基于PLC的多层升降横移立体车库控制系统设计.docx

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基于PLC的多层升降横移立体车库控制系统设计

摘要

本文设计针对由于城市空间有限，并且城市中车辆日益增多所造成的停车难问题，设计了基于PLC的多层升降横移立体车库控制系统，立体横移式车库占地面积小，操作方面、智能，利用PLC程序，可以使操作变得简单易懂，使人们存取车辆更加方便快捷，并且运用世纪星组态软件对PLC进行实时监控。

本文首先介绍了立体车库的开发背景、意义以及国内外的现状。

其次对立体车库做了整体性的设计，包括工作原理、操作方式等。

接着对PLC的软件单元进行了透彻的分析并编写控制程序，软件设计分为手动移动、自动移动两种模式，自动模式下能够实现自动判断存取状态、自动复位等功能。

最后通过世纪星组态软件实现对智能立体车库的实时监控。

立体车库在生活中的确有着广泛的应用空间，能够给人们带来巨大的帮助。

随着科学的进一步发展，立体车库必定会有更大的发展，会更好的服务于人们。

关键词：

立体车库；可编程控制器；组态软件

Abstract

Thisarticleisdesignedbythetargetedtoslovetheproblemsofurbanspaceislimited,andthegrowingnumberofcitiescausedbyvehiclesparkingdifficultissue.Three-dimensionalsliding-garageareaissmall,operational,intelligence,theuseofPLCprogram,youcanmaketheoperationsimpleandeasytounderstand,makeitfasterandmoreconvenientaccesstovehicles,andtheuseofCenturyStarconfigurationsoftwaretoconductreal-timemonitoringofthePLC.

Thispaperdescribesthedevelopmentofthree-dimensionalgaragebackground,thesignificanceofthestatusquoathomeandabroad.Secondly,three-dimensionalgaragedoneoveralldesign,includingtheworkingprinciple,operationmethods.ThenthesoftwareunitofthePLCconductedathoroughanalysisandpreparationofcontrolprocedures,softwaredesignisdividedintomanualmovement,automaticallymovetwomodes,automaticmodecanbeachievedautomaticallydetermineaccesstothestate,automaticresetfunctions.ThefinaladoptionofthecenturyStarconfigurationsoftwareforintelligentreal-timemonitoringofthree-dimensionalgarage.

Parkingisindeedinlifehasawiderangeofapplicationsofspace,itwillgivepeopleahugehelp.Withthefurtherdevelopmentofscience,three-dimensionalgaragewillbegreaterdevelopment,willbetterservethepeople.

Keywords:

Three-dimensionalGarage;ProgrammableController;configurationsoftware

绪论

（1）课题研究的背景和意义

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。

以北京市为例，截止2006年底，市区仅有公共停车场827处，共计车位5.6万个，仅占市区机动车拥有量的8.5％，停车环境与城市规划的矛盾十分突出。

据建设部城市交通工程技术中心对全国15个大城市停车现状的调查，城市机动车保有量与停车位之比平均为4.84：

1，这一比值对于渴望“车者有其位”的车主来说，形式不容乐观。

停车难产生最主要的原因是城市建设规划上的准备不足。

上世纪80年代初期，北京市权威部门对2000年北京汽车发展数的预测仅仅是70万－80万辆，而事实上到新世纪钟声敲响之前，北京市汽车总量则足足比预期多了100万辆，其中私人小客车的数量就高达45万辆。

面对迅速发展的城市车流，停车设施建设的落后也就不足为奇。

据建设部停车技术开发推广中心介绍，北京市停车设施的“欠账”最保守估计应为20－30％[1]。

图1被汽车占领的城市

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[1]。

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2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[2]。

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。

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空间问题提供了机会。

可以预见立体车库具有非常广阔的市场前景[2]。

（2）国内外现状

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、台地区的停车行业也通过引进--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3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4韩国LG公司研发的塔式

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5在我国广泛使用的升降横移式立体车库

（3）本文的主要工作目标和意义

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、垂直循环式、箱型水平循环式、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，可以发现升降横移式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，本文最终确定研究对象为升降横移式立体车库。

（4）论文结构

（1）本文首先介绍了课题的背景和研究意义，简述了国内外的现状。

（2）对立体车库的工作原理作了介绍，设计了手动、自动了两种操作模式以及具体的运行过程。

（3）完成工作方式的设计后，针对需要实现的设计目标进行了硬件选择。

并且作了详细的介绍。

（4）本文最后根据选择的硬件以及立体车库具体功能的需要进行了软件的选择，随后进行了相应的软件程序设计。

并且设计了立体车库的世纪星组态设计。

1立体车库的控制方案设计

1.1立体车库的工作原理

升降横移式立体车库是指利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停车设备。

升降横移式立体车库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。

停泊在这类车库地面的车只作横移，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，驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库。

以7车位的升降横移式停车设备为例，具体形式如图1.1所示。

图1.1立体车库的存车状态

其工作原理是：

三层三个车位可以升降，二层两个车位可以升降和平移，一层的两个车位只能横向横移，空车位供三层和二层的车位下降时借用。

1、2号车位可以直接存放车辆；5号车位需下降后再存放车辆；3号车位，1号载车板左移，再将3号载车板下降；4号车位，则需先将1号和2号载车板左移，再将4号存车板下降；6号车位则需要先将1、3号载车板右移，再将6号载车板降下；7号车位需要先将1、2、3、4号四个载车板右移，再将7号载车板下降。

由于升降横移式停车设备对场地的适应性强，介绍系统各机械部分部件结构和功能可根据不同的地形和空间进行任意的组合、排列，规模可大可小，对土建的要求比较低，因此，应用非常广泛。

1.2设备的控制要求及控制方式的设计

本系统为升降横移式立体车库的控制系统。

设置有操作面板，具有手动/自动两种工作状态，有车位选择、移动方向选择以及复位功能。

自动模式中允许用户刷卡控制，经过相关设备的处理，直接对相应的车位进行存取操作，由PLC程序控制相应的变频器和电机控制在车板移动，达到存取车辆的目的，由车位传感器确定车辆是否已经被取走或者车辆是否已经存入，并且在完成相应的工作后自动恢复成为到原位。

手动模式控制设备与自动模式相同，主要是服务于故障检测以及特殊情况的。

具体的操作是：

首先选择车位，然后选择车位的移动方向，当车位移动到相应的位置后由相应的限位开关控制其自动停止，不同于自动控制的是，当完成相应的操作的时候，需要将车位手动复原。

可以让设备随时停止，以便于机械故障的时候减少损失和维修

在中央控制室，需要一台控制的计算机，并且利用组态软件监控车库的运行状态，以便于及时的发现问题，组织维修。

上位机与PLC通过通信电缆连接。

1.3系统的操作过程

1.3.1手动操作

选择按键手动或者自动，“手动运行”指示灯亮，即可在电柜面板上选择相应的手动按钮及动作升降横移选择开关进行操作。

另外取车之前要保证各车位与车盘（车位与车盘的定义参见机构工位简述的规定）在相对应的位置上，才能按照下面的操作方法进行操作，否则要根据实际情况进行相对应的手动操作。

（1）取车位3上的车，手动操作过程如下：

按下车位1按钮，选择左移按钮，直至车位1移动到左侧的时候由限位开关控制自动停止；然后选择车位3，在选择下移按钮，车位3移动到底部的时候由限位开关控制自动停止。

取车完毕需要手动复位。

（2）取车位4上的车，手动操作过程如下：

选择车位1，然后选择左移按钮，车位1实现左移；然后选择车位2，选择左移按钮，车位2实现左移；然后选择车位4，选择下移按钮，车位4下移。

取车完毕需要手动复位。

（3）取车位5上的车，手动操作过程如下：

选择车位五，然后选择下移按钮，则车位5视线下移。

取车完毕需要手动复位。

（4）取车位6上的车，手动操作过程如下：

选择车位1，然后选择左移，实现车位1左移；然后选择车位3，选择左移按钮，车位3实现左移；然后选择车位6，选择下移按钮，车位6视线下移。

取车完毕需要手动复位。

（5）取车位7上的车，手动操作过程如下：

分别移动车位1、车位2、车位3、车位4，分别实现左移；然后选择车位7，选择下移按钮，视线下移。

取车完毕需要手动复位。

1.3.2自动运行

按下自动按钮，然后刷卡，则车位下移，然后通过车位传感器，实现自动归位。

例如对车位6的自动操作：

当读卡器接到用户的输入后，车位1和车位3左移，结束后车位六下移，当车位里的车被用户取走之后，车位六6自动上移，然后车位1和车位3左移，实现自动复位。

2立体车库系统的硬件设计

2.1控制系统设计

立体横移式升降横移车库的控制系统的硬件可根据具体的需要选择，程序控制方面需要可编程控制器（PLC）；汽车的存放需要钢架和在车板；车位的移动控制需要变频器和电机；载车板移动的行程采用限位开关控制；汽车已经存好或者已经取走的判断需要车位传感器来实现。

2.2PLC的选取

立体车库的控制系统有很多种，各有特点，本文针对本系统的实际需要，选择PLC进行控制，主要是因为如下特点及原因。

2.2.1PLC的特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统将极高的可靠性。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。

（4）系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。

这特别适合多品种、小批量的生产场合。

安装与布线：

动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。

将PLC的I/O线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。

 PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。

在柜内PLC应远离动力线（二者之间距离应大于200mm）。

与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。

PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。

模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10，交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

I/O端的接线：

输入接线一般不要太长。

但如果环境干扰较小，电压降不大时，输

入接线可适当长些； 输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开； 尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。

输出端接线分为独立输出和公共输出。

在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。

但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源；由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板；采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器；PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。

2.2.2PLC的应用广泛

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：

（1）开关量逻辑控制

取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）工业过程控制

在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度