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自动化车库控制系统设计

摘要 自动化立体车库是专门实现各种车辆的自动停放及科学寄存的仓储设施。随着城市汽车保有量的不断增加，停车难问题己经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，对自动化车库的设计进行了简单的探讨。
本文在对国内外车库现状及发展趋势做了基本调研的基础上，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简单的说明，依据升降横移式自动化立体车库的运行原理，对车库的框架结构、横移传动系统中轴和升降传动系统中轴作了简单介绍。在对自动化立体车库控制系统的设计中，采用了先进的PLC控制，运用编程软件编制了升降横移式立体车库控制系统的程序，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性能良好。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，在自动化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，自动控制

1 绪论
停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通（车辆停放状态）问题，静态交通是相对于动态交通（车辆行驶状态）而存在的一种交通形态，二者相互联系，互相影响，停车设施是城市静态交通的主要内容，随着城市的不断发展，各种车辆的不断增加，对停车设施的需求也在不断增加，如果两者之间失去平衡，城市里就会出现停车难的一系列问题。数据显示，最近几年我国城市机动车辆平均增长速度在15%-20%，而同时期城市停车基础设施的平均增长速度只有2%-3%，特别是大城市的机动车拥有量的增长速度远远超过停车基础设施的增长速度，因此，我们必须重视城市停车难的问题，并积极探求解决的措施。

2 自动化车库的结构及工作原理
2.1 车库的结构
如图2.0所示，车库分上下两层，各十四个车位,当然可以根据情况扩展车位至数十个甚至上百个。车位传感器1将车位空/满信号传送至PLC控制器3输入端口，PLC控制器通过串口将信号传到上位机8,上位机8安装的图形界面系统显示车库各个车位状态，液晶显示器LCD6也可显示每层停车情况；用户在读卡器10刷卡后进入管理系统，通过触摸屏9选择车层及车位,一旦选定,系统将及时更新数据库，并向PLC控制器3发出开门信号,PLC控制器3经过处理，输出信号给直流伺服电机5开启进库大门。停车后车位传感器1信号改变，信息经PLC控制器3输入端传至上位机8,上位机8实时更新数据库并刷新车位图形界面汽车出库时情况类似:刷卡后系统记录该用户停车时间及费用,如信息无误,上位机8对PLC控制器3发关门信号,车驶出车库后,车库大门传感器2接受信号并传输PLC控制器3,汽车驶出后延时一段时间,车库关闭,数据库刷新，车库内泊车情况在PLC控制器3输出口控制的对应车位的显示灯4可观察到,车库空/满信号灯7显示车库储车状态。

1 .各个车位传感器 2.车库大门传感器 3.PLC控制器 4.对应车位的显示灯 5 .直流伺服电机 6 .液晶显示器 LCD 7 .车位空／ 满信号灯 8 .上位机 9.触摸屏 10.读卡器
图 2.0 自动车库系统的结构示意图
2.2 自动化车库的工作原理
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机械式停车设备。升降横移式立体车库每个车位均有载车板，所需存取车辆的载车板通过升、降、横移运动到达地面层，驾驶员进入车库，存取车辆，完成存取过程。停泊在这类车库地面的车只作横移，不必升降，上层车位或下层车位需通过中间层横移出空位，将载车板升或降到地面层，驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库。图2.1 为一个地上7车位的升降横移式停车设备，其工作原理是：三层三个车位可以升降，二层两个车位可以升降和平移，一层的两个车位只能横向横移，空车位供三层和二层的车位下降时借用。1 、2号车位可以直接存放车辆;7 号车位需下降后再存放车辆，3号车位，则需先将1号和2号载车板右移，再将3号载车板下降; 4号车位，则需先将2 号载车板右移，再将4号存车板下降；5号车位需要先将1、2、3、4号四个载车板右移，再将5号载车板下降；6号车位则需要先将2、4号载车板右移，再将6号载车板降下。由于升降横移式停车设备对场地的适应性强，介绍系统各机械部分部件结构和功能 可根据不同的地形和空间进行任意的组合、排列，规模可大可小，对土建的要求比较低，因此，应用非常广泛。
2.3 车辆的存取
车辆的存入。当车主插卡并在触摸屏上选择空车位后，管理机将IC卡号及当前时间读入，同时发信息给上位机通知有车辆存。上位机接到信息后立刻扫描数据库并更新车位显示屏，库门自动打开，车主将汽车驶入车库。完成后，管理机将其读人的车辆信息传入上位机，由上位机将数据库中每辆车的车位号用当前所占用的车位号刷新并在显示屏上实时显示。
车辆的取出。取车时，用户将IC卡插入读卡机并按取出确认键确认。系统扫描数据库，如有车则读人取车时间，收费，并将IC卡号、存取时间、收费金额作为历史数据保存。然后，读出要取出的车的位置，库门开启完成取车操作。当取车操作完成后， 将数据库按当前车库的车位占用情况予以刷新并在显示屏上实时显示 。
2.4 控制系统
该自动车库系统由硬件和软件两大部分组成 。硬件部分由PLC、停车位霍尔传感器、大门处安装的传感器、两个读卡器及一台服务器组成。软件系统为用组态软件开发的数据库管理软件。PLC控制底层设备，如各个传感器、与传感器相对应的显示灯、车库空／满的标志及液晶数字显示等需连到PLC的输入，门控信号连到PLC的输出，驱动直流伺服电机；PLC还要与服务器进行串行通讯；微机上需开发图形界面实时显示各车位的满空状态,其数据库能实时记录车主的入库出库信息及每次泊车费用，并可处理每月车主停车的总费用。软件主要控制车库模型的输入输出信号，软件还需开发数据库管理系统可根据读卡器及数据库信息为PLC发出控制指令,PLC将执行指令并反馈系统信号，系统将反馈信息及时更新数据库。数据库有加密功能，只有管理者有权处理数据据库信息。

3 车库的一般控制流程
3.1 图形显示面
自动车库控制系统通过触摸屏实现人机对话。在上位机上开发的图形界面可以实时显示各车位的满空状态，其数据库能实时记录车主的入库出库信息及每次泊车费用，并可处理每月车主停车的总费用。
3.2 停车管理流程
停车的管理流程见图3.1。首先进入车库前要刷卡并在触摸屏上选择停泊车位。一旦车位选择好，车库进口门开取，进口灯由红变绿，用户按提示停车 。只要车位被占，该车位传感器激活 ，信号传导PLC表明车位被占。当用户出来时 ， 再次刷卡，系统计录停车离开时间，出口门开，该车位感器激活，将空位信号传 给PLC表明车位空闲。如果车位被占，门外还有一灯显示一下。每一层还有一个液晶显示当层的泊车情况。由于系统可以控制所有状况。所以该系统非常稳定可靠。因为车库发生费用都是电脑自动完成的，该车库管理模式不需要员工现场处理现金，所有费用都可通过信用卡付账，也可通过电子卡按月付账。系统开发 费用低廉可靠 ，不需要人工实时监控 ，系统在月底可以给车库主人提供当月发生停车费用的报表 。
运用组态控制技术、现场总线技术和PLC控制技术，提供了一种布局简洁、 显示直观、成本低廉、安全可靠的自动车库控制系统。实现了控制过程的智能化和可视化。该项成果还可移植到住宅小区、购物中心等附近的半地下停车场 ， 不但可以提高土地的利用率，而且可以使现场管理实现无人化。

4 自动化车库的基本机械结构
4.1 立体车库机械部分部件结构和功能
以三层三列式自动化立体车库为模型建立研究对象。自动化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。车库的主要组成图4.1所示。

图 4.1 升降横移式立体车库主要组成
①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(如图2.0所示)。
②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。其工作原理如图2.0 ，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。
③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。
④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。

⑤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7车位升降横移式立体停车设备，PLC 主要要控制二、三层五个升降电机的正反转和一、二层四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。
4.2 自动化车库升降横移机构
4.2.1 横移机构
自动化车库横移传动机构由减速电机、驱动轮和从动轮、地面铺设导轨组成。升降横移机构则为升降传动机构与横移传动机构的结合。升降横移式立体车库底层与中间层载车板为横移机构，上层载车板为升降机构。升降装置由传动系统、升降架等组成。
其中提升方式分为下列六种，可根据不同要求任意选用。
（1）钢丝绳式提升型式
（2）链条式提升型式
（3）液压式提升型式
（4）螺杆式提升型式
（5）液压缸、钢丝绳组合提升型式
（6）链条、钢丝绳组合提升型式
在自动化立体车库设计中，各种提升方式特点如下：
（1）采用链传动：优点是传动简单可靠，维修简单，造价低廉;缺点是冲击比较大，有提升高度的限制，安装调试时需要注意是否有咬链的情况出现。
（2）采用钢丝绳传动：优点是对车库底盘可以提升的高度可以不加限制，造价比较低;缺点是因为需要外加钢丝绳桶和刹车盘增加了安装调试的时间和造价。
（3）采用液压传动：优点是可以真正实现无级调速，结构紧凑，功率与重量比高、响应速度快、抗干扰能力强、误差小精度高、低速平稳性好、调速范围宽、介质自身可起冷却润滑作用、安全防爆等优点;同时也具有元件昂贵、成本高、密封技术要求高、油液易污染、能源传输不便等缺点。
综上所述，本车库为三层，从提升高度上选链传动或钢丝绳传动都可以，但从方案经济及可行性角度考虑，选择链传动更为有利;在横移运动中，采用异步电机驱动，通过链驱动，也能达到精确、稳定地传动。
4.2.2 载车板设计
载车板用来承载库存车辆，按结构形式有框架式和拼板式两种。框架是载车板用型钢和钢板焊接承载框架，并多数采用中间突起结构，在两侧停车通道和中间凸起的顶面铺设不同厚度的钢板。这种载车板的优点是可按需要设置行车通道宽度，并具有较好的导入功能，适合车型变化较多的小批量生产。拼板式载车板用镀锌钢板一次冲压或滚压成组装件，采用咬合拼装成载车板，用螺栓紧固连接，拼装前可以先对组件进行各种表面处理，如电镀、烤漆等，使载车板轻巧、美观。
4.2.3 安全防护机构
车库的安全防护措施非常重要，在众多的车库中车辆的高价性与车库自身的价值相差很大，并与客户对车库的信任度有着密切的联系。对于升降横移式立体车库，它的安全防护措施要做到以下几点，并配备有相应的防护装置。
1.防火措施：在车库中安装有温烟传感器，可对车库的火情实行实时监控，并把监控信号传给中央控制系统。
2急停措施：在发生异常情况时能使停车设备立即停止运转，在操作盒上安装有紧急停止开关，并设为红色，以示醒目。
3.阻车装置：在很多情况下停车时，司机必须要把车停在载车板合适的位置上，一般在载车板的后端一侧安装上一高25mm以上的阻车挡铁。月.防止超限运行装置：停车设备在升降过程中，在定位开关上方装有限位开关，当定位开关出现故障时，由限位开关使设备停止工作，起超程保护作用。
5.人车误入检出装置：设备运行时，必须装有防止人车误入装置，以确保安全，一般采用红外装置。一旦检测到在车库运作时，有人或其它物体进入车库，系统就会使这个车库停止运作。
6.防止载车板坠落装置：当载车板升至定位点后，需设置防坠装置，以防止载车板因故突然落下，伤害人车，一般防坠装置采用挂钩形式。挂钩防坠方式为电磁铁驱动，如图4.4所示。

图 4.4 防止载车板坠落装置
载车板的防坠落装置是立体车库中的一个关键部件，在泊车安全方面起着决定性的作用。防坠落装置中解锁动作由电磁铁完成。解锁动作要求，当电磁铁通电时以推杆触动安全钩解锁;当电磁铁断电时推杆自动缩回。
本提升装置采用链条传动型式的传动机构来提升，如机构示意图4.5所示，载车板的两个端面各有2个链轮，也各有2根定长的链条绕在链轮上，初始位置载车板水平，当提升电机带动载车板向上提升时，由于链条是定长的，所以不管是上升还是下降，载车板始终保持水平。

图 4.5 载车板提升原理图

5 自动化车库电气控制系统设计
5.1 电气控制系统整体设计
整个车库设计由一台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。
在升降横移式车库中，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。一般小型车库选用按钮操作，界面清楚，易于操作，但对于大型车库来说要用上位机来进行对其控制。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，因本系统只有开关量输入而无模拟量输入，凭可编程序控制器本身的抗干扰能力和隔离变压器就能满足要求，因此可不必再另外增加其它抗干扰措施。
检测点与控制点：
1.检测点分布
(1) 载车板上汽车停放到位否检测
(2) 载车板上有无车检测在每个载车板上的一条对角线上安放一套光电开关， 用于检测载车板上有无车。
(3) 载车板平移运动是否到位检测
(4) 载车板升降是否到位检测
(5) 上层载车板吊钩是否挂好检测
2.控制点分布
(1) 一层载车板左右平移控制
(2) 二层载车板升降横移运动控制
(3) 三层载车板升降运动控制
(4) 吊钩动作控制
5.2 电气系统关键部分设计
PLC接线设计：在升降横移式停车库中，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。
5.3 电气安全装置
1、设有断电、缺相、断相和相序保护：在主电源发生缺相，设备发生断相、反相时，保护器动作切断设备主电源。
2、延时保护：当车停不进设备时，设备将自动停止任何操作。试进入（设定）三次自动停止，处于保护状态，停止任何操作。
3、防人、异物误闯入红外线检测装置：设置自动锁闭系统，当设备运转时，如有人或异物进入设备中，设备将会自动急停。待人员或异物离开设备后，按动“复位”按钮，设备将恢复运行。保证设备安全运转，以防误伤人员。用光电开关检测。
4、车辆定位：载车板的末端装有前、后、左、右限位装置。。
5、防止载车板坠落装置：设置防坠落装置，载载车板运行到停车位后，为防止载车板因故突然落下，设防止坠落装置，保证入库车辆安全。
6、汽车长度限制装置：设置超长光电检测装置。当进入设备的车辆超过适停车辆尺寸时，设备自动锁闭并报警提示。
7、紧急停止装置：设置紧急制动开关，当出现异常情况时，能使停车设备立即停止运转。。
8、防止超限运行装置：设置限位开关，包括，上限位开关，下限位开关，左限位开关，右限位开关，极限开关等。当到位开关出现故障时，超限位开关能使设备停止工作。
9、警示灯及警示蜂鸣器：设置设备运转信号显示。提示设备处于运转状态及对异常情况报警。
10、电机自带刹车装置：防止载车板自动滑。

6 结论
随着中国经济的腾飞，城市化进程加快，汽车越来越快的走进工薪阶层家庭，而土地越来越紧缺的情况下，为解决城市停车难的问题，自动化立体车库是必然出路。我国立体车库发展虽经历了十来年的发展，但仍处于初级的停车功能，是最原始的使用阶段，它的设计水平、经济价值还有待于完善和开发。为此对自动化立体车库设计方案优化具有重大的现实意义和潜在的市场经济效益。本文在参阅了国内外有关自动化停车库的大量资料的前提下，对升降横移式立体车库设计机构装置和控制系统进行细致研究，得出了以下重要的结论：
1.通过初步的调研工作，对自动化立体车库的发展特点和发展方向进行了总结，通过对市场需求的分析和对比国内外立体车库的发展状况，分析了智能立体车库广阔的市场前景和趋势。
2.针对自动化立体车库的功能要求，提出了控制系统的详细方案。为达到车库中的检测要求，确定了经济而适用的传感器。在车库自动控制系统中，选用了欧姆龙公司的CZOOH型PLC可编程控制器，并对PLC功能和特点进行详细的分析，给出了接线图和控制程序。

参 考 文 献
[1]乔静宇主编,新编电气工程师实用手册(上,下册)[M].北京:中国水利水电出版社,1998.8.
[2]胡学林,可编程控制器教程[M].北京:电子工业出版社,2005.8.
[3]杨路明,电子信息类专业毕业设计(论文)指导教程[M].长沙:中南大学出版社,2005.4.
[4]张芙蓉,倪良华,电气工程专业毕业设计指南(输配电分册)[M].北京:中国水利水电出版社,2003.7.
[5] 田红芳，PLC与上位计算机的串行通信[J].微机计算机信息，2000，（12）：35——37
[6]杜桂荣主编，多层升降横移式立体停车库的结构和控制系统[J].甘肃工业大学学报,2003，16（1）：45--48
[7]张崇巍，李汉强,运动控制系统[M],武汉:武汉理工大学出版社,2002.
[8] 李志辉，沈丽华,机械立体车库设计概论[J].中国电梯，2003
[9] 王兆义，小型可编程控制器实用技术[M].北京：机械工业出版社，2003
[10] 蒋圣平，陈晔,PLC在立体车库系统控制中的应用，华北工学院测试技术学报 [D].2000，14（2）
[11] 胡瑜主编, 基于组态控制技术的智能立体停车库 [J].起重运输机械，2006
[12] 张寿明，张云生主编，立体车库PLC控制系统[M].昆明理工大学学报，1998
[13]机械工业协会停车设备管理委员会,机械式立体停车库[M].北京:海洋出版社,2001
[14] 任伯森,机械式立体停车库[M],北京:海洋出版社,2001
[15] 廖常初,PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2004，5.162——164

Automatic carbarn control system design
Automation 2005 Liu Lang Instructor:：Wu Pengsong

ABSTRACT Automated parking is designed to achieve a variety of automatic vehicle parking and storage of scientific storage facilities. With the cars in the city continues to increase, the issue of parking has become difficult for large and medium-sized cities, a common phenomenon. Mechanical parking can take full advantage of the resources, to play a space advantage, to maximize the parking of vehicles, as a solution to urban traffic problems still an important way. Subject to the lifting and transferring more typical garage-type three-dimensional objects for the study, considering three-dimensional garage manufacturing costs and operating efficiency of the dual factors of the design automation of the garage of a simple.
In this paper, the status quo in the garage at home and abroad and the development trend of the basic research done on the basis of a brief introduction of the garage of the main structure and the characteristics of the control system of the garage were also made by a simple description, based on three-dimensional lifting and transferring Automation The principle of operation of the garage, the frame structure of the garage, and take-off and landing and transferring axial transmission axis drive system is introduced. Automated high-rise garage in the design of control systems using an advanced PLC control and programming software to use lifting and transferring the preparation of a garage-type three-dimensional process control system that used programmable logic controller (PLC) as a control system simple. Its stable, reliable, rapid and cost-effective features make the control system performance. In order to make use of parking facilities to meet the requirements of the country on the basis of mechanical parking equipment, general safety requirements, standards, lifting and transferring of the garage-type three-dimensional reality, the use of automated parking equipment necessary for a number of security technologies to ensure the vehicles do absolute safety, making the whole garage can be safely run smooth.

Keywords Three-dimensional garage, Control system, PLC，Automatic Control