升降横移式立体车库电气系统软件设计毕业说明书

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1、 华北理工大学轻工学院Qing Gong College North China University of Science and Technology 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：陈宏策 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：苏皓 副教授 2015年6月5日摘 要摘 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、

2、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

3、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IAbstractAbstract Social economic development of city of steam ownership to stop rate has become an increasingly prominent problems of large and medium-sized city urban area. The generation of parking equipment and extensive from can to a great extent,

4、solve the significant problems in static traffic in the city. Paper is made of the operation principle of three-dimensional garage also the overall analysis, such as the positioning principle, methods of speed and speed control, work flow, etc. City static traffic problems on the final solution, can

5、 be more perfect.Article first start from the selection of the garage, analyzes the functions of all kinds of garage characteristics and applicable scope. Combined with the static traffic planning level for the garages location planning. Then three-dimensional parking equipment with vertical type in

6、 detail as an example, explained the electrical structure and safety equipment design; Put forward with PLC as the core; Determines the hardware scheme based on PLC control system, detailed introduces the S7-300, S7-200, alternating frequency device and related hardware, such as the communication in

7、terface board, principle was introduced at the end of the article, and also puts forward the software design of the concrete goal, overall elaborated the main body of software architecture, the principle of focus on basic functions and processes, and in view of the elevator and illustrates in detail

8、 the transverse institutions run protection team theory method to optimize parking garage entrances feature modeling, optimization design can achieve the intelligent parking garage fluency.Keywords Static traffic, Parking garage，PLC，Intelligent parking garage，Vertical elevator type parking equipment

9、I-5-目录目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论- 1 -1.1课题来源- 1 -1.1.1机械式立体车库的国内外发展现状- 1 -1.1.4机械式立体停车库的主要类型- 5 -1.2课题研究的目的- 6 -1.3论文的主要研究内容- 6 -1.4本章小结- 7 -第2章 立体车库的总体结构和运行原理- 8 -2.1车库选型- 8 -2.2升降横移式立体车库概述- 8 -2.3立体车库的总体结构- 9 -2.3.1钢结构框架- 10 -2.3.2载车板- 10 -2.3.3升降装置- 11 -2.3.4横移装置- 11 -2.4立体车库的运行原理- 12 -2.4.1车库工作流程-

10、13 -2.5本章小结- 13 -第3章 立体车库控制系统的设计方案- 14 -3.1控制系统的设计要求- 14 -3.2升降横移式自动化立体车库的控制系统- 14 -3.2.1 可编程逻辑控制器（PLC）控制- 14 -3.2.2 PLC的型号选择- 15 -3.3本章小结- 16 -第4章 立体车库控制系统软件的主体方案设计和具体实现- 18 -4.1软件设计的具体目标和要求- 18 -4.2软件的主体架构- 19 -4.3基本功能的原理和程序流程- 22 -4.3.1传感器故障自诊断功能- 22 -4.3.2复位功能- 23 -4.3.3存车功能- 24 -4.3.4取车功能- 25 -

11、3.3.5运行控制- 26 -4.4执行机构运行保护- 27 -4.4.1横移电机位置自校正- 27 -4.4.2横移机构的回移和延时保护- 28 -4.4.3升降机构反向运行保护- 28 -4.5 PLC的I/O分布表与控制图- 28 -4.6本章小结- 35 -III第5章 总结与展望- 36 -5.1本章小结- 36 -5.2展望- 36 -参考文献- 38 -谢 辞- 39 -III第一章绪论第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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、车库的占地 面积约为平面停车场的 1/31/20 ，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

24、面：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。 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

25、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。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。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

26、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

27、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-T 8713-1998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shcxsxdxpyxdcsjs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

28、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

29、，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

30、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

31、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

32、论文的主要研究内容。- 37 -华北理工大学轻工学院第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

33、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

34、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

35、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

36、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：滑叉载车式：在升降搬运装置上安装一套多级滑叉机构(多为三级滑叉)，存车时，滑叉逐级滑出，将载车板送至泊车位上方，轻轻放下，然后收回滑叉；取车时，先滑出滑又，将载车板略微抬起之后，再将载车板和滑叉收回至搬运装置。滑叉式结构的主要缺点是存在一半的空行程，影响运行效率；动作中有较大偏载时会使导轨局部承受弯矩，影响提升机构运行的平稳性。(2)链传动载车式：利用链传动的形式，通过一次微横移和一次横向横移来实现载车板的存取。存车时，第一级微横移的作用是推动横移机构连同载车板作短距离横移，越过升降轿厢与停车位之间的间

37、隙；第二级横移的作用是使载车板平稳地转移至停车位的托架上。链传动横移装置克服了滑叉横移装置的缺点，但它对提升机构的平层精确度要求较高，目前一般采用变频变压调速方式以及高精度传感器来满足平层精确度的要求。(3)叉梳载车式：通过提升机构和停车位上的两个叉梳的相对交错运动实现车辆的存取。这种存取方式必须保证在叉梳的结构设计上，横移叉梳和固定叉梳能够实现交错而不发生运动干涉，并且横移叉梳在存取车时的上下运动空间要充足乜羽。(4)履带输送式：升降搬运装置在车辆的前后轮处有两个主动履带，横移时这两个主动履带能够带动停车位上的被动履带，将车辆送至停车位。2.3立体车库的总体结构在综合考虑技术难度、占地面积、

38、经济实用性以及用户需求等各种因素之后，决定选取每层两个库位的布局作为本课题的升降横移式立体停车库的整体结构。与其他形式相比，这种布局的结构相对简单，适用性强，易于推广，提升机构到达目标楼层后，横移机构便可存取车辆。本论文的研究以2层4库位为例，车库结构示意图如图2.1所示，供试验用，实际产品化时可根据用户的需求进行横向或纵向扩展。底层定义为零层，用于车辆的出入库；中间的井道为载车台的升降通道，停车位纵向并列布置在井道的两侧。此车库系统主要包括钢结构框架、载车板、升降装置、横移装置、安全保护装置和自动控制系统。图2.1立体车库结构示意图(1一钢结构框架；2一载车板；3一对重块；4一塔楼；5一升降

39、台；6横移机构)2.3.1钢结构框架钢结构框架主要由立柱、横梁、斜撑、车位架等组成，用于承受车库自身部件重量和存入车辆重量、内置停车位并且安装机械传动和电气控制部件。2.3.2载车板每个停车位都有一块对应的载车板，用于搬运和支托车辆，实质就是通过对载车板的存取实现车辆的存取。载车板应采用非燃烧材料制造，质量要轻但需有足够的强度和刚度，且能防止液体滴漏。车库正常运行时，存在某个停车位的载车板在升降台上的情况，如果此时用户需要存车，系统默认将车辆存入这块载车板所在的停车位，如果用户需要取车，则将载车板存入其所在的停车位后再取车。在连续存车或取车时，会有一个取或者存载车板的空行程，需要占用一定的存取

40、车时间。2.3.3升降装置为了提高运行效率，升降横移式立体车库要求升降系统具有较高的提升速度和良好的可靠性。在参照和比较几种现有升降驱动方式的基础上，决定选用曳引驱动技术，采用成熟的升降机提升装置。驱动电机的性能直接决定了提升系统的启动、制动和平层精度，在选择提升电机时，不但需要有足够的输出功率，并且还必须具有较硬的机械特性，以保证不同负载情况下提升系统的动态响应能力。我们选用高效节能的异步电动机作为动力源，控制方式采用变频变压调速技术，不仅能够实现良好的调速性能和运行平稳性，还可满足停车库对平层精度的要求。升降装置包括：1)曳引驱动机、减速机构和制动器；2)传动部件，包括钢丝绳和滑轮等；3)

41、对重和平衡链；4)载车台，用于升降时支托车辆；5)升降导轨和对重导轨曳引机通过钢丝绳驱动载车台升降，同时对重也相应运动。对重可称为重量平衡系统，其功能是在工作中使升降台和对重间的重量差保持在某一限额内，保证电动机正常运转，此外，还可以减少驱动功率，减小钢丝绳与绳轮之间的曳引力，延长钢丝绳的使用寿命对重由对重架、对重块、导轨、缓冲器碰块、压块以及钢丝绳组成升降装置的传动机构(包括电机，滑轮等)设在停车库的顶部。2.3.4横移装置与滑叉、链轮、履带等需要中间传动机构的存取方式不同，本车库的横移装置采用直线电机直接驱动，由于去除了中间的机械传动环节，横移电机将直接作用于载车板，能够实现运动的快速动态

42、响应，节省时间和能耗，从而有效提高车库的运行效率。直线电机直接驱动是一种新型的现代驱动技术，目前已实现了其在物流系统、工业设备、信息与自动化系统、交通与民用、军事等领域的应用，例如磁悬浮列车、电磁炮、数控机床、物流分拣输送系统、生产流水线和装配线等。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它由旋转电机演变而来，可看成将一台旋转电机沿径向剖开，并展开成平面，由定子演变而来的一侧称为初级，转子侧演变为次级。实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间保持耦合。直线电机既可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级，考虑到制造成

43、本、运行费用等因素，一般均采用短初级长次级。直线电机工作原理与旋转电机相似，以直线感应电动机为例：初级绕组在通入三相交流电流后，便在气隙中形成行波磁场，次级在行波磁场作用下，将感应电动势并产生电流，次级电流的磁场与初级电流的行波磁场相互作用产生电磁推力；若次级固定，则初级将在推力作用下做直线运动，反之，则次级做直线运动。2.4立体车库的运行原理用户存车的流程为:系统首先判断升降台上是否有载车板，若有，升降台直接降落至零层，若没有，则就近选择一个车位并取出相应的载车板，待升降台降落至零层后，用户即可将车开入，零层的对射式光电开关传感器以及压力传感器将对车辆是否符合停车标准以及是否停放到位进行检测

44、，车辆停好后，用户按“确认停车”按钮，升降台开始上升，停靠至目标层后，横移电机驱动载车板沿导轨进入车位，停放到位后，横移电机回移，升降台平层处理;取车过程类似。与一些直接采用接触器、断路器控制电机的立体车库不同，本研究考虑到立体车库对升降和横移系统的起停、定位精度以及速度控制等方面有较高要求，采用可变频变压的变频器作为电机的动，在运行中，PLC根据当前的运行距离动态生成速度的给定值，并且引入速度PI环节，构成速度闭环控制系统，有效提高了系统的响应能力。理想的速度给定曲线如图2所示，包括加速段、匀速段、减速段及爬行段，可以看到，加、减速段的加速度恒定，可以让速度的变化更为平稳;此外，为了提高定位

45、精度，本研究在到达目标位置之前须设定一段爬行距离(固定值)，给定一个很低的爬行速度，以保证到位时能够可靠停止;在实际运算中，并非根据当前的运行时间来确定速度的给定值，而是结合当前的运行距离，根据软件内部设定的加速度、最小运行速度、最大运行速度等参数动态生成的。图2理想的速度给定曲线升降台和横移机构的定位均采用反射式光电开关传感器，每层的平层位置安装有专用反射镜，光电开关随升降台运动，每经过一层时，PLC检测到输入信号的变化，从而更新当前所在层的值，若已经到达目标层，则停止供电并且关闭抱闸;就横移机构而言，光电开关随横移机构运动，专用反射镜安装在升降台表面，考虑到实际的若干种动作可能，需要设计4

46、个定位点，从左至右分别为:为取左边的载车板所要运动到的点，取出右边的载车板后所运动到的点，取出左边的载车板后所运动到的点，为取右边的载车板所要运动到的点。2.4.1车库工作流程PLC上电后车库开始工作，首先开机自检，确认传感器无故障后，系统开始复位，复位完成后便可进行存取操作；若发现故障，则报警并给出提示，只有所有故障都被排除之后系统才能复位。存车的正常流程为：对于IC卡系统，用户先按“停车”按钮，再刷卡，然后，用户需用键盘设定密码，确认密码之后，车库开始动作；而对于触摸屏系统，用户可以直接在触摸屏上操作，点击“停车”按钮，输入车牌号和密码后，车库开始动作。车库系统首先判断升降台上是否有载车板

47、，若有，将升降台直接降落至零层，若没有，则选定一个停车位并取出相应的载车板。待升降台降落至零层后，道闸打开，用户可将车驶入吊框内，零层的对射式光电传感器以及压力传感器将检测车辆是否符合停放要求以及是否停放到位，车辆停好后，用户按“确认停车”按钮，升降系统开始提升。升降台停靠至目标层后，横移系统驱动载车板沿导轨进入停车位，停放到位后，横移电机回移，升降台平层处理。取车的正常流程为：用户按“取车”按钮后刷卡，然后，在键盘上输入密码，系统确认密码后，车库开始动作；若是触摸屏系统，点击“取车”按钮后，输入车牌号和密码，系统确认后，车库开始动作。开始动作后，系统首先判断升降台上是否有载车板，若有，则将载

48、车板存入其所在的车位后再取车。系统将车辆取出之后，升降台降落至零层，此时道闸打开，用户可进入吊框将车开出。2.5本章小结本章从车库选型入手，指出升降横移式是综合各种因素考虑后的最佳选择，概述了升降横移式立体车库的发展概况、存取机构和提升机构的工作方式。本章接着介绍了本课题中立体车库的总体结构，主要包括车库的总体布局和系统组成这两方面，重点阐述了升降装置、横移装置的结构和工作方式。此外，本章还就立体车库的运行原理从总体的角度进行了分析，例如升降和横移机构的定位原理、调速原理、速度的控制、车库的工作流程等方面。第3章 立体车库控制系统的设计方案3.1控制系统的设计要求立体车库的动作较多而且复杂，要

49、求控制系统实现顺序动作、速度、定位、通讯，安全保护等控制。操作简单，使用方便，存取迅速，安全可靠，这些都是自动立体停车设备应具有的基本特点。立体车库对控制系统主要有以下几个方面的要求：智能化操作。存取车时，用户通过按钮、键盘、读卡器或者触摸屏操作，系统给予操作提示并自动读取用户输入的信息，如果存在错误操作或者异常情况，需要做出应对；如果系统检测到故障，须给出故障提示，并且最好故障排除之后系统能够自恢复运行。高速、平稳运行。为了节省存取时间，要求传动装置都能够以高速度运行；同时，为了保证车辆移动中的安全和平稳，传动装置需要有自动加、减速控制；另外，由于横移电机的机特性偏软，有必要加入PI环节以提

50、高横移系统的动态响应性能。安全保护功能。不允许因错误动作造成车辆损坏的情况出现，所以必须要有检测车库状态的传感器装置，避免事故发生；传动系统的运行控制需要有足够的安全保障，如时间保护、运行异常时开启停机保护等；复位、存车、取车操作不能同时进行，升降、横移系统运动互锁。安全保护功能。不允许因错误动作造成车辆损坏的情况出现，所以必须要有检测车库状态的传感器装置，避免事故发生；传动系统的运行控制需要有足够的安全保障，如时间保护、运行异常时开启停机保护等；复位、存车、取车操作不能同时进行，升降、横移系统运动互锁。3.2升降横移式自动化立体车库的控制系统 3.2.1 可编程逻辑控制器（PLC）控制 在对

51、一个自动化立体停车库的功能控制方面，我们采用可编程逻辑控制器（PLC）集中控制的方法实现。其主要原因有一下两点：（1）PLC适合工业控制的多变环境，魔方式停车设备广泛适用于地下车库中，PLC的高稳定性和可靠性对整个车库正常运行起决定作用。（2）立体停车设备本身的运行动作和智能控制PLC完全可以胜任，单片机的选用也没有价格上的优势。3.2.2 PLC的型号选择应用在自动化立体停车库中的PLC,其型号选择主要依据以下几点：（1）PLC运行速度与稳定性。（2）PLC控制点数经济合理，既满足未来扩展需要，又不至于浪费太多。（3）PLC联网兼容性与上位通信接口扩展性。 当今被广泛运用到生产控制领域的各种

52、品牌的PLC中，高性能PLC主要为国外产品。通常使用的为德国Siemens公司、日本Omron公司（欧姆龙公司）、日本西门子公司系列的PLC产品，采用它们的产品不仅考虑到良好的性价比，也考虑了服务网络便捷等因素。但随着国内PLC或高稳定性控制器品质的不断提升，将给停车控制设备更多的选择空间。对于本车库控制系统，我们采用的是西门子S7-300 PLC，西门子的S7-300系列能满足中等性能要求的应用，尤其适用于极其快速的过程或者对数据处理能力有特别要求的中小型自动化控制系统。由于立体车库需要显示屏、键盘、读卡器、语音等串口设备，要求控制系统必须具有串行通信功能；另外，为了实现速度闭环控制，需要有

53、驱动装置的位置反馈，控制系统还必须具有对编码器的高速脉冲信号的处理能力。考虑到S7-300的通讯模块和高速计数器模块价格比较昂贵，而S7-200兼具高速计数器和串口功能，为此我们采用S7-300+S7-200构成速度闭环控制系统的核心。因为PLC的显示和文字处理功能比较差，而PC的可视化效果很好，且易于实现人机界面和联网通信，为提高立体车库的管理和监控功能，我们采用以触摸屏或计算机为人机界面，以可编程控制器PLC为主控制器进行前端控制，并通过人机界面的操作按钮，供现场管理人员对车库进行管理和监控若采用的是触摸屏，则它与PLC的通信是采用PROFIBUS-DP方式，通过PROFIBUS总线电缆连

54、接；若采用的是PC机，其与PLC的通信方式可以有几种，我们采用的是基于PRODAVE动态链接库函数的数据通信方式，硬件上利用USB编程电缆(PCMPI适配器)连接PLC的MPI接口和PC机的USB接口，可以实现两者的通信。整个立体车库控制系统可以分为PLC控制、通讯、人机界面、检测、安全保护等部分控制系统采用高性能的传感器装置来检测驱动机构的运动、库位状态、吊框内车辆是否停放到位等，并将检测到的信号输入到PLC中以供控制。为保证车库运行的安全，升降电机和横移电机均为断电抱闸型，避免突然掉电后失控；为了防止超限运行的意外，例如升降台沉底或冲顶、升降运动时横移电机位于安全范围之外，应安装限位保护开

55、关；车位架上的载车板存在移位或者跌落的危险，应设计载车板防坠落装置；此外，车库还设有紧急停止按钮，当出现异常情况时，能使系统设备立刻断电。可以看到，S7-300 PLC作为整个控控制系统的核心，担负着与上位机通信、各种开关量信号的接入、控制外围继电器的通断、控制变频器的运行、通过S7-200 PLC获取旋转编码器的信号以及实现与外围串口设备的数据交换等任务。PLC是由微处理器、输入/输出设备、保护及抗干扰隔离电路等构成的可编程控制器，“具有可靠性高、体积小、通用性好、使用方便等优点，很适合立体车库这种对设备可靠性要求很高的应用场合。西门子的S7-300系列PLC能满足中等性能要求的应用，尤其适

56、用于极其快速的过程或对数据处理能力有特别要求的中小型自动化控制系统。为了节省成本，该系统的串口通信和高速计数器功能由S7-200 PLC分担，所以S7-300 PLC的模块构成比较简单，由电源模块、CPU模块、数字量输入扩展模块、数字量输出扩展模块组成，CPU型号选用313C-2DP，自带数字量输入和数字量输出各16点，处理速度和运算能力均满足该系统要求。由于控制系统无模拟量输入，信号模块只需选用数字量的输入/输出，在确定输入/输出点数时，应根据实际需要并且预留一定的点数作为备用，车库设计的层数不同，需要的输入/输出点数也不同，利用点数的扩展可方便地实现立体车库系统的横向或纵向扩展。变频器采用

57、的是西门子SINAMICS 6120，它采用模块化结构，集成安全保护功能、通讯能力和能量回馈功能等，可提供V/f, FCC、矢量控制等多种驱动方案。该控制系统中，G 120与57-300 PLC通过PROFI-BUS-DP方式通讯，G 120为从站，57-300 PLC为主站，主站通过发送控制字和给定频率，可控制变频器的运行、停止、正(反)转、输出频率等。S7-200 PLC与S7-300 PLC之间的通讯是通过EM 277模块实现的，同样采用PROFIBUS-DP方式。在该控制系统中，S7-200 PLC主要有两个功能:利用内部的高速计数器采集旋转编码器的信号，将计数值传递给S7-300 P

58、LC，获取位置和速度信息;利用其串口通讯功能，完全作为消息收发的中转站，将IC卡读卡器输入的卡号、键盘输入的密码传递给S7-300PLC，同时将S7-300 PLC发送的提示消息传递给LED显示屏、语音设备。当然，S7-200 PLC与这些外围设备并非直接相连，而是通过多级通讯接口板实现，为保证数据传输的实时性和可靠性，S7-200 PLC与通讯接口板之间的通讯协议比较复杂。3.3本章小结本章首先阐述了立体车库控制系统的设计要求，提出了智能化操作、高速平稳运行和安全保护功能这几方面作为升降横移式立体车库的控制系统的基本要求。随后，讨论了控制系统的硬件设计，确定了以S7-300+S7-200为核

59、心的控制系统硬件方案，整个控制系统可以分为PLC控制、通讯、人机界面、检测、安全保护等部分。第三节主要针对控制系统的重要组成部分如S7-300、S7-200、变频器和通讯接口板的相关原理进行了详细的介绍。华北理工大学轻工学院第4章 立体车库控制系统软件的主体方案设计和具体实现4.1软件设计的具体目标和要求根据控制系统的设计要求，为了实现立体车库的智能存取和安全可靠运行，软件的设计不仅需要实现要求的功能，还要保证车库控制的可靠性，并具有良好的扩展性和兼容性。本车库需实现的具体功能主要有以下几个方面：自动存取功能。自动存取车辆是立体车库最重要的功能，应能实现对任意车位的存、取操作。因为本车库系统处

60、于研发初期，所以设计有两套存取系统，这两套系统下的用户操作流程已在第2章提及。对于IC卡系统，需要实现刷卡存车、刷卡取车和管理员操作；对于触摸屏系统，需要实现的功能：用户利用车牌号和密码存取，管理员存车(自动选择车位或手动选择车位)，管理员取车(按车牌取车或按车位取车)，系统复位，车位查询，取消功能等。复位功能。PLC上电后，车库开始工作，此时升降台和横移电机的位置对PLC而言是未知的，所以必须通过复位来建立系统的初始状态。取消功能。存车或取车操作中途取消可以为用户提供方便，节省时间。由于立体车库的流程比较复杂，在取消上需要做的逻辑处理和运动控制也比较棘手。传感器故障自诊断和报警功能。传感器故

61、障其实是很危险的，很可能会引起系统错误动作，因此，必须对车库的状态进行检测，例如每个库位都有光电、霍尔传感器，分别用于检测是否有车和是否有板。行机构运行保护功能。运行保护是安全保护的重要方面，如果运行当中系统出现某些故障或者异常情况，很可能导致执行机构出现过冲、冲撞、不到位等失控现象，造成严重的后果，因此，很有必要对执行机构的运行加以保护，避免意外的发生。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。它可以具有运动检测、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。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

62、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。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。4.2软件的主体架构本控制系统采用模块化编程，程序由初始化组织块、周期中断组织块、主程序

63、以及多个子程序组成，PLC总是顺序地、循环地执行主程序，而主程序又不断地调用相关的子程序，子程序当中还可以嵌套予程序(功能或者功能块)，这就是软件的总体架构。主程序流程图(IC卡系统)如图4.1所示，容易看出，主程序直接调用的子程序包括复位、存车、取车、取消、传感器故障自诊断和报警、接收消息处理、新消息存入发送缓冲区、发送数据等。周期中断组织块是时间中断，用于PI计算和频率输出，中断的使能和禁止均由运行子程序(功能块)控制。图4.1 主程序流程图(IC卡系统)车库刚开始运行时，执行机构初始位置未知，必须建立新的初始状态，在主程序的控制下，系统首先进行开机保护扫描，确认库位中的传感器无故障并且与

64、系统记录相符合后，允许复位；复位、存车、取车不能同时进行，因此主程序中需有相应的屏蔽处理对于取消操作，当升降台处于加速或者匀速段时，系统生成新的速度给定曲线，以使升降台停至最近的一层，再进行后续的处理，这种情况下主程序不再调用存车或者取车子程序；但如果升降台处于减速或爬行段、横移电机正在运行时，主程序将同时调用存取子程序和取消子程序，直至运行到位后，主程序继续调用取消子程序以进行后续处理。程序中还包含了很多数据块，既有全局数据块，也有背景数据块。CPU 31 3C的数据块中的数据是被保持的，即使断电，数据也不会消失。对于立体车库而言，停车记录是非常重要的，我们将相关的信息存储在一个数据块中，该数据块为每个车位分配了一定的存储区，相应的数据结构如图42所示。图4-2 停车位的数据结构4.3基本功能