基于PLC控制的三层升降横移式立体车库设计【含CAD图纸、说明书】
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985横移式立体车库设计横移式立体车库设计摘要 伴随着生活质量的提高,车辆的数目愈来愈多,停车位缺少的问题也就变得更明显了,针对这个问题本文设计了一个横移式的立体车库。开始主要通过对立体车库的发展,以及立体车库现阶段的种类和形势进行分析,确定了三层三列七车位升降横移式车库的研究方案、控制要求和工作原理。接下来对立体车库的基本结构分析后设计本次立体车库的架构和组成,并对系统的电力控制线路进行设计。最后就根据控制系统的要求采用了西门子公司的S7-300 PLC作为主控制器,并对其输入和输出地址进行合理分配。按照工作流程使用博途V13软件进行梯形图程序的编写,并不断调试确保系统的安全,最终通过硬件与软件的相互结合来完成立体车库的运行。关键词 立体车库;升降横移式;可编程控制器PLC;控制系统Design of transversal stereoscopic garageAbstractWith the improvement of the quality of life, the number of vehicles is getting more and more, and the problem of parking space lack is becoming more obvious. In this paper, a transversal type of three-dimensional garage is designed. At the beginning, the research scheme, control requirements and working principle of the three level and three row seven parking lift and transversal type garage are determined through the development of the three-dimensional garage and the analysis of the types and situation of the stereoscopic garage at the present stage. Next, the basic structure of the stereo garage is analyzed, then the structure and composition of the three-dimensional garage are designed, and the power control circuit of the system is designed. Finally, according to the requirements of the control system, SIEMENS S7-300 PLC is adopted as the main controller, and its input and output addresses are allocated reasonably. According to the work flow, the program of ladder diagram is written using V13 software, and the system is ensured by constant debugging. Finally, the operation of the three-dimensional garage is completed through the combination of hardware and software.Key Words Stereo garage;Lifting traverse;Programmable controller PLC;Control system目录1 引言11.1 课题的来源11.2 课题研究的目的及意义11.3 课题的国内外研究现状21.3.1国外研究现状21.3.2国内研究现状31.4 课题的主要内容与论文框架41.4.1 主要研究内容41.4.2 论文整体框架42 立体车库的选取与控制系统的研究52.1立体车库的概述及种类52.1.1 立体车库的定义52.1.2 立体车库的种类及应用52.2 立体车库的选型102.3 升降横移式立体车库的结构与工作原理112.3.1升降横移式立体车库的结构组成112.3.2 升降横移式立体车库的工作原理132.4 升降横移式立体车库的控制系统142.4.1 控制系统的分析142.4.2 控制系统的设计方案163 升降横移式立体车库结构的设计183.1 钢结构的设计183.1.1 立柱受力分析193.1.2 横梁和纵梁受力分析213.2 载车板的设计243.3 横移结构的设计253.4 升降结构的设计253.5 安全防护机构的设计263.6 车库整体结构的设计274 升降横移式立体车库硬件部分的设计284.1 立体车库电动机控制电路设计284.2 立体车库控制器的概述与选型304.2.1 可编程控制器(PLC)的概述304.2.2 可编程控制器(PLC)的选型314.3 可编程控制器(PLC)输入/输出地址的分析与分配334.3.1 输入地址的分析与分配334.3.2. 输出地址的分析与分配344.4 可编程控制器(PLC)硬件电路的设计365 升降横移式立体车库软件部分的设计385.1 控制系统编程语言的选取385.2 控制系统的控制流程分析395.2.1 车库存车流程395.2.2 车库取车流程415.3 控制系统程序的编写435.3.1 程序编写的基本要求435.3.2 键盘输入模块程序435.3.3 目标车位为地面层车位时程序445.3.4 安全保护部分程序455.3.5 手动控制模块程序46致谢49参考文献501 引言1.1 课题的来源由于现在社会发展迅速,经济水准越来越高,因此人们的生活品质也有了显著的提高。人们所乘坐交通工具也在慢慢发生着改变,从最开始的自行车到之后摩托车,再到现在的汽车。2001年的时候我国的汽车产销量大概为240多万辆,等到了2016年我国汽车产销量产生了极大地增长,增至了2800万辆左右,这个增长速度在全球都是首屈一指的4。在这种形势下就出现了汽车数量与车位数量的相关问题,主要表现为汽车销售商的推广率以及自家购买汽车的数量上升与物业公司在建造停车场时的预期停车位相比,后者根本无法满足前者的需求,所以各个地方的停车问题可谓是如今社会的热点话题之一。就对现在的各个城市的停车问题来说,已经严重限制住了人们的出行,这样也就间接限制住了一个城市的规划与发展。所以为了改变日常生活中停车难,车位少的现状,研发和设计立体车库变成了社会发展的一个重大趋势。目前大部分城市都采用地下式平面停车场,这种车库在车辆进出的坡道占据了停车场大部分面积,而且停车场所建造的位置地质条件不好,建设成本将成倍提高,在进入停车场时汽车长时间保持低速行驶,容易提高事故的发生率以及废气和噪声的产生,取车时需要到特定的出口进行缴费才能离开停车场,既繁琐又浪费时间费时的1-2。而目前可以实现高密度停车的最佳途径方法就是建造立体车库。立体车库注重空间的利用率,与地下平面式停车场相比,在相同的停车位情况下采用更少的土地面积,停车库运用自动化控制,对于车库的村取车操作都集中在设置于车库进出口的操作面板上,因为这种全自动化的运行,节省了很多人力同时降低了车辆的存取时间,并且自动化设备也间接提高了安全稳定性能。所以立体停车库凭借以上这些优点,会越来越受到人们的喜欢和重视 3 。1.2 课题研究的目的及意义就近几年城市的发展状况来看,城市交通的问题依然在逐渐加剧,如何解决停车难的问题已经是发展的首要问题。特别是在一些经济开发区和商业贸易区,人们想要停车时却很难找到一个停车位。目前,停车位的数量已经无法满足人们出行的需求,也不能适应现代城市的发展,特别是在一些土地价格昂贵的城市中。而本课题研究并设计的就是立体车库,立体车库与平面式停车场相比本身就具有很多的优点,而对于一个城市的建设来说,本课题可更谓是具有重要的意义5,主要就表现为以下几点:(1) 将城市中没使用到的上层空间利用起来,减少城市建设停车场的占地面积。(2) 增加停车位间接避免了因停车空间紧张而引发的交通事件,给人们的出行带来最大程度的便捷。(3) 立体车库操作简单,采用自动化装置,降低了因人工操作而产生的不必要时间。(4) 改善了城市的环境建设,促进了一个城市的建设与管理。(5) 这种车库建设成本比地下式车库要低很多,间接提高了经济效益。1.3 课题的国内外研究现状1.3.1国外研究现状在立体车库的研究与发展过程中,欧美地区的一些国家已经有七十多年的历史了,因此他们对于立体车库的种类和规章制度方面都比较完善,已经可以实现那种用户根据需求去选择适合的种类模型,根据模型去建造立体车库,同时他们的立体车库也有完善的监管体系。19世纪20年代,世界上第一个立体车库在美国被研发出来,是一种非常简单的升降立体车库,但其全部停车过程是需要工作人员来实现的,操作过程复杂,所以当时立体车库的的发展就得到了一定的限制。随着第二次工业革命的开始,汽车产业很快的发展壮大了起来,最开始汽车的主要销售方向是面向大城市,而这些大城市为了追求更快的发展,大部分土地面积都用来建造商业区,高楼大厦占据了大部分的空间,导致想要在城市里建造停车场却根本没有足够的地方6。由于可利用的平地面积过少,立体停车库受到了极大的重视,其空间利用率高的特点使其成为了城市停车场的主力军。美国第一次尝试在立体车库设计中运用计算机的控制技术是在1963年,最后成功建造了世界上第一个通过计算机来控制的自动化立体车库。在这以后自动化的立体车库就开始有了发展,它在原本的基础上又降低了生产成本,节约了土地资源的同时更换零件和操作方面更加方便。直到1968年,英国在伦敦成功建设了世界上第一个可以容纳300多辆车大型立体车库,直到现在这个车库依然在运行着。因此,欧美国家在立体车库方面得以迅速发展。相比于欧美地区的国家,亚洲地区的国家在立体车库这一方面发展的就比较晚了。对于亚洲地区来说日本可谓是立体车库发展最早的国家,早在20世纪中后期日本的立体车库产业就已经得到了很好的发展,产业链已经基本形成,直到今天,日本对于立体车库的研究已经长达50多年。除了日本之外,发展最快应该就是韩国了,韩国在1970年就已经开始从事立体车库的研发工作了,在前人的基础上,立体车库的研发工作进展的很快,近20年的时间,立体车库就基本已经遍布全国了,立体车库的增长速度十分惊人,目前韩国的立体车库设备的研发以及逐渐走向成熟了7-8。1.3.2国内研究现状在中国,机械式停车技术的研发可分为三个阶段,第一阶段是处于上世纪80年代的独立研究和自我发展阶段,在这段时间中,制造商通常会选择根据客户的具体需求进行自主开发设计,所以这时的机械式车库种类少、工艺简单;第二阶段是上世纪90年代,这时很多国内的外资企业都开始引进国外一些先进技术,采用了将低廉的生产成本与国外的成熟技术相结合进行立体车库的研发的方式,可以说是一个技术引进阶段;第三阶段是在2000年以后的对引进技术的研究并自主设计创新阶段,各个企业开始对之前所引进的先进技术进行整理和分析,结合国内实际的使用情况进行创新设计,从而实现企业全方位自主研发的道路9。而在第三阶段开始之后,我国在立体车库这一领域的研究与技术都有了很大的进步。从2003年开始就不断有学者提出关于立体车库的控制系统与PC机相结合进行通信与联网的管理模式10。在这之后,基本每隔一年,都会有人不断地提出多种的创新型的车库研究与设计,在2008年韩立芳等学者还提出了一种双环拱型分体轿箱垂直旋转式的立体停车库11。直到2013年还有很多学者通过一些软件对立体车库的结构等方面进行研究与分析并得出权威性的结论,可见在这些年间我国对于立体车库的研究领域也不断有人才在不同的方面取得相关的成就,为我国未来的立体车库研究奠定更加良好的基础,也证实了即便我国现在的技术相对于国外的技术来说发展比较慢,但我国的机械式车库技术也会在未来不断地追赶上国外的相关技术。到现在为止,我国立体车库的研发与设计已经越来越成熟了,我国对于顾客方面的满意度已经越来越高。虽然我国大多数企业的立体车库生产水平已经得到了很大的提高,但是与国外一些技术非常成熟的企业相比,还是有着很明显的差距的,尤其是一些核心技术方面与他们相比还是比较差的,这个问题主要是原因是我国有很多相关的技术图纸都是从国外企业引进过来,或者通过与外方成立中外合资企业才得以使用,因此我们的立体车库建设水平大多都处于国外先进技术以下。此外,在中国关于立体车库方面的发明专利不是很多,而那些原创性专利就更是少之又少了,因此对于中国停车设备的发展方面,还是要更加进一步的提高研究深度和水平。1.4 课题的主要内容与论文框架1.4.1 主要研究内容本课题主要针对目前地下平面式车库空间利用度小的情况,并通过对机械式立体车库相关的类型及其特点进行分析以及对其控制系统的研究,提出了机械式立体车库中的升降横移运动方式车库的方案,以西门子可编程控制器S7-300为主要的控制核心,并利用传感器来反映立体车库的实际情况,采用三层三列的车库形式,实现一个全自动的升降横移式立体车库。在本课题的设计中,首先要确定的是立体车库的控制系统和工作原理,然后从立体车库的整体结构设计与分析、控制系统的主控制电路、可编程控制器PLC的I/O 端口分配与外部接线情况、装置主要控制程序的编写这四个主要方面进行设计。根据立体车库的基本架构形式,分析组成车库的各部分结构,并绘制本次立体车库的结构总图,依据整体结构确定控制系统的需求,结合实际的电源系统绘制出控制系统的主控制电路图,然后按照实际情况分析整个系统的输入与输出,进行可编程控制器PLC的I/O分配,并结合所需要的传感器检测单元进行外部接线,最后利用博途V13软件进行系统控制程序的编写,通过硬件与软件的相互结合,完成本次设计中升降横移式立体车库控制系统的操作和安全保护。1.4.2 论文整体框架根据本课题的研究内容,本论文将分为五部分进行设计:第一部分主要介绍课题的来源以及研究的目的与意义,机械式立体车库国内外的研究情况和发展现状,并说明本课题的主要研究内容及论文整体框架。第二部分通过对各种立体车库的分析选取了本课题立体车库的设计方案,研究了立体车库的整体结构,说明本课题的立体车库工作原理和控制系统。第三部分主要通过分析对立体车库各部分组成的结构进行研究与设计,确定立体车库的结构。第四部分主要对控制系统的PLC进行选型、 I/O端口分配及外部的接线设计,也对主控制电路进行设计。第五部分就根据立体车库的工作原理和控制方案对控制系统整个的工作运行流程进行分析,同时根据流程编写立体车库的梯形图程序。最后对本次课题的研究设计的内容进行总结,并对本次设计中所参与帮助的人致以最真诚的感谢。2 立体车库的选取与控制系统的研究2.1立体车库的概述及种类2.1.1 立体车库的定义立体停车库属于一种仓储设施,它就是在一个有限的土地面积情况下,最空间的利用率达到最大的效果,使其与普通停车场相比可以储存更多车辆得机械设备。立体车库有很多种,机械式的,半机械式的,而在本文中我们着重研究的是机械式立体车库。它是一种结合了机、电、光、控一体化的自动立体车库,由多重检测装置、驱动装置、安全警报装置、微型计算机控制系统及储存管理系统组成14。2.1.2 立体车库的种类及应用机械式的立体车库根据其形式和用途的不同分为很多种类,就目前研发成果和市面情况来看,常用立体停车库大概可分为8种,将通过他们具体的名称,所拥有的特点和相关的示意图进行介绍12-13。1. 升降横移式升降横移式立体车库在设定上每个车位都安装载车板,通过载车板的升降和横移的运动模式将空位载车板移动到地面层,将车开到空位载车板后,载车板在通过相同的方式移动到相应的车位。在设定上地面层的载车板通常不能进行升降的运动,只可进行左右的横移;中间各层的载车板既能进行上升、下降移动,同时也可以进行左右横移。通常情况下这种立体车库除了最高层外地面层和中间各层都要留出一个空位,这个空位就是方便载车板在车库各层中进行移动,让存取车的操作更加顺畅无阻碍。如图2-1所示,这种立体车库在可用面积一定的条件下有效的利用空间,提高了空间利用率,在车辆的存取过程中基本是无障碍运行的,通过PLC达成车库的自动控制,并且有多种操作方式可供选配。图2-1 升降横移式立体车库2. 垂直循环式垂直循环式立体车库是在载车板在竖直方向作循环往复运动,通过定点循环的方式来实现车辆的存取。这种车库的工作原理是通过减速器来引导牵引装置,牵引装置上有牵引链,按照均匀的高度安装载车板,当装置启动后,牵引链将进行上下循环回流,载车板随着牵引链的运动而运动,通过这种方式实现车辆的存取,如图2-2所示。相比于其他立体车库垂直循环式的车库虽然占地面积更少了,但它建设的层数却并没有减少甚至会增加,因此可容纳更多的车辆,同时它通过PLC实现一键存取模式,而且在设备方面没有过多的限制,可以安置在地面上,也可以安置成一半地上一般地下,型号小的甚至可以安置在商场内部。但是由于在结构方面由于是小面积高楼式车库,导致其结构复杂、稳定性不高的缺点,是还在发展中的一种立体车库。图2-2 垂直循环式立体车库3. 水平循环式水平循环式立体车库是采用水平循环系统而建设的车库。这种循环系统载车板通常都只做水平的横移运动,然后载车板通过圆周循环的运动方式达到车辆的存取工作。一般采用两层的设计,每层都有一个空位处作为车辆进行移动,这个位置设定为车库的存取地点,只要将空位载车板移动这个空位处,就可以实现汽车的存取进出,如图2-3所示。图2-3 水平循环式立体车库4. 巷道堆垛式巷道堆垛式立体立体车库是目前多种停车设备中技术含量和智能化程度相对比较搞得停车设备。它可以根据地方的不同要求进行建设,主要采用全封闭式建设,当然也有在室内或者地下进行建设的,所以这类车库停车数目大,而且多为全封闭式也相对安全。但是,也正因为如此这种停车设备需要比较独立的空间,不能出现其他的干扰物影响车库的正常运行,致使它的建造成本也是比较昂贵的。车库的主要组成就是巷道堆垛机和搬运车,通过两者的相结合将车辆在指定位置进行存取工作,车库一把都会设计为5层左右,每层至少可以存放20多辆车,因此在一般情况下搬运车搬运的车辆都保持在50到100辆,这样可以保持足够高的效率,如图2-4所示。图2-4 巷道堆垛式立体车库5. 多层循环式多层循环式立体车库简单来说就是一个水平循环式车库的升级版,在载车板进行水平循环的过程中,增加一个上下的运动,从而实现车辆多层存放的停车设备。它在本身的循环系统中增添了升降系统,使每层的载车板在水平循环的同时还进行着升降移动,如图2-5所示。这种车库从设计来看并不需要坡道,车辆的存取工作简单快捷,一般都建设在那种仅需一个出入口的场所,所以经常会在那种大型建筑物的地下看到这类车库。图2-5 多层循环式立体车库6. 平面移动式平面移动式立体车库主要是通过搬运车和升降机来实现多层车库的存取工作。通过载车板在同一个层面进行移动来进行平面平移车辆,而搬运车和升降机的作用就是实现载车板不同平面的存取,以此来实现车辆多层平面的移动。但这种车库操作要求较高,通常都需要工作人员来进行操作,而且安全性也不高,如图2-6所示。图2-6 平面移动式立体车库7. 垂直升降式垂直升降式立体车库可以说是充分利用升降式车库的性能,结合搬运机来实现每层的横移,通常终将会留出来一列作为运输通道,称为“井道”,而停车位就建设在井道的两侧。在所有立体车库中垂直升降式是土地面积利用度最高的车库,但是由于其全金属结构框架构造,因此建设费用很高,安全度也没有其他种类的立体车库好,如图2-7所示。图2-7 垂直升降式立体车库8. 简易升降式简易升降式立体车库是指在同一竖直面上采用搬运车或起重机来对车辆进行升降移动,通常不能进行水平的横移运动。这种类型的立体车库都是在人车分开后进行,因为它结构简单,且车库通常都是2层的,能存取的车辆也不会特别多,操作方面也没有过多要求,一般人员都可以操作,所以多用于一些私人住宅和事业单位得车库建造,如图2-8所示。图2-8 简易升降式立体车库2.2 立体车库的选型通过对各种类机械式立体车库的特点并结合我国目前停车现状分析,以及本次研究设计的出发点为公共场所的立体停车设备,在保证一定土地面积利用的条件下,并从节约建设成本和维护设备成本的条件下出发,最终选用了机械式立体车库中的升降横移式立体车库作为本次设计的方案。根据一些关于升降横移类立体车库的相关书籍查阅,我们可以看到,一般的立体车库可以根据其布局形式有全地面的,半地下的和重叠的。根据车库的位置设定为公共场所的建设,为了利用更多的空间,节约建造商的成本,选用了全地上式的三层三列式结构的立体车库。本文将对拥有7个车位地上三层的升降横移式立体车库进行分析、研究和设计。2.3 升降横移式立体车库的结构与工作原理2.3.1升降横移式立体车库的结构组成为了更好对本次升降横移式立体车库的设计与研究,本论文选取了双层的升降横移式立体车库进行结构分析16-17。通过对其整体结构的研究(具体构造如2-9所示),我们得知在升降横移式立体车库在建造中主要结构装置有钢结构、载车板、传动系统、控制系统、挡梁和安全装置。立体车库中的钢结构主要使用H型钢以及钢板这类钢件,通过对这几类的钢件进行焊接而制成主要钢架结构,然后再通过焊接或者高强度的螺栓连接等方法来完成主体框架结构,以此来提高框架的强度和刚度。载车板就如同其字面意思,是车辆进行停放的钢板,可以说是核心结构之一,因为不同样式的载车板能够承受不同类型的车辆,众所周知现在的车辆样式越来越多,也就导致了车辆的重量不确定性,所以载车板的选取也决定了车库能承受何种重量的车辆。传动系统就分为很多种,有横移传动机构、升降传动机构和升降横移传动机构等。在立体车库中中传动机构起到了及其主要的作用,不论是多大的立体车库,车库内的车位要是想要进行移动都需要传动系统进行运行才能实现。控制系统分为主回路和控制回路两部分,主要分为自动运行方式、手动运行方式、点动运行方式这三种运行方式18。一般主回路都是控制载车板上所安装的控制电机,而控制回路则要针对不同要求的车库在不同情况下设计,用来保证车辆与人员的的安全。图2-9 双层升降横移式立体车库在车辆进入和离开车库的的过程中,为了防止错误操作而出现事故,此时就需要档梁来起作用了。一般档梁都横放在车库的底层,而且能够进行自动开关闭,在有需要的情况下操作人员也可以根据实际情况对其进行处理调整。不管在什么样的装置中都要配备安全装置,这样才能确保设备和人员的安全19,通常包括下列几种装置:1. 紧急停止装置 在系统运行时,如果出现非正常情况,需要对系统进行紧急停止时,通过紧急停止装置立即停止设备的运行,因此车库都会设置紧急停止装置。通常都是造作面板上的一个按钮,为了让其看起来醒目按钮多为红色。2. 运行限制装置 立体车库在运行期间,为了确保各层的车位开始运动或者运到到位期间的安全时,就要安装运行限制装置,例如限位开关在运行期间出现了问题,限制装置中的超限位开关便会立刻停止装置的运行,对车库进行保护作用。3. 车辆长度检验装置 当车辆超过车库所规定的车辆长度时,该装置可以使设备停止运行或者进行报警,一般是光电检测开关。4. 防止载车板坠落装置 一种载车板保护装置,主要是为了防止当载车板在车库中运动到达指定位置后,载车板因故障突然坠落而设置的。通常是安装相应的安全挂钩,通过安全挂钩来有效防止载车板坠落。5. 报警装置 当停车设备运行时,报警装置会提醒人们注意安全,一般是语音或者字幕提示。除了以上提到的主要结构装置外,车库还需配有其他的大量相关电器设备以及操作平台,例如可编程控制器、电动机和各种传感器等相关电器设备,还有安装在操作室中的操作台,以及具备保护和报警功能的相关设备,有的还会有应急手动控制设备等。2.3.2 升降横移式立体车库的工作原理本文研究设计的是升降横移运动的自动化立体车库,具有三层三列式的结构,地面层与中间层为2个车位,最右边各设置一个空车位来方便车库内部载车板的移动,最高层则为3个车位,车库共预计7个车位。在车库中每个存车位都安装有载车板,地面层的载车板可以进行水平的横移运动,最高层的则可以进行垂直的升降移动,而中间层的既可进行横移运动也可进行降运动。根据本次设计立体车库的结构形式,其工作原理大致可以理解为:在顾客要在车库进行存取车辆时,载车板通过升降和横移的运动方式移动到地面层,顾客就可以把车辆驶入或驶出车库。为了更加明确的了解该车库的工作原理,根据其判定形式与难易程度,将该车库在运行时的工作原理分为以下三种:1. 车库地面层工作原理图2-11 地面层存取车工作原理如图2-11所示,地面一层车辆存取工作只要在系统确定好该车辆所要停的空车位或者已经存好的车位后,车主将车辆倒入或者驶出相应的车位,即可完成车辆的存取工作,这层车库进行存取工作期间不需要任何的升降横移等运动。2. 车库中间层工作原理图2-12 中间层存取车工作原理中间层进行车辆存取工作时,应先判断车主所要进行存取的车位所对应的地面层的载车板上是否有车,如果有车,则将地面层的该车位进行横移,确保该位置保证是无车的状态后,再将中间层的载车板下降到地面层,进行车辆的存取;如果没车,则直接将中间层的载车板下降到地面层进行车辆的存取,如图2-12所示。3. 车库最高层工作原理图2-13 最高层存取车工作原理最高层进行车辆存取工作时与中间层存取车的工作原理基本相似,在进行车辆存取时都需要对地面层载车板是否有车进行判断,但同时也要对中间层载车板是否有车进行判断,都需要在所对应的地面层与中间层车位为无车空车位的情况下进行工作。首先要判断的是对应中间层的车位是否有车,确保载车板可以顺利下降到中间层,然后在判断对应地面层的车位是否有车,这样载车板才能下降到地面层,达到存取车的目的。在这个过程中不论是中间层还是地面层的载车板都只需要通过水平的横移运动就可以空出载车板的移动路径,然后最高层的载车板通过升降运动就可以到达地面层了,如图2-13所示。2.4 升降横移式立体车库的控制系统2.4.1 控制系统的分析本课题所设计的立体车库的控制系统功能实质上就是完成所研究的升降横移式立体车库传动设备的运动。控制系统一般都由上位的PC机和下位的PLC这两部分组成的,其控制系统结构框图如图2-14。图2-14 控制系统结构框图在控制系统中都会常采用中间继电器和接触器等设备进行信息的存储和传输,同时该系统要求具有较高的可靠性和安全性,如果使用继电器进行控制不能满足要求,而使用PLC作为主控制器的话,就可以实现对控制系统多个输入和输出设备的控制,从而形成一个完整的自动存取车辆控制系统20。按照这样的设计理念来看,控制系统通过PLC来构建话,输入端就可以通过光电开关来判断载车板上是否有车辆在进行移动,再通过限位开关来实现车辆运动到预定位置的检测与控制,确保车辆是否已经安全的停在载车板上;输出端则通过交流接触器来实现传动电机的正反转控制,在通过使用一些中间继电器对开关和接触器进行自锁和互锁的安全保护。在车库自动运行的过程中,为了方便操作人员的现场控制以及维修人员的故障诊断,还需要利用到上位PC主机。一般都是在现场的上位PC机与下位PLC之间之间安装现场总线来达成两者之间的通信。通过上位PC主机的图形显示、数据通信和处理等功能,将下位PLC在现场所采集到的各种信号数据进行实时接收和处理,并通过这些信号数据反映到PC主机的监控界面,从而达到实时监控的效果。这样操作人员就只需要运用控制开关就可以通过控制系统让车库实现自动运行,同时在输入端和输出端分别使用安全挂钩和安全装置来确保车库运行期间的安全性。2.4.2 控制系统的设计方案对于本次设计来说,再知道了车库的控制功能和工作过程后,就要确定PLC的类型和相关硬件设备的选择,然后按照控制系统的情况绘制电动机的控制电路图,并对PLC的输入、输出端口进行分配,设计PLC外部接线图。接着根据所要实现的控制任务进行控制系统程序的编写,最后对程序进行编译和下载,通过调试程序验证程序是否符合要求。图2-15为控制系统的设计流程。根据控制系统设计的基本思路,研究和设计的具体工作主要从以下几个方面进行展开:首先对控制系统硬件方面的研究与设计,然后对软件方面(及程序的编写)进行设计,通过程序来检测各种信号的传递和驱动传动机构的执行,最后对立体车库的程序进行调试21。硬件部分:主要研究PLC和所需扩展模块的选型,控制系统的I/O端口地址分配,设计出各个模块的外部接线图,同时还对所需要的控制电机的电路图进行设计。软件部分:对控制系统的整体流程分析绘制流程图,根据流程图对系统的初始化、自动存取车、系统的手动控制、系统报警这几个方面进行程序编写,因系统采用模块化设计,所以编程简单便于修改。图2-15 控制系统的设计流程图3 升降横移式立体车库结构的设计3.1 钢结构的设计经过对车库结构的分析,可以看出升降横移式立体车库的主要结构是钢结构,主要分为两部分,主体框架部分和载车板部分。而钢结构在连接形式方面是比较简单的,主要是焊接和螺栓连接这两种方式,而选取那种连接方式将直接影响到车库整体结构的性能好坏22-23。表3-1是某立体车库钢结构的规格。表3-1 某车库钢结构初选规格序号名称初选型钢规格尺寸截面面积/cm3理论重量/kg.m-11立柱HW200200863.5349.92横梁HN250125637.8729.73纵梁HW2001005.527.5721.7因为考虑到力学原理,主框架的基本结构由刚性连接的柱和梁构成,在水平方向上建造的一般都是梁,而柱大多是在竖直方向上建造的。再建造过程中主要是通过钢的抗弯强度来承受车辆对车库所带来的力,因此在设计中应主要考虑钢结构的刚度要求。根据现在的主框架结构形式,主要有跨梁形式、后悬臂形式和单立柱形式,这三种结构形式如图3-1所示。图3-1 升降横移式立体车库的几种框架形式跨梁形式的结构框架是采用双柱的结构形式,它的结构非常简单,很大跨度使驾驶员视野开阔,而且立柱也可以给驾驶员当参照物,车辆进出非常方便。但是大的跨度也给钢的生产和运输带来很多不便,因此通常用于双层升降的立体车库建设。后悬臂形式主要依靠后立柱的支撑,所承受的力矩较大,因此对立柱的稳定性要求很高,制造和维护的成本相对也比较大。单立柱形式的结构因其跨度小而具有良好的稳定性,钢材的运输也方便,支撑的强度和刚度负载也比较大,对于层数和列数比较多的车库单立柱形式是非常适合的。然而这种结构形式由于立柱比较多,对车辆的驶入也造成不变,建造的成本也会相对比较高。综合以上分析可已看出,对于升降横移式立体车库而言单立柱的结构形式更符合力学特性,因此本文选用单立柱结构形式作为立体车库的结构框架型式。同时在钢结构的框架中主要是依据抗弯强度来承受载荷的,这种框架的失效模式均表现为弯曲变形,所以在结构框架中加入了人字形式的结构来提高钢结构的抗弯强度,提高其工作性能,其结构框架如图3-2所示。图3-2 立体车库钢结构框架形式3.1.1 立柱受力分析所选的立柱为标准H型钢,初选尺寸为HW2002008L2。所建的立体车库为三层三列式,前立柱为两根,后立柱四根,所有立柱都均匀分布。立柱所受的力主要是作用于支架表面的压力和弯矩。不论车库处于那种工作情况,立柱所受的竖直方向的力作用在地基上,对立柱的影响不大,因此只要考虑弯矩对立柱位偏移移的影响即可。当车库内车位都有车也就是车库处于满负荷状态时,此时立柱所受的影响是最大的,因此偏差也是最大的。而且前立柱比后立柱要少,就算在车库没有车辆时前立柱所受的载荷也比后立柱的大,所以我们主要研究前立柱的受力情况即可,图3-3为立柱的受力分析图。图3-3 立柱受力分析图因为立柱安装在地面上,所以有一端必接地,即为D点,所以D点是全约束。根据受力分析图,B点所受的弯矩是,C点所受弯矩为,设立柱腿宽a=200mm,立柱腿长=AD=5800mm,将立柱分为AB、BC、CD三段,并取=BC=2500mm,=CD=2700mm,=4900,g=9.8N/kg,普通钢材的弹性模量取值范围是196216GPa,在本课题中Q235钢的弹性模量E取一个中间值,即206GPa。一辆汽车重量在1000kg左右,加上车内坐满人并且装了货物后,一辆汽车的重量大概在1600kg左右,而车库本身每层都有载车板重量,估计在600kg左右。在确定好已知条件后,将数值带入下列公式求得B点和C点的弯矩和:求得B点与C点的弯矩后,根据受力图可看出最大挠度发生的点是立柱的顶端,也就是点A,而点A的的挠度和点B以及点C所受的弯矩密切相关,所根据下列公式我们可以得出最大挠度方程:挠曲线方程: (3.1) 端截面转角: (3.2) 最大挠度方程: (3.3)根据B点和C点的弯矩求出截面转角和: 因此根据最大绕度公式即可计算出,所以最大挠度为:3.1.2 横梁和纵梁受力分析在立体车库的结构中,其主要框架除了立柱还有横梁和纵梁,但是横梁和纵梁他们各自收到的力各不相同。在立体车库结构中横梁主要受到升降、横移这些驱动装置的重力以及滑轮上的压力和剪切力作用。而纵梁横跨在前后立柱中间,且当载车板上停放车辆时,纵梁承受主要压力,因此横梁的受力远小于纵梁所受的力,所以对横梁的受力暂不考虑。纵梁的受力分析如图3-4所示。图3-4 纵梁受力分析简图对纵梁受力分析的简化图可以看出其主要受拉压应力,并且纵梁两端都是固定在立柱上,为固定约束,所以只受、两个向下的力。根据纵梁做安装的位置不同,其受力情况也不一样,因此、力的大小也就不同。在立体车库中根据安装情况分为边侧纵梁和中间纵梁,而边侧纵梁外侧没有机动车停放所以其外侧不收力,只有内侧受力。但中间纵梁由于两侧都有机动车停放,其内外两侧表面均受力,所以边侧纵梁的受力远低于中间纵梁的受力。因此本文选取对中间纵梁进行分析,分别在在B、C两种工作状态下的受力进行研究。表3-2为纵梁具体的工作状态情况。表3-2 纵梁的工作状态情况对象序号工作状态载荷边侧纵梁A纵梁表面外侧不受力纵梁表面内侧受力中间纵梁B纵梁两侧停车方向一致C纵梁两侧停车方向不一致1. 中间纵梁在工作情况为B时在工作情况B的状态下,也就是纵梁两侧的汽车停车方向一致时,此时所受力的为,因为普遍机动车车头都是有发动机之类的装置,所以我们假设。设纵梁长度,弹性模量E=206GPa,g取9.8N/kg依然设机动车自身重,载车板重则:从计算结果可以看出,因此我们可以将看作是另一侧的和的合力。如图3-5所示,对纵梁所受的力进行分解后分别如图3-5(a),图3-5(b)所示,对这两种受力图分别进行挠度计算。图3-5 工作情况B时纵梁受力简图根据两端固定梁的挠度方程:AB段: (3.4)BC段: (3.5)最大挠度: (3.6)其中式中的,值通过查阅取0.3后代入得出最大挠度方程,带入已知数据对图2(a)进行计算可得: 然后对图2(b)进行挠度计算,其中a=AB=1150mm,b=BD=4650mm,而,此时的挠度方程有:AB段: (3.7)BD段: (3.8)最大挠度,当时: (3.9)通过计算可以得出当x在x=3572mm=3.572m处时,最大挠度为:通过对图2(a)和图2(b)分别计算后可以得出在工作情况为B时的挠度最大值:。2. 中间纵梁在工作情况为C时当处于工作情况C的啥时候,这时中间纵梁A、D两端为全约束,并且由于车的方向不一致,所以受力对称,因此在BC段中间处为发生巧度变形最大的位置,此时中间纵梁所受力的大小为,带入数据求得:。求得力的大小后,根据两端固定梁挠度方程2.4与2.5和最大挠度方程2.6,带入已知数据求得最大挠度:所以在工作情况为C的时候中间纵梁的最大挠度为2.051mm,因此对比工作情况B和工作情况C的最大挠度:所以立体车库的在处于工作情况B时,中间纵梁所受道德应力最为显著,此时的变形也最大,这种工作情况下的最大挠度变形为2.130mm。3.2 载车板的设计载车板在车库中主要是用来承载进入车库的车辆,主要根据结构进行分类,有框架式和拼板式两种24。框架式载车板通常都设有两侧停车通道和中间凸起的顶面,它可以根据车库具体的需要设置行驶车道的宽度,每个部分都可以采用不同厚度的钢板。相比于框架式来说拼板式载车板是进行一次性冲压或滚压将镀锌钢板制成的,之后会读组装的零件进行表面加工处理,然后再通过咬合拼装和螺栓连接的方式组成载车板,这样载车板运输起来更加方便。在本课题中设计的是三层七车位的升降横移式立体车库,要求驶入功能要良好且不需要进行大批量的生产,因此我们采用框架式的载车板。如图3-6为载车板结构图。图3-6 载车板结构图3.3 横移结构的设计在立体车库中要使载车板动起来就需要传动机构,而升降横移式立体车库中的传动机构主要分为横移结构和升降结构。立体车库横移传动机构一般是由减速电机、主动行走轮、从动轮和运行导轨组成的。各层每个载车板的后面都装有减速电机,减速电机在导轨上驱动主动轮转,从而从动轮跟着动,这样就完成了载车板的水平横移运动。如图3-7为横移机构结构原理图。图3-7 横移机构结构原理图3.4 升降结构的设计升降结构也就是车库里的提升机构,目前提升传动机构主要可分为三种:钢丝绳传动、链条传动、液压传动。其中钢丝绳传动对载车板所提升的高度方面上没有限制,因此它也需要钢丝捅和刹车盘才能进行运行调试。链条传动就更加简单可靠,而且建造价格又不贵,但它与钢丝绳传动相比在高度方面就有一定的限制,在调试时也要时刻注意是否有咬链的情况出现。如果采用液压传动的方式,确实是可以实现真正的无级调速,而且它响应速度快,并且调速范围宽,同时还具有误差小精度高和安全防爆等优点,但液压传动的建造件格昂贵,对密封技术方面的要求也很高,而且要用到大量油液。因此在本次设计的升降横移式立体车库中,从方案的可行角度和实际情况考虑,采用链传动的方式更加稳定。如图3-8是链传动机构结构原理图。图3-8 链条式传动机构结构原理图3.5 安全防护机构的设计在立体车库的机构中,对于车库的安全保护系统的要求时很高的。安全防护系统有很多种形式,对于车库的安全稳定性来说车辆坠落的预防装置是安全防护系统关键的一环。当车辆停在载车板上时,安全防坠装置就可以限制住载车板,防止其落下。本次设计的立体车库选用了挂钩式的防坠装置,这种装置通过电磁铁的驱动就可以实现它的工作,当电磁铁通电时触动安全挂钩解锁,不通电则锁住安全挂钩,操作起来非常方便而且结构简单安全性高,目前也是在车库结构中广泛应用的一种安全装置,图3-9是安全防坠装置的结构。图3-9 安全防坠装置结构图3.6 车库整体结构的设计根据对本次设计的升降横移式立体车库的工作原理和控制要求的分析,并结合结构框架、载车板结构等部分的分析与设计,可大致模拟出本次设计的三层三列升降横移式立体车库的结构图。根据工作原理可知地面层只需要横移机构,把地面层的车位定为1号车位和2号车位;中间层既需要横移机构也需要升降机构,车位定为3号车位和4号车位;而最高层也只需要升降机构,将车位定为5号车位、6号车位和7号车位。每层每个车位都需要装有载车板和安全防坠装置,这样车库才能在确保安全的情况下通过升降横移运动来实现存取车的操作。如图3-10为车库结构图。(车库结构图详见附录1)图3-10 车库整体结构图4 升降横移式立体车库硬件部分的设计4.1 立体车库电动机控制电路设计立体车库控制系统的主要控制对象是负责载车板横移的电机和升降的电机,其工作原理就是通过对电动机的正反转控制来实现各个车位载车板的升降横移运动。PLC由上位机PC机进行相关的指令控制,通过PLC采集相关数据反馈给电机,实现对电机正反转的控制。根据本文所设计的立体车库,要求每个车位的载车板至少都安装一台电机,而本文的立体车库预计车位为7车位的立体车库,而中间层有要求既能进行横移运动又能进行升降运动,因此每个车位要多一个电机,所以共需要9个电机,分别为升降电机5个,横移电机4个。在确定好所需要的电机模式和数目后,就要考虑选用何种电机了,通常对于升降和横移这类运动的电机基本都选用三相异步电动机。结合电动机启动停止控制的基本电路、制动控制的电路原理和控制方案中立体车库实际存取车的要求进行电路设计。该控制电路能实现电动机的快速启动并对各个电机的正反转达到良好的控制和保护,如图4-1所示电动机控制电路的示意图。(控制电路图详见附录2)图4-1 电机控制电路接线图4.2 立体车库控制器的概述与选型4.2.1 可编程控制器(PLC)的概述1. 可编程控制器的定义可编程逻辑控制器简称为PLC,主要是通过数字量或者模拟量的输入和输出端口来实现对各种类型机械设备的控制的电子操作系统。目前在其内部是以微处理器为核心,可以执行多种运算指令,即使他最初是以电气控制和计算机的技术研发出来的,但现在它已经是一个具备多种先进技术的自动化工业控制装置。2. 可编程控制器的基本结构从可编程控制器的定义可以看出PLC也是计算机不断发展而衍生出的产品,它主要是由中央处理器、输入/输出端口、储存器及电源这几部分组成的。如果说它与普通计算机的区别的话,也就是在工业过程进行连接的接口和符合控制要求的编程语言这两方面是比普通的计算器强很多的25,如图4-2所示PLC的基本结构。图4-2 PLC的基本结构3. 可编程控制器的一般特点可编程控制器因其不同于其他控制系统从而得到人们得广泛应用,主要是它具有普通计算机等继电器、接触器等控制装置所没有的特点,主要表现为以下几点:(1) 抗干扰能力极高;(2) 编程简单方便;(3) 使用方便;(4) 维护方便;(5) 设计、施工、调试周期短;(6) 易于实现机电一体化;4. 可编程控制器的主要功能可编程控制器一般都是要提前把程序输入进去,再结合工作现场输入信号的作用,触发相应的输出信号来控制现场的机构的执行。所以其主要功能主要体现为顺序逻辑控制、运动定时控制、计数步进控制、模数和数模的转换、可进行通信联网数据处理这几大方面。5. 可编程控制器的工作过程虽然从上述几个方面可发现可编程控制器的基本组成及工作原理与一般微型计算机的几乎相同,但实际上其工作过程与微型计算机有很大差异,这主要是有操作系统和系统软件的差异造成的。在工作过程中,PLC主要有两点与微型计算机有很大的不同,分别是周期性顺序扫描和集中批处理。在PLC安全启动后,在运行过程中一直是处于一种不断循环的扫描,这就形成了一种周期性的顺序扫描,由于这个扫描过程可能需要处理很多的输入或者输出端口,所以就采用了集中批处理的方式,以此来简化系统的操作过程并提高系统可靠性。如图3-3所示为PLC的工作流程图。图3-3 PLC的工作过程流程图4.2.2 可编程控制器(PLC)的选型随着可编程控制器相关产品的广泛使用,PLC的产品类型越来越多,根据其结构类型、扩展功能、编程方法、价格等多个方面进行分类,不同种类型号的PLC其所适用的范围也不同,因此选择合适的PLC对控制系统的控制性能有着关键性的影响。1. 机型的选择目前PLC的主要还是根据结构来进行区分,主要分为整体式、模板式及分散式三种形式27。整体式PLC是将电源和CPU等组成部件都安装在统一的箱体内,也有装在一块印制电路板上的。这样的整体式结构就让其拥有了体积小,结构紧凑等优点,非常适合用于机械声场的单机控制。因此整体式通常都是小型机或者微型机。模板式PLC就是将PLC各部分以模板的形式分开,将电源、CPU等部分进行模板化。因为采用模板是进行组装,所以都会设有一个机架低板,用于将各种各样的模板插入链接。这样拼接式的组成就让用户可以根据不同的控制要求配置模板来满足控制系统的需求。因此采用这种结构的多为中型机和大型机。分散式PLC就类似于整体式和模板式结合后的产物。它把主要的电源和CPU等部分集中安装在一起,而将输入/输出这类部分模板化,通过通信连线的方式安装在各个地方。但是最终还是由CPU进行集中指挥,然后对各个模块发出相应的指令。因为本次设计的是三层三列式的立体车库,车库本身提及并不大,而且其控制系统的功能也是比较固定的,且主要控制方式采用开关式,并且所需要的输入端口和输出端口数量不是特别庞大,因此采用小型PLC就能实现该装置的控制需要。通过对三种形式的PLC的分析,看出模板式PLC的结构更为紧凑,而且模块配置灵活。所以本课题选取了由西门子公司生产的S7-300模板式PLC作为主控制器。2. CPU的选择目前S7-300系列的PLC主要分为标准型、集成型、紧凑型和故障安全型这四个CPU系列。因为CPU的不同,相应的模块功能也有不同,不同性能的CPU模板满足不同的需求,通常在选择CPU模块时,我们应该考虑相关CPU集成的I/O点数和模块扩展功能以及其通信接口的数量等因素。在本次设计中
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