升降横移式立体车库电气系统软件设计毕业设计论文.docx
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升降横移式立体车库电气系统软件设计毕业设计论文
华北理工大学轻工学院
QingGongCollegeNorthChinaUniversityofScienceandTechnology
毕业设计说明书
设计题目：
升降横移式立体车库电气系统软件设计
学生姓名：
学号：
201124390801
专业班级：
11电气8班
学部：
信息科学与技术部
指导教师：
副教授
2015年6月5日
摘要
社会经济的不断发展带来城市汽保有量的不断增加，停率难已经成为大中型城市城区的一个越来越突出的问题。
立体停车库的产生与广泛威用能够在很大程度上解决这个城市静态交通中的重大问题。
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。
使得城市静态交通问题在最终解决上，能够更加完善。
文章先从车库的选型着手，分析了各类车库的功能特点与适用范畴。
并结合静态交通规划层面来进行车库的选址策划。
随后详尽地以升降横移式立体停车设备为例，讲解了电气结构与安全装备设计；提出以PLC控制为核心；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、交频器和通讯接口板等硬件设备的相关原理在文章的最后给出了基于，还提出了软件设计的具体目标，整体阐述了软件的主体架构，重点介绍了基本功能的原理和程序流程，并针对升降机和横移机构的运行保护作了详细说明队论方法对停车库出入口特性进行优化建模，从而获得智能停车库的流畅性优化设计。
关键词静态交通魔方PLC智能停车库升降横移式立体停车库
Abstract
Socialeconomicdevelopmentofcityofsteamownershiptostopratehasbecomeanincreasinglyprominentproblemsoflargeandmedium-sizedcityurbanarea.Thegenerationofparkingequipmentandextensivefromcantoagreatextent,solvethesignificantproblemsinstatictrafficinthecity.Paperismadeoftheoperationprincipleofthree-dimensionalgaragealsotheoverallanalysis,suchasthepositioningprinciple,methodsofspeedandspeedcontrol,workflow,etc.Citystatictrafficproblemsonthefinalsolution,canbemoreperfect.
Articlefirststartfromtheselectionofthegarage,analyzesthefunctionsofallkindsofgaragecharacteristicsandapplicablescope.Combinedwiththestatictrafficplanninglevelforthegarage'slocationplanning.Thenthree-dimensionalparkingequipmentwithverticaltypeindetailasanexample,explainedtheelectricalstructureandsafetyequipmentdesign;PutforwardwithPLCasthecore;DeterminesthehardwareschemebasedonPLCcontrolsystem,detailedintroducestheS7-300,S7-200,alternatingfrequencydeviceandrelatedhardware,suchasthecommunicationinterfaceboard,principlewasintroducedattheendofthearticle,andalsoputsforwardthesoftwaredesignoftheconcretegoal,overallelaboratedthemainbodyofsoftwarearchitecture,theprincipleoffocusonbasicfunctionsandprocesses,andinviewoftheelevatorandillustratesindetailthetransverseinstitutionsrunprotectionteamtheorymethodtooptimizeparkinggarageentrancesfeaturemodeling,optimizationdesigncanachievetheintelligentparkinggaragefluency.
KeywordsStatictraffic,Parkinggarage，PLC，Intelligentparkinggarage，Verticalelevatortypeparkingequipment
第1章绪论
1.1课题来源
最近几年，伴随着国民经济突飞猛进的发展和城市居民消费能力的不断提高，私家车的数量与日剧增。
目前，家庭汽车数量的提升速度与物业公司预期配备的停车位相比，后者远不能满足前者的需求，于是公共场所“停车难”问题已当今社会日益突起的一大热门话题。
就目前情况而言，公共场所停车困难的问题，已上升为困扰广大居民出行的重大障碍，也是制约城市发展，体现人民幸福指数的重要因素，更是构建和谐社会，落实科学发展观必须面对的一个现实问题，小区车位问题已经成为市民提升生活水准的向往和追求。
由此看来，为了改善居民区的停车现状，立体停车设备的研究和设计以成为适应社会发展的重大趋势。
当前，国内城市住宅区中大部分都建有地下传统平面式停车场。
这种车库存在许多弊端，例如：
坡道占据了大量的停车面积；当地质不好的时候，土建费用会成倍提高；人车共入库，火灾隐患系数大；汽车低速运行，容易造成事故及废气噪音的产生；出库时需到某一特定地点先交费在到地下停车场去取车，费事费时，而升降横移运动的立体停车库是实现高密度停车的最佳方式。
车主可随到随停，缩短存车或取车的时间。
此类车库的空间利用率高，通常相同车位与相同的土地面积，采用地下平面式停车库的三分之一，可以大大节省占地面积和土建费用;在控制程序设计方面，车主的出入车的动作程序集中于设置在地面的进出口出操作完成，不需车主再绕行停车；车库采用传动电机全自动的运行方式，提高了承载车装置的稳定性。
由此，升降横移式立体停车库凭借上述等优势，越发受人重视。
1.1.1机械式立体车库的国内外发展现状
城市都市化是政治、经济、金融、教育交流的发展趋势，高楼大厦、商业中心、家居花园是人们所追求的现代生活，汽车的发明又为人类提供了方便的交通工具而改变了人们的生活方式，都市化和汽车化成为现代社会文明的重要标志。
但它又是一把双刃剑，当人们享受现代化带来的舒适的同时，也将承受由此带来的一系列负面效应：
面对汽车保有量增长的无限性和土地资源开发有限性的矛盾，静态交通—城市停车难已成为世界各国所困扰的共同问题。
世界各国都在寻求解决城市停车问题的方案，从城市规划到交通管理，从汽车保有量控制到各类停车设施的建设，既有成功的经验，也有失败的教训。
但采用占地面积小、停车密度高的机械式立体车库已是趋于共识的选择。
城市车辆在数量上的增长和品种上的增多，反映了城市的发展与进步，汽车的出现和迅速普及，使城市在20世纪发生了不同于过去几百年的根本性变化。
汽车发明于1883年，100年后全世界己有各种汽车4.6亿辆，其中私人轿车3.6亿辆，占总数的78%。
虽然我国汽车工业的发展相对发达国家而言是滞后的，但近十几年来发展迅猛。
仅以北京为例，1985年有机动车22.4万辆，1993年的机动车保有量己达72万辆，1999年机动车保有量达到130万辆，2001年机动车保有量达到168万辆。
而2003年6月底，新增机动车就有190万辆。
近十几年来，我国城市机动车增长速度平均为10%~15%，而城市道路平均增长速度只有2%~3%，尤其是大城市机动车拥有量和交通量的增长远远超过交通基础设施的增长速度。
如北京市，1992年~1995年，年递增率达45%以上，但城市道路年平均增长率仅为1.2%，道路面积增长率为3.7%。
国际上一般认为城市道路面积率（城市道路面积与城市总面积之比）应当在25%为宜。
美国华盛顿市为43%，纽约、曼哈顿市为35%，英国伦敦市为23%，日本东京为13%，而北京市仅为11%。
当城市汽车数量适中时，道路相对宽裕，路边停车既简单方便又不影响交通。
但当汽车数量超出限度时，原有道路己不敷使用，若部分道路被停放车辆占用，则动态交通状况将会恶化。
1997年建设部城市交通工程技术中心曾对全国15个城市的停车状况做了一次调查，15个城市的机动车保有量与停车位之比平均为4.84：
1。
由于停车位严重不足，迫使机动车非法占道停放，平均占道率达60%，而美国和香港约为17%。
1957年日本颁布了《停车场法》，大力推广和鼓励路外停车场的兴建。
1962年又制定了相关的法律，促进民间投资兴建路外停车场，落实自备停车位。
日本成功实现了路外停车场库的合理建设与管理。
我国台湾省在停车问题上有着深刻的教训，由于是缺乏超前意识，忽略了停车供需平衡与政策研究，结果不仅造成道路拥挤，而且限制了都市发展的潜力。
1991年台湾颁布《停车场法》，要求建筑物必须自行解决其带来的停车需求；停车短缺应以政府为先、民间自主、参与建设；以路外停车为主，路边停车为辅、加强交通管理；购车者自备停车位和卖车者提供停车位相结合。
通过以上治理，情况较为好转。
新加坡认为在城市中心不宜修建容量过大的停车场地，以防止更多的轿车进入原本就拥挤的城市中心区。
其停车管理与建设策略主要有：
不同停车场区位费率不同；逐步取消城市中心路边停车改为专用公交道；建筑物未按标准设置停车位的一律补交不足位建设差额费。
我国香港停车场建设经营鼓励民营化，私人兴建的停车场由私人公司承包。
政府对停车企业在利润上给予优惠。
北京、上海、广州、深圳等城市已出现了“空中停车场”和“机械式自动升降车库”，从不同程度上缓解了停车困难问题。
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，例如交流变频调速技术、激光测距、PLC、IC卡、触摸屏、总线控制技术等，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。
由此可以见，除政策、法规、经营等因素外，停车立体化是世界各国积极采取的共同措施，机械式立体停车设备的出现和应用为城市静态交通—停车难问题提供了较好的解决方案，是解决静态交通—城市停车难的有效措施，前景十分广阔。
1.1.2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，充分利用空间。
一般来说，机械式立体车库的占地
面积约为平面停车场的1/3~1/20，空间利用率比建筑自走式车库提高了75%；
（2）相对造价低。
机械式停车设备每个泊位投资约2万～12万元，而建筑自走式车库每一个泊位的造价约为15万元以上；
（3）使用方便，操作简单、全由PLC自动控制，自动化程度高，一次存取车时间不超过120s；
（4）可促进房产发售；
（5）减少因路边停车而引发的交通事故；
（6）增加汽车的防盗性和防护性；
（7）改善市容环境；
（8）可灵活配置，充分利用零散地皮。
1.1.3主要发展趋势
随着当今社会各种高新技术的引入，立体车库正在向专业化、复杂化、智能化和高自动化方向发展，重点表现为以下几个方面：
①专业化：
立体车库系统稳定可靠，能正常运行而不出故障是用户的首要要求，也是一套停车场系统的重中之重。
因此，必须提高制造厂家的专业化程度，才能保证设备的可靠性，立体车库的软硬件设施及各种设备的配套也应当达到专业化程度。
②复杂化：
立体车库产业正在向多元化方向发展，它已经不仅是纯粹的机械设备，还包含了当今机械、电子、建筑、液压、光学、磁控、管理和计算机技术等领域的大量先进技术。
立体停车系统已经日臻完善，如汽车出入车库时采用声光引导和定位、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、链绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、汽车安全检测、图像识别技术、科学管理等，各种领域先进技术的综合使用，已经使立体车库成为一个独立的大型复杂的高技术设备。
③智能化：
立体车库的发展越来越向着智能化方向发展，一些新技术正在迅速进入该领域，如变频技术、全电脑控制系统、导航定位技术、图像识别技术、传感技术、光纤通讯技术、防火防盗系统、停电及电源故障的自动判别排除及处理系统等。
对于全电脑自动控制系统，要开发、设计专用硬件系统和专用软件，使之适用于存取车全过程的管理和控制。
系统安全装置的设置要与动态过程安全检测形成闭环，确保存取车过程的安全运行。
④高自动化：
立体车库的高自动化主要表现为先进的自动控制技术和科学的管理方法。
控制技术和管理方法互为所长，大幅度提高了存取车效率。
在控制方法上采用了遥控技术和自动识别系统：
车辆停靠稳妥（在车库外面需要自动转向）后，车库可以将汽车自动停放到合适的位置，可实现无人操作；在科学管理方面，计算机中心对停车场实行全方位管理，整个停车场完全在计算机监控之下，包括设备监控、出入口监控、停车场内部监控，整个停车场运行的状态信息都可以存入计算机，通过便捷的人机管理界面，实现车流量统计、系统故障查询、收费状况查询、进出车辆信息查询。
未来的车库系统管理更开放、更灵活，整个管理系统能够实现控制与管理一体化，系统操作更加简便，功能更加强大。
整个车库的管理可以纳入楼宇自动化系统，联入网络，形成一个综合的计算机管理网络信息系统，真正实现立体车库的无人化管理。
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、型式与基本参数》标准，机械式停车设备的类别名称及代号见表1．现介绍几种具有一定代表性的类型：
表1机械式停车设备的类别名称及代号
类别名称
升降横移
垂直循环
水平循环
多层循环
平面移动
巷道堆垛
升降横移
简易升降
代号
sh
cx
sx
dx
py
xd
cs
js
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，在楼字地下室或住宅小区的空地上布置为方便，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，比较复杂，可靠性不易保障；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。
升降横移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。
升降横移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课题研究的目的
采用直线电机驱动的新型装置与非直线电机驱动相比，具有结构简单、无接触、磨损少，噪声低、速度快、精度高、组合灵活等明显的优点。
机械式立体停车库是对运行性能要求较高的机电一体化设备，若能将直线电机直驱技术应用到其中，相信整个系统在速度响应、存取效率、能耗等多个性能指标上均会有明显的提升。
本课题的研究目的为：
将直线电机直驱技术应用于机械式立体停车库的驱动系统中，确定整个系统的机械结构和运行方案，进行控制系统相关的硬、软件设计，实现立体停车库的全自动、安全、可靠地运行。
1.3论文的主要研究内容
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软件主体方案制定及实现；
3）控制系统通讯部分的软件设计。
1.4本章小结
本章介绍了机械式立体停车库的优缺点和主要类型、国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，阐述了课题的来源和目的，提出了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升降横移式，这是因为在几种应用较多的类型中，升降横移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，而升降横移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升降横移式立体车库概述
整个车库控制系统可分为机械传动部件、控制部件以及检测装置。
机械传动部件包括钢结构框架、车位架、载车板、升降电机及减速机构、横移电机、电磁铁、钢丝绳、升降台、抱闸、配重等，升降电机及减速机构通过钢丝绳驱动升降台的升降，横移电机则直接安装在升降台上，升降台的表面镀铜，横移电机与表面之间存在气隙，当电机通电后，横移电机便能够在升降台表面左右移动，再辅以电磁铁和光电传感器，就可以实现横移电机复位、存取载车板等多种功能;控制部件的控制对象为升降电机、横移电机以及车库的各种辅助装置，主要包括PLC、变频器、上位机等，其中PLC为整控制系统的核心;此外，控制系统的实现离不开各种检测装置，包括光电传感器、霍尔传感器、压力传感器、按钮、接近开关、旋转编码器等。
升降驱动机构是升降横移式立体停车库的重要组成部分，其结构布置与技术含量将直接影响车库的安全性和可靠性。
目前升降横移式立体停车库的升降驱动形式主要有曳引驱动和强制驱动两种，强制驱动又可分为钢丝绳式（卷扬式）和链轮链条式两种形式．钢丝绳卷筒驱动机构在起重机械上被广泛运用，是使用上较为成熟的技术，它布置灵活，起吊用的钢丝绳可在空间内变向配置，但是结构尺寸较大，对提升高度有一定的限制，而且钢丝绳易拉伸变形，平层时会引起升降搬运装置上浮或者下沉现象。
由于自身结构的限制，卷扬式在升降横移式立体车库中没有得到更广泛的应用。
链条提升式具有结构简单、价格低等优点，在低速电梯和低层的立体车库（升降横移或平面移动式）上都有应用，在提升速度要求不高时可以选用。
曳引式是一种被广泛应用于电梯上的驱动方式，与钢丝绳卷筒驱动相比，结构尺寸大大减小，同时提升高度高很多，可用于高层的立体车库，因而被广泛地选用。
存取机构是将车存入或者取出泊车位的重要驱动机构，也是升降横移式机械立体停车设备区别于普通汽车电梯的根本所在。
这类车库的存取方式主要有以下几种：
滑叉载
升级会员 