基于PLC控制五车位的立体停车库设计毕业设计论文.doc

基于plc控制的立体停车库设计提要我们知道随着人民生活水平的日益提高，城市汽车的数量也在不断增加，而土地资源却十分有限，自然停车难问题己经渐渐成为大中型城市的一个普遍现象。机械式立体车库可充分利用上地资源，发挥空间优势，最大限度地停放车辆，成为解决城市静态交通问题的重要途径。本课题以较为典型的升降横移式立体车库为研究对象，综合考虑立体车库制造成本和运行效率的双重因素。本文在对国内外车库现状及发展趋势做了充分调研的基础上，选择两层五车位车库结构为研究模型。升降横移式立体车库就其组成部分而言，可分为三大部分：车库结构部分、传动机构部分和控制系统部分。本文简单介绍了车库的主体结构和特点，对车库的控制系统也作了详细的说明，依据升降横移式立体车库的运行原理，运用力学理论对升降横移式立体车库的结构进行了全面的力学分析，包括升降横移式立体车库的框架结构的强度、横移传动系统中轴的强度和升降传动系统中轴的强度等。在对升降横移式立体车库控制系统的设计中，采用了先进的plc控制，运用西门子公司的编程软件编制了升降横移式立体车库控制系统的程序，并经调试、运行，证明采用可编程序控制器(plc)作为控制系统简单易行。其稳定、可靠、快速、性价比高的特点使得控制系统非常完美。为了使停车设备满足使用要求，根据国家关于机械式停车设备通用安全要求的标准、升降横移式立体车库的实际，在升降横移式立体车库中使用了一些必要的安全技术，这样保证了车辆的绝对安全，使得整个车库可以安全平稳的运行。关键词：立体车库，控制系统，可编程序控制器，钢结构。ii abstract：we know as the quantity of urban automobile has increased continuously in nowadays, but the land resource is very limited and the hard-to-park problem has become a common phenomenon. mechanical stereo garage can use land resource sufficiently and bring space advantage into play, and maximize the number of parking cars. it has become an important way for static traffic problem of cities. the issue studies the type mechanical parking system which named up-down and translation stereo garage, and regards of the two factors of cost of manufacture and operational efficiency synthetically.on the basis of investigation on current situation and developing trend of garage in domestic and abroad, we choose two-layer and three-formulistic garage structure as the research model. according to the form of the dragging-forms of multi player up-down and translation ear-base, it is made of three parts: part of ear-base structure、part of driving-framework and part of control system. the paper simply introduces main structure and characteristics of garage and also gives a short introduction to its control system. the finite element reliability checking of steel structure of garage is utilized according to the operation principle of up-down and translation stereo garage, the mechanics was used to comprehensively analyze the up-down and translation stereo garage. including intension of the framework structure and axes, etc. the paper adopted plc as control system in designing the up-down and translation stereo garage, plc software of siemens company was used to weave the program of control system, through debugging running. the result proved that adopted plc as control system is simple and easy to realize. the characteristic of stabilization, credibility, speediness and high capability made the control system very perfection. in order to satisfy using demand in design stereo garage, according to criterion of mechanical parking systems-general safety requirement and the facts of the up-down and translation stereo garage the paper introduced some safety technique which was used in the up-down and translation stereo garage. this can ensure absolute safety for car and make the whole stereo garage safety and running smooth. keywords：stereo garage, control system, plc, steel structure .目录第一章 绪论1.1 课题的背景和意义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1.2.2 国内研究现状第二章 升降横移式立体车库机械部分设计2.1 升降横移式立体车库的基本结构2.1.1 升降横移式立体车库简介2.1.2 立体车库钢结构设计2.2 立体车库升降横移机构设计2.2.1 横移机构设计2.2.2 载车板设计2.2.3 安全防护机构2.2.4 提升机构及轴的设计第三章 立体车库电气控制系统设计3.1 电气控制系统整体设计3.2 电气系统关键部分设计3.3 plc控制程序设计3.4 电气安全装置心得体会感谢参考文献第一章 绪论1.1 课题的背景和意义我国城市人口集中、建筑密度大，各种基础设施建设用地不断增长，用地日趋紧张。在经济每年以接近10%增长的同时，全国机动车辆每年也以10%一15%的速度增长，每年预计需新增停车位400万个。由于我国停车场建设的严重滞后导致机动车违章停靠，侵占道路和绿地，致使道路通行能力下降，影响了社会总体效率。机械式立体车库，占地空间小，并且可最大限度地利用空间，安全方便，是解决城市用地紧张、缓解停车难的一个有效手段。国家计委己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、产品和技术目录”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停车库产业的成长提了良好的条件、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。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。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。 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；适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔。 国外高容量的立体车库（图1.0）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先进技术。机械方面，应用了许多新材料、新工艺。设备结构采用模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸。控制技术方面，广泛采用可编程序控制器，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，安全保护装置日臻完善，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。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。参照日本等国标准制定的我国行业标准也于近几年出台，目前停车设备生产厂已发展到几百家，生产各种类型的停车设备，有些停车设备已开始出口。我国的停车产业在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，生产能力不足；政策不配套，等。解决上述问题，需要我们在政策市场、管理和技术多方面做出努力。鼓励按市场规则来经营车库，并实施政府监督和政策调控，使停车产业良性发展。在我国广泛使用的升降横移式立体车库（图1.1） 第二章 升降横移式立体车库机械部分设计2.1 升降横移式立体车库的基本结构2.1.1 升降横移式立体车库简介 1、 立体车库的工作原理升降横移式立体车库是指利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的一种机械式停车设备。这种立体车库结构特点是：底层只能平移,顶层只能升降,中间层既可平移又可升降。除顶层外,中间层和底层都必须预留一个空车位,供进出车升降之用。当底层车位进出车时,无需移动其他托盘就可直接进出车;中间层、顶层进出车时,先要判断其对应的下方位置是否为空,不为空时要进行相应的平移处理,直到下方为空才可进行下降动作,进出车完成后再上升回到原位置。其运动的总原则是：升降复位,平移不复位。而设计要求是五车位停车库，我们故以五车位停车库为研究对象对其工作原理进行探讨。图2.0即为一个五车位的升降横移式停车设备，其工作原理是：二层三个车位可以升降和平移，一层的两个车位只能横向横移，二层车位要想升降则必须让其下侧车挪走，进而横移出空位，将载车板升或降到地面层。这种立体车库具有停车率高、布置灵活、高效低耗、性价比安全可靠等优点高、安全可靠等优点。因此广泛应用于社会生活中！2、 立体车库机械部分部件结构和功能以五车位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结构框架部分、载车板部分、横移系统、提升系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成。下面我们重点对车库的主要组成进行分析。结构框架立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在升降横移式车库中我们选用钢架结构。钢架结构与其它建筑结构相比，具有如下特点：a.可靠性高b.材料的强度高，钢结构自重小c.材料的塑性和韧性好d.钢结构制造简便，施工工期短e.钢结构密闭性好f.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。上载车板及其提升系统每块上载车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。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。下载车板及其横移系统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。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。安全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。防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间，在纵梁两测各装两只挂钩，上载车板两侧相应位置处各装两只耳环，当上载车板上升到位后，纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内，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。另外也防止制动器一旦失灵，上载车板从上停车位坠落，砸坏下层汽车。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。防碰撞板的作用是：下载车板横移时，如果碰撞到人、遗留行李或车主宠物时，切断横移电机电源，横移停止。控制系统升降横移式立体停车设备的控制系统采用plc 可编程序控制器控制，主要有手动、自动、复位、急停四种控制方法。自动控制应用于平时的正常工作状态，手动控制应用于调试、维修状态，复位应用于排除故障场合，急停应用于发现异常的紧急场合。对于本文中所列的5车位升降横移式立体停车设备，plc 主要要控制二层三个升降电机的正反转和一、二层五个横移电机的正反转。此外要控制上层车位上安全钩的电磁铁和系统报警显示装置等。第三章 立体车库电气控制系统设计3.1 电气控制系统整体设计 plc是一种工业控制系统，在结构、性能、功能及编程手段等方面有独到的特点。a.在构成上，具有模块结构特点。b.在性能上，可靠性高。c.在功能上，可进行开关逻辑控制、闭环过程控制、位置控制、数据采集及监控、多plc分布式控制等功能。通用性强。d.在编程手段上，其直观、简单、方便，适合各行业工程技术人员掌握。正是由于plc的这些特点，国内外现有的升降横移式立体车库，它们的系统控制形式大都采用可编程控制器控制，特别是应用在智能化要求程度高、多车尾、大容量的现代化升降横移式立体车库中。本车库设计也不例外，它由一台plc对车库进行统一的管理和监控，通过plc控制载车板纵横传动装置以完成对车辆的存取操作。各车位内车辆的调入调出由plc根据当前各车位的车辆存放情况，按照相应的调度策略调度车辆进出。立体车库的自动存取车控制系统包括弱电与强电两套系统。弱电系统主要包括各种信号的采集、报警与控制输与反馈。plc输出信号给接触器线圈，控制接触器的接通与关断。进而通过接触器的接通与关断来控制电机的状态。强电系统则包括载车板电机控制线路、控制电机正反转接触器、到位限位及载车板的上下行程限位。车库采用传感器检测装置来确定车的当前位置，用升降装置输送汽车到位。系统在面板处设有急停开关，当发生意外时，按下急停开关。车库系统控制原理框图升降横移式立体车库的系统控制原理：操作者(人)要通过控制系统信息交流的平台(界面)把操作信息传送给控制系统，经系统处理后，系统把可识别的控制信息通过辅助设备驱动执行结构，来完成车库现场的运作。其系统控制原理框图。plc的硬件系统结构框图3.2 电气系统关键部分设计plc接线设计：在升降横移式立体停车库中，控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机，控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转，其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯及其各种安全设施等。为了保证载车板能横移到预定位置以及载车板能上升或下降到指定位置，采用了行程开关。为了判断载车板上有无车辆，采用了光电开关。同时在车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及安全预警装置，其简化接线图（下页）。电机控制及接线设计：在存取车时车位的升降不能同时进行，车位的升降和横移也不能同时进行，这两个动作必须是互锁的，即当上层车位在升降时，地面层车位不能移动，反之亦然，并且上层车位每次只能有一个车位进行上下升降运动。这些在程序中可采用联锁和互锁的方法来解决。 简化plc接线图 电机控制原理图3.3 plc控制程序设计本文所设计的plc存取车控制系统只针对2层的车位， 而对于1层车位， 存取车直接开进开出即可。控制软件采用梯形图语言编写。程序流程见图。需要说明的是， 载车板用链条依靠载车板上的吊点悬吊在托架上， 在静止状态时， 防坠（安全）挂钩挂住载车板。 存取车程序流程图根据车库的运行控制要求，用户应用程序采用模块化结构， 由主循环程序和若干子程序构成。用编程软件支持的梯形图逻辑语言编写，系统应用的程序框图如上图所示。程序设计方案如下：（1）初始化程序提出系统的控制信息，扫描各到位开关信号；（2）主控制程序按照进车优先的原则，将最多的车位保持在进车位置。每个载车板运动之前，需要先判断目的地是否有空位，有空位才可以动作，前后动作互锁。判断是否有空位是根据横移电机所对应的到位行程开关动作信息来确定的。液压升降系统启、停动作也是根据相应的到位行程开关来确定；（3）故障报警程序故障报警程序能够实时地采集设备异常信息，及时发出声光报警信号，提醒司机和管理人员进行处理。若在程序执行过程中，有人、物侵入车库空间或车辆超长，plc将按照闭锁关系停止设备运行，同时发出故障报警。该程序完整而高效的完成了二层升降平移式车库全部动作，具有安全可靠性。完全达到了作为民用机电一体化设备所应具备的条件，充分发挥了它的作用。控制程序采用模块化编程形式， 车位运行过程中只需调用子程序模块， 这样大大降低了程序的复杂程度， 方便了程序的修改， 而且为车位的拓展提供了便利条件。整个程序包括主程序模块、手动按键子程序模块、紧急停车按键子程序模块、初始化程序模块、存取车位号赋值程序模块、空车位号与移动车位号赋值程序模块、载车板平移运动程序模块、光电开关子程序模块、载车板升降运动程序模块和故障报警子程序模块。程序所用状态元件、定时器及数据存储器均选用具有掉电保护功能的元件， 当系统掉电时元件保持掉电前的状态， 以保存现场信息， 待上电后继续完成被中断的动作当发生意外情况时， 按下急停按钮中止系统的运行并保存现场断点信息当出现电气或机械故障时， 如电机过载、过热时自动中止系统运行， 并发出声光报警， 同时系统转人手动方式进行故障处理。所谓输入输出点定义是指整体输入输出点的分布和每个输入输出点的名称定义，它们会给程序的编制、系统的调试和文本的打印等带来很多方便。因为本系统是对开关量控制的应用系统，并对控制速度要求不高，选用一般的可编程序控制器，其具有的自诊断功能和采用的循环扫描工作方式完全能满足要求。本系统输入端有自动/手动选择开关，自动工作时有总开、总停按钮，有上、下、左、右移动按钮，车位号信号输入若干。输出端需要控制5台电机(2台横移小电机和3台升降大电机)，加上一些用于人机交流及安全检测的数字量输入输出，如数字键盘输入、led数码显示、安全检测、及各种操作按钮等。再考虑到系统的可扩展性，选用西门子公司的s7-200系列的128点可编程序控制器(64个信号输入点，64个继电器输出点)完全满足容量的要求。我们在分配输入输出点时按照控制功能分段，相同功能的输入板和输出板组成一组。一般情况下输入点与输入信号，输出点与输出控制一对应。分配好后，按系统配置的通道与接点号分配给每一个输入信号和输出信号。在本系统中报警器是几个信号共用一个输出点，各报警因素逻辑关系并联后接到报警输出点。升降横移式立体停车库的输入点、输出点的具体分布可按表3.1和表3.2进行。 输入点分配i0.0启动按钮i1.23号车上限位开关i1.34号车上限位开关i1.45号车上限位开关i0.1紧停按钮i1.53号车下限位开关i0.23号车按钮i1.64号车下限位开关i0.34号车按钮i1.75号车下限位开关i0.45号车按钮i2.01号车光电开关i0.5门前光电开关i2.12号车光电开关i2.23号车光电开关i0.61号车左限位开关i2.34号车光电开关i0.72号车左限位开关i2.45号车光电开关i1.01号车右限位开关安全检测信号若干i1.12号车右限位开关表3.1输出点分配q0.01号电机左转q0.73号电机下降q0.12号电机左转q1.04号电机下降q0.21号电机右转q1.1报警灯q0.32号电机右转q1.2运行灯q0.43号电机提升q1.33号车防坠电磁铁q0.54号电机提升q1.44号车防坠电磁铁q0.65号电机提升q1.55号车防坠电磁铁安全检测输出信号若干表3.2根据实际控制所需要的输入输出点数，选用西门子公司s7-200系列系列128点可编程序控制器的存储容量完全能满足升降横移式立体停车库控制系统的要求。本升降横移式立体停车库控制系统分为两种工作方式：手动方式和全自动方式，可用开关来进行选择。根据程序流程图，我们知道，存取车动作的完成是有一定