自行车立体车库

自行车立体车库设计摘要为解决市区自行车停车难问题，建立立体自行车库系统势在必行。本文在深刻了解国实际情况和相关背景的基础上，从立体车库的结构与工作原理和立体车库控制系统研究两个方面出发，对立体车库的基础理论技术进行了深入研究，进而进行了立体车库的机械结构设计，并在机械结构设计的基础上，完成了升降横移式立体车库控制系统的设计，最后根据设计完成的自行车立体车库，提出了一套升降横移式立体车库的存取策略。本文设计的立体自行车库，是针对目前停车场管理系统存在的集成自动化程度低、安全性差和运行效率低下的不足，而设计了一种技术较先进、性能可靠、自动化程度较高的停车场智能管理系统。本设计的指导思想立足于提高停车场管理系统的可靠性、安全性和高效性，对目前我国各大中城市所面临的“停车难”问题的解决，具有一定的促进作用。关键词：PLC；立体车库；系统设计

目录TOC\o"1-2"\h\z\u一、前言 一、前言立体自行车停车库是实现公共租赁自行车停放及存储的仓储设施。随着城市空地的不断减少，以及公共租赁自行车行业的迅速发展，存取自行车站点不足，站点容量不大的问题日益突出，如何有效地解决停车难问题，是值得人们研究和探讨的课题。机械式立体自行车库可充分利用地上资源，发挥空间优势，最大限度地停放自行车，成为解决城市公共租赁自行车停放及存储问题的重要途径。

二、升降横移式立体车库的结构与控制系统研究（一）升降横移式立体车库的结构与工作原理升降横移式立体车库主要是通过上位计算机来操控载车板，做上下升降、左右横移来进行车辆的存取。它的主要结构由五部分构成，分别是主结构框架、载车板系统、传动系统、安全防护系统、控制系统等。1.主结构框架。主结构框架是升降横移式立体车库的主要支撑部分，主要由立柱、纵梁、横梁以及导轨等组成。2.载车板。载车板主要作用是乘载储存的自行车，其上安装一个横移电机，带动载车板系统做横移操作，载车板又通过四根链条（钢丝绳）与车库框架相连，实现了升降电动机带动载车板做升降运动。在设计载车板时，不仅要考虑到所承载车辆的重量，而且要保证在运动过程中车辆与载车板之间不产生滑移现象。为了防止这种现象的发生一般载车板上采用中间凸起、倒车限位装置、车轮防滑装置等。3.传动系统。传动系统是整个车库系统的核心，分为横移、升降传动系统。横移传动借助导轨、滑轮运用交流减速电机来驱动，它们之间通过一个链轮与链条的组合来实现动力的传递。升降传动系统有升降电机提供动力，通过链条（钢丝绳）来提升。4.安全防护系统。车库的安全防护系统是十分重要的。因此，我们必须考虑到设备在各种情况下的安全措施。对此，安全防护系统有危险警报、防坠装置、车辆超长检测、紧急停车、温度检测等部分。防止载车板坠落装置是安全防护系统的关键部件，决定了车库停车安全性能。当车辆停放在车库时，通过这个装置可以防止载车板落下伤车伤人。本车库选用了挂钩式防坠落装置，通过电磁铁驱动来实现其工作。当电磁铁通电，推杆运动而触动安全挂钩解锁，反之亦然。这种防坠装置结构简单、易操作、成本低、且安全性高等特点被广泛应用。升降横移式立体车库主要是利用载车板的上下升降、水平横移来实现车辆的存取，对于一排车库其运动是在一个二维的竖直平面做一个存取动作。本文主要选用了正二负一式且前、后两排的升降横移式立体车库，每排有三层，每层有五个车位，每排中间层（地面平层）预留一个空车位，总共有二十八个车位。为了节约成本和提高存车容量，顶层与底层没有空车位。当前排要存取车辆时，通过升降横移把车位运动到地面平层由顾客直接存入或开出；当后排要存取车辆时，升降横移运动和前排存取车辆一样，为了方便存取，只是在前排加一个过渡板起着中间过渡的作用。（二）升降横移式立体车库控制系统立体车库控制系统主要是由下位PLC控制系统、上位工控机PC监控系统等两个部分组成。本文的重点是针对升降横移式立体车库控制系统，进行深入的研究与应用，如图2-1所示车库控制系统结构。车库控制系统通过PLC接收、处理各个传感器反馈的数据，并实现控制车库存取动作，通过现场总线实现PLC与上位机的通信，利用上位PC机的数据通信、图形显示、数据处理及多媒体技术等对车库进行监控，进行实时接收、处理PLC从立体车库停车现场收集的各种信号，并通过这些信号数据驱动上位机监控界面中图形的运动，进行现场实时监控，减轻操作人员的工作量，更加方便快捷进行故障诊断。立体车库控制系统的上位机主要是带有车库监控系统的PC计算机，通过在PC机上安装相应车库管理与控制实现一个完整的监控系统。如图2-1所示与其相关的设备还有打印机、显示器、语音提示设备和读卡设备等。本文通过组态软件完成车库控制系统的应用，实现对车库系统的监控。立体车库控制系统的核心部件就是下位机，也就是PLC（可编程控制器）。它连接着执行机构与上位机，通过车库控制系统PLC能够实现上位机的指令传达与处理，控制车库执行机构的运动。现场总线主要采用的是MPI（多点接口通信协议）总线，通过MPI与上位多台设备进行连接与通信。MPI的主要任务就是实现了PLC与信，且由于MPI有着高速通信的特性，能够实时对车库现场信息的采集、报警。检测系统是整个控制系统中不可或缺的一部分，其主要作用是提高车库的安全性能。检测系统的主要设备有光电开关、限位开关和一些报警器等。光电开关主要是对车辆的尺寸进行检测，也对停车是否到位进行检测；限位开关主要是对载车板的升降横移运动的位置是否到位进行检测；报警器主要是对车库的火灾等情况进行检测。当没有车时或者车辆停到位时，光电传感器接收端口与发光端口之间没有障碍物号能顺利到达接收端口续操作可以正常进行；此刻光电传感器没有信号发出，报警器不会发出报警信号光信，后当车辆没有停到位时，接收端口接收不到光信号，那么控制器将接收到光电传感器发出的信号，报警器报警，且锁死控制器，并在警报解除前不能进行任何后续操作。图2-1立体车库控制系统结构框图三、立体车库的机械结构设计（一）立体车库基本结构设计本方案拟采用地下车库结构，在利用地下空间资源的同时又可弥补露天存放的不足。在地而部分取放自行车位置可以设置成广告亭的形式，在躲避风雨的同时可以美化环境、还可以获得一定的广告收益用于维护车库（图3.1）。自行车出入口部分露出地而，地下部分为圆柱形结构（图3.2），自行车停放架沿养圆柱形结构一层一层搭建起来，车库的基本结构参数为：环形阵列，每层可停放自行车辆，一共8层，每层间距1.5米，总高14米。考虑自行车的基本参数为：长1800mm，宽500mm，高1000mm。整个圆柱形构架的中心部分用于安装车库的核心部件——机械手升降结构、机械手旋转转台、末端操作器和控制电路，以完成机械手存取自行车功能（图3.3-3.4）。车库支架垂直升降运动由电动葫芦驱动，采用钢兹绳在卷筒缠绕的传动方式，简单可靠。转台的旋转运动由固定在转台上的电动机驱动，电动机上与小齿轮连接，小齿轮通过与固定在地基上的大齿轮的啮合而绕养大齿轮转动，在实现大减速比减速的同时获得同转运动，从而带动车库垂直升降支架转动。图3.1自行车出入口（车库地面部分）图3.2圆柱形多层立体自行车车库结构示意图图3.3车库垂直升降支架图3.4车库垂直升降支架回转驱动原理（二）立体车库机械手部的结构设计工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：（1）夹钳式取料手；（2）吸附式取料手；（3）专用操作器及转换器；（4）仿生多指灵巧手。本设计中根据自行车的机构特点，采用的是夹钳式机械手（图3-5）。当有电机驱动手部运动时，当压力传递到驱动杆时驱动杆向下运动，驱动杆将力通过圆柱销向下压，力在通过铰销O3转动使手指4张开从而松弛工件。当压力驱动使驱动杆向上运动时，驱动杆拉动圆柱销连杆通过铰销使手指夹紧工件，从而实现工件的松弛与夹紧。图3-5夹持式手部1、驱动杆2、壳体3、圆柱销4、手指（三）传动设计液压传动、钢丝绳传动和链传动都是机械式立体车库常采用的传动方式。液压传动是以液压油为工作介质，存在泄漏污染问题，而且液压元件制造精度要求高，装配较困难，使用维护严格，发生故障不易检查和排除。钢丝绳传动稳定性较差，钢丝绳的连接和在工作现场截断比较困难。用单根钢丝绳提升重物时，容易使重物发生转动，而且当钢丝绳损坏绷断时，具有极大的弹性，非常危险。比较而言链传动结构紧凑、安全、稳定、不易发生扭转，耐恶劣环境的能力强，成本低，故机械式立体车库车台的横移和升降采用链传动是比较合适的。1.上停车台及其提升系统每块上停车台的传动系统包括电机、减速器、链传动组合。如图3-6和图3-7所示，链轮与电动机及其减速器联接，牵引停车台左右两侧的链条与中间封闭的链传动固联。当电动机逆时针旋转时，停车台上升，电机顺时针旋转则停车台下降。上下停车台间的距离根据自行车的存储高度要求确定，按照这个高度确定链条的提升距离以及总长度。图3-6停车台提升原理图图3-7停车台传动系统2.下停车台及其横移系统下停车台不需要升降，只有平移功能，所以没有悬挂链条，尺寸与上停车台可以有所区别。其横移运动通过安装在横移停车台内的电动机及减速器实现（见图3）。横移电动机的转动减速后经链传动传递到横移主轴，横移主轴带动主动钢轮在导轨上滚动行走，从而实现下停车台横向平移运动。下停车台共安装4个钢轮，2个是与驱动轴固连的主动轮，另2个是独立安装的从动轮。

四、升降横移式立体车库控制系统的设计（一）车库控制系统硬件设计目前，PLC的制造厂家众多，其系列型号更是琳琅满目。据不完全统计，全球共有二百多家的生产厂商，主要代表的公司是美国的A-B公司、日本的三菱公司及德国的西门子公司等。PLC的产品型号就更多了，适用的范围不同也各不相同。选择一个合适的车库控制系统的PLC对整体车库的控制性能有很大的提高。对本车库的分析可知，车库控制系统适用在工装固定、维护方便的小型立体车库，且车库基本上为开关型控制量，其总共需要输入、输出端口分别为98、45个，故可选用小型PLC控制。对PLC的机型分析可知，S7-200采用叠装结构、运算能力强、配置灵活且有较强的扩展模块等特点，由此我们选用了西门子S7-200且CPU为226型号的PLC作为主要控制器。由于S7-200的I/O端点数目不能满足本车库的需求，需要对其增加独立的扩展模块。目前S7-200提供了模块EM221（输入模块）、EM222（输出模块）和EM223（混合模块）三种数字量扩展模块，EM223模块功能最全而且扩展点数最多，选用EM223为扩展模块。PLC外部接线的设计主要包括输入、输出模块及电源供电模块。通过PLC输入与输出模块的接线来实现外来信号的接收与发出，达到控制载车板的运动与停止。对于本控制系统的输入、输出模块共有98个输入点数、45个输出点数，而CPU226型号的PLC仅有24个输入、16个输出，EM223扩展模块有16个输入、输出端口，为此我们还需要扩展五个EM223模块才能达到要求。为了减少PLC输入端口的数目，对于输入信号后所输出的结果一样的采用了输入点合并的方式，同时在保证硬件成本基础上，为了方便其电路的检修，在输入电路中串入了发光二极管。对于输出模块，通过熔断器FU为线路提供了短路保护。PLC的供电模块是为PLC提供动力源，决定着PLC运行的稳定性。PLC供电模块分为两个部分：一个是CPU内置24V的工作电压，仅给内部供电使用；另一个是开关稳压电源，为CPU输出及扩展模块供电使用。对于本车库供电系统主要选用的380V三相交流电，通过L1，L2，L3及刀开关接入，然后将一相火线、工作零线N、保护地线PE与开关稳压电源相接转化为DC24V的电压输出，为PLC及相应的设备提供电力服务。如图4-1所示为S7-200PLC与扩展模块EM223接线图。图4-1S7-200PLC与EM223模块接线图（二）车库控制系统控制过程分析1.车库控制系统的控制原理车库控制系统的设计主要从顾客的角度考虑，如何减少存取车时间、提高立体车库的效率是我们设计的重点。本控制系统在程序编写上采用顺序控制设计的方式，同时把控制的程序模块化，车库在运行的时候按照输入信号的前后顺序调用相应的子模块。对于每个单元块运用了互锁、自锁与记忆的功能，这样降低程序编写的复杂程度且修改方便。为了方便顾客选取最优车位，对于顾客采用了就近停车与最优路径停车相结合的方式来存车，提高整个车库的运行效率。在整个车库的工作过程中，各个执行机构在PLC控制下有条不紊的进行运动来完成每个指令。2.车库控制系统的流程从本车库具体的结构及其所处的环境出发，结合S7-200PLC的特点与采用控制系统的形式，对整个车库的存取车控制流程进行了具体分析。对于前排存取车来说，如果车库正一层（地面平层）没有停满车时，PC机提示空位号，此时顾客根据提示的最近车位来进行倒车入库；如果客户进行取车时，首先进行车库安全检查，判断安全后方可从正一层车位取出车辆。如果正一层没有空车位，这时下一次命令是正一层取车，先进行正一层的取车操作，然后再进行该车位的存车操作；如果正一层没有取车命令，那么需要选取正二层、负一层的车位进行存车。这里需要对载车板、渡车板的位置进行判断，从而来选取最优的、存取时间最短的车位，通过横移电机、升降电机的运动完成存取车的操作。对于后排存取车来说，大体上和前排存取车一样，如果后排正一层有空位则优先考虑，如果没有空位再选取后排正二层与后排负一层的最优车位。只不过是在考虑后排的存取车的时候，还要多考虑前排正一层的车位是否为空车位以及渡车板所处位置。在进行后排的升降横移操作的时候，也要对前排正一层车位与渡车板的判断与操作。只有当前排正一层有空位且渡车板到位，顾客才能进行存取车操作。本车库存取车的控制流程分为四个部分，分别为：前排存车流程、前排取车流程、后排存车流程和后排取车流程。（三）车库控制系统程序的设计与分析车库PLC控制系统最主要是控制该车库自动存取车辆的动作。控制系统程序的设计要求从其安全可靠、稳定性好、响应快、成本低及减少存取车时间等方面考虑，采用模块化结构对PSH28D-D1两排车库的控制程序进行设计，运用软件完成了程序的编写。PSH28D-D1两排车库的控制程序由一个OB1（主程序）与十二个SBR（子程序）两部分组成。程序是整个车库控制系统中最为复杂的一部分，主要是用来控制整个车库控制系统运行的状态，根据车库不同的状态需要来调用不同子程序模块。本车库控制系统编程的主程序主要包括了初始化程序、报警子程序及选择各个车位时对各个执行机构的调用子程序；子程序主要包括渡车板横移子程序、前后排的升降子程序及复位子程序和前后排正一层的横移子程序等。子程序主要来完成对载车板、渡车板动作的控制。当有存取车指令发出，PLC做出响应，主程序根据信号来判断发出端口位置，调用相应的子程序进行有序的工作，如果检测系统检测到有报警信号的发出，就立即中断程序的执行直到故障信号解除为止。从PLC本身的特点可知，其内部很多寄存器、继电器等都有记忆功能。因此，在运行时需要对PLC部分内部数据进行初始化，同时也能够减少一些意外故障的发生。在本课题PSH28D-D1前、后两排车库程序设计时，主要运用了特殊继电器SMO.1对其进行程序启动的初始化。当SMO.1在首次扫描为1时，对主程序的一些中间继电器和计数器等进行归零初始化，即运行初始化程序。只有当初始化程序运行完毕后，再开始调用相应的子程序进行存取车操作。渡车板主要作用是当后排发生存取车操作时，做一个前排的过渡车板。由于增加了渡车板那么前排负一层的存取操作增加了一些困难，但是从整体上看是利大于弊。前排负一层需要进行存取车时，将渡车板远离这个存取车位；对于后排进行存取车时，将渡车板横移到离该车位最近的位置。因此，将渡车板程序设计分为了S001，S11l两个子程序。在程序设计方面，主要是通过Q0.l与Q0.2实现电机的正反转，Q2.6实现电机的启动，再运用相应的限位开关对其进行限位。同时程序设计时也对电机的运动进行了自锁与互锁的设计。升降程序是控制升降电机运动的主要程序，服务于正二层车位与负一层车位。这些车位的升降过程大致相同，在此仅对后排正二层213车位进行分析。当I9.6端口有信号输入时，选择了213车位进行停车，此刻Q5.1被设置为1，使213车位上方的电磁铁关闭，载车板开始准备下降。为了设备更好的运行及使用寿命，通过一个启动延时定时器T46对其进行了0.5s的延时启动。当Q0.1与Q3.3同时输出时，213车位电机开始正转，213车位载车板开始下降。这里通过使用Q0.2的常闭触点对电机的正反转进行互锁，Q3.3的常开触点对电机的运转进行了自锁。同时用I11.0端口对其进行了下限位，通过I9.1端口来判断后排正一层113车位是否有载车板。在213载车板运动时，为了防止213载车板与附近的载车板相撞，通过Q4.4（后排013电机转动控制端口）、Q3.7（后排112电机转动控制端口）与Q4.0（后排113电机转动控制端口）端口对213车位的电机运转进行互锁，当Q4.4，Q3.7与Q4.0中任意一个有输出时，213车位的电机都不能运转。故障报警程序是每一个控制程序不可或缺的程序。当车库控制系统出现故障时，故障报警程序开始运行，报警灯开始闪烁、蜂鸣器发出声音，整个程序停止运行。当工作人员来解除故障后，通过复位按钮对其复位，程序才能正常的运行。在对本车库的控制系统的报警程序设计时，中间继电器M0.5为报警输入点、输出Q3.0为报警灯、输出Q2.7为报警蜂鸣器，通过两个通电延时定时器T37，T38构成一个振荡电路，每1sOFF,1sON反复循环。当有故障信号发出时，中间继电器M0.5获得高电位，M0.5的常开触点闭合使T37延时定时器开始延时1s,M0.6中间继电器在每一次扫描中间隔的接通，Q3.0与Q2.7输出端口也像中间继电器M0.6一样，每一次扫描间隔输出；1s后T37延时定时器常开触点闭合，T38延时定时器接通再进行延时，输出Q3.0报警灯亮1s;T38延时定时器延时1s后，T37延时定时器断电常开触点断开，Q3.0的输出又回到刚开始的状态。整个报警程序的循环周期是2s，这样反复的循环报警。

五、升降横移式立体车库的存取策略（一）车库排队模型把前来存取的车辆，看作是排队系统中的顾客，把立体车库本身看作是排队系统的服务机构。客户到达的时间是个随机变量，自行车被服务的时间同时也是个随机的（自行车从进入车库入口始到它到达们每个车位这段时间是个定值，然而存放的车位是个随机的变量，我们可以看作是一个定长分布）。因此，立体车库存取自行车的过程也是一个排队系统，如下图4-1所示。机械式立体车库是一个排队服务系统，这个系统具有随机性和离散性。它把前来存取的车辆看作客户，车库看作该服务系统。车辆到来的时间与存放的时间都是一个随机离散的变量，而系统操作时间（存取车用时）是确定量，但不是一个恒定不变的值（与存放的位置相关）。图5-1立体车库排队系统（二）车库存取策略研究为了提高立体车库工作效率，减少顾客等待时间，有两种方式来实现：一种方式是从硬件上着手，选用高速的电机、改进运行的结构来提高运行的速度，从而提高车库的工作效率，但是这将意味着增加能耗、运动部件的寿命降低、车库存取时的稳定性下降、增加了车库本身的成本。另外一种方式是从软件入手，主要是车库存取车策略的控制研究，提高车库的整体工作效率、减少车辆的存取时间。这种方式易操作而且对于车库本身的成本比较低。为了更好的分析立体车库的控制策略，我们必须要了解不同时间段、不同地方的车流量的情况。因为车库控制策略会由于服务环境的不同而千差万别。例如写字楼、商场、办公楼等车库，每天上下班及中午休息时刻出现存取车的高峰，上班的时候存车比较多，而下班的时候取车比较多。所以我们每天要有四次车流高峰期，其他时间段的车流量相对较少。然而在住宅小区中的立体车库情况正好与办公楼相反，上班的时候以取车为主，下班的时候以存车为主。所以为了适应这种车流量的现象，服务机构的控制系统会根据不同车流模式，选用相对应的车库控制方式。通过前面分析可知，立体车库的顾客到达时间间隔与其车辆的储存时间都符合Poisson分布的随机变量。顾客的到来可能存车也可能取车，也具有随机性。为了方便分析我们用“0”表示取车指令，"1”表示存车指令。在MATLAB中通过randint指令可以随机生成一个0，1矩阵c，同时通过Poissrnd指令来生成在某个时间段内车库车辆存取时间矩阵a与车辆到达的时间间隔时间b。由于车辆到达的时间间隔和其工作环境等情况有关，不具有可控制性，这里主要对车辆存取时间进行具体分析。根据升降横移式的结构及其工作形式主要是升降动作与横移动作，从而把存取时间分为四个部分：渡车板横移时间to、载车板横移时间t1、载车板第一次动作时间t2（车板存取时间）、载车板第二次动作时间t3（车板复位时间）。

五、结论立体车库控制系统是整个车库的核心部分，它关系到整个车库运行的流畅性、安全性与稳定性。本文对立体车库进行了车库控制系统的研制与实现，具体完成的工作如下：1.分析了该车库的工作原理及主体结构，重点对该车库控制系统的整体架构及控制系统组件进行了分析；2.对车库控制系统PLC的I/O端口进行了具体的分配，完成了车库控制系统PLC接线设计；3.结合PLC的特点与该车库所处的具体环境，对车库控制流程进行了具体分析为在实际中控制装置的研究奠定了坚实的基础。

致谢本论文是在XXX老师的谆谆教诲和指导下完成的，论文从选题、构思到定稿无