自动化立体车库的设计和实现.docx

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自动化立体车库的设计和实现

南京信息职业技术学院

毕业设计论文

作者谭长波学号40621P14

系部信息服务学院

专业计算机控制技术

题目自动化立体车库的设计和实现

指导教师宋锦

评阅教师

完成时间：

2009年4月26日

毕业设计（论文）中文摘要

题目：

自动化立体车库的设计和实现

摘要：

自动立体车库具有广阔的发展前景。

本文介绍了立体车库发展状况以及立体车库的主要功能与优越性，并进一步结合给出了一个物业小区内地下三层升降横移式立体车库的设计与实现方案的实践操作来阐述PLC的应用。

同时本文还介绍了基于可编程控制器（PLC）的车库控制系统,简述了多层升降横移立体停车库工作原理和结构特点，通过PLC软件设计及其优化,实现了立体车库的自动控制，使整个控制系统的可靠性大大提高,满足了车库的控制功能与使用性能的要求,完全实现了进出车的智能控制。

系统还在硬件设计上采用了手动、半自动和全自动多级冗余控制方式,配合软件/硬件连锁保护,大大提高了系统的可靠性;同时,由于PLC软件设计上的优化处理,使得本系统对于车位的扩展实现较为简便;此外,软件设计还采用了“并行分支与汇合”的技巧,从而大大缩短了进出车时间,提高了工作效率。

关键词PLC立体停车库多层升降横移控制系统应用

毕业设计（论文）外文摘要

Title:

AutomatedDesignandImplementationofthegarage

Abstract:

Automaticthree-dimensionalgaragehasbroadprospectsfordevelopment.Thisarticledescribesthedevelopmentofathree-dimensional,aswellasgarageparkingandthesuperiorityofthemainfunctionsandfurtherintegrationgivesathree-tierpropertyundertheMainlandAreatypeparkingequipmentliftingandtransferringthedesignandimplementationofprogramstothepracticeofoperationsonthePLCapplications.Atthesametime,alsointroducedinthisarticlebasedontheprogrammablelogiccontroller（PLC）controlsystemforthegarage,brieflyliftingandtransferringmulti-storeyparkingcharacteristicsoftheworkingprincipleandstructure,throughthePLCsoftwaredesignandoptimization,toachievethethree-dimensionalgarageofautomaticcontrol,sothatthewholecontrolsystemgreatlyimprovedthereliabilitytomeettheneedsofthegarageandusethecontrolperformancerequirements,thefullrealizationoftheintelligentcontrolandoutofcars.Systemhardwaredesignisstillusedmanually,semi-automaticandfullyautomaticmulti-levelredundancycontrolmode,withthesoftware/hardwarechainprotection,greatlyimprovingthereliabilityofthesystem;Atthesametime,asaresultofPLCsoftwareoptimizeddesign,makingthissystemfortheexpansionofparkingspacestoachieveamoresimple;Inaddition,thesoftwaredesignalsousesa"parallelbranchandmerging"skills,thusgreatlyreducingthetimeandoutofvehicles,improvedworkefficiency.

Keywords:

PLCParkingLiftingandtransferringmulti-storey

ControlSystemApplication

目录

引言

1.PLC相关的介绍

1.1什么是PLC

1.2PLC的发展历史

1.3PLC的市场情况

2.立体车库概述（立体车库的构成）

2.1立体车库主要有以下几种形式

2.1.1升降横移式

2.1.2巷道堆垛式

2.1.3垂直提升式立体车库

2.1.4垂直循环式

3.立体车库自动控制系统

3.1立体车库自动化控制系统主要五个子系统

3.1.1自动收费管理系统

3.1.2自动存取车系统

3.1.3远程诊断系统

3.1.4自动道闸

3.1.5监控安保系统

4.基于PLC的多层升降横移立体停车库控制系统设计（PLC技术在立体车库控制中的应用）

4.1升降横移立体车库运行原理

4.2立体车库结构特点

4.3立体停车库控制系统方案的确定

4.4立体车库控制系统设计（电气系统的设计）

4.4.1PLC控制系统设计

4.4.2PLC控制系统程序设计

4.4.3模块化程序设计

4.4.4软件设计中关键问题的处理

5.升降横移式立体停车设备的泊车流程

5.1红绿黄指示灯指示车库运行状态

5.2存车操作

5.3取车操作

6.立体车库的自动存取车控制系统

6.1弱电系统

6.1.1检测信号

6.1.2急停信号

6.1.3输出控制信号

6.2强电系统

6.3系统设计（电气系统的设计）

结论

致谢

参考文献

引言

随着汽车的急增致使城市停车难问题不断恶化,而作为解决城市静态交通的有效措施——向空间、向高层发展的自动化立体停车设备,以其占地面积少、停车率高、布置灵活、高效低耗、性价比高、安全可靠等优点,越来越受到人们的青睐。

目前市面上常见的机械式立体停车库有：

升降横移类、垂直循环类、多层循环类、水平循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类和简易升降类等8种,其中升降横移类以其结构简单、操作方便、安全可靠、造价低等优点,在国内车库市场占有绝对优势的市场份额。

目前常见的机械式立体停车库有升降横移式、垂直循环式、多层循环式、水平循环式、平面移动式、巷道堆垛式、垂直升降类和简易升降式8种，其中升降横移类以其结构简单、操作方便、安全可靠、造价低等优点，在国内车库市场占有83%的市场份额。

可编程控制器（PLC）集微机技术、自动化技术、通讯技术为一体，可靠性强、性价比高、设计紧凑、扩展性好、操作方便，因此在自动停车系统中通常作为电控核心。

1PLC相关的介绍

1.1什么是PLC

PLC来源可编程序控制器的英文为ProgrammableController,在二十世纪70-80年代一直简称为PC。

由于到90年代,个人计算机发展起来,也简称为PC;加之可编程序的概念所涵盖的范围太大,所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC-ProgrammableLogicController）,为了方便,仍简称PLC为可编程序控制器。

有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统,强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。

PLC是以微处理器为基础，综合自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使它成为大规模控制工程的理想下位机。

1.2PLC的发展历史

自1968年美国GM（通用汽车）公司第一次提出取代继电器控制装置以来,现在已有第五代PLC产品了。

PLC除了以连续量为主的反馈控制外,特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。

由于这些控制和监视的要求,所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。

1.3PLC的市场情况

在PLC应用方面,我国是很活跃的,近年来每年约新投入10万台套PLC产品,年销售额30亿元人民币,应用的行业也很广。

但是与其它国家相比,在机械加工及生产线方面的应用,还需要加大投入。

我国市场上流行的有如下几家PLC产品:

西门子公司的产品,目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品。

GE公司的产品;日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。

PLC的市场的潜力是巨大的,不仅在我国,即使在工业发达的日本也有调查表明,PLC配套的机电一体化产品的比例占42%,采用继电器、接触器控制尚有24%。

所以说,需要应用PLC的场合还很多,在我国就更是如此了。

从技术创新的角度看,我国大中型企业还要大力发展CIMS（计算机集成制造系统）,在机械制造厂要形成FMS柔性制造系统,PLC是基础,所以PLC市场是广阔的。

PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点,这是它能持久的占有市场的根本原因。

2立体车库概述（立体车库的构成）

车辆无处停放的问题是城市的社会、经济、交通发展到一定程度产生的结果，立体停车设备的发展在国外，尤其在日本已有近30"40年的历史，无论在技术上还是在经验上均已获得了成功。

我国也于90年代初开始研究开发机械立体停车

设备，距今已有十年的历程。

由于很多新建小区内住户与车位的配比为1:

1，为了解决停车位占地面积与住户商用面积的矛盾，立体机械停车设备以其平均单车占地面积小的独特特性，已被广大用户接受。

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。

2.1立体车库主要有以下几种形式

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。

2.1.1升降横移式

升降横移式立体车库采用模块化设计，每单元可设计成两层、三层、四层、五层、半地下等多种形式，车位数从几个到上百个。

此立体车库适用于地面及地下停车场，配置灵活，造价较低。

产品特点如下：

1）　节省占地，配置灵活，建设周期短。

2）　价格低，消防、外装修、土建地基等投资少。

3）　可采用自动控制，构造简单，安全可靠。

4）　存取车迅速，等候时间短。

5）　运行平稳，工作噪声低。

6）　适用于商业、机关、住宅小区配套停车场的使用。

2.　安全装置：

防坠装置，光电传感器、限位保护器、急停开关等。

2.1.2巷道堆垛式

巷道堆垛式立体车库采用堆垛机作为存取车辆的工具，所有车辆均由堆垛机进行存取，因此对堆垛机的技术要求较高，单台堆垛机成本较高，所以巷道堆垛式立体车库适用于车位数需要较多的客户使用。

2.1.3垂直提升式立体车库

直提升式立体车库类似于电梯的工作原理，在提升机的两侧布置车位，一般地面需一个汽车旋转台，可省去司机调头。

垂直提升式立体车库一般高度较高（几十米），对设备的安全性，加工安装精度等要求都很高，因此造价较高，但占地却最小。

2.1.4垂直循环式

垂直循环式产品特点：

①占地少，两个泊位面积可停6～10辆车。

②外装修可只加顶棚，消防可利用消防栓。

③格低，地基、外装修、消防等投资少，建设周期短。

④可采用自动控制，运行安全可靠。

3立体车库自动控制系统（立体车库的构成）

现代大型建筑的主流是智能化大厦和小区，因此自动化立体停车设备或车库的自动控制系统将成为智能化大厦和小区的一个重要组成部分。

操作简单、迅速，使用方便，安全可靠，维护量小，为用户提供一个安全、简易的使用环境，这是自动化立体停车设备的基本特点。

停车设备的一切运行状况，车辆停放的时间，车辆存放交费情况，车库库容量，车辆存放高、低峰情况，等信息均可通过网络传送到智能化控制中心，通过智能化控制中心运算处理，与广播系统和各分部管理办公室相连，达到提前发布相关控制、管理信息，从而全部实现智能化管理。

通过大厦和小区的智能化控制中心还可与社会相关职能部门联网，将有关信息发布出去或收集进来，扩大车库的社会利用率和经济效益。

这也将是自动化车库的发展方向和趋势。

3.1立体车库自动化控制系统主要五个子系统

立体车库自动化控制系统主要包含以下五个子系统：

自动收费管理系统，自动存取车系统，远程诊断系统，自动道闸，监控安保系统。

以上子系统均由中央控制室统一控制，可为客户规划停车库管理形式，发布车库库存容量，控制车流方案。

3.1.1自动收费管理系统

自动收费采用非接触式IC卡。

IC卡分长期卡与储值卡两种。

对固定用户，发行长期卡，费用可在固定用户交纳管理费用时一并交纳；对临时用户，发行储值卡，即：

用户交纳的费用存在卡内，每次停车读卡自动从卡中扣除费用。

3.1.2自动存取车系统

自动存取车系统一般由小型可编程控制器PLC控制，包括卡号识别与移动载车盘两个过程。

用户进入车库时，在门口刷卡进入，读卡机自动把数据传送到PLC控制系统，PLC系统通过判断卡号，自动把对应的载车盘移动到人车交接的位置，开启车库门，缩短存取车的时间。

存车时，司机按照指示灯信号指引入库，只有当车辆停放在安全位置后，停车正常指示灯才会亮启。

存取车完成后，车库门自动关闭。

移动载车盘时，系统严格按照各种检测信号的状态进行移动，检测信号包括超长检测、到位检测、极限位置检测、人员误入检测、急停信号检测等。

若有载车盘运行不到位或车辆长度超出车库允许的长度，所有载车盘将不进行动作，若检测到急停信号，将停止一切动作，直至急停信号消失。

以上信号均为硬件信号，除此之外，还可从控制软件中设置保护信号，比如时间保护，以保证因硬件损坏而导致信号失灵时保证主体设备及车辆的安全。

3.1.3远程诊断系统

现场控制器可以通过网卡、Hub等网络设备与控制中心的局域网相连接，可以通过MODEN实现远程管理，监测现场运行情况，当现场出现故障时，在控制中心即可进行解决，方便管理人员、安保人员异地办公。

3.1.4自动道闸

在车库出入口处各设非接触式读卡器、感应线圈及道闸，用户在车库出入口处刷卡后，系统自动判别该卡是否有效，若有效，则道闸自动开启，通过感应线圈后，自动栅栏自动关闭；若无效，则道闸不开启，同时声光报警。

3.1.5监控安保系统

监控安保系统是指在中央控制室进行监视控制车库现场的运行状况。

它具有运动检测、车牌识别、网络连接、各种类型的报警系统实现连动等功能，可以实现无人看守。

系统简介如下：

视频监控功能：

在车库各出入口，值班室和车库内主要区段安装定焦摄像机，在大范围车位区安装球形云台，以便实现对车库全方位的实时监控。

如果在车库光照条件不好的情况下，可选用黑白摄像机。

运动检测功能：

可以在夜间设置车库的运动检测区域，当检测区有移动目标时，运动检测功能发出报警信号，提醒值班人员。

车牌识别功能：

它能够设置车库参照车辆的车牌、车型。

当参照车辆进入车库监视区域，系统自动对比参照车辆图像，有异常情况，发出报警信号，并自动切换和记录相关图像。

报警连动功能：

可以连动各类报警主机，如启动继电器发出声光报警通知安保人员自动放下道闸拦截车辆出入。

数字录像功能：

可以连续记录一个同在车库所发生事件，可以同步回放多个图像，可选择任意图像进行整体放大和局部放大，记录、回放、备份可同步进行各种信息。

3基于PLC的多层升降横移立体停车库控制系统设计（PLC技术在立体车库控制中的应用）

4.1升降横移立体车库运行原理

升降横移类机械停车库利用托盘移位产生垂直通道,实现高层车位升降存取车辆。

其车位结构为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。

4.2立体车库结构特点

立体车库结构特点：

底层只能平移,顶层只能升降,中间层既可平移又可升降。

除顶层外,中间层和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;中间层、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,直到下方为空才可进行下降动作,进出车完成后再上升回到原位置。

其运动的总原则是：

升降复位,平移不复位。

图 上层控制程序流程图

4.3立体停车库控制系统方案的确定

升降横移立体停车库以停放轿车为主,其代价较昂贵,而且立体停车库使用时涉及到人身和车辆的安全,所以对设备的安全性和可靠性要求非常高。

PLC采用了以计算机为核心的通用自动控制装置,集微机技术、自动化技术、通讯技术为一体,可靠性强、性价比高、设计紧凑、扩展性好、操作方便,适用于频繁启动和恶劣的环境,因此在立体停车库控制系统中通常采用PLC作为电控系统的核心。

本系统以上位机作为监控机,利用上位机的数据通信手段,数据处理能力和图形显示、多媒体技术,通过现场总线,实时接收和处理下位机PLC从现场采集的各种状态、控制、报警信号,并利用这些信号驱动PC控制界面中的各种图形,实时显示现场的各种状况,在操作员和停车库之间构造出形象、直观的界面,对操作运行和故障给出提示、报警等。

4.4立体车库控制系统设计（电气系统的设计）

4.4.1PLC控制系统设计

PLC是车库控制系统的核心,其操作大致分为三类：

以故障诊断和处理为主的操作;联系现场状况的数据I/O操作;执行用户程序以及响应与PLC相连的外部设备的命令操作。

当有存取操作时,PLC会接收和分析操作人员在控制面板按钮或上位机输入的指令,做出合理的工控安排：

判断检测元件的状态,读取车库机械驱动部分的信息;然后,将信息反馈到执行元件,拖动车位板,实现其位置移动,完成车辆的存取操作和信号的显示（指示灯）。

整个动作区域配有光电检测及多重安全系统,以防异常情况发生。

该系统中PLC主要完成对托盘、托板位置及运行状态的检测和存取车的操作。

用各种光电开关、行程开关检测位置状态,用接触器、继电器执行对拖动电机的起停控制。

对车位的操作就是控制横移小电机和升降大电机,使它们在不同时间实现正反转。

而且上层升降动作和以下各层的横移动作必须是互锁的,即当上层泊位在升降时,下面各层泊位不能移动,反之亦然。

并且上层泊位每次只能有一个泊位进行上下升降运动。

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托板能平移到预定位置以及托盘能上升或下降到准确位置,但同时,行程开关逻辑要严格互锁。

例如1、2水平限位开关在静态情况下只能有一个是断开的,如果2个以上开关闭合即表示托板不到位。

在车库静止时,2、3层所有挂钩信号均应断开（负逻辑）,2层上限位开关断开,3层上限位开关闭合。

此外,为了保证载车板运行过程的安全性,必须采取传动系统自锁保险设计和安全挂钩保险设计：

如链传动采用制动电机,无论发生什么情况,都处于自我保护状态;控制安全挂钩运动的电磁铁上必须有一反馈信号,以指示挂钩是否已把托盘挂好等。

光电开关布置在不同的位置有不同的功能：

分别安装在托盘底层左右两边的光电开关,可以检测托盘上汽车停放是否到位;在托盘对角线上安放的光电开关可以检测托盘上有无车;装设于停车库车辆入口处左右两侧的光电开关还可以用于检测外界的错误动作和车位移动时出现的异常情况等,如车辆未停妥、动作区域有人或物、运行过程中有车想开进等意外情况,光电开关光线被遮,会给PLC一个电平变化信号,从而改变PLC的输入,蜂鸣器发音报警,设备不作运行或停止运行。

同时在车库中还运用了一些传感器,如烟温传感器、检测断绳松绳或断链报警的位移传感器,以及警示装置、紧急停车开关、手动按钮、复位开关等。

4.4.2PLC控制系统程序设计

该系统存取车控制只针对上层（二、三、四层）车位,而对于下层车位,存取车只需直接开进开出即可。

控制软件采用梯形图语言编写。

程序流程图如图1所示。

软件在设计不同层进出车程序时运用了“并行分支与汇合”的技巧,所谓并行分支指的是各分支流程可同时执行,待各流程动作全部结束后,根据相应执行条件,汇合状态动作。

即如果选择第三层托盘进出车,可以使一层二层同时平移（左移或右移）,这样,设备动作顺序之间联锁或双重输出时,控制系统均能自动处理,而且控制系统的试运行及故障检查非常方便,可节约大量时间,提高工作效率。

4.4.3模块化程序设计

PLC控制程序采用模块化编程形式,车位运行过程中只需调用子程序模块,这样大大降低了程序的复杂程度,方便了程序的修改,而且为车位的拓展提供了便利的条件。

整个程序包括主程序模块、手动按键子程序模块、紧急停车按键子程序模块、初始化程序模块、存取车位号赋值程序模块、空车位号与移动车位号赋值程序模块、托盘平移运动程序模块、光电开关子程序模块、托盘升降运动程序模块和故障报警子程序模块。

4.4.4软件设计中关键问题的处理

程序所用状态元件、定时器及数据存储器均选用具有掉电保护功能的元件,当系统掉电时元件保持掉电前的状态,以保存现场信息,待上电后继续完成被中断的动作;当发生意外情况时,按下急停按钮中止系统的运行并保存现场断点信息;当出现如电机过载、过热电气或机械故障时,自动中止系统的运行,并发出声光报警,同时系统转入手动方式进行故障处理。

5升降横移式立体停车设备的泊车流程

5.1红绿黄指示灯指示车库运行状态

红绿黄指示灯指示车库运行状态：

红色指示灯指示有人正在进行操作，请稍候；绿色指示灯指示目前无人操作，可进行操作；黄色指示灯指示有故障发生，车库不能工作。

5.2存车操作

存车操作：

司机驾驶车辆从车库入口进入。

在入