管理系统的研究与设计.docx
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管理系统的研究与设计
管理系统的研究与设计
摘要
智能停车库管理系统是把整个停车库放置于PC管理下的一种机电综合高新科技的产品，能够独自完成存取车辆并且对管理信息进行相关的处理，所以在该系统上进行相关的设计、修改与研究，可以缓解我国现在基础上的停车困难等问题，具有一定的实际意义和深远的价值。
基于巷道堆垛式立体停车库的管理自动化、智能化程度高，并且其安全性能好、运行平稳和高效率，应用范围广，因此可以利用PLC（可编程序控制器）设计一个巷道堆垛式智能立体车库的管理控制系统。
利用PLC梯形图编程来管理控制堆垛机、搬运器的运动进程，整个系统的设计从各个方面体现出可编程序控制器在自动管理控制中的优势所在，文中提出了软件设计的方法，这种方法具有普遍意义，可用于其他停车场的设计与使用。
本论文主要阐述了国内外的立体停车库的发展历程，并介绍了立体车库的分类和特点等等；就管理控制系统的要求，对停车库、车库结构、系统的硬件软件进行选型和设计；然后利用PLC对巷道堆垛式智能立体停车库中水平机构和存取装置的程序设计，分析了存取车的流程和PLC控制的顺控指令；最后用三菱触摸屏GTDesigner3验证PLC程序的正确，同时“组态王”作为人机操作界面操作系统，通过PLC和组态王的仿真后可以有效地管理控制该车库安全稳定的运行。
关键词：
巷道堆垛式智能立体停车库，PLC，组态王
DesignandResearchofManagementSystem
Abstract
IntelligentparkingmanagementsystemisthewholeparkinggarageplacedonPCunderthemanagementofanelectromechanicalintegratedhigh-techproducts,canaloneaccessvehiclesandrelatedmanagementinformationprocessing,andsoonthesystemindesign,modify,andstudy,canalleviateparkingdifficultiesandotherissues,onthebasisofourcountrynowhasacertainpracticalsignificanceandprofoundvalue.Basedonthemanagementautomationandhighdegreeofintelligenceoflanewaystackingthree-dimensionalparkinggarage,ithasgoodsafetyperformance,stableoperationandhighefficiency,andhasawiderangeofapplications.Therefore,PLC（programmablelogiccontroller）canbeusedtodesignalanewaystackingintelligentthree-dimensionalparkinggarage'smanagementandcontrolsystem.PLCladderdiagramprogrammingisusedtocontrolthemovementofstacker,conveyors,process,thedesignofthewholesystemfromvariousaspectsreflecttheadvantagesofprogrammablecontrollerinautomaticcontrol,thispaperputsforwardasoftwaredesignmethod,thismethodhasuniversalsignificance,canbeusedforotherdesignanduseofparkinglot.Thispapermainlyelaboratedthedomesticandforeignthreedimensionalparkinggaragedevelopmentprocess,andintroducedthethreedimensionalgarageclassificationandthecharacteristicandsoon;Accordingtotherequirementsofthemanagementcontrolsystem,thehardwareandsoftwareoftheparkinggarage,garagestructureandthesystemareselectedanddesigned.Then,PLCisusedtodesignthehorizontalmechanismandaccessdeviceintheroadwaystackingintelligentthree-dimensionalparkinggarage,andtheflowchartoftheaccessvehicleandPLCcontrolinstructionsareanalyzed.Finally,MitsubshitouchscreenGTDesigner3wasusedtoverifythecorrectnessofthePLCprogram.Meanwhile,"kingofconfiguration"wasusedastheman-machineoperationinterfaceoperatingsystem.ThroughthesimulationofPLCandkingofconfiguration,thesafeandstableoperationofthegaragecouldbeeffectivelymanagedandcontrolled.
Keywords:
RoadwayStackingIntelligentthree-dimensionalparkinggarage,PLC,kingview
1前言
中国现有的停车场大部分都是常规的停车场，难以满足市民的交通出行，21世纪经济井喷式增长，市民对汽车的购买能力也有所提高，使得上下班时期、节假日路上塞车成为日常，车位严重紧缺，对现有的停车场进行合理地改造和修建智能停车库是缓解这一系列城市问题最为先进的措施，智能停车库不仅容量更大，可以同时容纳几千辆汽车，而且还高密度聚集，节约空间，为了解决各大城市停车难，智能化程度高、可靠度强、调存取车辆速度快的立体停车库是当前我国的不二之选。
智能停车库管理控制系统不仅能自动的完成车辆的存取工作，还能对信息进行管理。
基于该系统进一步分析和研究，可以缓解中国泊车难的问题，与常规平面停车场相比，智能立体停车库具有实际的意义和极高的利用价值。
随着经济发展水平不断提高，市内的汽车和机动车数量也在不断地增加。
以珠海为例：
2018年末，珠海市私人汽车54.71万辆，增长13.0%，民用机动车保有量高达69.93万辆，增长11.9%。
这一问题越来越紧迫，极需得到有效的解决。
停车难主要是因为可停车的地方太少，那首先就要以每个地型为主制作出对应的措施，想法设法去增加停车泊位的数量，根据各国现有问题有关资料，结合现阶段珠海市实际情况，应全力推动智能停车库的发展。
1.1论文研究背景及意义
城市在发展过程中出现的静态交通问题就是我们所说的停车问题，在美国、欧洲和日本等国家早期也出现过此现象，停车设备是否完善是城市静态交通的主要体现。
城市中车辆在增长，停车压力也同在增加，当前的设施规划并不能满足现有的需求。
据公安部统计，截至去年年底，全国的私家车保有量高达两亿辆，近五年年均增长接近两千万辆，这数字早已超过我们的预想，却还在不断往上飙升。
不仅在各大城市的机动车拥有量已经超过现有交通设施的增长速度，而且周边小城市也逐渐出现车辆无处可停的现象。
现如今，当年规划的地面停车场没有预留足够停车设备，远远落后导致需求不足。
此问题的出现，拥有突出特点的智能立体停车库吸引了大众的目光，立体车库凭借其空间利用率极高，停车安全方便、运行稳定、减小对空地的束缚，同时可以结合现有的大型停车场等长处逐渐吸引了广大车主的目光。
立体车库比传统车库拥有更多的优势，它节省时间，环保节能，降低制造成本，并且可以最大限度利用有效的空间，是缓解停车难的一个有效办法，其中光电传感器能检测机器设备的实时状态，依靠人机画面实现存取车操作，简洁明了。
智能立体车库的形式较多，各有其独特的优点和适用场所，可以结合实际情况灵活更改车库结构，其中还配备报警系统，降低成本。
现阶段在我国各城市能利用的土地是十分有限的，如何能充分利用我国城市现有土地资源，如各城市的空旷小处这些面积小设计和建造各类适用的立体停车库也是解决难停车的一种有效方法。
就这些小地方可以采用机构简单、使用方便并且价格便宜的小型机器设备，一举两得，不仅没有浪费边角地方，还能用较少的资金使得停车便利快捷。
在现代社会中的高档小区住宅，大型公司和百货商场可以选取智能化大型停车库。
在这些人和车都密集的地区，大型停车库可以从存取车的流程，实现自动化，从而大大地简化驾驶人员的操作，使用起来方便快捷，节省时间，工作效率提高。
1.2.1国外研究现状
美国最先开始接触立体停车库，上个世纪二十年代，美国就已制造出了世界上第一个机械式立体车库[1]。
一些欧洲国家也相继修建了新型停车库，并在上个世纪60年代进入飞速发展的阶段，由于第二次世界大战，工业迅速发展，汽车急剧涌现，给美国、西欧国家带来了不可避免的停车问题，为了改变此缺陷，到1980年后美国采用了电脑与机器设备相互联系，管理控制立体停车库。
此时，才发挥了其最大的作用，开始普及到周边国家。
亚洲即是从日本起步，日本虽然国土面积狭小，但应用比其他国家还要广泛，停车库类型比较齐全，技术发展快，相对成熟，同时日本政府非常重视立体车库的建设与发展，每年投入的资金高达20亿元去修建和改造停车场，逐渐形成多种适合本国的车库类型，现在日本随处可见的立体车库已不是惊讶之处。
日本研究了一种性价比高、不受限于地形，对于在小区和别墅的家庭再合适不过，这种类型的停车库可以降低成本，非常适用于一家多车的家庭。
受临近日本国家的影响，韩国也开始仿效日本，经过自己的研究和开发，从20世纪90年代后期拥有了本国特有的风格，随后投入市场使用，现如今，随着韩国政府的监管逐渐加大，大力推动立体车库在各个领域的发展。
1.2.2国内研究现状
20世纪80年代末，我国逐渐受到国外的影响，开始对立体车库进行初步的了解，当时的电脑技术和设备都比较单一，人们缺少创新思想和开发思维，种类稀少，政府也比较少推广，所以立体停车库在我国初期市场上并没有得到大众的关注，不断学习国外的先进技术、设备和国内的工程师努力自主研究和开发，生产技术不断提高，首个垂直循环立体车库出现在北京。
目前，北京是全国最拥堵的城市，停车拥堵比交通拥堵还要严峻，于2016年4月在朝阳大悦城修建了一个地下井筒式立体车库，三个车位面积，最多可以停靠四十辆车，为解决停车难开辟了新的途径。
近几年来，多个城市都开始改造和新造立体车库了，2017年，珠海在横琴的宝兴路建造了一座PXD机械停车设备，深圳万科云城智能停车库修建于2018年。
历经40年的发展，我国在借鉴国外的技术基础上，越来越重视立体停车库技术的自主研发，利用管理控制系统大力发展多种类型车库，改变人们的日常停车方式，提高了生活质量。
其给我们带来了便捷和安全的同时，也会存在一些不可避免地问题：
1）很多车库的管理系统技术没有更新，系统研发存在缺陷和一定的滞后性，有待改善。
2）在高峰期时，等待时间较长，存取车时间加长。
3）市面上权威的公司少，专业性较低，缺少创新。
1.3智能停车库的分类及特点
智能立体停车库按结构性能和运行机制主要分为六种形式，如表1.1所示。
表1.1立体停车库的分类及特点
序号
代号
类型
特点
1
PSH
升降横移式
设施灵活，根据需求设计成2~5层等多种形式,建设过程短和投资少。
2
PCS
垂直升降式
存车速度快，可预约存取车及空位导向，给用户带来了大的用好处。
噪音低，绿色环保车库，适合于城镇中心繁华地区中的高层办公楼、医院和综合商业建筑。
3
PJS
简易升降式
构造非常实用，对地面基础要求不高。
存取操作简单，性价比高，适合工别墅、住宅停车场。
4
PCX
垂直循环式
设备单一，大多是封闭式的，停放7辆左右的汽车，存取车速度较低，价格便宜。
5
PXD
巷道堆垛式
巷道堆垛式车库设备有巷道升降装置和搬运机，巷道升降装置把汽车水平和垂直送到车位上，搬运机负责存取车。
工作效率高，存取一辆小车的时间一般在70s左右，比较适用于车位需求多的商业地区。
6
PSX
水平循环式
空间利用率高，污染少环保，存取车时间较长，适合长方形的地形。
1.4论文主要研究内容及创新点
本文以巷道堆垛式立体停车库作为研究对象，设计一个基于PLC智能停车库的管理控制系统，采用PLC控制整个系统的运作，同时融入变频器对堆垛机和搬运器的速度控制，人机交互系统选择“组态王”软件，实现库内无需司机进入车库内，一键即自动存取车。
主要研究内容：
1.简要描述管理控制系统的整体架构和要求，对智能停车库进行选型和结构设计。
2.管理控制系统硬件的选型，PLC采用三菱FX3U-80MT系列、三菱公司E740系列变频器和其他电气元件，绘制出堆垛机的电气原理图和PLC与变频器的硬件接线图。
3.利用PLC对水平机构和存取装置的程序设计编写（指令表和梯形图加以说明）再使用GTDesigner3软件设计一个触摸屏，验证该程序的正确性。
4.最后利用“组态王”软件进行管理控制系统的主页面和存取车界面设计，达到一键停车和一键取车的目的。
本文的创新点在于：
1.驾驶员不必进入车库内寻找车位，呼吸车库内的尾气，同时存取车方便，达到节省时间的效果。
2.车库内堆垛机和搬运器的驱动电机均在变频器的控制下，稳定性和安全性都有提高。
3.本文设计的巷道堆垛式停车库内没有载车板，采用的是交叉梳齿式搬运器，直接省去拿取载车板的步骤，使得存取车过程的效率提高。
1.5本章小结
本章首先论述了本文研究背景及意义，分别从国外和国内的发展现状来介绍立体车库，简要描述了市面上6种立体车库的特征和优势，概述了本文主要的研究内容和创新点。
2管理控制系统方案选择
2.1管理控制系统的要求
智能停车库的设计要求是比常规的立体车库更智能、更安全和更稳定。
（1）驾驶员在人机界面上按下按钮操作存取车平台，选择停车或取车车位号码，系统直接控制堆垛机和搬运器进行存车或取车操作。
（2）在车库内钢架结构中有传感器和断电互锁装置，每次动作后都有互锁和断电保护，保证整个车库的可靠性和司机、工作人员的安全。
（3）现有的停车场存车花时间长，取车也很费时，本文不仅在系统上加入变频器调速控制堆垛机的横移速度，还在PLC编程上尽可能的简练。
2.2智能停车库选型
本文选取地址是珠海A商场的地下停车场，根据现场调查，得到A商场停车场的相关数据，该停车场位于广东省珠海市香洲区某商场下面，该停车场共有500个停车位，总面积为5912㎡，并且只有一个出入口，该车库高峰期的时候达到了一个时间段，需停88辆车才能满足顾客需求。
通过第一章第三节六大立体车库的特征、优势和适用范围等等各方面的介绍，结合本文选取A商场的地址，相比其他五类立体停车库，只有巷道堆垛式立体停车库单套设备控制车位是30-200辆并且存取车时间是较少的，如表2.1所示。
因此最终确定将A商场的地下停车库改为巷道堆垛式立体停车库。
表2.1立体停车库的性能
立体车库类型
单套车库的适停容量（辆）
单车最大进（出）时间（s）
升降横移式
3~43
30~135
垂直升降式
7~56
≤120
简易升降式
1~3
30~120
垂直循环式
5~50
存容量≤10辆，≤90；存容量>10辆，≤50辆，≤180
巷道堆垛式
30~200
存容量≤120辆，≤1500
水平循环式
10~40
120~180
巷道堆垛式立体停车库的优点：
（1）工作效率高，存取时间短，速度快，过程简便；
（2）节省设置车辆通行以及人行走的通道，并且库内空间利用率高；
（3）采用全封闭的形式，可以避免车辆日晒雨淋，人是不能随意进出的，安全防盗系数高，并且存取车过程噪声小，节能环保；
（4）全封闭的形式下还采用各个机构的自、互锁和监控系统，保证系统运行过程车与工作人员的安全。
2.3智能停车库结构
本系统以巷道堆垛式智能立体车库为研究背景，该车库修建在地下，地面层可用于驾驶人员的存取车辆，地下共有两层十二个车位，分别定义为一层和二层。
其中车库主要的框架是由一部堆垛机和一部搬运器组成，在车库的地面上只设有一个出入口。
为了满足市面上大部分的汽车类型，本论文设计以中小型轿车和SUV类型大小为标准的巷道堆垛式智能立体车库，为了达到该系统的目标，其中主要的机械装置设计有以下几个：
1、堆垛机是智能立体车库的核心，由升降机构、横移机构和传动电机组成，主要负责车辆在通道的运行控制。
2、搬运器：
本文选择梳齿式搬运装置，负责车库内的车辆入库和提取出库。
3、检测装置：
主要有光电开关和各种传感器，可用来检测堆垛机升降机构所到达的楼层、横移机构、搬运器的状态和车辆位置，对该系统有一定的定置定位作用
4、电机：
堆垛机横移水平行走电机选用齿轮减速三相异步电动机型号为YCJ280，功率是7.5kW；堆垛机提升机构选取电机型号为YEP160-6，功率是11kW；搬运器行走机构选CH卧式三相齿轮减速器CH-5，功率是3.7kW。
搬运器抬起机构选步进电机，没有具体功率。
2.4管理控制系统的整体架构
此管理控制系统主要是由上位机（PC）、PLC、变频器和其他检测元件构成，如图2.1所示，其中堆垛机由两部分组成，分别是横移机构电机和升降机构电机，在控制横移机构运行时距离比较远，加入变频器对其的速度进行调控加速或减速，因为该车库仅设计两层，所以升降机构在运时不需要利用变频器进行调速，只要设定一定的速度运行即可达到目的；车辆搬运装置采取梳齿式搬运器对车辆的存取操作；检测元件主要有光电传感器和上下限位开关。
图2.1停车库设备管理控制系统结构
2.5本章小结
本章主要阐述了管理控制系统的要求，从而对智能停车库的选型和简要的车库结构设计，最后对控制系统的整体架构作了简要的分析。
3智能停车库管理控制系统硬件设计
3.1管理控制系统的简介及功能概述
要达到整个停车设备的自动运行，就需要管理控制系统对它进行指挥，各个部分完成各自工作，还要求车库能安全并且可靠地运行。
管理控制系统对堆垛机升降电机的调速控制、堆垛机横移电机、梳齿式搬运器升降和横移的位置控制，同时对不同的硬件软件设备的自锁、互锁安全控制。
巷道堆垛式智能停车库是通过门口的触摸屏按键操作来完成存取车工作的。
停车时，驾驶人员把车开到出入口安全离开车库，自动门关上后，驾驶人员按触摸屏的“存车”按钮，然后选取合适的车位号码，堆垛机和搬运器会自动按照存车程序完成存车过程，如果在存车页面时不想存车，按下“返回首页”按钮可以取消存车返回到首页；取车时，驾驶人员按触摸屏的“取车”按钮，然后选择之前所存的车位号码，机械设备会自动按照取车程序完成取车过程来取下你所存的车辆，自动门打开后，驾驶人员取车离开。
如果在取车页面不想取车，按下“返回首页”键可以取消取车返回首页。
3.2管理控制系统的硬件选型
根据巷道堆垛式智能停车库控制系统要求、停车库的选型和结构可以得到，PLC、机构电机、变频器和电气元件的要求和适合此系统的型号，从而进行选型。
3.2.1可编程序控制器的选型
PLC作为立体车库控制系统运行的核心，PLC机型的选择就显得至关重要。
其中有两个牌子受到大众的青睐，分别是三菱和西门子系列，三菱PLC丰富的指令系统略胜于西门子系列。
三菱PLC为了方便用户实现对伺服和步进电机的控制，开发出了专用的控制指令，可以实现一些复杂的运动控制，而西门子在这方面便显得较弱，不仅没有相应的控制指令，而且程序实现复杂，控制精度不高[2]。
更容易掌握三菱PLC的操作。
而在立体车库控制系统中需要实现精确的控制来保证车库稳定运行，基于三菱系列PLC在这一方面的优势，本课题选用三菱FX3U-80MT系列PLC作为控制核心，并连接各种光电传感器、计时器等检测元件来完成对控制系统的检测。
FX3U-80MT系列PLC拥有输入点和输出点各40个，而且可以依据实际运用过程中的需求扩展到128点，可以满足控制系统需求。
FX3U-80MT系列PLC还具备网络和数据通信功能，可以添加适配器模块，可以使系统进行远程通讯。
图3.1三菱FX3U-80MT
1）支持连接多种扩展设备，可以连接FX2N系列模块。
2）内置了64K步的RAM内存，加上存储器盒，即可将内存转化为所需要的快闪存储器。
3）通过计算机用的编程软件，在可编程控制器RUN时能更改程序，支持RUN中写入。
3.2.2变频器的选型
为了确保升降机横移装置在存取车过程中运行平稳性和稳定控制存取车运行速度，要求升降旋转装置在运行过程中的启动和停止控制、速度控制以及平层定位等方面具有较高的精度要求，所以在升降横移系统中采用了变频器控制异步电机的控制方法[1]。
变频器利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置[3]。
考虑到本课题的变频器运用于升降系统和横移系统中的三相异步电动机，经考虑选用三菱公司E740系列变频器，如图3.2所示。
图3.2三菱E740系列变频器
1）功率为.4~15KW；
2）机器本身自带操作面板，毋需另购；
3）采用磁通矢量控制，实现1Hz运行150%转矩输出；
4）自带RS485通讯口，提供USB接口与计算机连接，可以使用软件对变频器进行参数设定或监视。
3.2.3控制系统其他电气元件的选择
为了要确保工作人员和机器设备的安全，和保证能稳定地完成存取车流程。
智能车库管理控制系统中还要包含一部分的限位开关、光电传感器以及保护装置，限位开关有上下限位开关和左右限位开关，主要安装在堆垛机和搬运器上，可以控制存取车过程的各个到位情况和及时停止后进行下一步动作；每个车位都有安装光电传感器，可以识别车位上有没有停车；安装在出入口可以检测车辆的大小是否符合该停车库的标准，来监测车辆位置和人员是否有误入的情况。
其次，车库内还需要安装温度传感器、漏电保护器可以提醒管理人员有火灾预警的即时信息和电路漏电时及时断开电源，从而保证设备和人员的安全。
如图3.3所示。
图3.3光电传感器、漏电保护器
3.3控制系统的原理图和分布接线图
根据第二章管理控制系统方案选择和第三章硬件设计确定后，利用VISIO软件按照控制逻辑要求，主要绘制系统中堆垛机升降机构的电气原理图和PLC与变频器对堆垛机横移机构进行三段调速的硬件接线图
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