毕业论文设计垂直提升式立体车库电气系统硬件设计.docx
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毕业论文设计垂直提升式立体车库电气系统硬件设计
河北联合大学轻工学院
QINGGONGCOLLEGE,HEBEIUNITEDUNIVERSITY
毕业设计说明书
设计题目：
垂直提升式立体车库电气系统硬件设计
学生姓名
学号：
201015390824
专业班级：
10级电气8班
学部：
信息科学与技术部
指导教师：
副教授
2014年06月03日
摘要
机械式立体停车设备是解决各大城市停车难问题的有效途径，是未来车库发展的必然趋势。
论文讨论了一种采用直线电机作为横移装置的垂直升降式立体停车库的控制系统设计，旨在实现立体停车库的全自动、安全、可靠地运行。
论文首先针对机械式立体停车库的国内外发展现状、优缺点、主要类型以及国内行业发展中存在的问题等进行了认真的研究。
综合考虑各种因素后，选定垂直升降式作为课题研究的车库类型。
接着介绍了立体车库的总体结构，重点阐述了升降装置、横移装置的结构组成和工作方式。
论文还就立体车库的运行原理作了整体的分析，如定位原理、调速方法、速度控制、工作流程等方面。
论文重点研究了控制系统的硬件设计，确定了基于PLC的控制系统的硬件方案，详细介绍了S7-300,S7-200、变频器和通讯接口板等硬件设备的相关原理。
关键词:
垂直升降式立体停车库；直线电机直接驱动；PLC控制系统通讯协议
Abstract
Mechanicalstereogarage,whichisaneffectivesolutiontotheproblemofparkingdifficultyincities,hasbecomeaninevitabletrendinthedevelopmentofgarage。
Thispaperdiscussedthecontrolsystemdesignofaverticallyliftinggaragewhichusedlinearmotorastransverselymovedevice,aimedtorealizewho,safeandreliableoperation。
Thepaperfirstlymadedeepresearchesofdevelopmentstatusofstereogarageathomeandabroad,itsadvantagesandexistingproblemsofitsdevelopmentinourcountry。
Aftervariousfactors,verticallyliftingtypewaschosen。
Thenthegeneralstructureofstereogaragewasintroduced,andstructureandworkingprincipleofliftingdeviceandtransverselymovedevicewereexpoundedindetail。
Inthemeantime,theoperatingprincipleofthestereogarageisgenerallyanalyzed,etc。
Thepapermainlyfocusedontheresearchofhardwaredesignofthecontrolsystem。
Accordingtotherequirementsofdesignofthecontrolsystem,solutionofcontrolsystembasedonPLCwasestablished,
Keywords:
Verticallyliftingstereogarage;linearmotor;directdrive;PLC;control
第1章绪论
随着国民经济的飞速发展以及城市现代化水平的不断提高，我国的汽车保有量迅速增长，目前许多城市的车辆交通已远远超过现有道路设施的负荷，停车场建设滞后导致我国的静态交通基础设施严重落后于动态交通基础设施，停车难的问题已逐渐成为影响和制约城市建设以及经济发展的重要因素。
传统的平面停车场需要占用大量宝贵的土地资源，容纳的车辆有限，无法有效解决这一问题，而先进的机械式立体停车库，集机械、电子、液压、光学、磁控和计算机等多种技术于一体，实现了地面停车向空间的扩展，具有节约空问、自动化操控、安全可靠、建设成本低、配置灵活等优点，已成为未来车库发展的必然趋势。
1.1机械式立体停车库
为解决停车设施不足的问题，建设立体化车库是国内外都积极采取的措施，尤其是自动化的机械式立体车库更是首选。
机械式立体停车库实际上是一套停车装置，车辆的存取完全依靠车库的机电设备和控制系统来完成，主要是通过可编程控制器（PLC）控制机械设备运转，采用机械举升的方式，将车辆输送至空间停放或者从空间停放位置取出，从而实现占地面积少而停车数量大幅增多的目的。
它利用空间停车，避免了司机自驾出入带来的不便。
机械式立体车库在国外己有几十年的发展史，已由发展初期的半自动化控制方式，发展到全自动化的控制方式；机械结构也发展到模块化设计，便于组合、拆卸；使用材料和工艺也都有了突飞猛进的发展。
这种车库除了节省城市昂贵的土地资源、防雨防盗外，还存取方便。
在城市土地资源越来越紧缺的情况下，立体化停车是必然出路，而机械式立体停车库占地面积少，可最大限度地利用土地和空间资源，其土地利用率和空间利用率较高,适用性强，设置灵活，既可以大面积使用，也可以因地制宜见缝插针设置，还能与其他方式结合实施；建设周期短，投资低，其机械结构采用模块化设计，是用预先加工好的钢结构框架、钢板、钢板网及非金属板材装配而成的，便于组合、拆卸，可拆卸后运到另外的场地继续使用；自动化程度高，使用方便,易于管理。
1.1.1机械式立体车库的国内外发展现状
机械式立体停车是解决各大城市停车难问题的有效途径阁，最早起源于欧美国家。
1920年，美国就建成第一座机械升降汽车库，50年代后，随着私人汽车的大量涌现，美国、西欧的国家相继发明了多种形式的立体车库。
德国和意大利等欧洲国家从事停车设备的开发和生产也比较早，较好的公司有:
意大利,Interpark、德国Pall:
等，优势主要在于巷道堆垛类的产品。
由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表现不是很突出，因此立体停车设备的应用不是很多。
产品形式多数为巷道堆垛式，多层升降横移式产品应用也很好。
由于土地资源紧张在亚洲某些国家的表现尤为突出，日本是狭小的岛国，其立体停车库的建设十分发达，立体停车库在日本城市随处可见。
日本从50年代中期开始从事机械停车设备的开发、生产、销售和服务，至今己有四十多年的历史。
近年来在日本的城市里，可用来建设停车场的空地很少且价格昂贵，所以能最大限度利用空间的机械式自动化停车库得到迅速发展。
1962年日本研制出第一台自动化立体停车设备（包括机械式停车设备、停车管理收费系统、停车导航系统、出入口控制设备、读卡机及停车管理工具等），与此同时，日本还开发了大量的二层、三层及多层多列式机械式立体车库。
根据日本建设省调查统计，60年代末，仅东京市就建成了各种形式的机械化汽车库40座。
到了1983年，全日本共建成机械式车库25437座，共19.2万个停车位，到1991年底，日本建造的机械式停车装置有12万多台，可容车72万辆，建造的装配自行式立体停车场近900座，可容车20万辆。
从90年代起日本每年投入运行的机械式停车位都在10万以上，目前全日本投入使用的机械式停车位超过300万个。
现在日本在停车场（库）的技术研究与开发、制造、管理等方面的水平都处于领先地位，所建成的立体停车场的数量和其容车量也居于世界前列。
如今，立体车库在西欧、东南亚、韩国、日本都得到了广泛的应用，形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业体系。
目前在日木从事机械式停车库及其设备开发、制造的公司约有200多家，其中生产机械式停车装置的公司约有130多家，比较大的公司有三菱重工业、石川岛播磨重工业、日精、新明和工业、昭和起重机制作所等株式会社。
另外还有一些公司专门生产停车场用的辅助设备（如停车场管理系统、收费系统等）。
德国和意大利等欧洲国家从事停车设备开发和生产也较早，较好的公司有:
意大利，德国的Pall等。
由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表现不很突出，停车设备应用量不是很大。
韩国的机械停车设备技术是日本技术的派生，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年代开始进入供应使用阶段。
由于韩国政府的高度重视，各种机械停车设备得到普遍开发和利用，近几年泊位增长速度都在30%左右。
1.1.2国内机械式立体车库的发展
我国立体停车设备早期开发工作是从20世纪80年代末开始的，1989年推出了第一合双层式停车设备。
己经开展工作研究、开发和制造机械式立体停车设备的单位有十多家左右，如北京恩菲科技产业集团、敬稳（北京）机电设备有限公司、江苏双良停车设备有限公司、杭州西子立体车库有限公司、北京鸿安停车库有限公司、许继银天车库工业有限公司、上海天地停车设备有限公司、济南天辰立体停车设备有限公司、山东莱钢泰达协固车库有限公司等企业。
我国立体停车设备的生产企业大多技术力量薄弱，自主开发能力差，多靠引进国外技术图纸或与外国的企业合作，制造水平基本上是跟踪国外先进技术。
1990年国家知识产权局开始授予停车设备专利，到2002年12月共有350项专利通过了实质性审查或授予了专利权。
其中发明专利85项，实用新型专利251项，外观设计专利14项，分别占24.3%，71.7%和4%（发明专利还较少，即原创性的成果少，停车设备领域研究的深度和水平有待提高）。
我国在80年代就曾由机械部策划引进，但直到90年代初才受到重视，1997年，筹建成立了停车设备行业协会，建设部、公安部、劳动部现在都己制定专业标准并指定了归口管理部门。
在北京、上海、广州、深圳等地己经建立起一些立体停车库，产品主要从韩国、日本、德国等进口，国产比例约为30%近几年来，由于汽车工业和汽车需求市场的快速发展，国内自动化立体停车库市场正以直线上升的态势在飞速发展。
深圳、上海、广州、重庆等城市正在建设，有些已经建成使用，收到了很好的效果。
北京市2002年新建立体车库67个，泊位14906个，占全国泊位总数的61%，比2001年增长26.2%；上海市新建立体车库41个，泊位3380个，占全国总泊位数的14%，比2001年增长47%。
近日，济南天辰立体停车设备有限公司的一座升降横移式立体车库在山东省立医院建成并使用，该车库造价100余万元，共设有36个车位，是济南市第一座投入使用的机械式立体车库。
据不完全统计，全国安装投运的停车位己从1989年的68个增加到2002年的24507个，尤其是2002年安装投入运行的泊位数超过了过去历年安装投运的总和，但只占到总需求量的2%左右。
从分布情况看，己安装、投运的停车库分布在25个省（市）、自治区的30多个城市，除北京、上海这样的大城市外，已扩展到省会城市，甚至一些中小城市（如无锡、常州、温州等）。
从采用机械式停车设备的类型看，应用较多的仍然是升降横移类、简易升降类、仓储类（包括巷道堆垛类和多层平面移动类）和垂直升降类，尤其是升目前我国立体停车设备行业进入稳步发展我国是从20世纪80年代初开始研制和使用机械停车设备的。
80年代尚处于起步阶段，90年代以来，机械停车设备逐渐步入了技术引进与自主研发相结合的初步发展阶段，得到了较快的发展，已经形成为新兴的停车设备行业。
据统计，1997年全国只有9个机械式停车设备生产企业，只有11个省、市、自治区的13个城市拥有机械式停车设备。
而截至2006年底，全国的机械式停车设备生产企业已发展到100多家，已有27个省、市、自治区的94个城市兴建机械式立体停车全国机械式停车库（泊位）拥有量达到284,752个。
目前，我国的机械停车设备在生产能力和产品质量方面，已接近国外先进水平。
许多设备采用了当前机械、电子、光学、磁控、计算机等领域的先进技术，大大提高了产品在技术含量、智能程度、运行可靠性等方面的性能。
近年来，立体停车设备的自主研发工作也越来越被重视，国内许多研究机构都投入技术力量，对机械立体停车设备的各个方面，例如结构优化、控制系统设计、存取策略优化、可靠性分析、生产工艺等方面进行研究，取得了很多的成果。
与此同时，国家也逐步配套与停车产业相关的法规和各项标准，先后制订了多项停车设备的行业标准和行业规范，以加强规划引导、技术开发和标准化工作，虽然机械式立体停车库在中国作为新兴的产业，具有相当可观的发展前景，但是目前仍未进入高速发展时期，主要因为我国的立体停车设备行业的发展存在着一些问题:
首先，虽然行业里的企业已经形成一定的规模，但是发展不平衡，骨干的大中型企业在20家左右，其它的则是中小企业居多，中小企业技术力量薄弱，靠仿效或引进国外的技术，缺乏自主开发能力。
其次，机械式立体车库是对安全性能要求很高的机电一体化设备，但是有些自主研发的产品缺乏深入的研究，产品的可靠性、安全性、耐久性还不能完全保障；第三，市场竞争无序，目前总体生产能力过剩，价格偏低；政府在对立体停车产业发展的政策方面严重滞后；此外，平面停车场收费低廉以及人们在意识上尚未完全转变，也是立体停车难以普及的重要原因。
由此看来，为加快我国机械停车设备产业的发展，需要在政策、市场、管理和技术等多方面做出努力:
（1）政策是解决此问题的关键，政府的扶持对于新兴产业的发展十分重要。
政府应参照发达国家的相关政策法规，完善机械式停车设备的相关标准和规范，规划专用和公共停车位数量，实现投资主体多元化，确定合理的停车收费标准，给予投资者和经营者优惠政策等。
（2）市场方面，可调高路面停车收费标准，利用价格杠杆刺激立体停车库的市场需求；鼓励市场规则与政府调控相结合，促进立体停车行业的良性发展。
（3）提高机械停车设备的技术水平和产品质量，是解决问题的根本措施。
鼓励国内的科研机构在机械停车设备研究上投入更多的技术力量，开发出高效、节能、安全、符合本国国情的产品,鉴于目前很多中小企业采用的是从国外引进的技术，应提倡企业将技术引进与自主研发相结合，在消化吸收的基础上注重技术创新，提升产品的竞争力。
1.1.3机械式立体停车库的特点
以立体化形式存放车辆的机械式停车库叫做机械式立体停车库，是一种技术密集型的机电一体化产品，发展潜力很大，具有很多优点:
（1）节省占地面积。
一般约为平面停车场的1/2-1/25，立体车库最大的优势就是能够向高空、地下发展，利用小的占地面积实现大的车辆存储。
（2）建设成本低。
由于机械式立体停车库主要向垂直空间扩展，虽然工程费用较高，但可省去大量的土地使用费等开支，因此就单个泊位的建设成本而言，一般低于同等规模的平面停车场。
（3）自动化操控，使用方便。
机械式立体停车库自动化程度高，用户通过简单操作，就能实现车辆的自动存取；配备自动检测系统以及安全保护措施，安全性能好。
（4）配置灵活，适应性强。
机械式立体停车库具有多种类型，设计上具有较大的灵活性，可适应各种形式的地形或建筑物。
机械式立体停车库在具有上述优点的同时，也存在一些缺点，并且在一定程度上制约了其推广和应用：
首先，造价偏高，除了建筑和设备的投资费用，还需要维护的投入，以保障设备的安全、持久地运行；第二，进出车时间长，虽然各种类别的机械停车设备对单车最大进（出）时间一般控制在2分钟以内，但由于单套设备往往只有一套执行机构，不允许多辆车同时出入库，如果面临高峰期，势必会出现等候现象。
1.1.4机械式立体停车库的主要类型
所谓机械式停车设备，是指将汽车搬运或存放到泊车位使用的机械设备的总称，主要由钢结构、传动系统、控制系统等几个部分组成。
根据我国发布的JB-T8713-1998《机械式停车设备类别、型式与墓本参数》标准，机械式停车设备的类别名称及代号现介绍几种具有一定代表性的类型:
升降横移式停车设备利用载车板的升降或横移来实现车辆的存取，此类停车库将载运和存放汽车的载车板与升降装置组合在一起使用，构成立体化存车的形式，多为中、小型车库，泊位数目从几辆至几十辆不等，一般设计为2或3层，极少超过5层。
结构上，除顶层外，每层均有一个空车位，作为交换车位；车辆进出层的载车板仅作横移运动，最顶层或地下最底层的载车板只作升降运动，中间层既能升降也能横移。
这种类型的立体车库造价不高，车位的布置紧凑，易于实现自动控制，在楼宇地下室或住宅小区的空地上布置较为方便，特别适用于平面自走式停车库的改造工程。
缺点是每块载车板都需要配套的驱动机构，结构比较复杂，可靠性不易保障，飞层数不宜设计太高，车位数不宜太多，否则存取流程过于冗杂，能源浪费很大。
垂直循环式立体停车库是循环式中最有代表性的，主体是垂直回转链式输送机，车辆停放在呈圆形或长圆形配置的数个托盘上，由链条带动做垂直循环运动，在平动机构控制下保持车位水平。
这种车库由单一大型电机驱动，最大的优点是电气控制系统简单，但缺点也很明显，例如泊位数受电机功率及结构等因素限制、传动噪音大、存取速度慢、能耗高等，因此呈逐步淘汰之势。
垂直升降类立体停车设备利用升降机构将车辆提升到目标层，再启动横移机构把车存入泊位中，工作方式类似于电梯。
这种车库有几十米高，每层可设2个或多个泊位，可单独建设或安装于建筑物内，一般采用可编程序逻辑控制器构成其自动控制系统，实现车辆的全自动存取、自动计费等功能。
垂直升降式立体车库的机械结构和控制系统更为复杂，对地基、消防、运行可靠性和安全性的要求也更高，因此造价较高。
但是相比于其他形式的立体车库，其在空间利用率、技术性能、结构刚度、存取效率以及能耗等很多方面都更有优势，具有很广阔的发展前景。
巷道堆垛类立体停车设备是利用巷道堆垛机或桥式起重机作为搬运装置，进入到搬运装置中的车辆可同时进行两维的运动，快速到达指定车位，再用存取机构将车存入泊位。
这种车库类似于立体仓库，最早出现在美国，适合于上百个、甚至是上千个停车位的大型自动化立体停车库，当然造价也是很高的。
1.2研究思路和主要研究工作
（1）查阅文献资料，了解机械式立体停车库的国内外发展现状、各类机械立体停车设备的工作原理和特点；比较几种主流形式在空间利用率、造价、存取时间、技术性能、能耗等方面的特点；注意文献中有关控制系统研究的部分。
（2）在车库总体方案和自动控制系统硬件设计的墓础上，参照立体停车库存取流程，考虑设备运行的高效、安全、可靠等要求，分析和设计具体的软件实现方案，包括功能的构建、可行性分析、软件架构设计、程序流程图的绘制等。
本论文在查阅大量文献资料的基础上，以新型智能立体停车库的控制系统为研究对象，着重于控制系统软件方案的制定和具体实现，主要内容包括:
1）立体车库的总体结构和运行原理分析；
2）立体车库控制系统的硬件方案；
1.3本章小结
本章介绍了机械式立体停车库的概念用途，立体车库的优缺点和主要类型、发展历程以及过内外的发展现状以及目前国内行业发展中存在的一些问题。
此外，阐述了研究思路及论文的主要研究内容。
第2章立体车库的总体结构和运行原理
2.1车库选型
通过分析比较各种类型的优缺点，结合技术可行性和投资经济性，本课题的立体车库类型设计为垂直升降式，这是因为在几种应用较多的类型中，垂直升降式是综合性能十分优良的一类，具有空间利用率高、技术性能好、能耗低、噪声小、速度快、操作简单、维护方便等优点，具有广阔的发展前景。
循环式立体车库虽结构简单，但存取速度过慢、能耗高、噪音和震动大，只是早期的立体车库形式，目前较少使用；升降横移类的应用较为广泛，但自动化程度及存取效率较低，受传动链绳和存取时间限制，可建停车规模有限；巷道堆垛式的投资成本很高，适用于库容量需求极大的场合，本课题暂不涉及这类立体车库的研发。
此外，课题的研究目的是实现直线电机直驱技术在机械式立体停车库中的应用，若采用升降横移式，需要配备多套升降和横移驱动机构，系统本身结构复杂，而垂直升降式的立体车库仅需两套驱动机构就能够实现车库的正常运作，更适用于直线电机直驱技术的应用。
2.2垂直升降式立体车库概述
垂直升降式立体停车库习惯上称为电梯式或塔式立体车库，是利用升降机构和存取机构实现车辆存取的机械停车设备，一般由钢结构框架、升降装置、存取装置、载车台回转装置、安全保护装置、控制系统和检测装置等组成。
此类车库的停车位分布在井道周围，每层可设2个或多个泊位，一般在10层以上，可停放几十辆车，而占地面积不到50m2,所以具有很高的平面和空间利用率，很适合建在城市中心或者住宅小区内。
电梯式立体停车库最早出现在20世纪20年代，当时是以汽车专用电梯作为提升工具,驾驶员需随车升降。
到60年代后期，许多发达国家的大都市都出现了停车难问题，使得立体车库开始发展普及，此时已现机械存取机构，无需驾驶员跟车。
至80年代末90年代初，随着微机技术、可编程控制器以及交流变频调速技术的不断发展和成熟，垂直升降式立体车库开始在日本、美国、欧洲、韩国、台湾等地大量兴起，成为机械式立体车库的一大主流。
2.3立体车库的总体结构
在综合考虑技术难度、占地面积、经济实用性以及用户需求等各种因素之后，决定选取每层两个库位的布局作为本课题的垂直升降式立体停车库的整体结构。
与其他形式相比，这种布局的结构相对简单，适用性强，易于推广，提升机构到达目标楼层后，横移机构便可存取车辆。
本论文的研究以2层4库位为例，车库结构示意图如图2.1所示，供试验用，实际产品化时可根据用户的需求进行横向或纵向扩展。
底层定义为零层，用于车辆的出入库；中间的井道为载车台的升降通道，停车位纵向并列布置在井道的两侧。
此车库系统主要包括钢结构框架、载车板、升降装置、横移装置、安全保护装置和自动控制系统。
图2.1立体车库结构示意图
2.3.1钢结构框架
钢结构框架主要由立柱、横梁、斜撑、车位架等组成，用于承受车库自身部件重量和存入车辆重量、内置停车位并且安装机械传动和电气控制部件。
2.3.2载车板
每个停车位都有一块对应的载车板，用于搬运和支托车辆，实质就是通过对载车板的存取实现车辆的存取。
载车板应采用非燃烧材料制造，质量要轻但需有足够的强度和刚度，且能防止液体滴漏。
车库正常运行时，存在某个停车位的载车板在升降台上的情况，如果此时用户需要存车，系统默认将车辆存入这块载车板所在的停车位，如果用户需要取车，则将载车板存入其所在的停车位后再取车。
在连续存车或取车时，会有一个取或者存载车板的空行程，需要占用一定的存取车时间。
2.3.3升降装置
为了提高运行效率，垂直升降式立体车库要求升降系统具有较高的提升速度和良好的可靠性。
在参照和比较几种现有升降驱动方式的基础上，决定选用曳引驱动技术，采用成熟的升降机提升装置驱动电机的性能直接决定了提升系统的启动、制动和平层精度，在选择提升电机时，不但需要有足够的输出功率，并且还必须具有较硬的机械特性，以保证不同负载情况下提升系统的动态响应能力。
我们选用高效节能的异步电动机作为动力源，控制方式采用变频变压调速技术，不仅能够实现良好的调速性能和运行平稳性，还可满足停车库对平层精度的要求。
升降装置包括:
1）曳引驱动机、减速机构和制动器；
2）传动部件，包括钢丝绳和滑轮等；
3）对重和平衡链；
4）载车台，用于升降时支托车辆；
5）升降导轨和对重导轨。
曳引机通过钢丝绳驱动载车台升降，同时对重也相应运动。
对重可称为重量平衡系统，其功能是在工作中使升降台和对重间的重量差保持在某一限额内，保证电动机正常运转，此外，还可以减少驱动功率，减小钢丝绳与绳轮之间的曳引
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