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垂直提升式立體停車庫控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙410128）
摘 要：本文在對國內(nèi)外車庫現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢做了充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇五層20庫位立體停車庫結(jié)構(gòu)作為研究模型。簡述其工作原理及功能，然后對其五個難點：庫層感應(yīng)電路、轎內(nèi)或門廳呼叫電路、載重箱的選向電路、載重箱啟動轉(zhuǎn)換電路、平層電路進行了重點分析。為了使停車設(shè)備滿足使用要求，根據(jù)國家關(guān)于機械式停車設(shè)備通用安全要求的標(biāo)準(zhǔn)，在垂直提升式立體停車庫中使用了一些必要的安全技術(shù)，這樣保證了車輛的絕對安全，使得整個車庫可以安全平穩(wěn)地運 行。
關(guān)鍵字：立體停車庫;PLC;控制系統(tǒng);歐姆龍;
Design of PLC Type Stereo Garage Control System for Vertical Lift
Student: Xiang Huifang
Tutor: Zhou Guangyong
(College of engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract: On the basis of investigation on current situation and developing trend of garage in domestic and abroad, we choose five layer store 20 stereo garage structure as the research model. After describing the working principle and function, and then focus on the five difficulties: base layer induction, in the car or the hall call circuitry, load case selection circuit, load box to start conversion circuit, leveling circuit. In order to satisfy demand in design stereo garage, according to criterion of mechanical parking systems-general safety requirement and the facts of vertical lift stereo garage the paper introduced some safety technique which was used in the stereo garage. This can ensure safety for car and make the whole stereo garage safety and running smooth..
Keywords: stereo garage; PLC ; control system; OMRON;
1. 前言
1.1 課題的背景及意義
據(jù)國家統(tǒng)計局資料顯示，隨著我國順利加入WTO，汽車行業(yè)飛速發(fā)展，轎車越來越家庭化。從2002年以來，我國的的轎車呈不低于40%的高速增長態(tài)勢，需要大量的停車位。目前，有11個城市汽車保有量過百萬。2012年上半年，全國新增機動車1005萬輛。其中，汽車保有量增加760萬輛，高于去年上半年688萬輛的增量。數(shù)據(jù)顯示，北京、深圳、上海、成都、天津等11個城市汽車保有量超過100萬輛，其中，北京達到464萬輛。
圖1 停車難圖片
Fig.1 The picture of difficult for parking
而停車位的發(fā)展速度卻遠遠滯后于汽車發(fā)展速度，停車難已成為大中城市發(fā)展的社會問題。而立體停車庫以其突出的特點贏得了人們越來越多的青睞，如：以狹小的空間，爭取最多的停車空間，可將1-3層設(shè)在底下，有效利用地下空間；運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無噪音，運行速度快，存取時間短，符合城市環(huán)保要求；光電檢測庫內(nèi)的存車狀態(tài)，智能化的按鍵操作，使操作者全過程掌握車輛存取的每一個動作；多路安全保護，設(shè)有防墜落、防碰撞、防過載等一系列安全保護裝置。自動檢測、自動釋放滅火氣體，確保車庫內(nèi)車輛的防火安全等。
諸多因素表明，我國立體車庫停車產(chǎn)業(yè)與其配套產(chǎn)業(yè)目前正在成為潛力巨大的前途性產(chǎn)業(yè)。停車設(shè)備制造業(yè)面臨千載難逢的發(fā)展良機，具有高科技、高安全性、高可靠性、高效率的垂直提升式立體停車庫將具有巨大的發(fā)展前景。
圖2 立體停車庫
Fig.2 Stereo garage
1．1．1 機械式立體車庫的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國外立體停車場發(fā)展現(xiàn)狀是：日本從20世紀(jì)50年代中期開始停車場問題研究，1960 年建成了一座四個車位的二段式立體停車場，60 年代末，僅東京市就引進西歐技術(shù)建成了各種形式的立體停車場40座，1971年開始發(fā)展裝配自行式立體停車場。據(jù)日本建設(shè)廳調(diào)查統(tǒng)計，在日本從事立體停車庫及其設(shè)備開發(fā)、制造的公司約有200多家。目前日本已經(jīng)投入使用立體停車位超過300萬個，其中以升降橫移式停車設(shè)備為主。對于日本，優(yōu)勢在多層升降橫移類、垂直升降類、水平循環(huán)類、垂直循環(huán)類、簡易升降類等產(chǎn)品上。
韓國立體停車設(shè)備技術(shù)是日本技術(shù)的派生。產(chǎn)業(yè)從20世紀(jì)70年代中期開始起步，80 年代開始引進日本技術(shù)，經(jīng)過消化生產(chǎn)和本土化，90 年代開始為推廣使用階段。由于得到政府的高度重視，各種立體停車設(shè)備得到普遍開發(fā)和利用，韓國近幾年增長速度都在30% 左右。德國和意大利等歐洲國家從事停車設(shè)備開發(fā)和生產(chǎn)比較早。由于歐洲國家土地資源比較富余，停車問題表現(xiàn)不很突出，停車設(shè)備應(yīng)用量不是很大。多數(shù)為巷道堆垛式產(chǎn)品。
國內(nèi)立體停車場發(fā)展現(xiàn)狀：我國在20世紀(jì)80年代初開始研制和使用立體停車場。90 年代以來，隨著汽車工業(yè)和建筑業(yè)的發(fā)展，尤其是轎車進入家庭后，立體停車場的應(yīng)用逐步推廣。到2003 年底，我國已有31個省份的56個城市，興建了879個立體停車庫，車位8萬多個，其中有一半是用于住宅小區(qū)配套設(shè)施。目前我國已經(jīng)形成了新興的停車行業(yè)，步入了引進、開發(fā)、制造、使用相結(jié)合的初步發(fā)展階段?，F(xiàn)在從事立體停車設(shè)備制造企業(yè)已有30余家。產(chǎn)品經(jīng)引進技術(shù)和自我研制開發(fā)，生產(chǎn)技術(shù)水平有了很大的提高。如杭州西子石川島停車設(shè)備有限公司的PCS曳引式車庫屬于垂直升降立體停車場，變壓變頻（VVVF）驅(qū)動和微機控制方式使整座車庫實現(xiàn)低振動、低噪音、低成本和高效率的運行；采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，內(nèi)置自動升降旋轉(zhuǎn)裝置，配以先進的導(dǎo)航指示，無需司機倒車，存取方便、簡易，即使是新手駕駛也可放心使用。目前立體停車場國產(chǎn)化率達到50% 以上,一些科研機構(gòu)和大專院校也開始研究和開發(fā)符合國情的立體停車場。
1．1．2 機械式立體停車庫的特點
以立體化形式存放車輛的機械式停車庫叫做機械式立體停車庫，是一種技術(shù)密集型的機電一體化產(chǎn)品，發(fā)展?jié)摿艽?，具有很多?yōu)點：
節(jié)省占地面積。一般約為平面停車場的1／2—1／25，立體車庫最大的優(yōu)勢就是能夠向高空、地下發(fā)展，利用小的占地面積實現(xiàn)大的車輛存儲。
建設(shè)成本低。由于機械式立體停車庫主要向垂直空間擴展，雖然工程費用較高，但可省去大量的土地使用費等開支，因此就單個泊位的建設(shè)成本而言，一般低于同等規(guī)模的平面停車場。
自動化操控，使用方便。機械式立體停車庫自動化程度高，用戶通過簡單操作，就能實現(xiàn)車輛的自動存??；配備自動檢測系統(tǒng)以及安全保護措施，安全性能好。
配置靈活，適應(yīng)性強。機械式立體停車庫具有多種類型，設(shè)計上具有較大的靈活性，可適應(yīng)各種形式的地形或建筑物。
機械式立體停車庫在具有上述優(yōu)點的同時，也存在一些缺點，并且在一定程度上制約了其推廣和應(yīng)用：首先，造價偏高，除了建筑和設(shè)備的投資費用，還需要維護的投入，以保障設(shè)備的安全、持久地運行；第二，進出車時間長，雖然各種類別的機械停車設(shè)備對單車最大進(出)時間一般控制在2分鐘以內(nèi)”，但由于單套設(shè)備往往只有一套執(zhí)行機構(gòu)，不允許多輛車同時出入庫，如果面臨高峰期，勢必會出現(xiàn)等候現(xiàn)象。
1．1．3 機械式立體停車庫的主要類型
所謂機械式停車設(shè)備，是指將汽車搬運或存放到泊車位使用的機械設(shè)備的總稱，主要由鋼結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾個部分組成。根據(jù)我國發(fā)布的JB-T 8713-1998《機械式停車設(shè)備類別、型式與基本參數(shù)》標(biāo)準(zhǔn)，機械式停車設(shè)備的類別名稱及代號見表1．現(xiàn)介紹幾種具有一定代表性的類型：
表1 機械式停車設(shè)備的類別名稱及代號
類別
名稱
升降
橫移
垂直
循環(huán)
水平
循環(huán)
多層
循環(huán)
平面
移動
巷道
堆垛
垂直
升降
簡易
升降
代號
SH
CX
SX
DX
PY
XD
CS
JS
升降橫移式停車設(shè)備利用載車板的升降或橫移來實現(xiàn)車輛的存取，此類停車庫將載運和存放汽車的載車板與升降裝置組合在一起使用，構(gòu)成立體化存車的形式，多為中、小型車庫，泊位數(shù)目從幾輛至幾十輛不等，一般設(shè)計為2或3層，極少超過5層。結(jié)構(gòu)上，除頂層外，每層均有一個空車位，作為交換車位；車輛進出層的載車板僅作橫移運動，最頂層或地下最底層的載車板只作升降運動，中間層既能升降也能橫移。這種類型的立體車庫造價不高，車位的布置緊湊，易于實現(xiàn)自動控制，在樓字地下室或住宅小區(qū)的空地上布置較為方便，特別適用于平面自走式停車庫的改造工程。缺點是每塊載車板都需要配套的驅(qū)動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性不易保障；層數(shù)不宜設(shè)計太高，車位數(shù)不宜太多，否則存取流程過于冗雜，能源浪費很大。
垂直循環(huán)式立體停車庫是循環(huán)式中最有代表性的，主體是垂直回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)捷斔蜋C，車輛停放在呈圓形或長圓形配置的數(shù)個托盤上，由鏈條帶動做垂直循環(huán)運動，在平動機構(gòu)控制下保持車位水平．這種車庫由單一大型電機驅(qū)動，最大的優(yōu)點是電氣控制系統(tǒng)簡單，但缺點也很明顯，例如泊位數(shù)受電機功率及結(jié)構(gòu)等因素限制、傳動噪音大、存取速度慢、能耗高等，因此呈逐步淘汰之勢。
垂直升降類立體停車設(shè)備利用升降機構(gòu)將車輛提升到目標(biāo)層，再啟動橫移機構(gòu)把車存入泊位中，工作方式類似于電梯。這種車庫有幾十米高，每層可設(shè)2個或多個泊位，可單獨建設(shè)或安裝于建筑物內(nèi)，一般采用可編程序邏輯控制器構(gòu)成其自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛的全自動存取、自動計費等功能。垂直升降式立體車庫的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，對地基、消防、運行可靠性和安全性的要求也更高，因此造價較高。但是相比于其他形式的立體車庫，其在空間利用率、技術(shù)性能、結(jié)構(gòu)剛度、存取效率以及能耗等很多方面都更有優(yōu)勢，具有很廣闊的發(fā)展前景。
巷道堆垛類立體停車設(shè)備是利用巷道堆垛機或橋式起重機作為搬運裝置，進入到搬運裝置中的車輛可同時進行兩維的運動，快速到達指定車位，再用存取機構(gòu)將車存入泊位。這種車庫類似于立體倉庫，最早出現(xiàn)在美國，適合于上百個、甚至是上千個停車位的大型自動化立體停車庫，當(dāng)然造價也是很高的。
1．2 研究思路和主要研究工作
查閱文獻資料，了解機械式立體停車庫的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、各類機械立體停車設(shè)備的工作原理和特點；比較幾種主流形式在空間利用率、造價、存取時間、技術(shù)性能、能耗等方面的特點；注意文獻中有關(guān)控制系統(tǒng)研究的部分；立體停車設(shè)備的存取機構(gòu)設(shè)計,在分析比較的基礎(chǔ)上，確定車庫的存取車形式，然后由此詳細設(shè)計停車位、載車板和存取機構(gòu)；根據(jù)自動控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方案，編制具體的程序；編程時應(yīng)首先實現(xiàn)車庫的基本功能，再逐步完善安全保護、性能優(yōu)化、監(jiān)控報警、自動計費等功能。
1．3 論文的主要研究內(nèi)容
本論文在查閱大量文獻資料的基礎(chǔ)上，以新型智能立體停車庫的控制系統(tǒng)為研究對象，著重于控制系統(tǒng)軟件方案的制定和具體實現(xiàn)，主要內(nèi)容包括：立體車庫的總體結(jié)構(gòu)和運行原理分析；立體車庫控制系統(tǒng)的硬件方案；立體車庫控制系統(tǒng)的軟件主體方案制定及實現(xiàn)；控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。
2. 立體車庫的總體結(jié)構(gòu)
2．1 車庫選型
通過分析比較各種類型的優(yōu)缺點，結(jié)合技術(shù)可行性和投資經(jīng)濟性，本課題的立體車庫類型設(shè)計為垂直升降式，這是因為在幾種應(yīng)用較多的類型中，垂直升降式是綜合性能十分優(yōu)良的一類，具有空間利用率高、技術(shù)性能好，能耗低、噪聲小、速度快、操作簡單、維護方便等優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展前景。循環(huán)式立體車庫雖結(jié)構(gòu)簡單，但存取速度過慢、能耗高、噪音和震動大，只是早期的立體車庫形式，目前較少使用；升降橫移類的應(yīng)用較為廣泛，但自動化程度及存取效率較低，受傳動鏈繩和存取時間限制，可建停車規(guī)模有限；巷道堆垛式的投資成本很高，適用于庫容量需求極大的場合，本課題暫不涉及這類立體車庫的研發(fā)。
2．2 垂直升降式立體車庫概述
垂直升降式立體停車庫習(xí)慣上稱為電梯式或塔式立體車庫，是利用升降機構(gòu)和存取機構(gòu)實現(xiàn)車輛存取的機械停車設(shè)備，一般由鋼結(jié)構(gòu)框架、升降裝置、存取裝置、載車臺回轉(zhuǎn)裝置、安全保護裝置、控制系統(tǒng)和檢測裝置等組成。此類車庫的停車位分布在井道周圍，每層可設(shè)2個或多個泊位，一般在10層以上，可停放幾十輛車，而占地面積不到50平方米，所以具有很高的平面和空間利用率，很適合建在城市中心或者住宅小區(qū)內(nèi)。電梯式立體停車庫最早出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代，當(dāng)時是以汽車專用電梯作為提升工具，駕駛員需隨車升降。到60年代后期，許多發(fā)達國家的大都市都出現(xiàn)了停車難問題，使得立體車庫開始發(fā)展普及，此時已現(xiàn)機械存取機構(gòu)，無需駕駛員跟車．至80年代朱90年代初，隨著微機技術(shù)，可編程控制器以及交流變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，垂直升降式立體車庫開始在日本、美國、歐洲、韓國、臺灣等地大量興起，成為機械式立體停車庫的一大主流。
升降驅(qū)動機構(gòu)是垂直升降式立體停車庫的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)布置與技術(shù)含量將直接影響車庫的安全性和可靠性。目前垂直升降式立體停車庫的升降驅(qū)動形式主要有曳引驅(qū)動和強制驅(qū)動兩種，強制驅(qū)動又可分為鋼絲繩式(卷揚式)和鏈輪鏈條式兩種形式．鋼絲繩卷筒驅(qū)動機構(gòu)在起重機械上被廣泛運用，是使用上較為成熟的技術(shù)，它布置靈活，起吊用的鋼絲繩可在空間內(nèi)變向配置，但是結(jié)構(gòu)尺寸較大，對提升高度有一定的限制，而且鋼絲繩易拉伸變形，平層時會引起升降搬運裝置上浮或者下沉現(xiàn)象。由于自身結(jié)構(gòu)的限制，卷揚式在垂直升降式立體車庫中沒有得到更廣泛的應(yīng)用。鏈條提升式具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低等優(yōu)點，在低速電梯和低層的立體車庫(垂直升降或平面移動式)上都有應(yīng)用，在提升速度要求不高時可以選用。曳引式是一種被廣泛應(yīng)用于電梯上的驅(qū)動方式，與鋼絲繩卷筒驅(qū)動相比，結(jié)構(gòu)尺寸大大減小，同時提升高度高很多，可用于高層的立體車庫，因而被廣泛地選用。
存取機構(gòu)是將車存入或者取出泊車位的重要驅(qū)動機構(gòu)，也是垂直升降式機械立體停車設(shè)備區(qū)別于普通汽車電梯的根本所在。這類車庫的存取方式主要有以下幾種：
滑叉載車式：在升降搬運裝置上安裝一套多級滑叉機構(gòu)(多為三級滑叉)，
存車時，滑叉逐級滑出，將載車板送至泊車位上方，輕輕放下，然后收回滑叉；取車時，先滑出滑又，將載車板略微抬起之后，再將載車板和滑叉收回至搬運裝置?；媸浇Y(jié)構(gòu)的主要缺點是存在一半的空行程，影響運行效率；動作中有較大偏載時會使導(dǎo)軌局部承受彎矩，影響提升機構(gòu)運行的平穩(wěn)性。
鏈傳動載車式：利用鏈傳動的形式，通過一次微橫移和一次橫向橫移來實現(xiàn)載車板的存取。存車時，第一級微橫移的作用是推動橫移機構(gòu)連同載車板作短距離橫移，越過升降轎廂與停車位之間的間隙；第二級橫移的作用是使載車板平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移至停車位的托架上。鏈傳動橫移裝置克服了滑叉橫移裝置的缺點，但它對提升機構(gòu)的平層精確度要求較高，目前一般采用變頻變壓調(diào)速方式以及高精度傳感器來滿足平層精確度的要求。
叉梳載車式：通過提升機構(gòu)和停車位上的兩個叉梳的相對交錯運動實現(xiàn)車輛的存取。這種存取方式必須保證在叉梳的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，橫移叉梳和固定叉梳能夠?qū)崿F(xiàn)交錯而不發(fā)生運動干涉，并且橫移叉梳在存取車時的上下運動空間要充足。
履帶輸送式：升降搬運裝置在車輛的前后輪處有兩個主動履帶，橫移時這兩個主動履帶能夠帶動停車位上的被動履帶，將車輛送至停車位。
2．3 立體車庫的總體結(jié)構(gòu)
在綜合考慮技術(shù)難度、占地面積、經(jīng)濟實用性以及用戶需求等各種因素之后，決定選取五層20庫位，每層4庫位的布局作為本課題的垂直升降式立體停車庫的整體結(jié)構(gòu)。本設(shè)計的立體停車庫載重車輛7.5噸以下，車長小于5.0m，寬小于2.0m，高小于2.5m。工作原理類似電梯的控制，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由一臺交流雙速電動機作為主拖動電動機，4臺交流電動機作為四角平層的補償電動機，1臺開關(guān)門電動機，1臺縱向移動電動機，2臺橫向移動電動機組成。
主電動機的功率選擇:
電動機的功率表示為：
正轉(zhuǎn)功率 (1)
反轉(zhuǎn)功率 (2)
式中，=0.78~0.95 ，
則選用電動機的型號：YD200L1-6/4，功率為22KW
圖3 五層20庫位立體車庫示意圖
Fig.3 Schematic diagram of the five layer store 20 stereo garage
中間的井道為載車臺的升降通道，停車位縱向并列布置在井道的兩側(cè)。此車庫系統(tǒng)主要包括鋼結(jié)構(gòu)框架、活動板、升降裝置、橫移裝置、縱向裝置、安全保護裝置和自動控制系統(tǒng)。
2．3．1 鋼結(jié)構(gòu)框架
鋼結(jié)構(gòu)框架主要由立柱、橫梁、斜撐、車位架等組成，用于承受車庫自身部件重量和存入車輛重量、內(nèi)置停車位并且安裝機械傳動和電氣控制部件。
2．3．2 活動板
每個停車位都有一塊對應(yīng)的活動板，用于搬運和支托車輛，實質(zhì)就是通過對活動板的存取實現(xiàn)車輛的存取?；顒影鍛?yīng)采用非燃燒材料制造，質(zhì)量要輕但需有足夠的強度和剛度，且能防止液體滴漏。車庫正常運行時，存在某個停車位活動板在升降臺上的情況，如果此時用戶需要存車，系統(tǒng)默認將車輛存入這塊活動板所在的停車位，如果用戶需要取車，則將活動板存入其所在的停車位后再取車。在連續(xù)存車或取車時，會有一個取或者存活動板的空行程，需要占用一定的存取車時間。
2．3．3 升降裝置
為了提高運行效率，垂直升降式立體車庫要求升降系統(tǒng)具有較高的提升速度和良好的可靠性。在參照和比較幾種現(xiàn)有升降驅(qū)動方式的基礎(chǔ)上，決定選用曳引驅(qū)動技術(shù)，采用成熟的升降機提升裝置。因升降系統(tǒng)并不需要連續(xù)變速，使用變速電動機即可滿足要求，從而可省去一些變速機構(gòu)，所以升降裝置采用雙速電動機提供動力。實際電路如圖4所示，當(dāng)按下啟動按鈕SB2后，電動機按D形連結(jié)4極啟動，經(jīng)一定時間延時后改接成YY連結(jié)，進入2極起動運行。
升降裝置包括：1)曳引驅(qū)動機和制動器；2)傳動部件，包括鋼絲繩和滑輪等；3)對重和平衡鏈；4)載車臺，用于升降時支托車輛；5)升降導(dǎo)軌和對重導(dǎo)軌．曳引機通過鋼絲繩驅(qū)動載車臺升降，同時對重也相應(yīng)運動。對重可稱為重量平衡系統(tǒng)，其功能是在工作中使升降臺和對重間的重量差保持在某一限額內(nèi)，保證電動機正常運轉(zhuǎn)，此外，還可以減少驅(qū)動功率，減小鋼絲繩與繩輪之間的曳引力，延長鋼絲繩的使用壽命。對重由對重架、對重塊、導(dǎo)軌、緩沖器碰塊、壓塊以及鋼絲繩組成。升降裝置的傳動機構(gòu)(包括電機，滑輪等)設(shè)在停車庫的頂部。
2．3．4 橫移裝置
與滑叉、鏈輪、履帶等需要中間傳動機構(gòu)的存取方式不同，本車庫的橫移裝置采用直線電機直接驅(qū)動，由于去除了中間的機械傳動環(huán)節(jié)，橫移電機將直接作用于載車板，能夠?qū)崿F(xiàn)運動的快速動態(tài)響應(yīng)，節(jié)省時間和能耗，從而有效提高車庫的運行效率。
圖4 交流雙速電動機主控制電路
Fig.4 The main circuit of AC double speed motor
直線電機直接驅(qū)動是一種新型的現(xiàn)代驅(qū)動技術(shù)，目前已實現(xiàn)了其在物流系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備、信息與自動化系統(tǒng)、交通與民用、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用，例如磁懸浮列車、電磁炮、數(shù)控機床、物流分揀輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線和裝配線等。直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。
本車庫的橫移裝置包括橫移電機、電磁鐵、滾輪和導(dǎo)軌等。橫移裝置安裝于升降臺上，橫移電機選用感應(yīng)直線電動機，并且采用短初級長次級的結(jié)構(gòu)；升降臺表面鍍銅，形成橫移電機的次級，而橫移電機的初級與表面之間存在氣隙，當(dāng)電機通電后，初級便能夠?qū)崿F(xiàn)在升降臺表面的橫移動作，再輔以電磁鐵和光電傳感器，就可以實現(xiàn)橫移電機復(fù)位、存取載車板等功能。
2．3．5 縱向移動裝置
因本立體車庫存在B、D區(qū)，故需要縱向移動裝置?？v向移動裝置由一臺電動機驅(qū)動履帶來完成縱向移動的動作。
3. 立體車庫控制系統(tǒng)的工作原理及存取車流程
3.1 工作原理
立體停車庫控制系統(tǒng)包括車輛自動存取車系統(tǒng)、車輛自動管理系統(tǒng)（車輛身份認證、停車收費等）以及監(jiān)控保安系統(tǒng)等。自動存取車系統(tǒng)是立體停車庫控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。自動存取車系統(tǒng)由小型PLC控制，包括卡號識別與載重箱移動兩個過程。在車庫入口處設(shè)一個非接觸式讀卡器，用戶進入車庫時，在門口刷卡進入，讀卡機自動把數(shù)據(jù)傳送到PLC，PLC系統(tǒng)自動判斷該卡是否有效，若有效，則庫門自動打開，系統(tǒng)把對應(yīng)的載重箱移動到人車交接的位置，以縮短存取車的時間。存車時，司機將車開到載重箱上，當(dāng)車輛安全停放后，停車正常指示燈才會亮，此時按存車按鈕，載重箱將車送入IC卡內(nèi)數(shù)據(jù)指定的庫位，庫位活動板鎖扣自動鎖住活動板，避免活動板滑動，載重箱自動回到原位，停車正常指示燈滅，延時5s關(guān)閉庫門，完成存車操作。取車時，司機刷卡完畢，自動打開庫門，按取車按鈕，載重箱自動到達IC卡內(nèi)數(shù)據(jù)指定的庫位，打開庫位活動板鎖扣，取車指示燈亮，載重箱將車送到原始停車位，該指示燈滅，司機將車開走，車離開庫門5s后，庫門自動關(guān)閉，完成取車操作。
車庫自動存取控制系統(tǒng)采用取車優(yōu)先的原則，并且存取車的時間不超過140s，車庫系統(tǒng)運行狀態(tài)用紅、綠、黃三種指示燈表示，紅燈表示有人正在進行存取車操作，請稍候；綠燈表示目前無人操作，可進行操作；黃燈表示系統(tǒng)有故障不能工作。
3.2 垂直提升式立體停車庫存取車流程示意圖
本立體車庫的自動存取車控制流程圖如圖5所示，由起動運行（雙速）線路、載
圖5 垂直提升式立體車庫存取車控制流程圖
Fig.5 The control flow chart of vertical lifting type stereo garage
重箱內(nèi)、外呼叫線路、定向選層線路、平層線路、橫向移動線路、縱向移動線路、開關(guān)門控制線路等組成。
4. 立體車庫主要控制線路的PLC程序設(shè)計
立體停車庫的控制不同于電梯的控制，主要表現(xiàn)在：（1）門廳或轎內(nèi)指令的呼喚，車庫門廳指令按鈕位于庫門內(nèi)側(cè)操縱箱上，車庫轎內(nèi)指令按鈕位于載重箱內(nèi)操縱箱上，其他地方?jīng)]有任何按鈕。（2）平層控制線路，采用四角平層方式，由四臺平層補償電動機各自控制，占四個輸入點。（3）減速感應(yīng)器，位于每層主限位開關(guān)（除頂層、底層外，上下各一個）400mm處。（4）橫向、縱向控制線路，載重箱在上升的過程中，同時向后移動。
4.1 定義元器件名和分配I/0號
PLC控制的立體車庫I/O對應(yīng)關(guān)系如表1所示
表2 PLC控制的立體車庫I/O關(guān)系對應(yīng)表
Table 2 Stereo garage I/O Fig. 1 Relationship of PLC control table
元器件名
符號
對應(yīng)PLC的I/O號
緊急制動按鈕
SB0
00000
一層A、C區(qū)呼叫按鈕
SB1A-SB1C
00001、00002
二層A、C區(qū)呼叫按鈕
SB2A-SB2C
00003、00004
三層A、C區(qū)呼叫按鈕
SB3A-SB3C
00005、00006
四層A、C區(qū)呼叫按鈕
SB4A-SB4C
00007、00008
五層A、C區(qū)呼叫按鈕
SB5A-SB5C
00009、00010
1-5層5個1角平層行程開關(guān)
ST11-ST51
00101-00105
1-5層5個2角平層行程開關(guān)
ST12-ST52
00201-00205
1-5層5個3角平層行程開關(guān)
ST13-ST53
00301-00305
1-5層5個4角平層行程開關(guān)
ST14-ST54
00401-00405
1-5層5個減速行程開關(guān)
ST15-ST55
00106-00110
上行接觸器
KM1
01001
下行接觸器
KM2
01002
低速接觸器
KM3
01003
高速接觸器
KM4
01004
短路切除高速電抗接觸器
KM41
01005
短路切除低速電抗接觸器
KM31
01006
橫向左移電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)
KMF11、KMF12
01200、01201
橫向右移電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)
KMF13、KMF14
01202、01203
續(xù)表2
元器件名
符號
對應(yīng)PLC的I/O號
縱向電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)
KZ1、KZ2
01204、01205
每層1-4角正向平層接觸器
KMF1-KMF4
01300-01303
每層1-4角反向平層接觸器
KMR1-KMR4
01304-01307
一層A、C區(qū)呼叫指示
01007、01101
二層A、C區(qū)呼叫指示
01102、01103
三層A、C區(qū)呼叫指示
01104、01105
四層A、C區(qū)呼叫指示
01106、01107
五層A、C區(qū)呼叫指示
01206、01207
上行中間繼電器
20000
下行中間繼電器
20001
1-5層庫層感應(yīng)中間繼電器
20011-20015
1-5層指定層中間繼電器
20002-20006
1-5層A區(qū)呼叫中間繼電器
20101-20105
1-5層C區(qū)呼叫中間繼電器
20201-20205
四角均平層正向中間繼電器
20206
四角均平層反向中間繼電器
20207
高速中間繼電器
20107
低速中間繼電器
20108
換速中間繼電器
20109
經(jīng)計算，共有36個輸入，30個輸出。因OMRON公司生產(chǎn)的PLC適用范圍較廣，且性價比較高，故選擇OMRON公司生產(chǎn)的PLC。又因為四角平層所需要的輸入點較多，所以選擇OMRON公司CPM1A-40CDR-A型PLC，帶擴展單元可擴至100點（輸入60，輸出40點）
4.2 難點分析
由于本設(shè)計的五層20庫位車庫的A、C和B、D區(qū)對稱，控制功能基本相似，難點主要集中在庫層感應(yīng)電路，轎內(nèi)或門廳呼叫電路，載重箱的選向電路，載重箱起動轉(zhuǎn)換，平層電路。所以我分別對這5個難點進行分析。
4.2.1 庫層感應(yīng)電路
庫層感應(yīng)由每層4角主平層行程開關(guān)的閉合與斷開完成，感應(yīng)出庫層信號，用于指層、選層、選向、門廳呼叫的信號等。要求感應(yīng)信號是連接的，該信號只有在載重箱移動至上層或下層時才消失。載重箱的上下感應(yīng)信號都來自每層4角主平層行程開關(guān)00401-00405的觸點。當(dāng)載重箱在1層時，1層4角主平層行程開關(guān)00401閉合，則1層庫層和指層中間繼電器20011接通并保持，同時切斷20002?？梢姡d重箱上升至
圖6 庫層控制梯形圖
Fig.6 Repository layer control ladder diagram
某一層時，相應(yīng)的庫層感應(yīng)中間繼電器接通指層中間繼電器。當(dāng)載重箱下降時，原理同上，該電路梯形圖如圖6所示。
4.2.2 轎內(nèi)或門廳呼叫電路
圖7 轎內(nèi)或門廳控制梯形圖
Fig.7 In the car or the hall control ladder diagram
該電路與電梯的控制不同，在立體車庫的轎內(nèi)和門廳呼叫電路中，轎內(nèi)呼叫按鈕置于載重箱內(nèi)操作箱上，平時不使用，只有在需要維修或者司機需要進入指定庫區(qū)位時，才起用，方便人員操作。門廳的控制只有一個，置于車庫庫門入口處，功能與轎內(nèi)呼叫電路完全相同。因為車輛的入庫操作都在庫門入口處進行，其他庫層無操作按鈕。但載重箱移到指定層并平層后，自動起動橫向左或右移動電動機，將載車活動板推入指定位置（A區(qū)或C區(qū)）并鎖住。綜上所述，可以把轎內(nèi)和門廳呼叫電路合并起來，只有一個電路實現(xiàn)控制功能。00001、00003、00005、00007、00009分別為1-5層A區(qū)呼叫按鈕，00002、00004、00006、00008、00010分別為1-5層C區(qū)呼叫按鈕，控制梯形圖如圖7所示。
4.2.3 橫向移動電路
當(dāng)某區(qū)呼叫時，載重箱首先響應(yīng)庫層信號，接通庫層感應(yīng)中間繼電器并保持，當(dāng)載重箱到達該層時，斷開庫層感應(yīng)信號，然后判斷哪一區(qū)呼叫，待四角均平層（每角行程開關(guān)到位）以后，起動橫向左右移動電動機，將載車活動板送入相應(yīng)庫位，橫向移動電動機控制梯形圖8所示。
圖8 橫向移動控制梯形圖
Fig.8 Lateral movement control ladder diagram
4.2.4 載重箱選向電路
載重箱運行過程，存在上行和下行狀態(tài)，當(dāng)載重箱完全處于整個運行周期時，即一個運動周期起始于初始位置、終止于初始位置，平時處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時載重箱的選向電路無關(guān)緊要。但當(dāng)在運動中需要選向時，如：將車存在4層A區(qū)，同時想取5層C區(qū)車時，載重箱不需返回，完成存車操作后，直接到5層C區(qū)取車，此時，選向電路起作用，該電路類似電梯的選向電路?？刂铺菪螆D如下圖9所示，同一層A區(qū)和C區(qū)的呼叫，選向電路控制相同，所以本設(shè)計只設(shè)計了A區(qū)的呼叫選向。對于C區(qū)呼叫，只需將C區(qū)呼叫中間繼電器觸電并聯(lián)在同層A區(qū)呼叫觸點上即可。
圖9 選向電路控制梯形圖
Fig.9 The ladder diagram to control circuit
4.2.5 載重箱的起動換速、平層電路
交流雙速電動機有兩套繞組：高速繞組和低速繞組，高速繞組為4極，低速電阻為16極，速比為4：1.載重箱通常高速起動、設(shè)置高速中間繼電器20107起動，接通01004接觸器，延時幾秒后，接通01005，載重箱加速；當(dāng)接近指定庫層400mm時，換速中間繼電器20109接通，低速中間繼電器20108接入，載重箱由高速轉(zhuǎn)換為低速2運行，延時幾秒后，閉合01006，加快減速，最后制動在指定庫層。
載重箱一般長6.5m，寬3.0m，高2.5m，比活動板稍大，載重7.5t以下。因載重箱自重和車輛重量之和較大，接近10t，而載重箱面積又較大，受到不平衡力后，容易變形。導(dǎo)致載重箱到達某一層后，可能載重箱下面四角與庫層不共面，橫向移動電動機難以將活動板推入庫位，因而提出了嚴(yán)格的平層概念，這里的平層方式與電梯的平層完全不同。載重箱的平層必須采用四角平層策略，即每角必須平層后，才允許移動活動板。以每層4角主平層行程開關(guān)為基準(zhǔn)，利用PLC的記憶功能，當(dāng)載重箱上升時，若4角到位，主拖動電動機馬上停止，此時可能因為慣性，載重箱上移。判斷此時1、2、3、4角行程開關(guān)的記憶狀態(tài)，如果該角有碰撞記憶信號，則該角平層補償電動機反轉(zhuǎn)，載重箱該角下降，直到該角正好下降至限位點為止；如果該角沒有碰撞記憶信號，則該角平層補償電動機正轉(zhuǎn)，載重箱該角上升，直到該角正好上升至限位點為止，當(dāng)1、2、3、4角均處于平層位置時，才允許起動橫向移動電動機。載重箱下降時的平層原理同上，本設(shè)計以1角上升過程平層為例，其控制電路梯形圖如圖10所示。
圖10 平層電路控制梯形圖
Fig.10 Leveling circuit control ladder diagram
5. 電氣安全裝置
設(shè)有斷電、缺相、斷湘和相序保護：在主電源發(fā)生缺相，設(shè)備發(fā)生斷湘、反相時，保護器動作切斷設(shè)備主電源,選擇JL-400系列。如下圖11。
圖11 相序保護
Fig.11 The phase sequence protection
防人、異物誤闖入紅外線檢測裝置：設(shè)置自動鎖閉系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備運轉(zhuǎn)時，如有人或異物進入設(shè)備中，設(shè)備將會自動急停。待人員或異物離開設(shè)備后，按動“復(fù)位”按鈕，設(shè)備將恢復(fù)運行。保證設(shè)備安全運轉(zhuǎn)，以防誤傷人員。用光電開光檢測，選擇的型號是SD401紅外線檢測保護裝置。
延時保護：當(dāng)車停不進設(shè)備時，設(shè)備將自動停止任何操作，所選延時保護裝置的型號是THW1。試進入（設(shè)定）三次自動停止，處于保護狀態(tài)，停止任何操作。
車輛定位：載車板的末端裝有前、后、左、右限位裝置。
防止載車板墜落裝置：設(shè)置防墜落裝置，載車板運行到停車位后，為防止載車板因故突然落下，設(shè)防止墜落裝置，保證入庫車輛安全。
汽車長度限制裝置：設(shè)置超長光電檢測裝置。當(dāng)進入設(shè)備的車輛超多適停車輛尺寸時，設(shè)備自動鎖閉并報警提示。
緊急停止裝置：設(shè)置緊急制動開關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，能使停車設(shè)備立即停止運轉(zhuǎn)，所選型號為HN1E。
防止超限運行裝置：設(shè)置限位開關(guān)，包括：上限位開關(guān)、下限位開關(guān)、左限位開關(guān)、右限位開關(guān)、極限開關(guān)等。當(dāng)?shù)轿婚_關(guān)出現(xiàn)故障時，超限位開關(guān)能使設(shè)備停止工作。實際設(shè)備如下圖12，所選型號為D4N。
圖12 限位開關(guān)
Fig.12 Limit Switch
警示燈及警示蜂鳴器：設(shè)置設(shè)備運轉(zhuǎn)信號顯示。提示設(shè)備處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)及對異常情況報警。實際設(shè)備如下圖13
圖13 警示燈
Fig.13 Caution Light
電機自帶剎車裝置：防止載車板自動滑動。
6． 結(jié)論與展望
6.1 結(jié)論
隨著中國經(jīng)濟的騰飛，城市化進程加快，汽車越來越快地走進工薪階層家庭，而土地越來越緊缺的情況下，為解決城市停車難的問題，立體車庫是必然出路。我國立體車庫發(fā)展雖經(jīng)歷了十來年的發(fā)展，但仍處于初級的停車功能，是最原始的使用階段，它的設(shè)計水平、經(jīng)濟價值還有待于完善和開發(fā)。為此對立體車庫設(shè)計方案優(yōu)化具有重大的現(xiàn)實意義和潛在的市場經(jīng)濟效益。本文在參閱了國內(nèi)外有關(guān)立體停車庫的大量資料的前提下，對垂直提升式立體停車庫的控制系統(tǒng)進行了細致研究，得出了以下重要結(jié)論：
通過大量的調(diào)研工作，對自動化立體車庫的發(fā)展特點和發(fā)展方向進行了總結(jié)，通過對市場需求的分析和對比國內(nèi)外車庫的發(fā)展?fàn)顩r，分析了智能立體車庫的廣闊市場前景。
針對智能立體車庫的功能要求，提出了控制系統(tǒng)的詳細方案。為達到車庫中的檢測要求，確定了經(jīng)濟而適用的電氣安全裝置。在車庫自動控制系統(tǒng)中，選用了OMRON公司CPM1A-40CDR-A型PLC，并對PLC的功能和特點進行了詳細分析，給出了梯形圖和控制程序。
6.2 展望
雖然立體車庫目前在我國應(yīng)用還較少，但我國城市人口密度較稠，隨著家庭轎車的增加，立體車庫未來市場必將是巨大的，但對產(chǎn)品的需求，將會向兩個極端發(fā)展,一個極端就是價格的極端，市場大量需要低價格的機械停車設(shè)備，它只要能夠達到增加停車位的目的，能夠保證最基本的使用性能，以價格優(yōu)勢占領(lǐng)市場，這一部分的市場份額預(yù)計將達到50%-70%；另一個極端就是技術(shù)與性能的極端，要求停車設(shè)備具有優(yōu)越的使用性能、方便的操作方式、快捷的存取速度。通過國內(nèi)外機械停車設(shè)備使用經(jīng)驗的總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)人們在利用機械停車設(shè)備存取車是時，比較追求的是存取車速度、等待時間以及方便的程度。此外，未來的機械停車設(shè)備市場，也會更加注重完善的售后服務(wù)系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)、遠程故障處理系統(tǒng)。
機械立體停車庫的種類繁多，我們必須通過詳盡的技術(shù)分析才可以有明智的決斷，利用一切可以利用的因素，建造出經(jīng)濟技術(shù)合理和適應(yīng)市場要求的機械立體停車庫?？傊谖覀兠媾R著建設(shè)現(xiàn)代化大都市的重任和土地資源異常稀缺的情況下，使用機械立體停車庫是可行、明智的選擇，它的前景將是無限美好的。
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致 謝
為期一個學(xué)期的畢業(yè)論文已經(jīng)接近尾聲了，我的四年大學(xué)生涯也即將圈上一個句號。畢業(yè)設(shè)計是我對這四年來的大學(xué)生活進行總結(jié)，是對我們學(xué)的知識的一個測試，也是一個自我的檢驗。
此次論文設(shè)計的完結(jié)與對設(shè)計成功實現(xiàn)的美好期待歸功于所有教過我的授業(yè)恩師，尤其是周光永老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷，感謝他們對我相關(guān)專業(yè)知識的無私奉獻，以及為我提供實現(xiàn)設(shè)計夢想的平臺。 同時還要感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了他們的支持和鼓勵，此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。
不忘厚愛，我將在以后的工作學(xué)習(xí)生涯中繼續(xù)不斷努力，匍匐前進，但愿苦盡甘來早日成為機械行業(yè)的精英骨干人才。
附錄
附錄1：庫層控制梯形圖程序
附錄2：轎內(nèi)或門廳控制梯形圖程序
附錄3：橫向移動控制梯形圖程序
附錄4：選向電路控制梯形圖程序
附錄5：平層電路控制梯形圖程序
附錄1
庫層控制梯形圖的程序如下所示：
LD 20000
OR 20001
AND 00401
OUT 20011
LD 20000
OR 20001
AND 00402
OUT 20012
LD 20000
OR 20001
AND 00403
OUT 20013
LD 20000
OR 20001
AND 00404
OUT 20014
LD 20000
OR 20001
AND 00405
OUT 20015
LD 20011
OR NOT 20012
AND 20002
OUT 20002
LD 20012
OR NOT 20011
AND 20003
AND NOT 20013
OUT 20003
LD 20013
OR NOT 20012
AND 20004
AND NOT 20014
OUT 20004
LD 20014
OR NOT 20013
AND 20005
AND NOT 20015
OUT 20005
LD 20015
OR NOT 20014
AND 20006
OUT 20006
附錄2
轎內(nèi)或門廳控制梯形圖程序如下所示：
LD 00001
OR 20000
OR 20001
AND 20101
OR LD
AND NOT 20011
OUT 20101
LD 00003
OR 20000
OR 20001
AND 20102
OR LD
AND NOT 20012
OUT 20102
LD 00005
OR 20000
OR 20001
AND 20103
OR LD
AND NOT 20013
OUT 20103
LD 00007
OR 20000
OR 20001
AND 20104
OR LD
AND NOT 20014
OUT 20104
LD 00009
OR 20000
OR 20001
AND 20105
OR LD
AND NOT 20015
OUT 20105
LD 00002
OR 20000
OR 20001
AND 20201
OR LD
AND NOT 20011
OUT 20201
LD 00004
OR 20000
OR 20001
AND 20202
OR LD
AND NOT 20012
OUT 20202
LD 00006
OR 20000
OR 20001
AND 20203
OR LD
AND NOT 20013
OUT 20203
LD 00008
OR 20000
OR 20001
AND 20204
OR LD
AND NOT 20014
OUT 20204
LD 00010
OR 20000
OR 20001
AND 20205
OR LD
AND NOT 20015
OUT 20205
附錄3
橫向移動控制梯形圖的程序如下所示：
LD 00101
AND 00201
AND 00301
AND 00401
AND NOT 20101
OR 00102
AND 00202
AND 00302
AND 00402
AND NOT 20103
OR 00103
AND 00203
AND 00303
AND 00403
AND NOT 20103
OR 00104
AND 00204
AND 00304
AND 00404
AND NOT 20104
OR 00105
AND 00205
AND 00305
AND 00405
AND NOT 20105
OR LD
OR LD
OR LD
OR LD
OUT 20206
LD 20206
AND NOT 20207
OUT 01200
LD 00101
AND 00201
AND 00301
AND 00401
AND NOT 20201
OR 00102
AND 00202
AND 00302
AND 00402
AND NOT 20202
OR 00103
AND 00203
AND 00303
AND 00403
AND NOT 20203
OR 00104
AND 00204
AND 00304
AND 00404
AND NOT 20204
OR 00105
AND 00205
AND 00305
AND 00405
AND NOT 20205
OR LD
OR LD
OR LD
OR LD
OUT 20207
LD 20207
AND NOT 20206
OUT 01202
附錄4
選向電路控制梯形圖的程序如下所示：
LD 20105
AND NOT 20006
LD 20104
AND NOT 20005
AND NOT 20006
LD 20103
AND NOT 20004
AND NOT 20005
AND NOT 20006
LD 20102
AND NOT 20003
AND NOT 20004
AND NOT 20005
AND NOT 20006
LD 20101
AND NOT 20002
AND NOT 20003
AND NOT 20004
AND NOT 20005
AND NOT 20006
OR LD
OR LD
OR LD
OR LD
AND 01001
OR 20000
AND 20001
OUT 20000
LD 20101
AND NOT 20002
LD 20102
AND NOT 20003
AND NOT 20002
LD 20103
AND NOT 20004
AND NOT 20003
AND NOT 20002
LD 20104
AND NOT 20005
AND NOT 20004
AND NOT 20003
AND NOT 20002
LD 20105
AND NOT 20006
AND NOT 20005
AND NOT 20004
AND NOT 20003
AND NOT 20002
OR LD
OR LD
OR LD
OR LD
AND 01002
OR 20001
AND NOT 20000
OUT 20001
附錄5
平層電路控制梯形圖的程序
LD 20105
AND 00105
LD 20104
AND 00104
LD 20103
AND 00106
LD 20102
AND 00102
LD 20101
AND 00101
OR LD
OR LD
OR LD
OR LD
AND 20000
LD 20206
CNT 000
#001
LD CNT 000
OR 01304
AND NOT 00101
AND NOT 00102
AND NOT 00103
AND NOT 00104
AND NOT 00105
AND NOT 01300
OUT 01304
LD 20105
AND 00405
LD 20104
AND 00404
LD 20103
AND 00403
LD 20102
AND 00402
LD 20101
AND 00401
LD 01300
OR LD
OR LD
OR LD
OR LD
OR LD
AND NOT 00101
AND NOT 00102
AND NOT 00103