that provides coordination of program sequences, supporting alternative sequence selections and parallel sequences. FBD uses a broad function library to build complex procedures in a graphical format. Standard math and logic functions may be coordinated with customizable communication and interface functions. LD is a graphic language for discrete control and interlocking logic. It is completely compatible with FBD for discrete function control. ST is a text language used for complex mathematical procedures and calculations less well suited to graphical languages. IL is a low-level language similar to assembly code. It is used in relatively simple logic instructions. Relay Ladder Logic (RLL), or ladder diagrams, is the primary programming language for programmable logic controllers (PLCs). Ladder logic programming is a graphical representation of the program designed to look like relay logic. Flow Chart is a graphical language that describes sequential operations in a controller sequence or application. It is used to build modular, reusable function libraries. C is a high level programming language suited to handle the most complex computation, sequential, and data logging tasks. It is typically developed and debugged on a PC. BASIC is a high level language used to handle mathematical, sequential, data capturing and interface functions. Programmable logic controllers can also be specified with a number of computer interface options, network specifications and features. PLC power options, mounting options and environmental operating conditions are all also important to consider.

2 INTRODUCTION
For simple programming the relay model of the PLC is sufficient. As more complex functions are used the more complex VonNeuman model of the PLC must be used. A VonNeuman computer processes one instruction at a time. Most computers operate this way, although they appear to be doing many things at once. Consider the computer components shown in Figure 1.

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Figure 1 Simplified Personal Computer Architecture

Input is obtained from the keyboard and mouse, output is sent to the screen, and the disk and memory are used for both input and output for storage. (Note: the directions of these arrows are very important to engineers, always pay attention to indicate where information is flowing.) This figure can be redrawn as in Figure 2 to clarify the role of inputs and outputs.

Figure 2 An Input-Output Oriented Architecture

In this figure the data enters the left side through the inputs. (Note: most engineering diagrams have inputs on the left and outputs on the right.) It travels through buffering circuits before it enters the CPU. The CPU outputs data through other circuits. Memory and disks are used for storage of data that is not destined for output. If we look at a personal computer as a controller, it is controlling the user by outputting stimuli on the screen, and inputting responses from the mouse and the keyboard. A PLC is also a computer controlling a process. When fully integrated into an application the analogies become; inputs - the keyboard is analogous to a proximity switch

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input -circuits - the serial input chip is like a 24Vdc input card computer - the 686 CPU is like a PLC CPU unit output - circuits - a graphics card is like a triac output card outputs - a monitor is like a light storage - memory in PLCs is similar to memories in personal computers It is also possible to implement a PLC using a normal Personal Computer, although this is not advisable. In the case of a PLC the inputs and outputs are designed to be more reliable and rugged for harsh production environments. 3 OPERATION SEQUENCE All PLCs have four basic stages of operations that are repeated many times per second. Initially when turned on the first time it will check it‘s own hardware and software for faults. If there are no problems it will copy all the input and copy their values into memory, this is called the input scan. Using only the memory copy of the inputs the ladder logic program will be solved once, this is called the logic scan. While solving the ladder logic the output values are only changed in temporary memory. When the ladder scan is done the outputs will be updated using the temporary values in memory, this is called the output scan. The PLC now restarts the process by starting a self check for faults. This process typically repeats 10 to 100 times per second as is shown in Figure 3.

Figure 3 PLC Scan Cycle

SELF TEST - Checks to see if all cards error free, reset watch-dog timer, etc. (A watchdog timer will cause an error, and shut down the PLC if not reset within a short period of time - this would indicate that the ladder logic is not being scanned normally). INPUT SCAN - Reads input values from the chips in the input cards, and copies values memory. This makes the PLC operation faster, and avoids cases where an input changes from the start to the end of the program (e.g., an emergency stop). There are special PLC functions that read the inputs directly, and avoid the input tables.

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LOGIC SOLVE/SCAN - Based on the input table in memory, the program is executed 1 step at a time, and outputs are updated. This is the focus of the later sections. OUTPUT SCAN - The output table is copied from memory to the output chips. These chips then drive the output devices. The input and output scans often confuse the beginner, but they are important. The input scan takes a snapshot of the inputs, and solves the logic. This prevents potential problems that might occur if an input that is used in multiple places in the ladder logic program changed while half way through a ladder scan. Thus changing the behaviors of half of the ladder logic program. This problem could have severe effects on complex programs that are developed later in the book. One side effect of the input scan is that if a change in input is too short in duration, it might fall between input scans and be missed. When the PLC is initially turned on the normal outputs will be turned off. This does not affect the values of the inputs. 3.1 The Input and Output Scans When the inputs to the PLC are scanned the physical input values are copied into memory. When the outputs to a PLC are scanned they are copied from memory to the physical outputs. When the ladder logic is scanned it uses the values in memory, not the actual input or output values. The primary reason for doing this is so that if a program uses an input value in multiple places, a change in the input value will not invalidate the logic. Also, if output bits were changed as each bit was changed, instead of all at once at the end of the scan the PLC would operate much slower. 3 .2 The Logic Scan Ladder logic programs are modelled after relay logic. In relay logic each element in the ladder will switch as quickly as possible. But in a program elements can only be examines one at a time in a fixed sequence. Consider the ladder logic in Figure 4, the ladder logic will be interpreted left-to-right, top-to-bottom. In the figure the ladder logic scan begins at the top rung. At the end of the rung it interprets the top output first, then the output branched below it. On the second rung it solves branches, before moving along the ladder logic rung.

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Figure 4 Ladder Logic Execution Sequence

The logic scan sequence become important when solving ladder logic programs which use outputs as inputs. It also becomes important when considering output usage. Consider Figure 5, the first line of ladder logic will examine input A and set output X to have the same value. The second line will examine input B and set the output X to have the opposite value. So the value of X was only equal to A until the second line of ladder logic was scanned. Recall that during the logic scan the outputs are only changed in memory, the actual outputs are only updated when the ladder logic scan is complete. Therefore the output scan would update the real outputs based upon the second line of ladder logic, and the first line of ladder logic would be ineffective.

Figure 5 A Duplicated Output Error

4 PLC STATUS
The lack of keyboard, and other input-output devices is very noticeable on a PLC. On the front of the PLC there are normally limited status lights. Common lights indicate; power on - this will be on whenever the PLC has power

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program running - this will often indicate if a program is running, or if no program is running fault - this will indicate when the PLC has experienced a major hardware or software problem. These lights are normally used for debugging. Limited buttons will also be provided for PLC hardware. The most common will be a run/program switch that will be switched to program when maintenance is being conducted, and back to run when in production. This switch normally requires a key to keep unauthorized personnel from altering the PLC program or stopping execution. A PLC will almost never have an on-off switch or reset button on the front. This needs to be designed into the remainder of the system. The status of the PLC can be detected by ladder logic also. It is common for programs to check to see if they are being executed for the first time, as shown in Figure 6. The ‘first scan‘ input will be true on the very first time the ladder logic is scanned, but false on every other scan. In this case the address for ‘first scan‘ in a PLC-5 is ‘S2:1/14‘. With the logic in the example the first scan will seal on ‘light‘, until ‘clear‘ is turned on. So the light will turn on after the PLC has been turned on, but it will turn off and stay off after ‘clear‘ is turned on. The ‘first scan‘ bit is also referred to at the ‘first pass‘ bit.

Figure 6 An program that checks for the first scan of the PLC

5 MEMORY TYPES
There are a few basic types of computer memory that are in use today. RAM (Random Access Memory) - this memory is fast, but it will lose its contents when power is lost, this is known as volatile memory. Every PLC uses this memory for the central CPU when running the PLC. ROM (Read Only Memory) - this memory is permanent and cannot be erased. It is often used for storing the operating system for the PLC.

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EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) - this is memory that can be programmed to behave like ROM, but it can be erased with ultraviolet light and reprogrammed. EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read Only Memory) – This memory can store programs like ROM. It can be programmed and erased using a voltage, so it is becoming more popular than EPROMs. All PLCs use RAM for the CPU and ROM to store the basic operating system for the PLC. When the power is on the contents of the RAM will be kept, but the issue is what happens when power to the memory is lost. Originally PLC vendors used RAM with a battery so that the memory contents would not be lost if the power was lost. This method is still in use, but is losing favor. EPROMs have also been a popular choice for programming PLCs. The EPROM is programmed out of the PLC, and then placed in the PLC. When the PLC is turned on the ladder logic program on the EPROM is loaded into the PLC and run. This method can be very reliable, but the erasing and programming technique can be time consuming. EEPROM memories are a permanent part of the PLC, and programs can be stored in them like EPROM. Memory costs continue to drop, and newer types (such as flash memory) are becoming available, and these changes will continue to impact PLCs.

6 Verification and optimization of a PLC control schedule
The verification of hybrid systems is a research area of rapidly growing importance in the formal methods community. The presence of both discrete and continuous phenomena in such systems poses an inspiring challenge for our specification and modelling techniques, as well as for our analytic capacities. This has led to the development of new, expressive models, such as timed and hybrid automata , and new verification methods, most notably model checking techniques involving a symbolic treatment of real-time (and hybrid) aspects.An important example of hybrid (embedded) systems are process control programs, which involve the digital control of processing plants, e.g., chemical plants. A class of process controllers that are of considerable practical importance are those that are implemented using Programmable Logic Controllers or PLC. Unfortunately, both PLC and their associated programming languages have no well-defined formal models or semantics, which complicates

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the design of reliable controllers and their analysis. To assess the capacity of state-of-the-art formal methods and tools for the analysis of hybrid systems, the EU research project VHS (Verification of Hybrid Systems) has defined a number of case studies. One of these studies concerns the design and verification of a PLC program for an experimental chemical plant. In this article we report on the use of two model checkers for the verification of a process control program for the given plant and the derivation of optimal control schedules. It is a companion paper to , which concentrates on the correct design of the process controller. The original intention of our approach was to see how much could be achieved using the standard model checking environment of SPIN/Promela . As the symbolic calculations of real-time model checkers can be quite expensive it is interesting to try and exploit the efficiency of established non-real-time model checkers like SPIN in those cases where promising work-arounds seem to exist. In our case we handled the relevant real-time properties of the PLC controller using a time-abstraction technique; for the scheduling we implemented in Promela a so-called variable time advance procedure . For this case study these techniques proved sufficient to verify the design of the controller and derive (time-) optimal schedules with very reasonable time and space requirements. A first report on our experiences has been published as , whose findings are further extended and elaborated in this article. One of the conclusions of our initial experiments as reported in the initial publication was that ―. . . it would be useful to be able to influence the search strategy of the model checker more directly and guide the search first into those parts . . . where counterexamples are likely to be found.‖ Since this publication a new version of the real-time model checking tool UPPAAL has become available that employs a cost-guided evaluation strategy for state-space exploration, viz., cost-optimal UPPAAL . This tool is a natural candidate to support the derivation of optimal control schedules in a real-time environment. This motivated us to carry out the optimization part of the case study again with cost-optimal UPPAAL, both as an interesting exercise in its own right, and to collect data to interpret and compare with the results obtained with SPIN. The rest of this paper is organized as follows: Sect. 2 gives a description of the batch plant, the nature of PLC, and a description of the control program that was systematically designed in previous work . Section 3 describes the Promela models for the plant and the control process, and their use for its formal verification and optimization. Section 4 then introduces a

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cost-optimal UPPAAL model of the same processes, and presents the optimization results that were obtained using it. Section 5, finally, evaluates the work and presents our conclusions.

7 SOFTWARE BASED PLCS
The dropping cost of personal computers is increasing their use in control, including the replacement of PLCs. Software is installed that allows the personal computer to solve ladder logic, read inputs from sensors and update outputs to actuators. These are important to mention here because they don‘t obey the previous timing model. For example, if the computer is running a game it may slow or halt the computer. This issue and others are currently being investigated and good solutions should be expected soon.

8 SUMMARY
? A PLC and computer are similar with inputs, outputs, memory, etc. ? The PLC continuously goes through a cycle including a sanity check, input scan, logic scan, and output scan. ? While the logic is being scanned, changes in the inputs are not detected, and the outputs are not updated. ? PLCs use RAM, and sometime EPROMs are used for permanent programs.

9 PRACTICE PROBLEMS
1. Does a PLC normally contain RAM, ROM, EPROM and/or batteries? 2. What are the indicator lights on a PLC used for? 3. A PLC can only go through the ladder logic a few times per second. Why? 4. What will happen if the scan time for a PLC is greater than the time for an input pulse? Why? 5. What is the difference between a PLC and a desktop computer? 6. Why do PLCs do a self check every scan? 7. Will the test time for a PLC be long compared to the time required for a simple program? 8. What is wrong with the following ladder logic? What will happen if it is used?

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9. What is the address for a memory location that indicates when a PLC has just been turned on?

10 PRACTICE PROBLEM SOLUTIONS
1. Every PLC contains RAM and ROM, but they may also contain EPROM or batteries. 2. Diagnostic and maintenance 3. Even if the program was empty the PLC would still need to scan inputs and outputs, and do a self check. 4. The pulse may be missed if it occurs between the input scans 5. Some key differences include inputs, outputs, and uses. A PLC has been designed for the factory floor, so it does not have inputs such as keyboards and mice (although some newer types can). They also do not have outputs such as a screen or sound. Instead they have inputs and outputs for voltages and current. The PLC runs user designed programs for specialized tasks, whereas on a personal computer it is uncommon for a user to program their system. 6. This helps detect faulty hardware or software. If an error were to occur, and the PLC continued operating, the controller might behave in an unpredictable way and become dangerous to people and equipment. The self check helps detect these types of faults, and shut the system down safely. 7. Yes, the self check is equivalent to about 1ms in many PLCs, but a single program instruction is about 1 micro second.

From:Journal of Science and Engineering, Laurence Bodelot

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附录B 中文翻译 可编程逻辑控制器
1 PLC 介绍 PLCS(可编程逻辑控制器)是用于各种自动控制系统和过程的可控网络集线器。 他们包含多个输入输出,输入输出是用晶体管和其它电路,模拟开关和继电器来控制设 备的。PLCS 用软件接口,标准计算器接口,专门的语言和网络设备编程。 可编程逻辑控制器 I/O 通道规则包括所有的输入触点和输出触点,扩展能力和最大 数量的通道。触点数量是输入点和输出点的总和。PLCS 可以指定这些值的任何可能的 组合。扩展单元可以被堆栈或互相连接来增加总的控制能力。最大数量的通道是在一个 扩展系统中输入和输出通道的最大总数量。PLC 系统规则包括扫描时间,指令数量,数 据存储和程序存储。扫描时间是 PLC 需要的用来检测输入输出模块的时间。指令是用 于 PLC 软件(例如数学运算)的标准操作。数据存储是存储数据的能力。程序存储是 控制软件的能力。 用于可编程逻辑控制器的输入设备包括 DC,AC,中间继电器,热电偶,RTD,频 率或脉冲,晶体管和中断信号输入;输出设备包括 DC,AC,继电器,中间继电器,频 率或脉冲,晶体管,三端双向可控硅开关元件;PLC 的编程设备包括控制面板,手柄和 计算机。 可编程逻辑控制器用各种软件编程语言来控制。这些语言包括 IEC61131-3,顺序执 行表(SFC) ,动作方块图(FBD) ,梯形图(LD) ,结构文本(ST) ,指令序列(IL) , 继电器梯形图(RIL) ,流程图,C 语言和 Basic 语言。IEC61131-3 编程环境能支持五种 语言,用国际标准加以规范,分别为 SFC,FBD,LD,ST 和 IL。这便允许了多卖主兼 容性和多种语言编程。SFC 是一种图表语言,它提供了编程顺序的配合,就能支持顺序 选择和并列选择,二者择其一即可。FBD 用一种大的运行库,以图表形式建立了一些复 杂的过程。标准数学和逻辑运行可以与用户交流和接口运行相结合。LD 是适用于离散 控制和互锁逻辑的图表语言。它在离散控制上与 FBD 是完全兼容的。ST 是一种文本语 言,用于复杂的数学过程和计算,不太适用于图表语言。IL 是与组合编码相似的低级语 言。它用在相对比较简单的逻辑指令。继电器梯形图或梯形图是适用于可编程逻辑控制 器的重要的编程语言。梯形图编程是设计成继电器逻辑程序的图表表示法。流程图是一

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种图表语言,用于在一个控制器或应用软件中描述顺序操作,它用于建立有标准组件的 可循环使用的运行库。C 语言是一种高级编程语言,适用于处理最复杂的计算,连续的 数据采集任务。它典型地在 PC 机上运行调试。BASIC 语言是用于处理数据的连续的数 字采集和接口运行的高级语言。 可编程逻辑控制器也规范了许多计算机接口设备,网络规则和特色。PLC 能源设备 和运行环境也是非常重要的。 2 指令 对于简单的编程, 继电器型 PLC 是有效的。 随着功能的复杂化, 复杂的 VonNeaman 型 PLC 就必须被采用。一个 VonNeaman 计算机一次只能执行一个指令,他们是这样运 行的,尽管许多计算机看上去一次在做许多事情。正如图 1 所示的计算机组成。

图 1 简化个人计算机结构图

输入是通过键盘和鼠标得到的。输出被送到屏幕。磁盘和存储器用于输入和输出存 储(注意:这些箭头的方向对于设计者是非常重要的,要注意表明信息是流向哪里的。 ) 这个图表可以像图 2 那样能被重新拟订来阐明输入设备和输出设备的作用。

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图 2 输入输出方向图

在这个图表中数据通过输入设备进入左边。 (注意:大多数设计图表都是左边输入, 右边输出的。 )在进入 CPU 之前,它穿过缓冲电路。CPU 通过其他回路输出数据。存储 器和磁盘用语存储要输出的数据。如果我们把个人计算机看作一个控制器,它通过在屏 幕上输出激励和输入来自鼠标和键盘的响应来控制用户。 PLC 也是一个控制过程的计算机。当与应用程序完全结合起来时,类似之处变成: 输入设备—键盘与接近开关相类比。 输入电路—连续输入芯片就像一个直流 24V 的输入卡。 计 算 机—686CPU 就像一个 PLC 的 CPU 模块。 输出电路—图形卡就像一个三相开关输出卡。 输出设备—监控器就像指示灯。 存 储 器—PLC 的存储器与个人计算机的存储器相似。 用普通个人计算机可以运行 PLC,虽然则并不被提倡做。就 PLC 来说,输入和输 出 设备设计得更加可靠,更加粗糙,更适合恶劣的制造环境。 3 运行顺序 所有的 PLC 系统有每秒钟重复多次的四种基本运行阶段。最初被第一次接通时, 它会检测它的硬件和软件是否有错误。如果没有错误,它会把所有输入和输入值复制到 存储器,这叫输入扫描。只用复制了输入值的存储器,梯形逻辑图将被解决一个,这叫 逻辑扫描。 在解决梯形图期间, 输出值只在临时存储器中被改变。 当梯形图扫描完成后,

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输出将用存储器中临时值修正,这叫做输出扫描。PLC 此时将从自我检测开始重新启动 这个过程,这个过程很明显地每秒钟重复 10 到 100 次,正如图 3 所示

图 3 PLC 扫描循环

自我检测—检测是否所有的卡没有错误,把时间继电器复零等。 (如果在很小一段 时间内没有复零,时间继电器会引起错误,关闭 PLC 系统。—这会表明梯形图没有被 正常扫描。 ) 输入扫描—从芯片上的输入卡读取输入值,并把输入值复制到存储器,这能使 PLC 更快速地运行,并且避免从程序开始到结束输入变化。 (例如:意外停止)有一些特殊 的 PLC 功能,能直接读取输入值,避免了输入表格。 逻辑处理/扫描—基于存储器的输入表格, 程序被一次执行一步, 同时输出值也被修 正,这是其它节的集中。 输出扫描—输出表格从存储器复制到输出芯片,这些芯片然后驱动输出仪器。 输入输出扫描经常会令初学者感到迷惑,但是他们是很重要的。输入扫描是输入值 的快照,并且解决逻辑关系。在一个梯形图扫描期间,如果一个输入在梯形图的多个地 方被用到,它就会起变化,潜在问题就可能发生,而输入扫描却避免了这些问题。这个 边境效应是如果在一段持续时间内如果一个输入变化太短,它可能在输入扫描之间会减 少或者丢失。 当 PLC 最初被启动时,通常的输出会被关闭,这不会影响输入值。 3.1 输入输出扫描 当输入值被扫描到 PLC 时,自然输入值被复制到存储器。当输出值被扫描到 PLC 时,他们将从存储器复制到自然输出设备。当梯形图被扫描时,它将用存储器中的 值,并不是实际的输入输出值。这样做的主要原因是如果一个程序在多个地方用一个输 入值,那么输入值的变化将使其逻辑关系无效。而且,如果随着每块的变化,输出模块 也变化,在扫描结束时 PLC 的运行速度将大大减慢。 3.2 逻辑扫描 梯形逻辑程序图是模仿继电器逻辑图的。在继电器逻辑图中,程序的每个元件将尽

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可能快地开关。 但是在一个程序中, 元件只能按固定的顺序一次检测一个。 如图 4 所示, 梯形图将按从左到右, 从上到下的顺序被解释。 在图中, 梯形逻辑扫描将从最高层开始。 在底层,它将先解释高层输出,然后输出它下面的分支。在第二层,沿着梯形逻辑图移 动之前,将先解释分支。

图4 梯形图逻辑执行顺序

解决梯形逻辑程序时,逻辑扫描顺序会变得非常重要。梯形图输出作为输入,考虑 输出应用时,它也变得非常重要。如图 5 所示,梯形图第一行将检测输入并把输出 X 置 1,得到相同的值。第二行将检测输入 B 并把输出 X 置 1,得到相反的值。因此,直到 梯形图的第二行被扫描时 X 值才能与 A 相等。在逻辑扫描期间,输出值只能在存储器 中被改变,只有当梯形逻辑扫描完成时,实际的输出才能被修正。因此,在第二行的基 础上,输出扫描将修正实际输出值。并且梯形图的第一行将无效。

图 5 错误重复输出

4 PLC 状态显示
在一个 PLC 中,缺少键盘和其他的输入输出设备是非常值得注意的。在 PLC 前端 通常有一定数量的状态指示灯。通常指示灯表明: 电源启动—只要 PLC 带电,它将被启动。 程序运行—这将指示是否程序正在运行或是否没有程序正在运行。 错误显示—当 PLC 有大的硬件或软件错误时,这将有显示。 这些灯通常用于调试。一定数量的按钮也将提供给 PLC 的硬件。最普通的按钮是

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一个运行/编程选择开关,当在保持状态时,它将被调到编程;当在生产状态时,它将被 调到运行。一个 PLC 系统几乎没有一个启动关闭开关或复位开关在前面。这需要被设 计到系统剩余部分。 PLC 的状态也能被梯形逻辑图检测。检测程序是否第一次被执行是非常普遍的。如 图 6 所示。?first scan‘输入在梯形图被第一次扫描时,将是对的,而在其余的每次扫描 时是错误的。这种情况下,PLC—5 的?first scan‘的地址是?S2:1/14‘。根据例子中的逻 辑关系,第一次扫描将封上?light‘,直到?clear‘被启动。因此灯将在 PLC 被启动之后变 亮, 但在?clear‘被启动之后, 它将关闭并且保持在关闭状态。 ?first scan ‘模块在?first pass‘ 模块中被提到。

图 6 核验 PLC 第一次扫描的程序

5 存储器类型
有几种基本的现在经常使用的计算机存储器类型: RAM(随机存储器)—这种存储器速度很快,但是当没电时,它的内容将被丢失。 这是一种不稳定存储器,每个 PLC 在运行时,都用这种存储器作为中央处理器 。 ROM(只读存储器)—这种存储器是永久性的不可擦除的。它通常用于存放 PLC 的操作系统。 EPROM(可擦除可编程只读存储器)—这是一种像 ROM 一样可编程的存储器,但 是它能用紫外线光擦除并且可以重新编程。 EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)—这种存储器能像 ROM 一样存放程序。 它能被编程并且用电压擦除,因此它正变得比 EPROM 更加普遍。 所有的 PLC 系统都用 RAM 做 CPU,用 ROM 存储 PLC 的基本操作系统。当有电 时,RAM 的内容被保存,但是问题在于当供给存储器的电源失去时会发生什么。原先 PLC 卖主用带有电池的 RAM,这样如果不失电,存储器的内容就不会丢失。这种方法 现在仍被使用, 但变得不那么受欢迎。 EPROMS 也是 PLC 编程的比较好的选择。 EPROM 在 PLC 外部编程,然后被放入 PLC。当 PLC 被启动时,在 EPROM 上的梯形逻辑程序

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被下载 PLC 并且运行。这种方法非常可靠,但是擦除和编程技术都是很消耗时间的。 EEPROM 存储器是 PLC 的永久部分,程序能 EPROM 一样被存放在他们中。存储器的 价钱一直在下降,新类型正变得可被利用,这些变化将继续对 PLC 系统发生影响。

6 检验和优化一个 PLC 控制时间表
混合的系统是快速地成长的重要一个研究领域。在系统中出现不连续的和连续的 现象,激发了我们对特殊系统技术挑战和对我们能力的分析。这导致新的表达的模型发 展,例如,计时的混合自动机械装置和新的方法,最特别地做模型检查技术包括即时方 面。混合(嵌入的)系统的一个重要的例子是处理控制计划,包括处理系统的数传控制, 举例来说,化学药品厂的控制系统是相当的重要的典型应用的程序控制器系统。令人失 望的是 PLC 和他们组成的系统语言都没有好标准,不能用正式的模型来设计复杂可靠 的控制器。欧盟研究计划 VHS(混合的系统)有许多个案研究。其中一个研究为一个实验 的化学工厂与 PLC 控制流程设计有关。在这个文章中,我们在两个样板的检验员检测 的基础上报告为给定的系统和最佳的控制引出预定。它是程序控制器的正确设计上的浓 缩语。这个工具是一个很自然的备选者中支持即时的环境最佳的控制时间表引出的。这 再一次给与我们实行个案研究的最佳化部份的机会,也是它自己功能的一种练习。收集 数据并解释与之相比较后获得的结果。这篇文章开始部分介绍 PLC 性质。

7 基于软件的 PLC 系统
个人计算机持续下降的价格增加了他们在控制系统中的应用,包括 PLC 的替代品。 安装了软件就能用个人计算机解决梯形图逻辑.从传感器中读取输入,修改输出送到激 励。这些对于维持是很重要的,因为他们不用遵守以前的计时模式.例如,计算机正运行 一个游戏, 就可能减慢或停止计算机.这个以及其它问题现在正被研究, 好的解决方案不 久就会出现。

8 概要
?PLC 系统和计算机与输入设备,输出设备,存储器等很相似。 ?PLC 系统不断地执行系统检查,输入扫描,逻辑扫描和输出扫描这个循环。 ?当逻辑图被扫描时,输入的变化没有被发现,输出也没有被修正。 ?PLC 系统用 RAM,有时用 EPROM 存放永久程序。

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9 实际问题
?一个 PLC 系统通常包括 RAM,ROM,EPROM 和/或电池吗? ?PLC 的指示灯用于什么? ?为什么一个 PLC 系统每秒钟只能扫描梯形图几次? ?如果一个 PLC 系统的扫描时间比输入脉冲长,会发生什么?为什么? ?一个 PLC 系统与一部台式计算机的不同是什么? ?为什么 PLC 系统每次扫描要做自我检查? ?PLC 检测时间会比简单程序所需时间长吗?

10 实际问题解答
?每个 PLC 系统包括 RAM 和 ROM,但是他们也包括 EPROM 或电池。 ?诊断和保持。 ?尽管程序是空的,PLC 系统仍需扫描输入和输出,做自我检测。 ?如果在两次输入扫描之间发生,脉冲就会丢失。 ?主要的区别包括输入设备输出设备和应用。PLC 系统是为工厂设计的,因此它没 有鼠标键盘之类的输入设备。(虽然,一些较新型 PLC 能够达到)他们也没有屏幕声音之 类的输出设备,.取而代之,他们有电压,电流这样的输入设备和输出设备。PLC 使用户 为专门的任务设计程序,然而在个人计算机上给系统编程是不常见的。 ?这能帮助检测硬件和软件错误。 如果一个错误发生了, PLC 还继续运行,控制器就 可能以一种不可预见的方式运行,这对人和机器是非常危险的。自我检测则帮助检查出 这些错误,并且安全地关闭系统。 ?是的,在许多 PLC 系统中,自检大约需要 1ms,但一个单一程序需 1mms。

摘自:科学与工程期刊 作者:Laurence Bodelot

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附录 C PLC 梯形图

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