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立体车库试验系统资料
立体车库试验系统
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一、设计思想
1.1简介
随着我国经济的飞速发展、汽车拥有率的迅速上升，城市停车难问题不断恶化，而作为解决城市停车难的有效措施——立体车库，以其占地面积少、停车率高、布置灵活等优点，越来越受到人们的青睐。
智能立化体车库以其操作方便、安全可靠、高效低耗等优点，正受到在国内外的关注。
现代大型建筑的主流是智能化大厦和小区，因此自动化立体停车设备或车库的自动控制系统将成为智能化大厦和小区的一个重要组成部分。
操作简单、迅速，使用方便，安全可靠，维护量小，为用户提供一个安全、简易的使用环境，这是自动化立体停车设备的基本特点。
停车设备的一切运行状况，车辆停放的时间，车辆存放交费情况，车库库容量，车辆存放高、低峰情况，等信息均可通过网络传送到智能化控制中心，通过智能化控制中心运算处理，与广播系统和各分部管理办公室相连，达到提前发布相关控制、管理信息，从而全部实现智能化管理。
通过大厦和小区的智能化控制中心还可与社会相关职能部门联网，将有关信息发布出去或收集进来，扩大车库的社会利用率和经济效益。
这将是自动化车库的发展方向。
1.2自动化立体车库主要结构组成及类型
目前，立体车库主要有以下四种形式:
升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式和垂直循环式。
1.2.1升降横移式
如图1.2.1所示，升降横移式立休车，采用模块化设计，每单元可设计成两层、三层、四层、五层、半地下等多种形式，车位数从几个到上百个。
此立体车库可以在地面及地下停车场使用，也可设计成半地下形式，使用形式与配置灵活，造价较低。
该类的主要特点在于:
a.节省占地，配置灵活，建设周期短；
b价格低，消防、外装修、上建地基等投资少；
c.可采用自动控制，构造简单，安全可靠；
d存取车迅速，等候时间短；
e.运行平稳，工作噪声低；
f.适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。
图1.2.13X3升降横移式车库
韩国和德国公司的这类产品比较多，二层升降横移式立体车库特别适应于原有地库自走式停车场的改造工程。
多层升降横移式主要适应于高度不受限制的平面自走式停车场的改造，结构简单且都已模块化。
1.2.2巷道堆垛式
如图1.2.2所示，巷道堆垛式立体车库采用堆垛机作为存取车辆的工具，所有车辆均由堆垛机进行存取，因此对堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，所以巷道堆垛式立体车库适用于车位数需要较多的客户使用。
图1.2.2巷道堆垛式图1.2.3垂直提升式
1.2.3垂直提升式
如图1.2.3所示，垂直提升式立体车库类似于电梯的工作原理，在提升机的两侧布置车位，一般地面需一个汽车旋转台，可省去司机调头。
垂直提升式立体车库一般高度较高（几十米），对设备的安全性，加工安装精度等要求都很高，因此造价较高，但占地却最小。
目前在南京市也有该类车库，占地225平方米、能停224辆车。
据了解，该垂直提升式立体车库高50多米，28层，车库的两个门可同时进出车辆。
车辆进入后，计算机管理系统将使车辆自动运转至合适的位置，停、取l辆车的时间大约为90秒。
1.2.4垂直循环式
如图1.2.4所示，此类型的车库具有如下特点:
a.占地少，两个泊位面积可停6至10辆车；
b.外装修可只加顶棚，消防可利用消防栓；
c.价格低，地丛、外装修、消防等投资少，建设周期短；
d.可采用自动控制，运行安全可靠。
图1.2.4垂直循环式
1.3升降横移式车库概况
升降横移式立体车库主要组成为五部分，分别为控制部分、升降和横移传动部分、框架结构部分、载车板部分和安全防护部分。
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。
停泊在车库内地面的车只作横移，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，驾驶员才可以进入车库内将汽车开进或开出车库，升降由电机驱动，通过钢丝绳拖动载车板，也是利用一台电机便可实现车位的移动。
存车操作：
司机驾驶车辆从车库入口处进入，操作员从上位机处获取存车位信息并且写入IC信息磁卡，司机在入口处领取IC磁卡（卡上记录存车时间和车位号）后，司机开车进入车库到指定停车位存车，下车后按指定按钮确认已经从车里走出。
PLC收到信号后控制车库托盘进行升降横移操作，自动完成存车过程。
取车操作:
司机在入口处交还IC卡，根据磁卡信息缴纳停车费用后。
操作人员通过上位机向相关PLC发出取车命令，PLC进行相关操作，待车辆降至地面一层，司机取走车辆，完成取车操作。
现在越来越多的应用智能立体停车库系统，它是集设备、操作、安全、监控、维护、管理为一体的智能化系统。
其高度的智能检测和完善的服务体系可实现零故障运行。
它最大的特点就是分时控制功能，实现分时段、分层停车控制，有效提高车位利用率。
智能化立体车库也可以利用计算机智能控制，实现自动存、取车业务，并可实现一系列的智能化功能的立体停车库系统，是集自动化技术、计算机技术为一体的智能化、立体化的物流储运系统。
1.4实验任务
立体车库实验系统是一个综合性、设计性、创新性的运动控制系统，在这个设计的系统中，信息技术与运动控制技术相结合，软、硬件设计相结合，机与电相结合，充分的利用了我们所学过的知识，同时这个实验系统也预留了创新的空间，充分发挥了我们的潜力。
二、实验装置组成及特点
2.1.实验装置组成
系统采用垂直升降式结构，车架由铝合金材料构成，可方便地进行组装和拆卸，外形美观、大方、紧凑。
电气传动部分采用了交流伺服电动机和步进电动机驱动，由嵌入式运动控制卡进行位置控制。
实验装置组成图
2.2.实验装置特点
立体车库实验装置具有以下特点:
（1）技术先进、综合性强；
（2）开放式的积木化结构；
（3）取、送车机构应用变速链轮两级传动；
（4）控制界面及管理调度条理性强；
变速链轮两级传动结构控制界面
三、系统设计
3.1总体设计
3.1.1系统功能要求
整个车库设计由一台上位机对车库进行统一的管理和监控，通过PLC控制载车托盘纵横传动装置以完成对车辆的存取操作。
系统提供现场总线建立PLC与上位机的通信，上位机监控车库运行状态并且分析计算最佳停车位。
各区域内车辆的调入调出由PLC根据调车命令和当前各区域内车位的车辆存放情况，按照相应的调度策略调度车辆进出。
立体车库的自动存取车控制系统包括弱电与强电两套系统。
弱电系统主要包括各种信号的采集、报警与控制输出。
PLC输出信号给接触器线圈，控制接触器的接通与关断。
强电系统包括载车托盘电机控制线路、控制电机正反转接触器、到位限位及载车板的上下行程限位。
车库采用层面车位检测装置代替人工找位，用升降装置输送汽车到位。
存车时，司机驾驶车辆从车库入口处进入，操作员从上位机处获取存车位信息并且写入IC信息磁卡，司机在入口处领取IC磁卡（卡上记录存车时间和车位号）后，司机开车进入车库到指定停车位存车，下车后按指定按钮确认已经从车里走出。
PLC收到信号后控制车库托盘进行升降横移操作，自动完成存车过程。
取车时，车主将卡插入读卡机，系统会自动寻找对应的车辆并自行将其取出。
实现车库的智能化的关键在于解决车辆的自动存入对位及自动取出问题。
同时，为了缩短存取车所用的时间，通过运算自动判断最优停车位与取车路线。
系统在面板处设有急停开关，当发生意外时，按下急停开关，断掉所有电机的电源，使载车盘无法继续运行，以保护人员及设备的安全。
系统输出控制信号包括控制电机运行方向信号，控制电机运行信号，控制电磁铁得、失电信号，控制灯光报警信号，控制车库照明信号。
综合起来立体车库系统需要解决的问题如下:
1）管理立体车库设备对车辆停放、进出、收费、读卡、制卡等作业。
2）自动分配用户的停泊车位。
3）向PLC发送各种作业指令，监控设备工作状态和车位使用状态。
4）接收操作员的工作指令。
5）管理数据库，产生各种需要的报表。
6）完善的当前数据和历史数据查询功能。
7）友好的人机界面，使用各种图形技术，可以全面显示车库各运转设备，工作位置、设备工作状态、车位占用图，计算车库使用效率等各种财务管理数据。
3.1.2系统重要组成部分
立体车库控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统组，图1.2为该系统结构框图。
控制系统由“上线总线机或网络（可选）+上位机+PLC+现场操作机构”构成，以PC机为核心，配备有打印机、音效设备、收款机、显示器等。
上级总线控制机或网络、操作器、触摸屏、IC卡磁卡机都可选部分，为进一步开发内容，可根据车库规模以及实际情况合理选用。
例如多个3×3单元组合车库，我们可以用一个PLC控制一个车库单元，多个PLC共同构成多点结构的局域网。
如果车库的规模足够大，还可以考虑配备操作器、触摸屏和IC卡磁卡机实现智能化自动控制。
图3.1.2控制系统结构图
车库控制方式分为3级——手动、半自动和全自动。
手动是在现场用手操作器对每个托板进行点动控制：
半自动为操作PLC控制面板上的按钮由PLC实现自动逻辑控制；全自动是由计算机给出存取命令由PLC执行（要求配备“操作器”）。
手动方式主要用于维修调试或异常情况处理，为最高优先级；半自动或全自动方式用于正常进出车处理，其中半自动方式优先级高于全自动。
在计算机脱机情况下，PLC控制面板可以完成所有存取车操作。
手动、半自动、全自动之间必须能够互锁。
采用上位机技术，上位Pc机向PLC发出控制指令，再}hPLC控制车库执行机构的运作，从而完成上位机对整个升降横移式立体车库系统的控制与管理，达到全自动化的控制水平。
上位机与PLC的通信是应用上位机中通信软件对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置，以实现上位机串行口和PLC上的通讯单元之间的通讯连接。
3.2硬件设计
3.2.1控制系统功能概述
立体车库控制系统通过工作人员操作上位工控机完成对车辆的存取操作。
存取车具体操作：
存车时，司机驾驶车辆从车库入口处进入，操作员从上位机处获取存车位信息并且写入IC信息磁卡，司机在入口处领取IC磁卡（卡上记录存车时间和车位号）后，司机开车进入车库到指定停车位存车，下车后按指定按钮确认已经从车里走出。
PLC收到信号后控制车库托盘进行升降横移操作，自动完成存车过程。
取车时，车主将卡插入读卡机，系统会自动寻找对应的车辆并自行将其取出。
实现车库的智能化的关键在于解决车辆的自动存入对位及自动取出问题。
同时，为了缩短存取车所用的时间，通过运算自动判断最优停车位与取车路线。
车库系统主要负载参数如下表：
表3.2.1车库负载参数
升降横移式立体停车库运动的总原则是:
升降复位，平移不复位，即车库托盘在上升下降过程后，必须回到原始位置;在实现平移的过程后可以不回到原位置。
车库每个车位均由各自独立的机构驱动，利用可编程控制器和计算机系统，可以实现完整的自动存取车控制。
在每层车库（除最上层）均留有一个空车位，允许托盘在电机的带动下左右移动一个车位，为上层托板的下移留出通道。
在人员进行存车操作时，通过人机界面系统提供合适的车位。
如果要存入一层，则用户可以直接将车开入一层停车托盘即可，不需要其它层托盘的横移和升降。
如需将车停于非一层的位置，则需将托盘落至第一层，再将车辆开入，检测其停放到位后，再将其升至原所选位置。
在停车托盘下降过程中，如果下层对应列上有托盘，则需进行平移操作，留出托盘的下降通道。
车库每存取一辆车，要涉及其左右或下面车位托板的移动，所以用可编程控制器进行程序控制，取车过程与存车过程一致。
通过上位计算机的数据通信手段，数据处理能力和图形显示。
多媒体技术可以对车库操作运行过程给出提示信号和对故障进行报警。
系统采用工控计算机、PLC、逻辑开关和执行单元构成控制结构，在不同情况下，以不同方式实现车库的控制与操作管理。
3.2.2升降横移装置的驱动方式及电机的选择
在立体车库中，升降横移机构为升降传动机构与横移传动机构的结合。
横移传动包括横移输送小车升降的固定架及车托盘，车托盘是承载车的装置。
对于3*3立体车库，下面两层共有4台可以进行横移，第一层和第二层各有两台，这两层各有留有一个空车位，供车盘左右横移之用，输送小车及车盘左右横移的动力源是横移输送电机，左右横移终点由限位开关进行定位保护。
升降传动机构包括升降固定架及车盘，车盘作为承载车装置，除第一层不需要车盘升降外，其它层每个车盘都要可以进行升降，第二层有两台车盘可以进行升降，第三层设有三台车托盘可以进行升降，升降拖盘的动力源是升降电机，由限位开关对车托盘升降到位时进行定位保护。
在车库的运行过程中，顶层托盘只有升降运动，其余层都有横移运动。
电机选用上要求具备制动、减速于一体的电机，针对本车库的情况，升降系统采用链传动。
3.2.3驱动方式的选择
目前在有轨起重设备的运行中，横移机构的驱动方式通常有:
1）液压驱动。
是普通电机驱动的2-4倍，具有大的驱动扭矩和简便的速差控制方式、较低的速差。
但是设备成本较高，对液压系统以及电控系统要求极高，且液压联接点较多容易泄漏，因此对液压元件的质量和可靠性均有严格的要求。
2）一角驱动。
主要用于小跨度轻型起重设备中。
3）对角驱动。
主要用于中小型的臂架型起重机。
当轨道铺设平整时、它能基本上保证驱动轮轮压之和不随臂架位置的变化而变化。
4）四角驱动。
用于大中型的管架型和轿架型起重机。
能保证驱动轮轮压之和不变。
对于本升降横移式立体车库、其一设计承重（轿车自垂）小于1800kg，托盘自重与托架自重约1600kg，其横移速度要求在0.1~0.2m/s，之间。
因此，托盘和轿车的总重为3400kg左右。
3.2.4电机的选择
假设减速器的减速比B，链轮的外径为D，电机的输出转速为W有WD/（2B）=0.1~0.2。
又因为电机选为三相交流电机，查表可知横移电机功率在0.2~0.4kw即可。
目前国际上流行采用集电机、制动器、减速器于一体的“三合一”交流电机，它具有起动转矩大，制动可靠，结构紧凑，体积小、重量轻、噪声低，可频繁起动等一系列优点。
根据立体车库横移机构的上述参数（横移速度、承载录、结构尺寸），本立体车库横移机构的驱动方式采用仅用“三合一”一角单轮驱动。
如图3.2.4所示:
图3.2.4一角单轮驱动方式示意图
它的特点是传动轴大大缩短，运行驱动装置简化轻巧，占用空间小。
布置安装灵活，维修方便，工作可靠，传动效率高。
在一般情况下，单轮驱动依靠托架金属结构的良好刚度，可以实现同步远行。
如果结构刚度不够，会导致从动轮跑偏、啃轨等现象。
由于该驱动方式结构简单，日前市场上已有成功使用的例子。
3.2.5变频器选择
变频器选型时要确定以下几点:
l）采用变频的目的:
恒压控制或恒流控制。
2）变频器的负载类型:
叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3）变频器与负载的匹配问题。
电压匹配:
变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
电流匹配:
普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
转矩匹配:
这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
对于一些特殊的应用场合，如高温、高海拔，会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
在选型过程中变频器如果要长电缆运行时，要采取措施抑制长电缆对地藕合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
3.3软件设计
3.3.1PLC应用系统的软件设计
应用系统的程序设计就是根据PLC系统的硬件结构和生产工艺的要求以及软件规格说明书，使用相应的编程语言指令，编制实际应用程序和程序说明书的过程。
程序设计的主要步骤：
（1）程序设计前的准备工作
（2）程序框图设计
（3）编写程序
（4）程序的测试
（5）编写程序说明书
总的来讲，实现PLC应用控制系统的软件设计流程图如3.1所示：
图3.3.1PLC应用系统程序设计图
3.3.2控制系统软件设计
程序设计原则
1）简化原则
尽量使用以低成本能完成工作的简单系统，因为系统越简单，操作和维护成本越低，可靠性越高，系统响应速度越快。
2）灵活性原则
系统设计时应该考虑到系统将来的功能，用途方面的扩展，以满足未来的需要和变化，当然系统设计的灵活性和系统的经济性是一对矛盾，必须兼顾二者。
3）自动化原则
最大限度的应用自动化控制进行操作，因为恰当的自动控制能减少差错，降低使用才成本，提高系统的利用率。
4）人机工程原则
设计时要考虑系统使用人员的方便，而且不容易犯错误。
5）易于掌握和操作原则
只有容易掌握和使用的系统才会使系统使用人员容易接受。
6）可靠性原则
系统不因操作人员的误操作造成系统阻塞，甚至死机现象。
另外系统要有数据库的备份以及恢复功能，以防止系统因为病毒等原因引起的数据库信息的丢失现象。
7）模块化原则
因为模块化的程序是设计人员思路是否清晰的重要体现，是系统可靠性的重要保证。
PLC程序编制原则与程序设计流程
设计PLC应用程序的基本原则是:
第一，最大限度满足车库的控制要求，即完整性原则。
第二，确保计算机控制系统的可靠性。
第三，力求控制系统简单、实用、合理。
第四，考虑到扩展的需要，即接口和通信等留有适当的余地。
例如，系统为4*3立体车库，即四层三列立体车库，最多存放量9辆车。
存取车控制只针对上层（二、三、四层）车位，而对于下层车位，存取车只需直接开进开出即可，采用梯形图语一言编写。
对车位的操作就是控制横移小电机和升降大电机，使它们在不同时间实现正反转。
上层升降动作和以下各层的横移动作必须是互锁的，即当上层泊位在升降时，下面各层泊位不能移动，当下层车位在进行升降动作时，上层车位也不能移动，并且每次升降只能有一个车位进行上下运动。
在智能化立体车库系统中，用各种光电开关、行程开关检测位置状态;用接触器、继电器执行对拖动电机的起停控制;用PLC来完成对托盘、托板位置及运行状态的检测和存取车的操作。
程序设计要求:
l）下层停车板左右横方向移动，上层停车板上下升降运动实现存取车;
2）手动状态时能够对每个车位单独启动和停止:
3）自动状态时，送车时控制系统能够自动寻找车位，取车时，控制系统能够自动将车辆送到地面。
该系统中PLC主要完成对托盘、托板位置及运行状态的检测和存取车的操作。
所用状态元件、定时器及数据存储器均选用具有掉电保护功能的元件，当系统掉电时元件保持掉电前的状态，以保存现场信息;当发生意外情况时，按下急停按钮中止系统的运行并保存现场断点信息;当出现如电机过载、过热电气或机械故障时，自动中止系统的运行，并发出声光报警，同时系统转入手动方式进行故障处理。
在设计不同层进出车程序时可以采取仲各分支流程可同时执行，待各流程动作全部结束后，根据条件汇合状态动作的方式，提高运行速度。
如若选择第三层托盘进出车，可使一层二层同时左移或右移，这样，控制系统均能自动处理设备动作顺序之间联锁或双重输出，方便了控制系统的运行及故障检查。
在软件设计中为缩短进出车时间，提高工作效率，可采取各分支流程同时执行，待各个分支流程全部结束后根据相应条件会合各相应动作的方式。
采用模块化编程形式，如:
主程序模块、手动按键子程序模块、紧急停车按键子程序模块、托盘平移运动程序模块、故障报警子程序模块等，车位运行过程中只需调用子程序模块，通过模块化程序，方便了程序的修改，降低了程序的复杂性，还为车位的拓展提供了便利的条件。
图3.3.2存车流程图
四、存取车原理
升降横移停车库利用托盘移位产生垂直通道，实现高层车位升降存取车辆，全部逻辑过程均由PLC进行控制。
地面上布置的升降横移立体车库结构特点是:
底层只能平移，顶层只能升降，中间层既可平移又可升降。
除顶层外，中间层和底层都必须预留一个空车位，供进出车升降之用。
当底层车位要存取车时，无需移动其它托盘就可直接进出车;中间层、顶层进出车时，先要判断其对应的下方位置是否为空，不为空时要进行相应的平移处理，直到下方为空才可进行下降和进出车动作，进出车后托盘再上升回到原位置。
其运动总原则是:
升降复位，平移不复位。
地下布置、半地上半地下布置车库的结构与此类似。
如图4.1所示，3*3升降横移立体车库运动原理第一层和第二层都有两个停车位，一个空位;第三层有三个停车位，无空位。
图4.1
假如停车库的状态如图（a）所示，除了A32是空的，其它车位有车。
现在要把车停放到A32停车位上，则首先应将A32停车位下的车位移开，即将A12,A22,向左移，如图（b），最后将A32降至底层，如图（c），车停到A32上，然后托盘复位，如图（d）。
图2-3为停车全过程的运动示意图，同样N层M排的存取车原理相同。
图4.2三层升降横移式立体停车库运动示意图
五、实验小结
立体车库是一种多平面的空间立体停车车库，它以单层平面停车场为核心，通过可编程控制器（ProgrammingLogicController，简称PLC）控制车位的空间位置变动，使车位能够实现空间到平面的转化，实现多重单层平面停车的功能。
立体车库实验系统设计在查阅大量资料的基础上，以立体车库车位设备控制为研究对象，通过对可编程控制器PLC及相关方面的学习和研究，实现了用可编程控制器PLC对升降横移式立体车库模型控制系统的控制。
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