多层升降横移式立体车库控制系统的设计与实现研究报告.docx

1、多层升降横移式立体车库控制系统的设计与实现研究报告多层升降横移式立体车库控制系统的设计与实现研究报告摘 要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。 描述了多层升降横移式立体停车库的运行原理和结构特点，介绍了其控制系统的组成、PLC控制的实现和控制软件的设计，实现了立体车库的自动控制。 立体车库的自动存取车控制系统包括弱电与强电两套系统。1.弱电系统主要包括自动方式停车、超长检测、到位检测、极限位置检测、人员误入检测、急停各种信号的检测、采集；报警与控制输出。2.强电系统

2、包括控制电机正反转接触器，控制电机运行接触器。PLC输出信号给接触器线圈，控制接触器的接通与关断。关键词：多层升降横移式立体停车库；PLC控制系统；强电系统；弱电系统。第1章 绪 论1.1 立体车库设计背景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2007年底，市区仅有公共停车场828处，共计车位5.7万个，仅占市区机动车拥有量的8.6，停车环境与城市规划的矛盾十分突出。上海的情况也让人无法乐观，仅有的229个地下车库使用面积不足60万平方米，只能满足1.3万辆机动车停放的要求，路边停车渐呈泛滥之势，比例高达64，而且

3、还有继续上升之势。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2030。停车问题是城市在发展过程中出现的

4、静态交通问题，静态交通是相对于动态交通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。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

5、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。1.2 立体车库设计的内容本课题的主要内容是基于欧姆龙CP1E系列PLC的立体车库控制系统的设计，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24层(国家规定最高为4层),2层、3层者居多,现以典型的地上23升降横移式为例,说明停车库的运

6、行原理。立体车库结构特点是：底层只能平移,顶层只能升降。除顶层外,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;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。1.3 立体车库设计的目的及意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，

7、成为具有较强的实用性、观赏性和适合城市环境的建筑。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，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

8、如果采用双层机械车库，可使地面的使用率提高8090，如果采用地上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

9、的小区解决停车难的问题提供了方便条件。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，立体车库的设计目的：是解决城市用地紧张，缓解停车难的一个有效手段。可以预见立体车库具有非常广阔的市场前景。1.4 立体车库在国内外的发展现状及趋势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3040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

10、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8090，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

11、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。第2章 系统控制方案的设定2.1 自动化立体车库的描述目前，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，最终确定研究对象为升降横移式立体车库。2.2 技术的选取立体车库系统设计与调试的主要步骤，如图2.1所示 图2.1 立体车库控制系统的修订

12、步骤在本次课题设计过程中主要考虑以下几点：1深入的了解 和分析立体车库的工艺条件和控制要求。2根据立体车库的控制系统的功能要求，确定系统的设计系统结构。3根据所设计的场所，选择电动机的类型。4根据I/O的点数选择合适的PLC的类型。5分配I/O点，分配PLC的输入、输出点。6设计立体车库系统的梯形图设计。7将程序输入PLC程序进行调试，查出错误，让程序更加完善。第3章 立体车库系统硬件方面的设计3.1 升降横移式立体车库的基本结构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

13、，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，上层车位要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。图3.1 为一个地上5车位的升降横移式停车设备，其工作原理是：第二层三个车位可以升降，一层的两个车位只能横向横移，空车位供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，则需先将1 号和2号载车板右移，再将3号载车板下降; 4 号车位，则需先将2 号载车板右移，再将4号存车板下降；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

14、列，规模可大可小，对土建的要求比较低，因此，应用非常广泛。 图 3.1 五车位升降横移式立体车库工作原理图本设计以两层三列式立体车库为模型建立研究对象。升降横移式立体车库主要由结构框架部分、载车板部分、横移系统、提升系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成。下面我们重点对车库的主要组成(图3.2所示)进行分析。图 3.2 升降横移式立体车库主要组成1结构框架立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在升降横移式车库中我们选用钢架结构(如图3.3所示)。钢架结构与其它建筑结构相比，具有如下特点：图3.3 立体车库的结构框架a可靠性高钢材在生产时，整个过程可严格控制，质量比较稳定，性能可靠。钢材组

15、织均匀，接近于各向同性匀质体;钢材的物理力学特性与工程力学对材料性能所作的基本假定符合较好;钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果，计算结果可靠，所以说钢结构的可靠性高。b材料的强度高，钢结构自重小与混凝土等材料相比，虽然钢材的重力密度大，但它的强度和弹性模量较高，而且强度与重力密度之比也高得多。钢结构自重小，从而便于运输与安装，可减轻基础的负荷，降低地基和基础部分的造价。c材料的塑性和韧性好钢材的塑性好，钢结构在一般条件不会因超载等而突然断裂。破坏前一般都会产生显著的变形，易于被发现，可及时采取补救措施，避免重大事故发生。钢材的韧性好，钢结构对动力荷载的适应性强，具有良好的吸能能

16、力，抗震性能优越。d钢结构制造简便，施工工期短钢结构一般在专业工厂制造，易实现机械化，生产效率和产品精度高，质易于保证，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。构件制造完成后，运至施工现场拼装成结构。拼装可采用安装方便的螺栓连接，有时还可在地面拼装成较大的单元，再进行吊装。施工工期短，可尽快发挥投资的经济效益。由于钢结构具有连接的特性，故易于加固、改建和拆迁。e钢结构密闭性好钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压结构、管道等。f钢材的耐锈蚀性差在没有腐蚀介质的一般环境中，普通钢材制成的钢结构经除锈后再涂上合格的防锈涂料，锈蚀问题并不严重。立体车库多在没有腐蚀介质的环境中，所以对钢

17、结构本身的维护费用低。结构主体采用热制H 型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造，具有较好的强度和刚度，轻巧、美观，并可二次拆卸安装，运输方便。2上载车板及其提升系统每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。其工作原理如图3.1所示，电机顺时针旋转时，载车板上升，电机逆时针旋转时，载车板下降。根据载车板及车重确定链条所需的传动力。根据传动力及载车板的移动速度确定电机功率。根据车身高度确定上下载车板间的距离，根据这个距离确定链条的长度，最后根据传动力确定链轮大小，链节形状及大小。3下载车板及其横移系统由于下载车板不需悬挂链条，所以为了节省材料，下载车板比上载车板要短。每块下载车板后

18、部都配有一套独立的电机减速机传动系统，藏于载车板内。在下载车板底部装有四只钢轮，可以在导轨上行走，其中两只为主动轮，装于长传动轴两端，另两只为独立安装的从动轮。电机减速机驱动长传动轴运转，长传动轴上的主动钢轮在导轨上滚动行走从而使下载车板作横向平移运动。根据载车板及车辆的重量、行走速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。4安全装置上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置。防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两测各装两只挂钩，上载车板两侧相应位置处各装两只耳环，当上载车板上升到位后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内，以防止升降电机常闭制动器慢释放后，上载车板

19、在汽车和载车板本身的重力作用下慢慢下滑，压坏下层汽车。另外也防止制动器一旦失灵，上载车板从上停车位坠落，砸坏下层汽车。下载车板的安全装置主要是行程极限开关和防碰撞板。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：下载车板横移时，如果碰撞到人、遗留行李或车主宠物时，切断横移电机电源，横移停止。5控制系统升降横移式立体停车设备的控制系统采用PLC 可编程序控制器控制，主要有手动、自动、复位、急停四种控制方法。自动控制应用于平时的正常工作状态，手动控制应用于调试、维修状态，复位应用于排除故障场合，急停应用于发现异常的紧急场合。对于本文中所列的5车位升降横移式立体停车设备，PLC

20、主要要控制二层三个升降电机的正反转和一层横移电机的正反转。此外要控制上层车位上安全钩的电磁铁和系统报警显示装置等。3.2 定位控制系统结构设计3.2.1定位控制系统的组成系统主要由：PLC、组态监控部分、电气传动部分、检测部分、手动控制部分、支架模型组成。PLC程序设计要求：a号车位、2号车位、3号车位只能上下移动，不能左右移动；b4号车位、5号车位只能左右移动，不能上下移动；c下排车位上的汽车可以直接开出；d上排车位的汽车，要想开出需要先按下相应车位标号呼叫按键，再按下叫车按键，然后下排车位先左右移动，让出位置，上排车位降至下层，再进出车辆。3.2.2立体车库控制系统的原理整个车库设计由一台

21、PLC对车库进行统一的管理和监控，通过PLC控制载车板纵横传动装置以完成对车辆的存取操作。各车位内车辆的调入调出由PLC根据当前各车位的车辆存放情况，按照相应的调度策略调度车辆进出。立体车库的自动存取车控制系统包括弱电与强电两套系统。弱电系统主要包括各种信号的采集、报警与控制输出。PLC输出信号给接触器线圈，控制接触器的接通与关断。强电系统包括载车板电机控制线路、控制电机正反转接触器、到位限位及载车板的上下行程限位。车库采用车位检测装置代替人工找位，用升降装置输送汽车到位。系统在面板处设有急停开关，当发生意外时，按下急停开关，断掉所有电机的电源，使载车盘无法继续运行，以保护人员及设备的安全。系

22、统输出控制信号包括控制电机运行方向信号，控制电机运行信号，控制电磁铁得、失电信号，控制灯光报警信号，控制车库照明信号。升降横移式立体车库是一种比较典型的跨学科机电一体化产品，集机械、电子、信息技术于一体。其中，电子技术、信息技术和传感技术的合理运用与组合构成了车库的控制系统。升降横移式立体车库的控制系统是整个车库系统的重要组成部分，也是车库系统的核心。执行机构是“四肢”，框架是“躯体”，那么控制系统就是“大脑”。它指挥着车库的每个运作过程，并对整个系统的状态过程进行监控。升降横移式立体车库的系统控制原理：操作者(人)要通过控制系统信息交流的平台(界面)把操作信息传送给控制系统，经系统处理后，系

23、统把可识别的控制信息通过辅助设备驱动执行结构，来完成车库现场的运作。其系统控制原理框图，如图3.4所示。由于PLC的可靠性、抗干扰能力强。国内外现有的升降横移式立体车库，它们的系统控制形式大都采用可编程控制器控制，特别是应用在智能化要求程度高、多车尾、大容量的现代化升降横移式立体车库中。PLC的可靠性、抗干扰能力强。图 3.4 车库系统控制原理框图在升降横移式立体车库中，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转;其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯及其各种安全设施等。为了保证载车板能横移到预定位置以及载车板能上升或下降到指定位

24、置，采用了行程开关。为了判断载车板上有无车辆，采用了光电开关。一般小型车库选用按钮操作，界面清楚，易于操作，但对于大型车库来说要用上位机来进行对其控制。同时在车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及安全预警装置，因本系统只有开关量输入而无模拟量输入，凭可编程序控制器本身的抗干扰能力和隔离变压器就能满足要求，因此可不必再另外增加其它抗干扰措施。3.3 弱电系统（1）检测信号：车库检测信号是控制程序执行的重要依据。控制程序根据检测到的信号顺序执行，控制输出。对每个上、下层载车盘，其运行状态只有上升、下降动作，载车盘停放位置只有上位或下位，所以都有以下检测信号：载车盘上认趾，载车盘上极限，载车盘下认

25、趾，载车盘下极限。在载车盘上位，均设有安全挂钩，挂钩也为两种状态，即挂钩通电打开和断电闭合，并通过一个特定的行程开关来获取挂钩状态信息。载车盘向上运行过程中，检测到上认趾信号，则自动停止运行，如果上认趾开关被损坏，系统未检测到信号，载车盘会继续向上运行，当运行到上极限开关处时，上极限信号就会切断电机电源，使电机停电，无法继续运行，起着双重保险的作用。载车盘向下运行过程中，首先打开对应的挂钩，系统检测到挂钩打开的信号后，系统开始下降，如果挂钩未打开，载车盘不会下降。下降过程中，当检测到下认趾信号时，自动停止运行，如果下认趾开关被损坏，系统未检测到信号，载车盘会继续向下运行，当运行到下极限开关处时

26、，下极限信号就会切断电机电源，使电机停电，无法继续运行，起着双重保险的作用。PLC还设有延时保护，在载车盘开始运行的同时，PLC开始计时，当计时时间到，而载车盘未运行到位时，载车盘停止运行，同时系统报警。另外，若两道认址开关均被损坏，载车盘运行到位而无信号返回时，载车盘会继续向上或下运行，从而发生不可预料的事故，但通过PLC的时间保护，则可对载车盘的运行起到第三层保护的作用。（2）急停信号：系统必须在明显处设有急停开关，当发生意外时，按下急停开关，断所有电机的电源，使载车盘无法继续运行，以保护人员及设备的安全。（3）输出控制信号：系统输出控制信号包括控制电机运行方向信号，控制电机运行信号，控制

27、电磁铁得、失电信号，控制灯光报警信号，控制车库照明信号。（4）保护信号：车库在运行过程中，需要完备的自我保护装置，这其中就需要一系列光电开关、接近开关、行程开关等对载车盘准确运行到位起着关键性的作用，独特的防坠落装置、断绳报警装置、超速保护装置对车辆的安全起到保护作用。车辆超长检测、车辆停车不到位检测、以及人员误入检测等信号对车辆及人员的安全起着决定性的作用。另外，每个车位设有车辆超长检测，当系统检测到超长信号时，所有载车盘均不能动作，以保护车辆的安全。车库入口处设有人员误入检测，防止人员在载车盘运行过程中误入，发生意外；也有在车库入口处设有升降门或栏杆，起着防止人员误入的作用，但升降门或栏杆

28、的开启关闭受系统运行状态联锁控制。3.4 强电系统强电部分包括控制电机正反转接触器，控制电机运行接触器。PLC输出信号给接触器线圈，控制接触器的接通与关断。第4章 升降横移式立体车库系统软件方面的设计4.1 可编程控制器的选择系统核心部分采用欧姆龙CP1E-N30为控制元件，它是CP系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。它的基本指令执行时间高达0.08us，远远超过了很多大型可编程控制器。它功能强大实用，价格便宜，工作稳定可靠，24点输入，16点输出，采用继电器输出形式，可驱动交直流负载，负载电流在2A左右。220V AC供电。并且输入端内部自带24V直流电源，还可为负载提供直流电源。4

29、.1.1 PLC的概述PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器是六十年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能，由此日本称它为顺序控制器（Sequence Controller)。 提出PLC 概念的是美国通用汽车公司。当时，根据汽车制造业生产线

30、的需要，希望用电子化的新型控制器替代继电器控制盘，以减少汽车改型时，重新设计制造继电器控制盘的成本和时间。随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机技术的发展， 到七十年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出组件和外围电路也都采用了中 、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的“PLC”已不再是仅有逻辑 （Logic）判断功能了，同时具有数据处理、PID调节和数据通讯功能。 美国电气制造商协会NEMA（ National Electrical Manu-factory Association）从1976年开始，经过四年的调查，于1980年把它正式命名为可编程序控制器，简称“P

31、C”. 可编程序控制器硬件由六部分构成: 中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏部分。CPU由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。 电源 （Power Supply）：给中央处理器提供必需的工作电源。 输入组件（Inputs）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。 输出组件（Outputs）：输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场

32、设备的执行器。 输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。 编程器（Programmer）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。4.1.2 PLC的选型及特点1. 可靠性高，抗干扰能力强（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。 （3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，C