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1、基于PLC的立体车库控制系统设计毕业论文河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic Institute毕业设计（论文）题 目：基于PLC的立体车库控制系统设计 学 校： 河南工业职业技术学院 摘 要随着我国经济的飞速发展，城市人口日益增多，特别是随着改革开放以来，我国进入了汽车拥有率迅速上升的阶段。像以往那种单层平面停车场越来越不能满足市场的需求。对拥有多停车位、占空间少、操作简单、安全可靠的“立体停车库”的建设，是解决目前寸土寸金的大都市停车难的有效方法。本文介绍了升降横移式立体停车库的工作原理，确定了以PLC为主控单元的控制方案，并对控制系统的输入和输出进行了

2、详细的分析，完成了控制系统的输入输出的分配和PLC的选型，设计了控制系统的程序流程图，完成立体停车库控制系统设计。关键词：升降横移式；立体车库；PLC 第1章 绪论1.1课题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，因此而引出的是城市停车困难的问题。专家指出，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，就是通过法律法规，限制路面停车，提高停车场的利用率，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。而无论采用什么措施，在规划后再收拾残局，于局限内弥补不足，

3、政府和管理部门所需投入的精力和资金都不小。随着人类社会的不断不进步和科学技术的发展，人类的生产、生活方式趋于集中化，城市的建设规模越来越大，人们在城市里的生存空间则越来越小，于是出现了利用空间的理念，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，城市中心商务区高楼大厦林立，社区道路、高架交通干道、立交桥和地下铁路等构成了城市立体交通网，促使停车行业有了长足的发展，车库的建设也由平面停车开始向立体停车方式转变，由简单的机械车库向计算机管理化的现代立体停车演变，立体车库也成为具有较强的实用性、观赏性和适合城市的建筑。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

4、对居住环境要求的提高，给停车产业提供了前所未有的发展机遇，停车车业市场前景广阔。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。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。它既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，它还能与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施，立体车库的建设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

5、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。 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，人在车库内或车在不准停放的位置时，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

6、分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的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便利条件。 近年来，由于汽车数量的不断增加，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，因此带来停车难、违章停车、停车管理困难等一系列问题。采用机械式立体停车设备是一个非常有效的解决以上问题的措施。机械式立体停车库的大范围普及，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，1998年1月1日起执行的国家计委6号令把机械式停车库和立体停车场列入“国家重点鼓励发展的产业、产品和技术日录

7、”，国家海关总署对机械式停车产品规定“国内投资项目给予免征进口税”。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。 1.2 课题的关键技术及其国内外研究发展现状 1.2.1 国外研究现状 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，适合城市中心商厂及居民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、车多的地区和一些发达国家积极开展了机械式停车

8、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、台地区的停车业也通过引进该方面的技术，得到了蓬勃的发展，较好地解决了当地的停车难问题，并开始向外输出技术和出口产品。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的先进技术。在机械方面，应用了许多新材料、新工艺。在设备结构上采用模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸。钢结构选用新型的优质钢材，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

9、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，安全保护装置日益完善，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

10、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，目前韩国停车设备行业进入稳步发展阶段。1.2.2 国内研究现状 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。参照日本等国家的标准而制定的我国的行业标准也于近几年出台，目前停车设备生产厂已发展

11、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，开发出更加安全、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

12、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；相关政策不配套，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、管理和技术等多方面做出努力。政策方面应参照发达国家的有关的政策和法律法规，规划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1-2在我国广泛使用的立体车库 第2章 升

13、降横移式立体车库的机械设计部分2.1 立体车库的分类及其特点 机械式车库种类较多，主要有以下形式：升降横移类、垂直循环类、水平循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类、简易升降类等。下面介绍其中几种类型及其特点。（1）升降横移式 停车位为两层或多层，有若干层的同层置车板可左右横向移位，通过升降机构改变置车板的高度。可为地上式或带地坑式。特点：有效利用空间，提高空间利用率达数倍。 存取车快捷便利，独特跨梁设计，车辆出入无障碍。 采用PLC控制，自动化程度高。 环保节能，低噪音。 人机界面好，多种操作方式可选配，操作简便。（2）垂直循环式 通过传动机械，驱使以垂直方式排列的各置车板作连续环形运动

14、。车辆出入口位于设备最下面的称为下出入口式，位于中间部分的称为中出入口式，位于最上面的称为上出入口式。可为封闭式高塔或敞开式低塔。特点：使用PLC自动调车，一次按键即可完成存取车。 可设置在地面上或半地上半地下，可独立或附设在建筑物内，还可多台组合。 可省去购置土地的大量费用，有利于合理规划和优化设计。（3）巷道堆垛式 采用巷道堆垛机和搬运器，将进到搬运器上的车辆一起作平面移动且垂直升降到停车位旁，再用存取机构将车辆送入停车位。特点：全封闭管理，安全、防盗、为车辆提供最佳防护。 可设置于地上或地下，充分利用有效空间。 载车板的升降和行走同时运行，存取车方便快捷。全封闭式管理，安全可靠、保障人、

15、车安全。 通过升降机、行走台车及横移装置输送载车板实现存取车操作，整个过程全自动完成。 固定式升降机，各层行走台车的配置形式，可实现多个人同时存取车。（4）垂直升降（塔库）式 停放车辆的停车位和车辆升降机以立体方式组成的高层停车设备。通过搬运机械将车辆或载有车辆的置车板横向或纵向地从车辆升降机搬运至停车位。停车位分横置式、纵置式和圆周式三种。特点：占地少，容车量大，高层设计最高能够达到平均一辆车仅占一平方米的空间。 可同时提供多车位进出口，等待时间短。 智能化程度高，可预约存取车及空车位导向。 利用车库外形的空隙空间可以进行绿化，使车库变成一个立体的绿化体有利于美化城市和环境。 （5）平面移动

16、式 在同一层面上，用搬运台车平面移动车辆，或使置车板平面横移。可为单层平面横移、单层多层平面往返以及门式起重机多层平移。特点：每层车台和升降机分别动作，提高出入库速度，可利用地下空间，停车规模可达到数千台。 部分区域发生故障时，不影响其他区域的正常运行。 通过计算机和触屏界面进行综合管理，可全面监视设备的运行状况，并且操作简单。 （6）简易升降式 停车位为两层或三层，通过升降机构或俯仰机构改变置车板的高度或倾斜角度，供车辆出入。可为地上式或带地坑式。特点：构造简单实用，无需特殊地面基础要求。适合装置于工厂、别墅、住宅停车场。 可任意迁移，搬迁安装容易或根据地面情况，独立及多台设备。 备有专用锁

17、匙开关，防止外人开动设备。 车板防下滑保险装置。 （7）其他水平循环类：各置车板以两列或多列方式水平排列，并循环移动。置车板以圆弧运动方式循环者称为圆形循环式，以直线运动方式循环者称为箱形循环式。 多层循环式：各置车板以两层或多层方式排列，在相邻两层间的两端设有车辆升降机，同层置车板可在该层内作水平循环移动。置车板在设备两端以圆弧运动方式升降者称为圆形循环式，以垂直运动方式升降者称为箱形循环式。车辆入库方式与水平循环相同。 通过对各类立体车库的分析并结合本次设计的车库容量，可以得出选用升降横移式立体车库为最佳选择方案。2.2 升降横移式立体车库的工作原理 本次所设计的立体车库是一个两层三列的五

18、车位车库，具有体积小、结构简单、便于安装与维护等优点，适合解决小型工厂、居民住宅区等停车难的问题。升降横移式立体车库每个车位都有载车板，车辆就停在载车板上，最下层的载车板只做左右横移，不能升降，中间层车位可以左右横移和升降，上层车位只能升降，不能横移，若中间层车位需要存取车，则需下层车位移出空位，才能降至底层，上层车位需要存取车，则需要中间层车位和下层车位移出空位方能下降至底层，存车时，当载车板到位后，驾驶员将车开上载车板后下车离开，中间层和上层载车板自动升至所在层位，取车时下层车位直接开出，上层和中间层则是载车板降至底层后，等驾驶员进入车库开走汽车后，载车板自动回至所在层位。图2-1是全地上

19、布置型式的23升降横移式立体停车库，共6个车位，5个托盘，最多停5辆车，n号托盘上为n号车。车在库内运行的情况是这样的：图中1、2、号车直接存取车；34号车是通过12号车横移出空位后下降到地面层后存取车，之后再返回顶层，1,2号车归位；5号车可以直接下降进行存取车，执行完后再返回顶层。例如如果先要取3号车，先将12号车位横移，3号车位下降，然后取出。图2-1 五车位升降横移式立体车库工作原理图升降横移立体车库结构特点为:底层只能平移，顶层只能升降。当底层车位要存取车时，无需移动其它托盘就可直接进出车;顶层进出车时，底层要进行相应的平移处理，直到下方为空才可进行下降和进出车动作，进出车后托盘再上

20、升回到原位置，原来底层的车归位。其运动总原则是:升降复位，之后平移复位。2.3 升降横移式立体车库的结构 2.3.1 升降横移式立体车库的主要构成 以二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钢结构、传动机构、载车板、电气控制系统、安全装置五大部分组成。(1)钢结构图2-2钢结构简单示意图钢结构具有如下特点：1.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。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。2.材料的强

21、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。 3.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，具有良好的吸能能力，抗震性能优越。4.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，质量易于保证，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

22、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。 5.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。 6.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) 传动机构 每块上载车

23、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2-3,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。图2-3链传动简单示意图（3）载车板 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

24、。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)装置 上层停车位和下层停车位的纵梁处装有上下行程极限开关,底层车库横梁两端装有左右行程极限开关。上载车板上装有防坠落安全装置,防坠落安全装置安装在纵梁和上载车板停泊位置之间,纵梁两边各安装两只电磁铁控制的挂钩,载车板两侧相应位置出个装两只勾环,上载车板上升到位后,梁上安装的四只挂钩便会自动勾住四只勾环,防止当升降电机制动,失灵后,载车板汽车和上载车板坠落,而压毁下层的汽车。行程极限开关的作用是当载车板到达位置是自

25、动停止。图2-5 安全装置简单示意图（5）控制系统 升降横移式立体车库的控制系统采用PLC控制，主要有自动、急停、手动三种控制方式，立体车库一般采用自动控制方式工作，当出现紧急异常的情况时候使用急停控制，当故障排除或急停取消后，可以用手动按钮使车库复位。 2.3.2 升降横移式立体车库的结构示意 本论文具体选两层五位升降横移式自动化立体车库进行研究和设计，其设备结构示意如图2-6图2-6升降横移式立体车库设备结构示意图（1）立体车库模型 本立体车库的建筑模型为一个二层五车位立体车库，车库平面设计示意图如图2-7所示。 图2-7 立体车库平面示意图（2）立体车库设计指标 本车库以中型轿车尺寸长（

26、4800mm）宽（1800mm）高（1800mm）为标准进行设计，据此每个停车位的尺寸应为长（5000-6000mm）宽(2500-3000mm)高（2000-2500mm），经考虑停车安全预留空间，本车库的几何空间尺寸设计为：长度=25000mm宽度=18000mm高度=6600mm 车库前留有6000mm宽车道一层净高2200mm二层净高2200mm 最大存车长度5500mm 最大存车宽度2000mm最大存车高度1800mm。第3章 立体车库电气控制系统设计3.1电气控制系统整体设计 在工业自动化控制中，最常用的三种控制方式有继电器控制、单片机控制和可编程控制器控制，这三种控制方式各有优缺

27、点。 （1）继电器继电器控制系统控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，虽然继电器本身价格不太贵，但是控制柜的安装接线工作量大，因此整个控制柜价格非常高、灵活性差、响应速度慢。继电器控制系统的延时控制是靠时间继电器的滞后动实现，精度不高且易受环境温度和湿度的影响，调整时间困难。由于继电器的触点有限，其灵活性和扩展性也受到制约。（2）单片机控制 单片机作为一个超大规模的集成电路，机构上包括CP

28、U、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。单片机应用范围主要是大批量重复生产的民用消费品以及小批量产品，特别是仪器仪表，家电以及小型控制系统。但是，单片机是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大。 （3)可编程序控制器控制 可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不用自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬茧配制和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器电器系统中的

29、触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的变化。 此外，PLC还有以下优点： 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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说,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

30、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,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。配套齐全、功能完善、适用性强 PLC发展到今天,已经形成了大、中、小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,现代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。近年来PLC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。 易学易用、深受工程技术人员欢迎 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

31、方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小、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改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 体积小、重量轻、能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部是实现机电一体化的理想控

32、制设备。根据对几种常见控制方式进行对比，再结合本设计可以得出使用PLC来控制立体车库时最合适的。整个车库由一台PLC对其进行管理和监控，由PLC来控制载车板升降横移传动装置，完成车辆的存取操作，各车位车辆的存取由PLC根据当前各车位的停放情况，按照相应的策略来调动载车板，以存取车辆。 立体车库的自动控制系统包括弱电和强电两套系统，弱电系统主要是各种信号的采集和控制输出，例如，通过PLC输出信号给接触器线圈，以此来控制接触器的通断，从而来控制强电系统。强电系统主要包括载车板电机控制线路，控制电机正反转的接触器等。车库采用面板按钮呼叫车位存取车，用升降横移装置将汽车输送到位。控制系统在面板上设有急停按钮