基于PLC的立体车库设计更改版.docx

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基于PLC的立体车库设计更改版

毕业设计

中图分类号：

TP23

基于PLC的立体车库设计

专业名称:

机电一体化

学生姓名:

冯孟龙

导师姓名:

郑文杰

职称：

副教授

焦作大学机电工程学院

二○一五年五月

中图分类号：

TP23密级：

UDC：

单位代码：

基于PLC的立体车库设计

StereoscopicgarageDesignbasedonPLC

姓　名

冯孟龙

学　制

三年

专业

机电一体化

研究方向

自动化技术

导　　师

郑文杰

职　　称

副教授

论文提交日期

2015.5.25

论文答辩日期

2015.6.1

焦作大学机电工程学院

摘要

随着人民生活水平的不断提高，越来越多的人购买了私家车；对城市的交通和环境起着重大的影响。

而停车难问题的出现，也给机械停车设备行业带来了巨大的商机和广阔的市场。

机械式立体车库是专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓库设施。

可充分利用土地资源，发挥空间优势，最大限度地停放车辆，成为解决城市静态交通问题的重要途径。

本课题以较为典型的升降横移式立体车库为研究对象，综合考虑立体车库制造成本和运行效率的双重因素。

本论文主要是对升降横移式立体车库做出控制系统的设计，实现用户快捷方便的停车和取车，保证用户车辆的安全。

本设计在详细论述了控制系统设计的基础上，选择三层三列式车库结构为研究模型。

升降横移式立体车库就其组成部分而言，可分为三大部分：

车库结构部分、传动机械部分和控制系统部分。

依据升降横移式立体车库的运行原理，在对升降横移式立体车库控制系统的设计中，采用先进的PLC控制，运用西门子公司的编程软件编制了升降横移式立体车库控制系统的程序，并经调试、运行，证明采用可编程序控制器（PLC）作为控制系统简单易行。

关键词：

PLC；立体车库；控制系

Abstract

Aspeople’slivingstandardcontinuestorise,moreandmorepeoplecanaffordtheprivatevehicle,whichhasanimportantimpactonthetrafficandenvironmentofcity.Onthecontrary,itisagoodopportunityformechanicalparkingequipmentindustrytobroadenmarketwiththeproblemofparkingdifficultly.Mechanicalandstereoscopicgarageisafacilitywhichpursuesthegoalofvehicleautomaticparkingandscientificcheckspecially.Itcanmakefulluseoflandresources,improvetheadvantagesofspaceandmaximizepark,becometheimportantaccesstosolvetheproblemofurbanstatictraffic.Thestudyincludestypicallift-slidingmechanicalparkingsystemandconsideroverallthecostandefficiencyofstereoscopicgarage.

Thedesignisaboutlift-slidingmechanicalparkingsystem,torealizethegoalsofparkingandtakingthecar,toassurethesecurityofvehicle.Thisprojectrevealsaroundthestructureoftwo-tierandthree-linegarage.Asforthecompositionoflift-slidingmechanicalandstereoscopicgarage,itcontainsthreeparts:

garagestructure,controlsystem.Accordingtothetheoryoflift-slidingmechanicalandstereoscopic,duringthedesignofit,wewilluseadvancedPLC,formatitbyMitsubishi’ssoftware,debugandusePLCascontrolsystem.

Keyword:

PLC；Stereogarage；Controlsystem

1.基于PLC立体车库总体设计

1.1引言

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。

以郑州式为例，截至2014年12月31日，郑州市机动车保有量达到2789689辆，郑州市2014年全年增加机动车达到423724辆，除节假日外，平均每天增加机动车1688辆。

据了解，2789689辆机动车中，市区1544937辆，县（市）区1244752辆。

截至2014年12月31日，2014年全年机动车新登记（含转入）入户423724辆，全年有53天每天入户量超过2000辆，其中最多的一天是2014年5月30日，为4227辆。

但是郑州目前现有的公共停车位有15.3万个。

与急剧增长的机动车数量明显不能比例，，意味着有很多车都要面临无处可停或违规乱停的现象。

而且郑州还面临多重问题。

从事停车管理的业内人士分析，造成停车乱象的根源有四个：

一是供需紧张，二是规划随意，三是政策不完善，四是管理混乱。

而对于迅速发展的城市车流，停车设施建设的落后也就不足为奇。

据建设部停年技术开发推广中心介绍，郑州市停年设施的“欠账”最保守估计为20—30％。

停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通问题，静态交通是相对于动态交通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。

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。

1.2本设计的设计思路

针对全国各地停难的问题，近几年在停车场的空间利用率上设计者做出了很多的努力，找到了很多解决办法。

本设计利用西门子s7-200系列基于PLC的基础上设计出机械式立体车库来解决一部分问题，增加停车场的空间利用率。

升降横移式类机械车库通过水平垂直方向上利用载车版实现多层车位的车辆存取。

目前其有以下几种形式：

升降横移式、巷道堆垛式、简易升降类、垂直升降式、垂直循环式、平面移动式、箱型水平循环式、多层循环式。

图1-1某地2x3立体车库

升降横移式：

有二层的、多层的、有四柱结构的，有后悬臂结构的、有链条提升的、有钢丝绳提升的等等。

这种设备的最大特点是对场地的适应性较强，可建在地上、亦可建在地下，规模可大可小，可以有几个十几个车位，也可建成几百上千个车位的。

该设备简单、可靠，使用方便、价格较低。

目前在市场上应用广泛，使用率在80%以上。

简易升降式：

设备的结构简单，操作容易，可充分利用地下空间，面积利用率在2倍以上，多用于住宅、办公楼周边。

垂直循环式：

分为大型循环和小型循环两种。

它们具有省地（占地面积小）、方便（一次按键即可完成存取车）、迅速（调车时间短）、灵活（设置灵活）、可靠（维修量少）、经济（节约大量土地购置费）、节能（不需强制通风和大面积照明）的特点。

箱型水平循环式：

这种车库不需要行车道，面积利用率很高，且自动化水平高，最适合于地下狭长地带的停车库。

但由于运行速度不是太高，所以设备的存容量不能大。

多层循环式：

这种车库不需坡道、节省土地、可自动存取、方便快捷，较适用于地形细长又只允许设置一个出入口的场所，如建筑物的地下室、广场、便道的地下以及高架桥的下面等。

但因只能设一个出入口，所以设备的容量不大。

平面移动式：

此种类型的设备大多为多层平面移动类，这种车库可以建成大型化、自动化的车库，容车密度大、存（取）车快捷，适宜建在大型住宅周围的地下，对机场、车站、繁华商业中心区、体育馆、办公楼等区域也适合。

尤其是巷道长度长、层数不多的地下大容量存车库，用这种设备的技术经济性最好。

巷道堆垛式：

这是一种全自动化停车设备，全封闭建造，存（取）车速度快，安全可靠，容积率高。

适用于地下也可建在地上的车库，特别是巷道长度不太长，层数较多的大型车库。

垂直升降式：

这种设备的类型很多、其最大的优点是平面和空间利用率最高，几乎停放一辆车只需一平方米建筑面积，还具有高性能、省电、噪音小、存（取）快、安全可靠、操作简单、维护方便等优点，最适宜建在高度繁华的城市中心区和车辆停放的集聚点，如大型商场、饭店、医院等。

而升降横移式是目前立体车库中使用最多的。

其具有特点为：

（1）投资成本低，系统耗电量低；

（2）节省占地空间利用率高；

（3）运行平稳，工作噪声低，存、取车辆时间段；

（4）智能化控制，多路保护，操作便捷；

（5）安全可靠，维护方便；

升降横移式车位结构为2维矩阵形式，可设计为多层和多列。

由于受收链装置及进出车时间的限制，一般为2~4层（国家规定最高为4层），2层、3层者居多，现以典型的地上3×3升降横移式为例，说明停车库的运行原理。

本升降横移式立体车库结构特点是：

最底层只能平移,最顶层只能升降，中间层既可升降也可平移。

除顶层外,底层都必须预留一个空车位,供进出车升降之用。

当底层车位进出车时,无需移动其他托盘就可直接进出车；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,直到下方为空才可执行下降动作,进出车完成后再上升回到原位置。

图1-2七座升降横移式立体车库原理图

1.3本题设计的目的及意义

械式立体车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停牛场、地下年库和停车楼组合实施，是解决城市停车难最有效的手段，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。

其次，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。

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。

2.立体车库方案设定

2.1自动化立体车库的描述与方案确定

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、合造价、技术难度以及用户需求等各个方而的因素，可以发现升降横移式立体车库形式比较多，规模垂直循环式、箱型水平循环代、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。

随着科技的发展，各类技术也在不断的进步，其设计也在不断的趋向于完善化，本车库模型系统的设计也有很多不同的方法。

我们对车库模型控制作了两种设计方案，并对其进行了研究和讨论：

方案一：

基于单片机的立体车库模型控制系统设计。

采用单片机作为主控制器来控制步进电机的控制系统，系统所要设计的控制电路较多，较为复杂。

（1）单片机抗干扰能力比较弱，所以对现场工作环境要求很苛刻。

（2）单片机控制系统开发周期比较长，系统调试耗时比较多。

（3）单片机自身就是弱电驱动，但是对于停车库运行系统来说，执行部件是电机，属强电系统，这就需要由弱电驱动强电，随着驱动环节的增加，系统的可靠性就会下降。

（4）单片机控制系统，其控制程序基本上是汇编语言，汇编语言虽然功能比较强大，但是程序编制工作量比较大。

因此，单片机在升降横移式立体停车库控制系统中的应用现在还不成熟，只是停车库系统研究开发的一个方向。

方案二：

基于PLC立体车库模型控制系统设计。

它具有很多其他设计方法不可比拟的优点：

（1）可靠性高、环境适应性强：

可编程控制器输入/输出端口均采用继电器和光电耦合器件，采取了隔离和抗干扰措施，所以具有很强的抗干扰能力。

（2）通用性好：

由于可编程控制器采用模块化结构，一般有CPU模块、电源模块、PID模块、模拟输入和输出模块等，可以用这些模块灵活的组成各种不同的控制系统，对不同的控制系统，只需选取不同的模块即可，因而具有很好的适用性。

（3）使用方便、灵活：

对于不同的控制系统，当硬件结构选定后，如果输入/输出作很小的变动时，只需修改相应程序即可，无需对系统连线做较大的修改，减少了现场调试的工作量，使用起来灵活方便。

（4）具有顺序、周期性的工作特征。

（5）体积小：

由于在制造时采用了大规模集成电路和微处理器，用软件编程代替了硬连线，便于安装，实现了小型化。

综上所述：

我们选择方案二，即PLC作为设计中的主控制系统，能够更好的满足设计要求，达到设计的目的。

2.2系统设计的基本步骤

立体车库系统设计与调试的主要步骤，如图所示

图2-1系统方案设定流程图

3.立体车库硬件设计

3.1驱动方式的设计与选择

本次设计是针对的轿车的存取，可以满足驱动力要求的机构可以是液压马达或液压泵，柴油机，汽油机和电动机等。

在车辆存取的过程中，要求升降或者横移动作平稳，并且考虑到噪声的大小和启动的频率以及便于控制，本次设计采用电动机作为驱动机构。

如图是本升降横移式车库的主要组成示意图：

图3-1升降横移式车库主要组成

3.2提升方式的设计与选择

提升的方式有链提升和钢丝绳提升等，通过分析，本次设计采用钢丝绳提升，并采用双滚筒，可以实现平稳提升，并可以提升结构设计的简化。

3.3传动方案的设计

机械传动系统主要功用是传递原动机的功率，变换运动的形式以实现预定的要求。

传动装置的性能、质量及设计布局的合理与否，直接影响机器的工作性能、重量、成本及运转费用，合理拟定传动方案具有十分重要的意义。

一般常用以下几种传动方案：

方案一：

带传动，易于实现两轴中心距较大的传动；具有传动平稳，缓冲、吸振的特性：

传动结构简单，实现成本比较低，可过载传动。

图3-2带传动

方案二：

链传动，平均传动比准确，工作可靠，效率较高；传动功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；可在恶劣环境中工作；易于实现较大中心距的传动；结构轻便，成本低。

图3-3链传动

方案三：

直齿轮传动，传动效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命较长，传动准确平稳，承载能力高，功率和速度适应范围广。

图3-4直齿轮传动

3.4传动方案的确定

升降横移式立体车库的传动要求传动力矩较大，传动速度较慢，经过比较和分析，带传动不能提供较大的传动力矩，容易发生打滑等现象，安全系数较低，所以本方案不予采用。

链传动和直齿轮轮传动方案都可以满足传动的要求，但链传动与齿轮传动相比，除满足工作机的性能和适应工作条件外，尺寸紧凑、成本低廉，安装和维护都比较方便。

综上所述，此次方案设计采用方案二。

图3-5链传动示意图

3.5升降系统的设计

在升降传动系统中，我们采用钢丝绳传动型式。

钢丝绳传动形式的升降传动系统一般是由电机、减速系统、卷筒、滑轮、钢丝组成。

在钢丝绳传动型式中，钢丝绳的主要作用是拖动载车板上下升降。

钢丝绳一端与载车板相连结，钢丝绳另一端缠绕卷筒上（载车板的前端钢丝绳与后端钢丝绳必须同方向绕着卷筒转动），当载车板需要升降时，提升电机便会通过其正反转来带动卷筒顺时针或逆时针旋转实现载车板的升和降。

图3-6升降传动示意图

初设升降速度v=0.15m/s，载重M=1700kg，提升所需功率为：

Pw=Mgv=2000x9.8x0.15w=2.94kw=´´===´´==

由机械设计手册知电动机输出功率：

P0=Pw/ηwh

式中Pw——工作机所需功率；ηw——减速机与工作机之间的总效率

链传动总效率：

ηw=η1xη2xη3xηn

式中η1——链传动效率，查得=0.96

η2——滚动轴承效率，查得=0.99

代入数据得：

ηw=0.96x0.992=0.94=´=

则电动机的输出功率为：

P0=Pw/ηw=3.12kw

选择台湾明椿电动机厂生产的停车设备专用交流减速电动机，型号为MLPK55370603，功率P=3.7kw，频率为50HZ，电压220V，速比为60，输出转速为n1=21r/min。

图3-7电动机外形示意图

3.6升降系统中链传动的设计

初定卷筒直径D=200mm,载车板上升速度V=0.15m/s,求得卷筒的转速n2。

由0.1=

得，

=

=14.33r/min

链轮的传动比i=

=

=1.46;初取传动比i=1.5。

3.6.1选择链轮齿数Z1·Z2

根据传动比i=1.5，查《机械设计》表6-6取小链轮齿数Z1=17则大链轮齿数Z2=27。

3.6.2确定链条链节数Lp

初定中心距a=10p，则节距Lp=

=42.25

取Lp=44

3.6.3计算单排链所能传递的功率P0及链节距P

由《机械设计》表6-3查得工作情况系数KA=1Pca=KAP=3.7KW

由《机械设计》表6-5查得小链轮齿数系数Kz=0.887,链长系数KL=0.7

选择双排链，由《机械设计》表6-4查得多排链系数Kp=1.7

计算额定功率P0

根据额定功率P0和转速n1查《机械设计》图6.13选择滚子链型号为24A，链距

P=38.1mm链号标记为24A—2×44GB1243-1997

3.6.4确定链实际长度L及中心距a

3.6.5计算链速

V=

3.6.6作用在轴上的压轴力Q

圆周力F=1000P/V=（1000×3.7）/0.25=14800N

按平均布置取压轴力系数KQ=15.1有

3.6.7.按静强度校核链条

由于链条处于低速重载传动中，其静强度占主要地位。

由《机械设计手册》知，链条静强度计算式：

式中n——静强度安全系数；KA——工况系数，查表12-2-3取KA=1.0；

Q——链条极限拉伸载荷，Q=249.1kN；

FT——有效圆周力，

；

FC——离心力引起的力，Fc=qv2，其中q为链条质量，可由《机械设计手册》表12-2-9查得q=5.6kg/m；v<4m/s时，Fc可以忽略。

Ff——悬垂力，

，其中Kf为系数，查《机械设计手册》图12-2-3得：

Kf=1，a为中心距，

a=0.381m，

为两轮中心线对水平面的倾角，

90，则

代入数据得：

符合强度要求。

3.7钢丝绳和滑轮的选用

3.7.1.钢丝绳直径的确定

按GB/T3811-1983计算

式中d——钢丝绳的最小直径

Fmax——钢丝绳的最大静拉力

C——选择系数

由表81-8确定选择系数C=0.104=

根据《机械设计》查的，选择园股钢丝绳合成纤维芯钢丝绳：

d=16mm，

，最小破断拉力F=133.0KN。

3.7.2.滑轮的选择

滑轮用来导向和支撑，以改变钢丝绳传递力的方向。

该滑轮受载荷比较小，一般制成实体滑轮，材料为铸钢。

由钢丝绳的直径d，按《机械设计手册》表8.1-64查得与钢丝绳直径匹配的滑轮直径D=225mm。

滑轮的型式由《机械计手册》图8.1-8选择一般密封，无内轴套的E型滑轮。

其标记为：

滑轮E16×225-55JB/T9005.3-1999

3.8横移传动系统设计

3.8.1横移传动

横移传动系统的作用是使载车板平移到指定位置，其传动主要是靠电机带动链轮使滚轮在轨道上移动。

图3-8横移传动示意图

3.8.2横移传动电机的选择

初设承载总质量M=2000kg，横移速度V=0.15m/s，由机械设计手册查得摩擦因子μ=0.2，则带动横移轴转动所需功率：

由机械设计手册知电机输出功率：

式中

------工作机所需功率

------减速机与工作机之间的总效率

链传动总效率：

式中

------链传动效率，查的=0.96

-------滚动轴承效率，查得=0.99；

代入数据得：

则电动机的输出功率为：

；

由于横移的速度较慢，要求横移电机的转速较低，为使结构紧凑，本设计根据输出功率选择由台湾明椿电机厂]20[生产的交流减速电动机，型号为MLPK40075803，额定电压220V，功率P=7.5kw，速比30，输出转速n=18r/min。

其外形图与升降电动机相同，见图4-2。

电机的主要安装和外形尺寸如下表

表3-9横移电动机尺寸

3.8.3.横移链传动的设计

初选横移轮直径D=160mm，则车轮的转速应为

由于电机转速和车轮转速几乎相同，故传动比为1。

⑴.初选链轮齿数

由《机械设计》表6-6查得=Z1=19，则从动链轮齿数=Z2=19

⑵.确定计算功率Pc

由于载荷比较平稳，由《机械设计》查表6-3得工况系数Ka=1.0，因此

PC=KAP0=0.75kw

⑶.初定中心距，确定链条链节数LP

初定中心距a0=22p，则链节数

则链节数为Lp=42。

⑷.计算单排链所能传递的功率P0及链节距P

由《机械设计》表6-5查得小链轮齿数系数Kz=1.0,选择单排链，由《机械设计》表6-4查得多排链系数Kp=1.0

由《机械设计》图6.14查得长度系数Kl=0.98故所需传递的功率为

根据额定功率和转速查《机械设计》图6.13选择滚子链的型号为12A，由表6-1查得链节距P=19.05mm。

⑸.确定链实际长度L及中心距a

L=Lp×P/1000=42×19.05/1000=0.8mm

⑹.计算链条速度

⑺.计算作用在轴上的压轴力Q

圆周力F=1000P0/v=（1000x0.75）/0.11=6818N

按平均布置查《机械设计》取压轴力系数KQ=1.15.

有Q=KQ

F=1.15x6818=7840.7N。

⑻.按静强度校核链条

由于链条处于低速重载传动中，其静强度占主要地位。

由参考文献知，链条静强度计算式：

式中n----静强度安全系数

Ka----工况系数，查表12-2-3取Ka=1.0；

Q----链条极限拉伸载荷，Q=31.1KN;

Ft-----有效圆周力，Ft=

;

Fc-----离心力引起的力，Fc=qv2，其中q为链条质量，可由《机械设计手册》查图12-2-9查的：

q=1.50kg/m；v<4m/s时，Fc可以忽略。

Ff----悬垂里，

，其中Kf为系数，由