立体车库机电体化.docx

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立体车库机电体化

目录

第一章绪论·················································1

1.1立体车库的背景和意义·································1

1.2立体车库的关键技术及其国内外研究发展现状·············3

1.2.1国外立体车库的研究现状···························3

1.2.2国内立体车库的研究现状···························4

1.3立体车库分类及特点···································5

第二章硬件设计·············································8

2.1机械系统设计·········································8

2.2电气控制系统设计·····································9

2.2.1电气系统关键部分设计······························9

2.2.2步进电机驱动器····································9

2.2.3步进电机工作原理··································10

2.2.4步进电机的特点····································11

2.2.5步进电机的选型····································12

第三章控制系统设计·········································13

3.1可编程控制器控制概况··································13

3.2PLC的选型···········································16

3.3车库工作原理·········································16

3.4PLC的I/O资源配置··································17

3.5具体流程设计··········································19

3.6梯形图程序············································21

第四章上位监控组态监控设计·································26

4.1上位机软件设计概述···································26

4.2设计监控画面·········································28

4.3定义数据变量·········································29

4.4动画变量连接·········································30

4.5画面命令语言·········································32

4.6运行系统设置·········································33

4.7动画演示·············································34

第五章结论与展望···········································35

5.1结论·················································35

5.2展望·················································35

致谢························································36

参考文献····················································37

摘要

车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果，立体停车设备的发展在国外，尤其在日本已有近30~40年的历史，无论在技术上还是在经验上均已获得了成功。

我国也于90年代初开始研究开发机械立体停车设备，距今已有十年的历程。

由于很多新建小区内住户与车位的配比为1:

1，为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾，立体机械停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性，已被广大用户接受。

立体停车库属于仓储设施,专门为各类车辆自动停放，科学寄存.其由钢构架、回转台（采用埋人式）、输送车或升降电梯、监控操作台及辅助设备（消防、配电、防盗机构）六大部分联合构成,目前，在国内一些经济较发达，人口密度较大的城市中开发推广,并已经日趋成熟。

立体停车库以停放轿车为主,其代价较昂贵,而且立体停车库使用时涉及到人身和车辆的安全,所以对设备的安全性和可靠性要求非常高。

PLC采用了以计算机为核心的通用自动控制装置,集微机技术、自动化技术、通讯技术为一体,可靠性强、性价比高、设计紧凑、扩展性好、操作方便,适用于频繁启动和恶劣的环境,因此在立体停车库控制系统中通常采用PLC作为电控系统的核心，辅佐以限位开关来控制精确的存取车。

关键词：

立体停车库；PLC；传感器

第一章绪论

1.1立体车库的背景和意义

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。

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。

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1.1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。

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，1998年1月1日起执行的《国家计委6号令》把机械式停车序和立体停车场列入“国家重点鼓励发展的产业、产品和技术日录”，国家海关总署对机械式停车产品规定“国内投资项目给予免征进口税”、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间题提供了机会。

可以预见立体车库具有非常广阔的市场前景。

1.2立体车库的关键技术及其国内外研究发展现状

1.2.1国外立体车库的研究现状

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1.2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，80年代开始引进日本技术，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1.3韩国LG公司研发的塔式

1.2.2国内立体车库的研究现状

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1.4在我国广泛使用的升降横移式立体车库

1.3立体车库分类及特点

城市停车场可分为自行式停车场和机械式停车场,机械式停车场又分为全自动和半自动两种类型,目前最常见的是机械式立体停车库。

根据机械停车设备的构造及其工作原理,机械式立体停车库主要有升降横移式、垂直升降式、巷道堆垛式、垂直循环式、水平循环式、多层循环式、平面移动式、简易升降式、汽车升降机等九种类型。

目前主要有升降横移式、垂直升降式、巷道堆垛式等三大类最常使用。

列举了这几种主要类型：

（1）垂直升降式。

垂直升降式汽车停车库主要是通过载车台的垂直升降实现存取车的。

车库中部为升降机构，左、右两部分分为车库架。

存车时，车开到升降台中部的托盘上，升降机构带动车和托盘一起上升，到达指定层面时，升降台停稳，升降台上的伸缩机构通过横向伸缩把手和托盘搁放在空车架上，取车情况和此类似，但运动方向相反。

特点：

整个存车库可多达20~25层，即可停放40~50辆车，占地面积不到50m

2，空间利用率最高。

适宜建筑在高度繁华的城市中心区域以及车辆集中停放的集聚点。

在停车设备的市场份额约占3~4%。

不足点：

整体结构设计不科学，力学结构不合理，二层以下可以，三上升降运行时摆动幅度过大，风力过大时发生摇晃，连设计人员自己都担心，留有巨大的安全隐患，是停车设备需要技术改进的产品，否则将被淘汰。

（2）升降横移式。

特殊设计的结构，通过升降和横移操作实现停车取车，以三层横移式为例来说明其操作过程。

一层放车托盘只能平移和上升，二层托盘可平移也可升降，三层只能下降与平移。

一层车位在地面，车可以直接进出，停放在一层可以上升至二、三层；二层车辆出库时，先下降到一层所空车位，再出车库；停在三层的车出库时，先左右平移一、二或三层车位，空出向下移动所需车位，使得三层所停车辆通过空位下到一层，再出库。

升降横移式立体停车库主要是由框架结构部分、载车板部分、传动部分、控制部分、安全防护装置五大部分组成。

特点：

由于型式比较多，规模可大可小，对地的适应性较强，因此使用十分普遍。

钢结构部分、载车板部分、链条传动系统、控制系统、安全防护措施等。

在停车设备的市场份额约占70%。

不足点：

每组设备必须留有至少一个空车位；为链条牵动运行过程不具有防止倾斜坠落功能。

（3）巷道堆垛式。

其工作原理和堆垛式立体自动化仓库存取货物很接近。

升降机构可上下及水平移动，在运行到存车位置时，伸缩机构伸缩，从车架上取放车。

特点：

巷道堆垛类立体停车库设备是20世纪60年代后欧洲根据自动化立体仓库原理设计的一种专门用于停放小型汽车的立体停车设备。

是一种集机、光、电、自动控制为一体的全自动化立体停车设备，它的出现解决了人们希望解决的大型自动化停车难题；全封闭车库，存车安全等特点。

巷道堆垛式立体车库适用于大型建筑停车库或地下停车库。

在停车设备的市场份额约占3~5%。

不足点：

设备结构复杂，设有完善的闭锁和监测系统，采用足够的安全措施和消防系统，相对比较故障率高。

最远车位一般一次取车需2分钟，高峰取车时间依次取车时间过长，依次取车第20辆约需30分钟以上，实用性差，因此有的用户开始改造。

与自行式停车场相比,机械式立体停车库有以下优势：

（1）节省占地面积,空间利用率高；

（2）使用方便,操作简单；

（3）易于安全管理；

（4）节能、环保,改善市容。

目前，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，可以发现水平循环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，最终确定研究对象为水平循环式立体车库。

第二章硬件设计

2.1机械系统设计

立体车库的主要由结构框架部分、载车板部分、循环系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成。

我们重点对车库的主要组成进行分析。

1机构框架

立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在水平循环车库中我们选择用钢结构。

钢结构与其他建筑结构相比，具有如下特点：

a.可靠性高

b.材料的强度高，钢结构自重小

c.材料的苏醒和韧性好

d.钢结构制造简便，施工工期短

e.钢结构密闭性好

f.钢材的耐锈蚀性差

2载车板及其水平循环系统

每块载车板都有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。

根据载车板及车重确定链条所需的传动力。

根据传动力及载车板的移动速度确定电机功率。

根据车身高度确定载车板间的距离，根据这个距离确定链条的长度，最后根据传动力确定链轮大小，链节形状及大小。

载车板横移装置示意图

3控制系统

水平循环式立体停车设备的控制系统采用PLC可编程序控制器控制，主要有手动、自动、复位、急停四种控制方法。

自动控制应用于平时的正常工作状态，手动控制应用于调试、维修状态，复位应用于排除故障场合，急停应用于发现异常的紧急场合。

对于本文中所列的8车位水平循环式立体车库停车设备，PLC主要要控制一、二两个升降电机的正反转和一、二层八个横移电机的正反转。

此外要控制上层车位上安全钩的电磁铁和系统报警显示装置等。

4安全装置

上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置。

防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两侧各装两只挂钩，上载车板两侧相应位置处各装两只耳环，当上载车板上升到位后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内，以防止升降电机常闭制动器慢释放后，上载车板在汽车和载车板本身的重力作用下慢慢下滑，压坏下层汽车。

下载车板的安全装置主要是行程极限开关盒防碰撞板。

行程极限开关的作用是使载车板横移到位后自动停止。

防碰撞般的作用是：

下载车板横移时，如果碰撞到人、遗留行李或车主宠物时，切断横移电机电源，横移停止。

2.2电气控制系统设计

2.2.1电气系统关键部分设计

在水平循环式立体车库中，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转。

电机正反转控制原理图如下图所示。

电机控制原理图

2.2.2步进电机驱动器

步进电机的驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。

驱动电路是步进电机应用的关键，是影响其性能发挥和可靠运行的一个最重要的因素。

步进电机驱动器采用森创SyntronSH-20403两相混合式步进电机细分驱动器，该驱动器提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分七种模式，利用驱动器上六位拨码开关的1、2、3位可以组合出不同的状态如图所示。

当前的设置为2细分即改善半步。

步进电机驱动器控制信号的意义如下：

公共端：

输入信号采用共阳极接线方法，应将输入信号的电源正极接到该端子上，将输入的控制信号接到相应的信号端子上。

控制信号低电平有效，此时对应的内部光耦导通，控制信号输入控制器中。

脉冲：

脉冲信号输入端，共阳极时该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。

方向：

方向信号输入端，该信号的低电平和高电平控制电机的两个转向。

脱机：

脱机信号输入端，共阳极低电平时，电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。

2.2.3步进电机的工作原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或者线位移的开环控制元件。

在非超在的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无积累误差等特点，使速度、位置等控制变得非常的简单。

当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。

因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制部件电机转子机械位移的方向，实现位置的控制。

当电脉冲按某一项相序连续加到步进电机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。

因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。

步进电机的这种控制功能，是其他电动机无法替代的。

步进电机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电机的相数可分为：

单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。

增加相数能提高步进电机的性能，当时电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。

2.2.4步进电机的特点

⑴步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为“步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100%），所以广泛应用于各种开环控制。

⑵步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比

⑶步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变，使用开环控制（或半闭环控制）就能进行良好的走位控制。

⑷起制动、正反转、变速等控制方便。

⑸价格便宜，可靠性高。

⑹步进电机的主要缺点是效率较低，并且要配上适当的驱动电源。

⑺步进电机带负载惯性的能力不强，在使用时既要注意负载转矩的大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有当两者选取在和汉斯的范围时电机才