基于PLC立体停车库的设计论文.docx

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基于PLC立体停车库的设计论文

分类号

毕业设计（论文）

题　　　　目基于PLC控制的立体停车库设计

并列英文题目Designofthree-dimensional

GarageControlSystemBasedOnPLC

系　　部机电工程系　　　　专业机电一体化

姓　　名　　　班级

指导教师　　　职称　助教　　　　　

论文报告提交日期　2011年6月6日　　　　　　

电力高等专科学校

摘要

现在，在我国，拥有车辆的人口越来越多，以往那种露天停车场越来越不能满足市场的需求。

对于多停车位、少占空间、使用操作简单、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办法。

通过可编程控制器PLC控制车位空间位置的变动，使车可以实现多重单层平面停车的功能。

本研究课题利用CPU226编程并对垂直升降横移式立体车库进行设研究与设计，通过一定的机械结构实现车库的半自动化运行。

关键词：

立体车库可编程控制器PLC升降横移.

Abstract

Now,moreandmorepeoplehaveindividualcarsinourcountry.Theopen-parkinggroundcouldn’tmeettheneedsofthemarkets.Owningaconstructofmechanicalparkingsystemwhichhasmoreparkingspace,lessroom,simplemethodofoperation,Safeandreliableperformanceisaneffectivemethodtosolvetheproblemofparking.ThissystemcontrolsthechangeoftheemptywagonpositionbyPLC,whichwillreachtheaimthatmakesthecarrealizethefunctionofmultiplesingleplaneparking.ThisresearchprogramsbyCPU226,andsetuparesearchoftheverticalliftingandtransferringparkingwhoseaimistoachievesemi-automaticoperationthroughthedesignofcertainmechanicalstructureofthegarage.

Keywords:

constructofmechanicalparkingsystemProgrammableControllerLiftingandtransferring

2.3控制环节设计7

第1章绪论

近年来，随着经济的发展，我国的城市化水平的提高，汽车数量的不断增加。

截至2003年底，我国个人汽车保有量为12427672辆。

其中，个人轿车4890387辆，比2002年增加1462441辆，增长率为42.7%，但同时，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，由此带来停车难、违章停车、停车管理困难等一系列难题。

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，它占地面积小，并且可最大限度地利用空间，安全方便，是解决城市用地紧，缓解停车难的一个有效手段。

随着人类社会的不断进步和科学技术的发展，人类的生产、生活方式趋于集中，城市的规模越来越大，人们再城市里德生存空间却越来越小，于是出现了要利用空间的理念，城市中开始建设立体建筑、立体交通和立体停车。

作为现代答都市的标志，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，成为具有较强的实用性、观赏性和适合城市环境的建筑。

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，停车产业市场前景广阔。

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。

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，也是停车产业发展的必由之路。

目前，立体车库要有以下几种形式：

升降横移式、巷道堆垛式、垂直升降式、垂直循环式、箱型水平循环式、圆形水平循环式等。

在对国外各种同类产品进行分析的基础上，再结合造价、技术难度以与用户需求等各方面的因素，可以发现升降横移式立体车库形势比较多，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，本论文最终决定研究对象为升降横移式立体车库。

第2章立体车库总方案选择

2.1五车位立体车库总方案分析

图2-1

此车位分为上下两层，上下层都有三个车位，上层的三个车位可全用于停车，下层的车位要有一个空位，用于上层所停车辆的上与下。

车位的编号如上图所示。

根据设计任务书的基本要求和给出的相关依据，下面列出了三种方案进行比较，以供选择选择：

a）底层边位作为出入口兼周转空车位；

b）底层中间位作为出入口兼周转空车位；

c）底层3个车位均为出入口，其中任意一个均可用于周转；

d）底层中间座位出口兼周转空位，其余两个也可作为出口。

以上四种方案的示意图如图2-2所示。

1111

周转空位周转空位均可作口

兼周转位

可作出口出口兼周转空位可作出口

图2-2

对这四种方案的比较如下表2-1：

1方案

2方案

3方案

4方案

（1）存取车最多/最少移动的车辆数

5/1

3/1

3/0

3/0

（2）横移机构数目

2

2

1

1

（3）升降机构数目

2

3

3

3

表2-1

由表2-1第

（1）项——满载时存取车时最多/最少移动的车辆数的分析结果可知:

方案3、4在存取某一辆车时,对其他车位上车辆的影响最小。

这样车库工作时就最安全，速度最快，顾客满意度最高。

由表2-1第

（2）项——横移机构数目的分析结果可知：

方案3、4的横移机构只有底层的一套，前两个方案则在二层也须设计安装横移机构。

而在二层安装横移机构一方面要考虑该横移机构与升降机构的合理过渡，另一方面对车库的整个框架建筑也提出了更高的承载和结构要求。

这都给设计与施工带来一定的困难，也必然增加相应的建设资金。

方案3与方案4相比：

存车时，若4、5号车位都有车，若要在3号车位停车，需要4、5号载车板都横移来提供四号空位。

若空车位兼周转车位留在5号车位，只需移动一个载车板即可。

由此看来，将空车位留在5号车位更经济划算。

因而，采用方案4.

2.2空车位的选择

以取车为例：

方案

（1）：

将4、6车位任何一个作为空车位

以4车位作为空车位进行说明：

若3号车位的正下方没有停有车辆，若要取3号车位上的车，只需让3号在车板垂直下降即可：

若3号车位的正下方刚好停有车辆，且5号车位也停有车辆，要取3号车位上的车时，首先要将要5号车位上的车横移至4号车位上，再将6号车位上的车横移至5号车位上空出6号车位，此时，再将3号载车板下降。

方案

（2）：

将5号车位作为空车位

若要取2号车位上的车，直接让2好在车板下降即可.若要取1号或是3号车位上的车.如果它们的下方刚好是空车位，直接让载车板下降即可；如果正下方停有车辆（以取3号车为例进行说明），只需将3号车正下方的6号停车位的车横移至5号空位，将3号载车板下降即可。

（1）、

（2）方案相比较很容易看出，将5号车位设置为空车位移动的车辆最少，节省了电源，省去了很多麻烦。

因而，空车位的选择采用方案

（2）。

2．3控制环节设计

当车辆进入停车系统时存车过程有两种设计方案：

方案一：

全过程采用自动控制：

停车：

当车辆将要进入停车库时，在车库外面设有的光电开关会收到信号传输到PLC控制系统，系统会自行计算出最近距离的空车位，如果空车位在第一层，当车板自动移开后，车辆进入车库进行停车操作；如果空车位在上层，载车板先移下来，当碰到底层的限位开关时自动停止，此时，当车板才自动移开，车辆准许进入停车库进行停车。

取车：

需要取车时，若车辆位于第一层，直接进入停车库取车；如果车辆位于上层停车位（以取3号车位上的车为例），上层停车板下降到下限位之前先判断6号车位是否有车辆：

若检测开关检测到6号车位没有停有车辆，上层载车板直接下降到下限位；若检测开关检测到6号车位停有车辆，6号车位的载车板先横移到5号车位上，移动到位，遇到限位开关，3号载车板开始下降。

车辆取走后，3号载车板回到原来的位置，6号载车板从回到5号车位回到6号车位的位置。

方案二：

全过程采用自动控制和手动控制：

停车：

当车辆要进入停车库时，位于停车系统外部的光电开关会将收集到的信号传输到操作室，此时操作员会在控制面板上点击空车位，如果空车位刚好位于下层，车辆进入停车库进行停车；如果空车位位于上层，载车板会自动下降到下限位，此时，车辆进入停车库开始停车。

取车：

取车时，操作员在操作面板上点击所取车辆所在的车位，若车辆位于下层停车位，直接将车辆取走即可；若车辆位于上层停车位，需要先判断它的正下方是否停有车辆，判断的过程同全自动控制取车时判断的过程一样。

在这两个方案中，方案一面临一个问题：

把车辆停在上层停车位后，要保证人员从载车板上安全走出来后上层载车板再上升。

经过讨论，

我们的解决方案是在停车系统中安装一个利用波特率检测载车板上的人是否全部离开的仪器。

当人全部离开载车板后，载车板再上升。

这样，保证了人员的安全。

由于方案二中有人工操作，因而，不存在这样的问题，只要在车主取走车后操作人员控制车位上升即可。

上述两种方案中，当车辆进入载车板时，要在进入车库门的地方安装一个光电开关，用于检测车辆是否完全进入载车板。

这样，能保证载车板上升时车辆的安全问题，同时避免了载车板载着车辆上升过程中的磨蹭现象。

相比之下，方案二因为有人员的加入，在一定程度上降低了编程的工作量，节省了材料，降低了成本。

因而，在本设计中采用方案二。

第3章机械结构设计

3.1横移装置设计

升降装置采用电梯式垂直升降结构，包括：

（1）电机、减速箱和制动器；

（2）传动部件，包括升降链条、导轨等；（3）升降导轨和对重导轨。

电动机通过链条使载车台升降，同时对重也相应运动，平衡重量，这样有利于减小电机功率。

3.1.1底层横移装置

目前在有轨起重设备的运行中，横移机构的驱动方式，即驱动轮的布置通常有：

对面双轮驱动、单边中心驱动、对角双轮驱动、四角四轮驱动和一角单轮驱动等五种形式，本设计采用对面双轮驱动的方式，它是由电机通过传动轴带动两边轨道上的驱动轮一起工作。

它的特点是集中驱动，使驱动轮的转速相等，从而保证了下停车板横移时各轮的同步运行，提高了运动的平稳性。

另外对下停车板的整体刚度要求不高，对传动轴的加工要求较低。

图3-1横移驱动方式

3.1.2载车板横移方式

载车横移的方式：

链传动载车式，车辆与载车板一起提升，且与载车板一起由链传动通过导轨横移至存车室。

上载车板结构

1-下载车板；2-滚轮；3-横移导轨；4-导轨路基；5-上载车板支承架的槽钢；6-架高用的角铁或槽钢；7-立柱；8-导向板；9-斜拉杆；10-上载车板；11-引坡段（以上各部件将在后文作详细设计介绍）

图3-2

3.2上层升降机构

上将结构采用链条式结构，在车库的上方各安装一台电动机并通过齿轮，链条等各部位的传动来实现停车般的上升和下降。

传动部分采用单相交流220V恒速电动机，转速为9r/min,它可提供稳定的力矩，使车库升降稳定。

3.3安全防坠装置

上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置。

坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两侧各装有两只挂钩，上载车板两侧相应位置处各装有两只耳环，当上载车板上升到位后，纵梁下面得四只挂钩便自动套入四只耳环，以防止升降电机常闭制动器慢释放后，上载车板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。

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。

防碰撞板得作用是：

下载车板横移时，如果碰到人、遗留行或车主宠物时，切断横移电源，横移停止。

机械结构如图3-3所示：

图3-3：

防坠机构的简图与工作原理

工作原理：

默认状态下挂钩被弹簧片弹向右侧，防止载车板坠落；电磁铁通电挂钩被拉向左侧释放载车板。

3.4电动机的选用计算

电动机的驱动力是通过主动轮与轨道间的粘着摩擦实现的。

设电机输出的牵引力最大值为F，而总牵引力是各从动轮的运行静摩擦力FC和运动惯性力Fa之和，于是主动轮不打滑的条件为

。

单个从动轮的滚动摩阻力偶矩M用下式计算：

式中,δ——滚动摩阻系数，查得钢质车轮与钢轨的滚动摩阻系数δ=0.05mm；

N——滚轮与钢轨支承面的正压力N。

于是

N•mm。

设滚轮的直径r=100mm，则单个从动轮运动所需的牵引力为

N。

设横移速度为v=0.15m/s，则其速度最大变化量Δv=0.15m/s，根据具体情况选取Δt=0.2s（其围通常在0.01—0.5s）,于是运动惯性力

N。

因此总牵引力为

N

电机要输出的功率

W。

查表3074-82《Y系列（IP44）电动机的技术数据》,选用电机型号为Y801-4。

该电机的额定功率0.55kW，满载转速1390r/min，质量17kg。

3.5减速器的选用

为保证下停车板的横移速度，即v=0.15m/s，选用传动比较大的蜗轮蜗杆减速器。

滚轮直径取

mm，于是滚轮的周长为

m。

所以下停车板横移时，滚轮的转速为

r/min，故传动比

。

取蜗杆头数

查表GB/T10085-1988《CWU型减速器主要技术参数》，取蜗轮齿数

。

选用CWU160-53-ⅡF减速器（GB9147-88）,中心距

mm。

3.6出入口与通道

（1）垂直升降类停车库距离道路规划红线应有一定后退距离，距离城市主要道路和次要道路以与设置的基地出入口不应小于10m，距城市支路以与设置的基地出入口不应小于6m，距离基地主要道路不应小于6m。

（2）对于双向行驶的出入口，通道宽度不小于6m；对于单向行驶的出入口，通道宽度不小于3.5m。

（3）停车库，人行通道宽度不应小于600mm，高度不应小于1800mm。

（4）停车库的安全通道、安全门、紧急出口应设置醒目标志，紧急出口应能保证不会把人关在停车库.

第4章立体车库的电气控制部分设计

4.1工作原理

立体车库的工作原理如图所示。

控制器是车库控制系统的核心，由单片机,plc完成。

当用户对操作平台进行动作时，单片机或plc会接收并分析用户操作，判断检测原件的状态，读取执行元件的信息，然后通过软件做出合理的工控安排，并反馈信息到执行元件，操作平台，以拖动车位移动到相应的水平和垂直位置，实现车位的位置移动。

工作原理示意图如下图4-1：

图4-1立体车库工作原理

4.2车库控制系统硬件设计

立体车库控制系统包括硬件和软件两方面的设计容。

硬件集中安放在控制箱，控制箱采用的金属外壳起到屏蔽作用，以保护系统运行的可靠性。

本研究控制系统采用PLC控制器。

PLC是计算机技术与微电子技术结合形成的微机系统，很适合逻辑控制，特别是PLC的梯形图编程语言。

PLC在设过程中考虑了对工业环境的适应性，因而抗干扰行强，稳定性好。

车库控制系统硬件主要分为4个部分：

（1）电源部分：

在第一个空气开关前设有熔断器，以防止过高的电流流入电路而烧坏电气元件，起到保护整个电路的作用。

取220V的交流电供给PLC，而这个220V的交流电又并接到一个PSW上，从而得到24V的直流电供给操作面板和行程开关等低压元件。

这个220V交流电的取得是在接第一个接触器即主接触器KO前完成的，是PLC得电工作而升降电机和横移电机不得电工作，更安全的控制升降电机和横移电机。

在主接触器之前接有相序保护器，起作用时在交流电发生相序不正常是使电路发生断路，从而保护电气元件不被破坏。

（2）PLC部分：

PLC由220V交流供电，并与操作面板直接连接。

本研究采用CPU226（24点输入/16输出，220V交流/24V直流输入）控制。

（3）升降电机部分：

在主接触器后导出两路电路分别接到升降电机组和横移电机组，控制电动机的正反转，以实现车板的升降。

在每个接触器后各接有一个热继电器FR2其作用是保护电机。

与3个电机分别相接的接触器，用于控制各个电路的通断，即控制电机是否转动。

（4）横移电机部分：

与升降电机部分相似，在主接触器后并接两个接触器KM1和KM2以控制车般的左右横移。

在接触器后皆有1个热继电器FR1用于保护电机。

与2个电机分别相连的接触器，用于控制各个电路的通断。

4.3检测系统设计

在自动化立体停车库中，车库检测信号时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。

在本设计中，检测系统有：

车位正确停放信号检测、车位限位信号检测（载车板上下左右移动位置检测）、车位是否停有车辆信号检测（一层有无车辆检测），系统正常运行信号检测、是否有空车位信号检测、烟雾报警检测。

4.3.1车位认址信号

升降横移式立体车库，通过载车板的升降横移运动实现车库存取车操作。

在本设计的二层五位立体车库设计中，一层车位只有横移动作，二层车位只有升降动作。

因此，一层车位载车板横移动作需要左右限位信号，二层车位载车板升降动作需要上下限位信号。

在本设计中，车位认址信号选用在车库中安装接近开关来实现。

相比传统的限位开关，接近开关具有工作可靠、寿命长、功耗的、复定位精度高、操作频率高等优点。

接近开关感测元件安装在载车板上随载车板运动，将接近开关触点安装在车库制动点上固定。

本设计中选用的接近开关为欧姆龙电感式接近开关LW18系列，如下图所示：

欧姆龙电感式接近开关LW18系列

图4-2

4.3.2车位停车信号

立体停车库中，载车板上是否停放车有车辆，通过采用光电开关实现。

在此采用红外对射式光电开关，在载车板的对角线上安装。

当有车辆停放时，阻挡红外对射信号，光电开关无输出，当无车辆停放时，存在红外对射信号，光电开关有输出。

红外光电开关是一种对射式光电传感器，其物体不限于金属。

该传感器具有探测距离远、可调节测量围的优点。

关于该红外开关的测量围问题，厂家给出的围是0-8m,但本产品并非精密传感器，测量围有误差。

但在本设计中，此种型号的光电开关就能满足设计要求。

本设计中采用的红外对射开关型号为E18-M8NK，如下图所示：

图4-3红外对射开关E18-M8NK

4.3.3车位正确停放信号

立体停车库中，为保证系统正常的运行以与车辆的停放安全，对车辆的停放有一定的要求，要求只有车辆正确停放在载车板的一定区域系统才能正确的运行。

在此设计中，亦采用在载车板中安装两个红外对射式光电开关实现对车辆正确停放的信息的检测。

将两个开关分别布置于载车板正确停放区域的边线上（前方边线上一对，载车板后方边线上也要有一对）。

当有车辆停放时，车辆在载车板正确停车区域，车辆没有阻挡红外对射信号，检测器不产生输出；当车辆错误停放时，车辆就会阻挡红外对射信号，检测器产生输出报警信息。

本设计中选用的光电开关与车位停放信号的光电开关一样。

型号为E18-M8NK.图形与功用都与上述一样，不再另加说明。

4.3.4系统正常运行信号检测

为了能够直观的检测到系统是否在正常运行，当报警信号都未检测到特殊状况时，显示绿灯，表示处于正常运行状况。

4.3.5车位满信号检测

当有车辆进入停车系统时，为了使操作员能够很快得判断是否有空车位，需要有指示灯指示车辆的存放情况。

这里，用监控录像来监控整个车库的车辆存放状况。

4.3.6火灾报警信号

立体停车库中，为保证车库的正常安全运行，在检测系统中采用了烟雾探测器，进行火灾报警。

报警信号接入控制系统中，当车库的烟雾达到一定的浓度时，传感器会检测到并产生报警信号，人员接到信号后进行灭火。

本设计采用的烟雾探测器为,欧安，联网型烟雾探测器，型号为ON640（12V联网型感烟探测器，有线烟雾报警器）图4-4。

4.4车库控制系统软件设计

本立体车库控制方式分为手动和自动。

手动是在现场用手控制每个载车板：

自动控制为操作面板上的按钮由PLC自动逻辑控制。

4.4.1PLC控制系统设计

本系统中PLC主要检测各载车板位置与运行状态并控制电机的启动和停止。

利用光电开关,行程开关检测载车板位置状态：

用接触器，继电器控制点击的启动和停止。

当要对车辆进行存取操作时，PLC根据操作人员在控制面板上输入的指令，首先判断各检测元件的状态，然后读取车库机械部分的反馈信息到电机，带动载车板实现升降或横移。

在整个过程中，通过光电检测、限位开关、过载保护等装置，来确保整个系统的安全、平稳运行。

4.5控制流程与PLC选择

图4-5

4.5.1控制流程图

（以取1号车为例）

图4-6将车存于1号车位的流程图

图4-7将1号车位上的车取出的流程图

分析与说明：

存车时，当车辆进入车库时操作人员按下存车按键1，首先要确定4号车板上是否停有车辆。

若4号车板上停有车辆。

系统会自动将4号载车板横移至5号车位，当4号载车板碰到限位开关时停止运动，1号停车板下降。

将车辆开进1号载车板，光电开关检测到车辆停放后，1号载车板会自动上升，上升到位后，4号载车板从5号车位回到4号车位，完成停车过程；若关电检测开关检测到4号车位没有车辆时，1号载车板直接下降，车辆停放在1号载车板上，光电开关检测到停放好后，1号载车板直接上升。

完成停车过程。

取车时要移动1号载车板，首先要确定4号车板上是否停有车辆。

若4号车板上停有车辆。

系统会自动将4号停车板向左移动，当4号停车板碰到左限位开关时停止运动，1号停车板下降。

1号车取走后，1号停车板会自动上升，遇到上限位开关停止运动。

此时，4号停车板回到原来的位置。

若4号停车板上没有停有车辆，1号停车板直接下降，取走车后，1号停车板仍要回到原来的位置。

对于下层的车辆，若要取走，可直接开出车库。

当不用停车库时，为了节省电源，要将这个系统处于卸荷状态。

即，上层的停车板也要下降到下限位。

直到启动整个停车系统时，用到上层的在车板，车开到载车板上，载车板再上升。

当出现电气或机械故障时，自动终止系统运行，并发出报警信号，如下图所示。

当电机过载，动力电源欠相，逆相时或松链，人/车误入是，紧停线圈立即得电，自动终止系统运行，并使的报警蜂鸣器报警。

4.5.2PLC设计要求

（1）1号车位、2号车位、3号车位职能上下移动，不能左右移动；

（2）4号车位、5号车位只能左右移动不能上下移动；

（3）顶层车位的汽车，要想开出需要先按下相应车位标号呼号按键，再按下叫车按键，然后底层车位左右移动，让出空位，使顶层的车下降到底层，由工作人员开出。