升降横移式立体车库的设计.docx
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升降横移式立体车库的设计
摘要
进入21世纪，我国经济增长呈现不断上升的趋势，科学技术的发展以及国民收入水平的提高使得私家车的数量越来越多，汽车已经成为家庭生活中不可或缺的代步工具之一。
人们对汽车的依赖程度越来越高，上下班途中随处可见穿梭在道路上的车辆。
不管是城市中还是农村里停放的车位一直处于紧张状态，如何在有限土地上停放尽可能多的车辆已成为社会热点话题之一。
我们在建设楼房时会建设相应的地下车库来缓解停车紧张的问题，但是停车位的增加速度远远慢于汽车的增长速度，停车难已成为困扰出行司机最棘手的问题，社会对这种现象的重视程度越来越高，车主对增加停车位的呼声也越来越高。
近几年，升降横移式立体车库以其绿色环保、操作方便、使用灵活等实用性特点得到了业界人士的认可，在国内大型企业基地普遍实施，利用有限的土地资源实现了大量车辆的有序存取。
立体车库的广泛应用，使困扰多半车主的停车难问题得到有效缓解，不仅节省了占用的土地资源又减少了道路上各型各色车辆乱停乱放的现象。
关键词：
立体车库、升降横移式、停车难
1引言
1.1课题的研究背景及研究意义
汽车自出现以来，经过不断发展，已逐渐成为人们生活中不可缺少的交通工具之一。
随着国民收入的增加，我国居民对汽车的依赖程度越来越大，不管在城市中还是在乡镇里，我国汽车拥有量均逐年递增。
据不完全统计，2013年中国私人汽车拥有量为10501.68万辆，同比增长19%[1]。
2017年我国私人汽车拥有量达18515.11万辆，同比增长13%，如图11。
分省市来看，2017年我国私人汽车拥有量最多的省市为山东省，私人汽车拥有辆达1736万辆。
图112013-2017年私人汽车拥有量及增长情况
从以上数据中可以看出，随着经济社会的快速发展，人们生活水平的不断提高，私家车在我国得到了很大方面的普及，私家车的数量更是随着人口的增加呈现骤升的趋势，然而汽车的普及也带来一系列的问题，如停车难、汽车尾气污染、酒驾、车祸……其中停车难是人们出行在外较为关注的一个热点话题。
尤其在人员聚集地区，如大型商场、游乐园、学校附近，人们常常为找到一个合适的停车位而发愁，甚至有时候冒着被贴罚单的危险把车停在路边，这种现象肆意泛滥，不仅会导致道路中行车空间缩小，引发极大的交通不便，而且还会使得不少车主难以存取车，出现严重的堵车现象。
为此，为了缓解城市及乡镇的静态交通问题[2]，我国政府出台了相应的政策措施禁止部分地区在路边停车，并且鼓励各地区扩建停车场。
扩建停车场，不仅要考虑土地的占用成本，还要结合当地的地形状况，尽可能的提高土地的利用率。
基于国外的停车设施系统的应用，我国道路管理部门应民众响应推出了建设立体停车库的方案。
对立体车库的开发与研究，可以解决中国停车难的问题，具有非常大的理论意义和实用价值，具体优点如下：
第一，节约土地面积，提高土地利用率。
第二，使用方便、快捷、安全。
第三，车库获利高，自动化程度高，人工费用少。
第四，24小时全方位监控，停车安全。
汽车行业的进一步发展，满足了人们对高品质生活水平的追求，立体车库的完善，对于缓解交通拥堵也有着十分重要的现实意义。
1.2立体车库国内外研究及应用现状
1.2.1国外立体车库的研究与应用
立体车库在50多年前的国外最先发展，出现了应用于个别富裕家庭使用的简易双层停车设备、基于住宅楼层建立的半地下式多层升降横移立体停车库以及为减少土地面积而设计的适合城市商业区使用的停车楼和停车塔。
70年代初期，随着世界经济的快速发展，汽车逐渐在全球范围内得到普及，各国汽车保有量不断增加，致使一些发达国家在土贵人多的地区积极建立了立体停车设备[3]。
其中，以日本、美国、德国等为代表的发达国家在此领域的研究处于世界领先水平，我国的香港、澳门、台湾等地区的停车设备均通过各种途径引进部分技术，使本地区的停车难问题得到缓解，并进一步研究了该项技术。
日本作为20世纪60年代初期最早使用机械式立体停车设备的国家之一，在研发技术方面处于领先地位，其最多可存放的汽车数量也位于前列
韩国的立体停车库技术是日本立体停车库技术的派生，韩国在80年代初开始引进此技术，经过相关技术人员的研究发展和政府的高度支持，各种简易停车设备在90年代初期开始投入运营。
目前，韩国立体停车设备行业已进入稳步发展阶段。
1.2.2国内立体车库的研究与应用
20世纪80年代，随着汽车业和建筑业的发展以及受日本立体停车库技术的影响，我国的研发工作进入早期阶段。
进入90年代，随着汽车购买量的增加和人口不断增长，我国机械式立体停车库的应用得到普遍推广。
但最初生产的产品大部分是在效仿日本的基础上研发生产的，经过科技人员多年研究逐渐得到创新。
如今，我国机械式立体停车设备的生产已形成一定的规模和市场，得到广大车主的认可。
根据车库专家的建议，我国目前的立体车库价格应在5万/车位左右，最好在4万/车位以下，而升降横移式停车库正好符合这一方面的价格定位[4]。
因此以“安全、快速、经济”著称的升降横移式立体停车库，成为一个崭新的“热点”。
现阶段采用这类设备的停车库被多方面普遍看好，具有良好的市场发展前景。
1.3立体车库的发展趋势
随着我国经济的发展和购买能力的壮大，立体车库的发展将呈现如下的趋势：
（1）大型化
在国内一线城市，停车难已经成为一种典型的“城市病”，停车矛盾严重制约城市中心区和商业中心的竞争力，抑制我国汽车的消费。
中小型立体停车场越来越无法满足各地的停车需要，因此需要建设一些大型化的立体停车场，以此来提供200至500个甚至更多的车位数，提高土地的利用率[5]。
（2）智能化
科技的蓬勃发展，使立体车库的智能化成为可能。
许多立体车库利用智能管理系统采用非接触式IC卡作为车辆出入停车场的凭证，以图像校对功能对出入车辆进行实时监控。
还有可能通过LED显示屏从而引导车主寻找其所分配的车库车位，以电子显示屏实时显示现场车辆停放的动态信息，基本解决了现有停车场存在的安全隐患问题，降低了出错率，提高了其智能化水平。
（3）手机应用化
手机终端的普及已成为世界公认的事实，手机APP的应用与停车行业的结合，将是停车行业发展的必然趋势。
这种模式的启用将最大限度的节省车主的存取车时间以及简化付款方式，为车主和车库管理人员带来极大的便利。
（4）家庭化
随着我国人均生活水平的提高，小汽车进入家庭的步伐也越来越快，将会有更多的家庭成员拥有属于自己的汽车，某些地区的一个家庭内甚至会有5辆以上的汽车，为合理安放增长的汽车，必然会推动家用立体车库的发展。
家用立体车库市场虽处于起步阶段，但随着汽车的进一步推广和国家政策的支持，其将来必会有广阔的发展前景。
1.4主要内容
本文将主要介绍升降横移式立体车库的基本概念、分类、运行原理和空间结构以及传动装置，利用PLC实现对车库的半自动化控制，根据用户的需求使相应的载车板平移，实现车辆的搬运、承载和存放车辆。
本文将首先分析立体车库的国内外发展现状和应用前景，接着介绍几种常见的立体车库的类型、特点、工作原理以及适用情况，然后分析要选择研究的车库类型及原因，简述2*3车库运行情况。
最后将介绍车库系统中的安全防护技术，当相应的报警装置发现系统异常时会发出警报信号，以此确保车库中出现紧急状况及时采取应对措施保障车主安全。
2立体车库总体设计
2.1立体车库概述
立体车库，又称之为“机械式停车设备”，它是由机械和电气系统组成，，可以建在地上，也可以建设在地下，或者半地下半地上，以单层平面停车场为核心建设的多层的用来存取车辆的设备。
最早的立体车库出现在西方的欧美国家，以美国和日本的技术成果较为显著，在中国是一个新型的行业，可以较大程度地缓解城市静态交通问题。
2.2立体车库的类型及特点
目前市场上常见的立体车库有：
升降横移式、简易升降式、垂直循环式、平面移动式和巷道堆垛式等5种[6]。
2.2.1升降横移式
升降横移式立体车库利用载车板升降或横移来实现车辆的存取，以钢结构框架为主体，利用链条带动载车板做升降横移运动。
常见的升降横移式立体车库为两层和三层，也可设计成四层、五层、六层、半地下等多种形式，车位数最高可达几百个。
主要适用于地下停车场扩建，医院、小区、商场停车位扩建等，如图12。
图21升降横移式立体车库
其特点如下:
土建要求低
场地适应性强
结构简单
投资成本低
存取车便利
可自动控制
2.2.2简易升降式
简易升降式立体车库（如图14）也是现有市场上使用频率比较高的停车方式之一，其使用率仅低于升降横移式立体车库，主要借助升降机构使汽车存入或取出。
车位无载车板，如果存取上层车位的车辆，需先将下层车位的车辆移开，更适合工厂、别墅、住宅等地区。
图22简易升降式立体停车库
其特点如下：
◆构造简单、维护费用低
◆一个车位可停放两台车
◆可任意迁移，搬迁安装容易
2.2.3垂直循环式
垂直循环式立体停车库（如图15）利用水轮原理，电机带动传动机构，并在链条的特定距离处安装载车托盘，装置启动时，存车托架随链条一起做循环运动并按照一定顺序将车辆搬运到地面，达到存取车的目的。
图23垂直循环式立体停车库
其优势为：
⏹占地面小，存车效率高，是平面停车库的3.5倍
⏹结构简单，安装方便，易拆卸，维护保养费用低
⏹操作简单，造价低，组合方式灵活
2.2.4平面移动式
平面移动式立体车库（如图16），采用与立体仓库类似的原理和结构，在每一层至少有一台横移车负责本层的车辆存取。
升降机将不同的停车层与出入口相连，车辆只需停到出入口，存取车全过程均由系统自动完成。
图24平面移动式立体车库
其特点是：
◆自动化程度高，停车效率高
◆整体结构设计紧凑
◆全封闭式建造，存取车安全性好，噪音小
◆可集中管理，又可由客户自己操作
2.2.5巷道堆跺式
巷道堆垛式立体车库（如图17）的工作原理和堆跺式自动化仓库很相近，运行到停车位时，通过伸缩机构的伸缩，完成在车架上存取车工作。
大多建设于车辆集中停放的集聚点处，其工程较大，使用率比较低，在市场上的份额仅占5%左右。
图25巷道堆跺式立体车库
其特点如下：
●低噪声、低耗能
●自动化水平高
●安全性高
●空间要求相对独立
●设备成本比较高
2.3立体车库的选择
在各类立体车库中，升降横移式立体车库以其结构简单、能耗低、成本低、操作方便等特点受到广大车主的青睐，在国内市场份额中占据80%，占立体车库的主体地位。
升降横移式立体停车库可以根据具体地形选择适合的设计模式：
⏹地上式
⏹地下式
⏹半地上半地下式
升降横移式立体车库的钢结构框架相对于其他类型的车库来说，能按照一定规格的分格单元进行组合，可纵向延伸，也可横向并列，各单元既相通又独立，可同时建设，大大缩短了建成日期。
车库组合布置的不同形式可适应不同场地条件的需要，配置非常灵活。
因此，本文选取升降横移式立体车库作为研究对象。
2.4升降横移式立体车库
2.4.1升降横移式立体车库工作原理
除顶层外的其他层都留有一个空位，用来给载车板提供上升和下降的通道。
当车辆位于车库的底层时，不需要移动车位的载车板就可以直接进行存取车操作。
若车辆存于中间层或顶层，存取车时，则需要判断预存取车位处所在的下方是否为空（即下方通道中是否有其他车辆），不为空则要通过横移将车位以下的载车板调整为空，形成升降通道，再进行上升操作，完成存取车过程。
车主只有在预存取车位的载车板降到地面层时，才可以把车辆开入或开出车库。
同时注意操作时，遵循底层载车板只进行平移操作，顶层载车板只能进行升降操作，中间层既可平移又可升降操作的原则。
2.4.2升降横移式立体车库车位规划
若车库规模大小为X层Y列，则总车位数Z为：
Z=X*Y-（X-1），本文选取两层5车位的升降横移式立体车库作为研究对象。
其中车库的上层载车板只能进行升降动作，下层的载车板只能进行横移动作。
车库中共6个车位，其中一个为空位（即交换车位），作用是给载车板提供上升和下降的通道，另外5个车位用于存放车辆。
示意图如图23所示。
图26两层5车位立体车库
如果驾驶员选择的是地面层的4号或者6号车位，在车位前的横杆放下后可以直接将车辆停放在目标车位载车板上；若选择的是1号车位，则需要通过横移装置使4号车位载车板移动到交换车位处，形成升降通道，1号车位载车板下降至地面层，驾驶员将车辆驶入载车板后通过升降通道上升，完成存取车。
具体参数如下表：
表1立体车库的技术参数
2*3立体车库的技术参数
停车规格
（mm）
长
宽
高
出入层高度
5000
2000
1560
≥1850
停车板规格（mm）
长
宽
4700
2100
停车重量（kg）
停车数量（辆）
升降速度（m/min）
横移速度（m/min）
电源
电机功率（KW）
传动方式
控制方式
驱动方式
≤2000
5
4-5
8-10
三相380V50HZ
14
钢丝绳
PLC控制
链传动
2.4.3升降横移式立体车库构成
升降横移式立体车库的整体结构主要由以下五大部分组成[7]：
（1）钢结构框架
钢结构框架是车库载重的主体支撑部分，是车库整体结构的“骨架”，包括立柱、横梁、纵梁、导轨及停车架等部分。
主要用于承重和安装其他相关控制系统设备，如图24所示。
图27钢结构框架
（2）载车板
每个车位均有一个载车板，用来搬运、承载和存储停放的车辆。
通过横移电机带动载车板实现左右横移，形成升降通道之后可以通过钢丝绳和升降电机实现载车板的升降移动，实现非地面层车辆的存取。
（3）传动装置
传动装置主要为横移装置和升降装置，由电机、导轮、链轮、链条、钢丝绳等部分组成。
横移装置（如图25）通过横移电机的转动从而带动同轴的链轮转动，然后通过卷在链轮上的链条带动主动轮转动，带动载车板在导轨上做左右横移运动。
升降装置（如图26）通过升降电机的转动带动链轮转动，链轮转动带动卷轴转动，从而带动卷筒转动，卷筒通过卷动或松放钢丝绳，实现载车板的升降运动[8]。
图28横移装置
图29升降装置
（4）安全防护
为预防突发事件，车库中会根据需求安装相应的安全防护装置（如图27）。
其中应用较为广泛为安全防坠装置，即载车板上升到指定位置后，为防止载车板因故障突然坠落而设置的防护装置[9]。
安全防坠装置具有结构简单、成本低廉、控制操作简便、安全可靠性高等特点。
选用挂钩式防坠，通过电磁铁驱动来实现其工作过程：
默认状态下安全挂钩被弹簧片弹向右侧，防止载车板坠落，电磁铁通电后挂钩被拉向左侧释放载车板。
图210安全防护装置
（5）控制系统
控制系统设计是立体车库的核心部分，其作用相当于人类的大脑。
本设计的控制系统选择在PLC控制下进行，可以对各个传感器信号进行采集分析，发出控制指令[10]。
2.5立体车库控制方式
当前立体车库常用的控制方式有PLC控制方式、继电器控制方式、单片机控制方式[11]。
这些控制方式具有不同的特点，因此适用的场合也不一样。
具体区别如下表2。
表2三种控制方式的主要区别
控制方式
优点
缺点
PLC控制
与继电器逻辑电路相比不用重新组装硬件，只需要重新编写程序并下载至PLC中即可，具有灵活、通用、可靠性高等特点
对智能化要求较高，成本相对较高
继电器控制
只使用继电器来操控，电路简单，售价低
不适用于大规模的立体车库，规模越大，逻辑电路越复杂
单片机控制
使用方便，可以直接装载到设备上，体积小，性价比较高
抗压能力不高，系统使用汇编语言，需要专业人员
从成本以及实现程度方面考虑，选择PLC控制方式。
PLC经过多年在工业领域的运用后,按其功能，它主要应用在以下几个方面[12]：
（1）数据处理:
PLC是具有微处理器的一种智能电子产品,它具有数值运算、数据比较、数制转换、以及数据传输通信等功能。
（2）逻辑控制:
PLC具有逻辑运算功能,可实现多种通断控制。
（3）定时控制:
由于PLC为用户提供了很多计时器,且时间设定值可由用户程序设定修,所以有很强的定时功能。
（4）计数功能:
同时PLC为用户提供了很多的计数器,也可通过软件进行计数值的设定。
（5）顺序控制:
可依据生产加工过程,实现定位输出、顺序启动等控制。
（6）通信联网:
可以对调节器、变频器等实现远程控制。
2.6本章小结
本章主要介绍了立体车库的概念、主要类型和各自的特点以及车库类型的选择，简述了升降横移式立体车库的工作原理、车位规划、车库构成，通过PLC控制方式、继电器控制方式、单片机控制方式的优缺点比较确定PLC作为车库的控制系统，并简述了PLC的几个应用方面。
3系统硬件电路设计
3.1硬件组成
3.1.1电源部分
在第一个空气开关前设有熔断器，以防止过高的电流流入电路而烧坏电器元件，起到保护整个电路的作用。
取220V的交流电供给PLC，而这个220V的交流电又并接到一个PSW上，从而得到24V的直流电供给行程开关等低压元件。
3.1.2电机部分
电机部分主要由升降电机和横移电机两部分组成。
二层载车板做升降运动时，只需启动升降电机：
从主电路上引出一条电路，先在电路上安装热继电器FR，保证使用安全，通过继电器KM1接入电机，让电机正转，同时并联上KM2，让电机反转来完成载车板的升降。
底层载车板左右横移，只需要启动横移电机，通过KM3和KM4让电机正反转实现载车板的左右横移，故使用三相交流电机控制。
图31电机控制原理图
3.1.3安全防坠部分
上层载车板装有上下行程极限开关和防坠落安全装置[13]。
安全防坠装置主要在纵梁和上载车板之间，在纵梁两侧各装有两只挂钩，上层载车板的两侧相应位置处各装有两只耳环，当载车板上升到位后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环，以防止升降电机发生故障时，载车板上的汽车和载车板慢慢下滑，压坏下层汽车。
下层载车板的安全装置主要是行程极限开关和防碰撞板[14]。
行程极限开关的作用是使载车板横移到位后自动停止，防碰撞板的作用是下层载车板移动时，如果碰到人、遗留行李或车主宠物时切断横移电源，横移停止。
3.1.4升降机构的选择
目前升降横移式立体车库主要有以下几种传动方案：
表3升降机构的选择
传动方式
优点
缺点
配置方法
钢丝绳传动
承载能力强，结构简单便于维护，载车板提升高度不加限制，跳丝、断丝容易判断
提升晃动幅度大，需要外卷筒和刹车盘，成本较高，易损坏
电机、减速机、卷筒、滑轮、钢丝绳
链传动
稳定性好，传动简单可靠，维护简单，造价低廉，环境适应性好，传动效率高
冲击比较大，有提升速度的限制
电机、小链轮、大链轮、主轴、提升链、载车板
液压传动
有很大的功率质量比，适合大负载的情况，工作平稳，具有高精度、高灵敏度和高安全性
造价高，不能保证准确的传动比，传动效率不高
压力机、导向块
考虑到所列传动方式的优缺点以及价格问题，本设计采用链传动的方式（如图32）。
图32链传动方式原理图
3.2传感器的选择
光电传感器（光电接近开关的简称）是利用被检测物对光束的遮挡或反射由同步回路选通电路，从而检测是否存在物体。
立体停车库中，光电开关不仅能检测车辆，当载车板上有人员、杂物或者其他影响车库运动安全的物品时，光电开关会检测到，从而避免因为上述物品造成的损失。
本设计使用欧姆龙E3JK-5M1对射式，检测距离为5米。
图33欧姆龙E3JK-5M1对射式光电传感器
3.3行程开关
行程开关又称为限位开关，当其与生产机械的运动部件产生碰撞时，行程开关便发出控制信号，将机械位移转变为电信号，以实现对机械运动的电气控制。
为了保证存取车可靠安全，系统要精确定位，行程开关的设置保证了载车板能平移到预定位置，但行程开关逻辑要严格互锁。
图34行程开关
3.4驱动元件
驱动元件是完成载车板的横移和升降的专用减速电机，查阅相关资料得知升降速度>10m/min；横移速度>12m/min；最大提升重量2500kg；升降机构电机功率为5-8kW；横移机构电机功率为0.37-0.55kW。
为此，本文横移机构电机选用Y8012-2三相异步电动机，升降机构电机选用Y132S2-2三相异步电动机[15]。
4系统软件设计
4.1输入/输出口资源配置
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
本次设计选用S7-200系列中的CPU226DC/DC/DC，它的可用输入点数为30，可用输出点数为16。
（1）输入点分配如表4所示：
表4输入点分配表
限位开关
10
存取车开关
4
光电开关
6
烟雾检测传感器
1
启动、停止、急停开关
3
总数
23
其中：
X3-X4为限位开关；X15-X17及X23为操作开关；X20-X22和X24-X27为光电开关；X25为烟雾检测开关；X0为启动开关；X1为停止开关；X2为急停开关。
输入I/O分配表如表5所示
表5输入I/O分配表
1号车上限位开关
X3
检测车辆是否停好的光电开关
X20
2号车上限位开关
X4
检测1车位是否有车的光电开关
X21
3号车上限位开关
X5
检测2车位是否有车的光电开关
X26
1号车下限位开关
X6
检测3车位是否有车的光电开关
X24
2号车下限位开关
X7
检测4车位是否有车的光电开关
X22
3号车下限位开关
X10
检测6车位是否有车的光电开关
X27
4号车左限位开关
X11
1、2、3号车位上升开关
X23
6号车左限位开关
X12
X23
4号车右限位开关
X13
启动开关
6号车右限位开关
X14
急停开关
X0
1号车位存取车开关
X15
停止开关
X1
2号车位存取车开关
X16
X2
3号车位存取车开关
X17
（2）输出点分配如表6所示：
表6输出点分配表
升降台电动机线圈
6
水平横移电机线圈
4
正常运行、车满位、报警信号灯
7
防坠电磁阀
3
总数
20
输出I/O分配表如表7所示：
表7输出I/O分配表
1号车平台上升
Y0
1号车平台下降
Y3
2号车平台上升
Y1
2号车平台下降
Y4
3号车平台上升
Y2
3号车平台下降
Y5
4号车平台上升
Y10
4号车平台下降
Y12
6号车平台上升
Y11
6号车平台下降
Y13
烟雾报警信号灯
Y14
1号车位指示灯
Y20
1号防坠电磁阀
Y15
2号车位指示灯
Y21
2号防坠电磁阀
Y16
3号车位指示灯
Y22
3号防坠电磁阀
Y17
4号车位指示灯
Y23
满车位指示灯
Y25
6号车位指示灯
Y24
4.2升降横移式立体车库的梯形图
PLC作为控制器，需要相应的程序来实现系统的运行，在PLC所有编写的程序中，梯形图是用的最广泛的一种，被称为PLC的第一编程语言。
类似于电器控制系统的电路图，易被工厂电气人员掌握，适用于开关量逻辑控制。
故在此次设计中，使用梯形图来编写。
启动停止程序：
烟雾报警程序：
是否有车指示程序：
车位跳转程序：
在系统启动时，车位存取车跳转程序就随之启动，当按下相应的车位存取按钮时，会跳转到相应的子程序。
在存取车位时，需要先打开相应的防坠电磁阀，在延时时间到后，判断下层的车位是否有车，若有车则需要县移动下层的
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