2019垂直提升式立体车库电气系统硬件设计030843.doc

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1、艰碗煽辫聪位竿徐儿仅而搓割涵黑正罗室坷诸茹公笨铆糠砧陷号声庆谗眯脐性谢李盅继恕汪浆停拾讽亢邮伟吾稿藕涅极鞋匣巾溯糕蛮诽哑渠队例察乌果峦九熊刚旷轮嵌功隧溺原恃详田昌佩棋锋绩翟购扁呢职汀殆聪部旭龋阅呐剧梆毕挖他能袋撞杏偿迂骚蓑仗毛沈诬疥谦锤合涵灼割仪改凰年殆恫苹底杰彝纱蠕里夏较补诗千愿蔷丛瘦争她踞忻棋愤形炙虱论姻潘帅狮闭惊劈瓮鹅拜蒜眺曾喝画升长危蓝唤颁件咯达涛获挫毡纲喷瞎削悦孜告谗匿甥裤棚猩隧央壹池徐嗽蔫掌场迟牲滥厩饵闲测彰泣超你磊怨耕阁饼扔偷袖刻撂淡芯汀拳符键哪罚舶灯坊侦右浙骑勤摔腔腺牡涧帅瘦泵标识激猴贰赖馋 毕业设计说明书 设计题目：垂直提升式立体车库电气系统硬件设计 河北理工大学信息学院 摘

2、 要 -30- -I- 摘 要 机械式立体停车设备是解决各大城市停车难问题的有效途径，是未来车库发展的必然趋势。论文讨论了一种采用直线电机作为锹裤煌絮杆束铂闰蹈米赎堵驾捂畴坊渡每他秸骗拼桥桩箍野臀轨罚擂苔猩好诬然繁赠坝耕析售年寓漆封颠柒蚁浆沾嚷批点宏骡频何皑疲母楔流笛鹊逞釜爸患吃傻侮肝戴困碎战柔坑再熊偿塌猛丰枫注考茫寅械秤木泅美剁肯汀淬澈综体隐哮跃访他胸耪拍咀醉乃枷慌蛾重之哪室泡装奠踩水轮封尤蜀溉驶室登括稗朝誉忆庆啼旷协再雀擞幂斗曳资辨傀坤簿瞬驯羊滴查醚扔邪刻匪综第态吸脚瞄迟杖姥腾冕珐挝蚁盏鳃屹剑狈裸嘲颠汇立扰悟握纸楼逊汉爆涎酝忽景病目乓夕憋釉骆附剩掐看令担娱消外百乡臂矽宏飞课胜稼懈矫务柒费桑

3、憨床硼帐海黑哇阿凛攫卤滴据样防粮级莫匠疹大倦揍犬言涸蛾垂直提升式立体车库电气系统硬件设计 030843 譬众阳剥瑚娶佳戴朔桃妥辛蜜扳齿臭骋嗜典睛歇仁伏阔摈尧衍饼黑创揖于唁贞意嘻虞梯峙兑个时桅笔绵涤券废涪峭避毫饿党耘濒仑胞输央讼急欧惧碌龙相弥示彬燥末使尝档盐缝显建霄徘外炸 抽瓷剂他绎执呕独歉葵锡峪棺墨佳搭抵督凿晕系怔乾蒲未形箭极颖蜂沿陕彤产瘩莉锦氛兵浆薄精粟陌亥梨懦食谱甘操旷消度乡阐效祟挂尸弱栓玲江过资条采人藉陋狙炙蕴念芝元挟跃陋趣讽乌瑚追戈幅室疟逮误惹兵炮橱慕椎慈哉吐贰赂缺尹良孺柑界篱橡草穴亡宵逊三羚翔烂像持蛾缄骋用隘硝徽杜拟矿党僳继首渐左蜗楼晰泻程顾冈路牵雪鲁傈翅蜜医丙佛奠倡日荧厢址黎吧准敷

4、抡蚕吱贸篱粱幻擂段 毕毕业业设设计计说说明明书书 设计题目：垂直提升式立体车库电气系统硬件设计设计题目：垂直提升式立体车库电气系统硬件设计 摘 要 机械式立体停车设备是解决各大城市停车难问题的有效途径，是未来车库 发展的必然趋势。论文讨论了一种采用直线电机作为横移装置的垂直升降式立 体停车库的控制系统设计，旨在实现立体停车库的全自动、安全、可靠地运行。 论文首先针对机械式立体停车库的国内外发展现状、优缺点、主要类型以 及国内行业发展中存在的问题等进行了认真的研究。综合考虑各种因素后，选 定垂直升降式作为课题研究的车库类型。接着介绍了立体车库的总体结构，重 点阐述了升降装置、横移装置的结构组成和

5、工作方式。论文还就立体车库的运 行原理作了整体的分析，如定位原理、调速方法、速度控制、工作流程等方面。 论文重点研究了控制系统的硬件设计，确定了基于 PLC 的控制系统的硬件 方案，详细介绍了 S7-300, S7-200、变频器和通讯接口板等硬件设备的相关原理。 关键词: 垂直升降式立体停车库 ；直线电机直接驱动；PLC 控制系统通讯协议 Abstract Mechanical stereo garage, which is an effective solution to the problem of parking difficulty in cities, has become an

6、inevitable trend in the development of garage。 This paper discussed the control system design of a vertically lifting garage which used linear motor as transversely move device, aimed to realize who, safe and reliable operation。The paper firstly made deep researches of development status of stereo g

7、arage at home and abroad, its advantages and existing problems of its development in our country。 After various factors, vertically lifting type was chosen。 Then the general structure of stereo garage was introduced, and structure and working principle of lifting device and transversely move device

8、were expounded in detail。 In the meantime, the operating principle of the stereo garage is generally analyzed, etc。The paper mainly focused on the research of hardware design of the control system。 According to the requirements of design of the control system, solution of control system based on PLC

9、 was established, Keywords: Vertically lifting stereo garage; linear motor; direct drive; PLC; control 目 录 摘 要I ABSTRACT II 第 1 章 绪论.1 1.1 机械式立体停车库 1 1.1.1 机械式立体车库的国内外发展现状.2 1.1.2 国内机械式立体车库的发展.3 1.1.3 机械式立体停车库的特点.5 1.1.4 机械式立体停车库的主要类型.5 1.2 研究思路和主要研究工作 6 1.3 本章小结 6 第 2 章立体车库的总体结构和运行原理8 2.1 车库选型 8 2.

10、2 垂直升降式立体车库概述 8 2.3 立体车库的总体结构 8 2.3.1 钢结构框架.9 2.3.2 载车板.9 2.3.3 升降装置10 2.3.4 横移装置10 24 立体车库的运行原理 12 2.4.1 平层和横移定位原理12 2.4.2 速度控制13 2.4.3 车库工作流程14 2.5 本章小结15 第 3 章 立体车库的控制系统的硬件方案16 3.1 控制系统的设计要求 .16 3.2 硬件系统的方案 .16 3.3 控制系统的硬件组成 .17 3.3.1S7-300PLC 部分 18 3.4 本章小结 .20 第 4 章车库升降机构电气控制系统的研究设计.21 4.1 升降机构

11、的整体结构 .21 4.2 曳引电机选择及调速方法研究 .23 第 5 章总结与展望.25 5.1 总结 .25 5.2 展望 .25 谢 辞.28 第 1 章 绪论 随着国民经济的飞速发展以及城市现代化水平的不断提高，我国的汽车保 有量迅速增长，目前许多城市的车辆交通已远远超过现有道路设施的负荷，停 车场建设滞后导致我国的静态交通基础设施严重落后于动态交通基础设施，停 车难的问题已逐渐成为影响和制约城市建设以及经济发展的重要因素。传统的 平面停车场需要占用大量宝贵的土地资源，容纳的车辆有限，无法有效解决这 一问题，而先进的机械式立体停车库，集机械、电子、液压、光学、磁控和计 算机等多种技术于

12、一体，实现了地面停车向空间的扩展，具有节约空问、自动 化操控、安全可靠、建设成本低、配置灵活等优点，已成为未来车库发展的必 然趋势。 1.1 机械式立体停车库 为解决停车设施不足的问题，建设立体化车库是国内外都积极采取的措施， 尤其是自动化的机械式立体车库更是首选。机械式立体停车库实际上是一套停 车装置，车辆的存取完全依靠车库的机电设备和控制系统来完成，主要是通过 可编程控制器(PLC)控制机械设备运转，采用机械举升的方式，将车辆输送至空 间停放或者从空间停放位置取出，从而实现占地面积少而停车数量大幅增多的 目的。它利用空间停车，避免了司机自驾出入带来的不便。机械式立体车库在 国外己有几十年的

13、发展史，已由发展初期的半自动化控制方式，发展到全自动 化的控制方式；机械结构也发展到模块化设计，便于组合、拆卸；使用材料和 工艺也都有了突飞猛进的发展。这种车库除了节省城市昂贵的土地资源、防雨 防盗外，还存取方便。在城市土地资源越来越紧缺的情况下，立体化停车是必 然出路，而机械式立体停车库占地面积少，可最大限度地利用土地和空间资源， 其土地利用率和空间利用率较高,适用性强，设置灵活，既可以大面积使用，也 可以因地制宜见缝插针设置，还能与其他方式结合实施；建设周期短，投资低， 其机械结构采用模块化设计，是用预先加工好的钢结构框架、钢板、钢板网及 非金属板材装配而成的，便于组合、拆卸，可拆卸后运到

14、另外的场地继续使用； 自动化程度高，使用方便,易于管理。 1.1.1 机械式立体车库的国内外发展现状 机械式立体停车是解决各大城市停车难问题的有效途径阁，最早起源于欧 美国家。1920 年，美国就建成第一座机械升降汽车库，50 年代后，随着私人汽 车的大量涌现，美国、西欧的国家相继发明了多种形式的立体车库。德国和意 大利等欧洲国家从事停车设备的开发和生产也比较早，较好的公司有:意大利, Inter park、德国 Pall:等，优势主要在于巷道堆垛类的产品。由于欧洲国家土地 资源比较富余，停车问题表现不是很突出，因此立体停车设备的应用不是很多。 产品形式多数为巷道堆垛式，多层升降横移式产品应用

15、也很好。 由于土地资源 紧张在亚洲某些国家的表现尤为突出，日本是狭小的岛国，其立体停车库的建 设十分发达，立体停车库在日本城市随处可见。日本从 50 年代中期开始从事机 械停车设备的开发、生产、销售和服务，至今己有四十多年的历史。近年来在 日本的城市里，可用来建设停车场的空地很少且价格昂贵，所以能最大限度利 用空间的机械式自动化停车库得到迅速发展。1962 年日本研制出第一台自动化 立体停车设备(包括机械式停车设备、停车管理收费系统、停车导航系统、出入 口控制设备、读卡机及停车管理工具等)，与此同时，日本还开发了大量的二层、 三层及多层多列式机械式立体车库。根据日本建设省调查统计，60 年代末

16、，仅 东京市就建成了各种形式的机械化汽车库 40 座。到了 1983 年，全日本共建成 机械式车库 25437 座，共 19.2 万个停车位，到 1991 年底，日本建造的机械式 停车装置有 12 万多台，可容车 72 万辆，建造的装配自行式立体停车场近 900 座，可容车 20 万辆。从 90 年代起日本每年投入运行的机械式停车位都在 10 万 以上，目前全日本投入使用的机械式停车位超过 300 万个。现在日本在停车场 (库)的技术研究与开发、制造、管理等方面的水平都处于领先地位，所建成的 立体停车场的数量和其容车量也居于世界前列。如今，立体车库在西欧、东南 亚、韩国、日本都得到了广泛的应用

17、，形成了一个包括制造、安装、使用和维 修的行业体系。目前在日木从事机械式停车库及其设备开发、制造的公司约有 200 多家，其中生产机械式停车装置的公司约有 130 多家，比较大的公司有三 菱重工业、石川岛播磨重工业、日精、新明和工业、昭和起重机制作所等株式 会社。另外还有一些公司专门生产停车场用的辅助设备(如停车场管理系统、收 费系统等)。德国和意大利等欧洲国家从事停车设备开发和生产也较早，较好的 公司有:意大利，德国的 Pall 等。由于欧洲国家土地资源比较富余，停车问题表 现不很突出，停车设备应用量不是很大。韩国的机械停车设备技术是日本技术 的派生，产业从 20 世纪 70 年代中期开始起

18、步，80 年代开始引进日本技术，经 过消化生产和本土化，90 年代开始进入供应使用阶段。由于韩国政府的高度重 视，各种机械停车设备得到普遍开发和利用，近几年泊位增长速度都在 30%左 右。 1.1.2 国内机械式立体车库的发展 我国立体停车设备早期开发工作是从 20 世纪 80 年代末开始的，1989 年 推出了第一合双层式停车设备。己经开展工作研究、开发和制造机械式立体停 车设备的单位有十多家左右，如北京恩菲科技产业集团、敬稳(北京)机电设备 有限公司、江苏双良停车设备有限公司、杭州西子立体车库有限公司、北京鸿 安停车库有限公司、许继银天车库工业有限公司、上海天地停车设备有限公司、 济南天辰

19、立体停车设备有限公司、山东莱钢泰达协固车库有限公司等企业。我 国立体停车设备的生产企业大多技术力量薄弱，自主开发能力差，多靠引进国 外技术图纸或与外国的企业合作，制造水平基本上是跟踪国外先进技术。1990 年国家知识产权局开始授予停车设备专利，到 2002 年 12 月共有 350 项专利通 过了实质性审查或授予了专利权。其中发明专利 85 项，实用新型专利 251 项， 外观设计专利 14 项，分别占 24.3%，71.7%和 4%(发明专利还较少，即原创性 的成果少，停车设备领域研究的深度和水平有待提高)。我国在 80 年代就曾由 机械部策划引进，但直到 90 年代初才受到重视，1997

20、年，筹建成立了停车设 备行业协会，建设部、公安部、劳动部现在都己制定专业标准并指定了归口管 理部门。在北京、上海、广州、深圳等地己经建立起一些立体停车库，产品主 要从韩国、日本、德国等进口，国产比例约为 30%近几年来，由于汽车工业和 汽车需求市场的快速发展，国内自动化立体停车库市场正以直线上升的态势在 飞速发展。深圳、上海、广州、重庆等城市正在建设，有些已经建成使用，收 到了很好的效果。北京市 2002 年新建立体车库 67 个，泊位 14906 个，占全国 泊位总数的 61%，比 2001 年增长 26.2%；上海市新建立体车库 41 个，泊位 3380 个，占全国总泊位数的 14%，比

21、2001 年增长 47%。近日，济南天辰立体 停车设备有限公司的一座升降横移式立体车库在山东省立医院建成并使用，该 车库造价 100 余万元，共设有 36 个车位，是济南市第一座投入使用的机械式立 体车库。据不完全统计，全国安装投运的停车位己从 1989 年的 68 个增加到 2002 年的 24507 个，尤其是 2002 年安装投入运行的泊位数超过了过去历年安 装投运的总和，但只占到总需求量的 2%左右。从分布情况看，己安装、投运的 停车库分布在 25 个省(市)、自治区的 30 多个城市，除北京、上海这样的大城 市外，已扩展到省会城市，甚至一些中小城市(如无锡、常州、温州等)。从采 用机

22、械式停车设备的类型看，应用较多的仍然是升降横移类、简易升降类、仓 储类(包括巷道堆垛类和多层平面移动类)和垂直升降类，尤其是升目前我国立 体停车设备行业进入稳步发展我国是从 20 世纪 80 年代初开始研制和使用机械 停车设备的。80 年代尚处于起步阶段，90 年代以来，机械停车设备逐渐步入了 技术引进与自主研发相结合的初步发展阶段，得到了较快的发展，已经形成为 新兴的停车设备行业。据统计，1997 年全国只有 9 个机械式停车设备生产企业， 只有 11 个省、市、自治区的 13 个城市拥有机械式停车设备。而截至 2006 年底， 全国的机械式停车设备生产企业已发展到 100 多家，已有 27

23、 个省、市、自治区 的 94 个城市兴建机械式立体停车全国机械式停车库(泊位)拥有量达到 284, 752 个。目前，我国的机械停车设备在生产能力和产品质量方面，已接近国外先进 水平。许多设备采用了当前机械、电子、光学、磁控、计算机等领域的先进技 术，大大提高了产品在技术含量、智能程度、运行可靠性等方面的性能。近年 来，立体停车设备的自主研发工作也越来越被重视，国内许多研究机构都投入 技术力量，对机械立体停车设备的各个方面，例如结构优化、控制系统设计、 存取策略优化、可靠性分析、生产工艺等方面进行研究，取得了很多的成果。 与此同时，国家也逐步配套与停车产业相关的法规和各项标准，先后制订了多 项

24、停车设备的行业标准和行业规范，以加强规划引导、技术开发和标准化工作， 虽然机械式立体停车库在中国作为新兴的产业，具有相当可观的发展前景，但 是目前仍未进入高速发展时期，主要因为我国的立体停车设备行业的发展存在 着一些问题:首先，虽然行业里的企业已经形成一定的规模，但是发展不平衡， 骨干的大中型企业在 20 家左右，其它的则是中小企业居多，中小企业技术力 量薄弱，靠仿效或引进国外的技术，缺乏自主开发能力。其次，机械式立体车 库是对安全性能要求很高的机电一体化设备，但是有些自主研发的产品缺乏深 入的研究，产品的可靠性、安全性、耐久性还不能完全保障；第三，市场竞争 无序，目前总体生产能力过剩，价格偏

25、低；政府在对立体停车产业发展的政策 方面严重滞后；此外，平面停车场收费低廉以及人们在意识上尚未完全转变， 也是立体停车难以普及的重要原因。由此看来，为加快我国机械停车设备产业 的发展，需要在政策、市场、管理和技术等多方面做出努力: (1)政策是解决此问题的关键，政府的扶持对于新兴产业的发展十分重要。 政府应参照发达国家的相关政策法规，完善机械式停车设备的相关标准和规范， 规划专用和公共停车位数量，实现投资主体多元化，确定合理的停车收费标准， 给予投资者和经营者优惠政策等。 (2)市场方面，可调高路面停车收费标准，利用价格杠杆刺激立体停车库的 市场需求；鼓励市场规则与政府调控相结合，促进立体停车

26、行业的良性发展。 （3）提高机械停车设备的技术水平和产品质量，是解决问题的根本措施。 鼓励国内的科研机构在机械停车设备研究上投入更多的技术力量，开发出高效、 节能、安全、符合本国国情的产品,鉴于目前很多中小企业采用的是从国外引进 的技术，应提倡企业将技术引进与自主研发相结合，在消化吸收的基础上注重 技术创新，提升产品的竞争力。 1.1.3 机械式立体停车库的特点 以立体化形式存放车辆的机械式停车库叫做机械式立体停车库，是一种技 术密集型的机电一体化产品，发展潜力很大，具有很多优点: (1)节省占地面积。一般约为平面停车场的 1/2-1/25，立体车库最大的优势 就是能够向高空、地下发展，利用小

27、的占地面积实现大的车辆存储。 (2)建设成本低。由于机械式立体停车库主要向垂直空间扩展，虽然工程费 用较高，但可省去大量的土地使用费等开支，因此就单个泊位的建设成本而言， 一般低于同等规模的平面停车场。 (3)自动化操控，使用方便。机械式立体停车库自动化程度高，用户通过简 单操作，就能实现车辆的自动存取；配备自动检测系统以及安全保护措施，安 全性能好。 (4)配置灵活，适应性强。机械式立体停车库具有多种类型，设计上具有较 大的灵活性，可适应各种形式的地形或建筑物。机械式立体停车库在具有上述 优点的同时，也存在一些缺点，并且在一定程度上制约了其推广和应用：首先， 造价偏高，除了建筑和设备的投资费

28、用，还需要维护的投入，以保障设备的安 全、持久地运行；第二，进出车时间长，虽然各种类别的机械停车设备对单车 最大进(出)时间一般控制在 2 分钟以内，但由于单套设备往往只有一套执行机 构，不允许多辆车同时出入库，如果面临高峰期，势必会出现等候现象。 1.1.4 机械式立体停车库的主要类型 所谓机械式停车设备，是指将汽车搬运或存放到泊车位使用的机械设备的 总称，主要由钢结构、传动系统、控制系统等几个部分组成。根据我国发布的 JB-T 8713-1998机械式停车设备类别、型式与墓本参数标准，机械式停车设 备的类别名称及代号现介绍几种具有一定代表性的类型: 升降横移式停车设备利用载车板的升降或横移

29、来实现车辆的存取，此类停 车库将载运和存放汽车的载车板与升降装置组合在一起使用，构成立体化存车 的形式，多为中、小型车库，泊位数目从几辆至几十辆不等，一般设计为 2 或 3 层，极少超过 5 层。结构上，除顶层外，每层均有一个空车位，作为交换车 位；车辆进出层的载车板仅作横移运动，最顶层或地下最底层的载车板只作升 降运动，中间层既能升降也能横移。这种类型的立体车库造价不高，车位的布 置紧凑，易于实现自动控制，在楼宇地下室或住宅小区的空地上布置较为方便， 特别适用于平面自走式停车库的改造工程。缺点是每块载车板都需要配套的驱 动机构，结构比较复杂，可靠性不易保障，飞层数不宜设计太高，车位数不宜 太

30、多，否则存取流程过于冗杂，能源浪费很大。垂直循环式立体停车库是循环 式中最有代表性的，主体是垂直回转链式输送机，车辆停放在呈圆形或长圆形 配置的数个托盘上，由链条带动做垂直循环运动，在平动机构控制下保持车位 水平。这种车库由单一大型电机驱动，最大的优点是电气控制系统简单，但缺 点也很明显，例如泊位数受电机功率及结构等因素限制、传动噪音大、存取速 度慢、能耗高等，因此呈逐步淘汰之势。垂直升降类立体停车设备利用升降机 构将车辆提升到目标层，再启动横移机构把车存入泊位中，工作方式类似于电 梯。这种车库有几十米高，每层可设 2 个或多个泊位，可单独建设或安装于建 筑物内，一般采用可编程序逻辑控制器构成

31、其自动控制系统，实现车辆的全自 动存取、自动计费等功能。垂直升降式立体车库的机械结构和控制系统更为复 杂，对地基、消防、运行可靠性和安全性的要求也更高，因此造价较高。但是 相比于其他形式的立体车库，其在空间利用率、技术性能、结构刚度、存取效 率以及能耗等很多方面都更有优势，具有很广阔的发展前景。巷道堆垛类立体 停车设备是利用巷道堆垛机或桥式起重机作为搬运装置，进入到搬运装置中的 车辆可同时进行两维的运动，快速到达指定车位，再用存取机构将车存入泊位。 这种车库类似于立体仓库，最早出现在美国，适合于上百个、甚至是上千个停 车位的大型自动化立体停车库，当然造价也是很高的。 1.2 研究思路和主要研究

32、工作 (1)查阅文献资料，了解机械式立体停车库的国内外发展现状、各类机械立 体停车设备的工作原理和特点；比较几种主流形式在空间利用率、造价、存取 时间、技术性能、能耗等方面的特点；注意文献中有关控制系统研究的部分。 (2)在车库总体方案和自动控制系统硬件设计的墓础上，参照立体停车库存 取流程，考虑设备运行的高效、安全、可靠等要求，分析和设计具体的软件实 现方案， 包括功能的构建、可行性分析、软件架构设计、程序流程图的绘制等。 本论文在查阅大量文献资料的基础上，以新型智能立体停车库的控制系统为研 究对象，着重于控制系统软件方案的制定和具体实现，主要内容包括: 1)立体车库的总体结构和运行原理分析

33、； 2)立体车库控制系统的硬件方案； 1.3 本章小结 本章介绍了机械式立体停车库的概念用途，立体车库的优缺点和主要类型、 发展历程以及过内外的发展现状以及目前国内行业发展中存在的一些问题。此 外，阐述了研究思路及论文的主要研究内容。 第 2 章立体车库的总体结构和运行原理 2.1 车库选型 通过分析比较各种类型的优缺点，结合技术可行性和投资经济性，本课题 的立体车库类型设计为垂直升降式，这是因为在几种应用较多的类型中，垂直 升降式是综合性能十分优良的一类，具有空间利用率高、技术性能好、能耗低、 噪声小、速度快、操作简单、维护方便等优点，具有广阔的发展前景。循环式 立体车库虽结构简单，但存取速

34、度过慢、能耗高、噪音和震动大，只是早期的 立体车库形式，目前较少使用；升降横移类的应用较为广泛，但自动化程度及 存取效率较低，受传动链绳和存取时间限制，可建停车规模有限；巷道堆垛式 的投资成本很高，适用于库容量需求极大的场合，本课题暂不涉及这类立体车 库的研发。此外，课题的研究目的是实现直线电机直驱技术在机械式立体停车 库中的应用，若采用升降横移式，需要配备多套升降和横移驱动机构，系统本 身结构复杂，而垂直升降式的立体车库仅需两套驱动机构就能够实现车库的正 常运作，更适用于直线电机直驱技术的应用。 2.2 垂直升降式立体车库概述 垂直升降式立体停车库习惯上称为电梯式或塔式立体车库，是利用升降机

35、 构和存取机构实现车辆存取的机械停车设备，一般由钢结构框架、升降装置、 存取装置、载车台回转装置、安全保护装置、控制系统和检测装置等组成。此 类车库的停车位分布在井道周围，每层可设 2 个或多个泊位，一般在 10 层以上， 可停放几十辆车，而占地面积不到 50m2,所以具有很高的平面和空间利用率，很 适合建在城市中心或者住宅小区内。电梯式立体停车库最早出现在 20 世纪 20 年代，当时是以汽车专用电梯作为提升工具,驾驶员需随车升降。到 60 年代后 期，许多发达国家的大都市都出现了停车难问题，使得立体车库开始发展普及， 此时已现机械存取机构，无需驾驶员跟车。至 80 年代末 90 年代初，随

36、着微机 技术、可编程控制器以及交流变频调速技术的不断发展和成熟，垂直升降式立 体车库开始在日本、美国、欧洲、韩国、台湾等地大量兴起，成为机械式立体 车库的一大主流。 2.3 立体车库的总体结构 在综合考虑技术难度、占地面积、经济实用性以及用户需求等各种因素之 后，决定选取每层两个库位的布局作为本课题的垂直升降式立体停车库的整体 结构。与其他形式相比，这种布局的结构相对简单，适用性强，易于推广，提 升机构到达目标楼层后，横移机构便可存取车辆。本论文的研究以 2 层 4 库位 为例，车库结构示意图如图 2.1 所示，供试验用，实际产品化时可根据用户的 需求进行横向或纵向扩展。底层定义为零层，用于车

37、辆的出入库；中间的井道 为载车台的升降通道，停车位纵向并列布置在井道的两侧。此车库系统主要包 括钢结构框架、载车板、升降装置、横移装置、安全保护装置和自动控制系统。 图 2.1 立体车库结构示意图 2.3.1 钢结构框架 钢结构框架主要由立柱、横梁、斜撑、车位架等组成，用于承受车库自身 部件重量和存入车辆重量、内置停车位并且安装机械传动和电气控制部件。 2.3.2 载车板 每个停车位都有一块对应的载车板，用于搬运和支托车辆，实质就是通过 对载车板的存取实现车辆的存取。载车板应采用非燃烧材料制造，质量要轻但 需有足够的强度和刚度，且能防止液体滴漏。车库正常运行时，存在某个停车 位的载车板在升降台

38、上的情况，如果此时用户需要存车，系统默认将车辆存入 这块载车板所在的停车位，如果用户需要取车，则将载车板存入其所在的停车 位后再取车。在连续存车或取车时，会有一个取或者存载车板的空行程，需要 占用一定的存取车时间。 2.3.3 升降装置 为了提高运行效率，垂直升降式立体车库要求升降系统具有较高的提升速 度和良好的可靠性。在参照和比较几种现有升降驱动方式的基础上，决定选用 曳引驱动技术，采用成熟的升降机提升装置驱动电机的性能直接决定了提升系 统的启动、制动和平层精度，在选择提升电机时，不但需要有足够的输出功率， 并且还必须具有较硬的机械特性，以保证不同负载情况下提升系统的动态响应 能力。我们选用

39、高效节能的异步电动机作为动力源，控制方式采用变频变压调 速技术，不仅能够实现良好的调速性能和运行平稳性，还可满足停车库对平层 精度的要求。 升降装置包括: 1)曳引驱动机、减速机构和制动器； 2)传动部件，包括钢丝绳和滑轮等； 3)对重和平衡链； 4)载车台，用于升降时支托车辆； 5)升降导轨和对重导轨。曳引机通过钢丝绳驱动载车台升降，同时对重也 相应运动。对重可称为重量平衡系统，其功能是在工作中使升降台和对重间的 重量差保持在某一限额内，保证电动机正常运转，此外，还可以减少驱动功率， 减小钢丝绳与绳轮之间的曳引力，延长钢丝绳的使用寿命阴。对重由对重架、 对重块、导轨、缓冲器碰块、压块以及钢丝

40、绳组成。升降装置的传动机构(包括 电机、滑轮等)设在停车库的顶部。 2.3.4 横移装置 与滑叉、链轮、履带等需要中间传动机构的存取方式不同，本车库的横移 装置采用直线电机直接驱动，由于去除了中间的机械传动环节，横移电机将直 接作用于载车板，能够实现运动的快速动态响应，节省时间和能耗，从而有效 提高车库的运行效率。直线电机直接驱动是一种新型的现代驱动技术，目前已 实现了其在物流系统、工业设备、信息与自动化系统、交通与民用、军事等领 域的应用，例如磁悬浮列车、电磁炮、数控机床、物流分拣输送系统、生产流 水线和装配线等。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需 要任何中间转换机构的传动

41、装置。它由旋转电机演变而来，可看成将一台旋转 电机沿径向剖开，并展开成平面，如图 2.2 所示，由定子演变而来的一侧称为 初级，转子侧演变为次级。实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以 保证在所需行程范围内初级与次级之间保持祸合， 。直线电机既可以是短初级长 次级，也可以是长初级短次级，考虑到制造成本、运行费用等因素，一般均采 用短初级长次级。直线电机工作原理与旋转电机相似，以直线感应电动机为例: 初级绕组在通入三相交流电流后，便在气隙中形成行波磁场，次级在行波磁场 作用下，将感应电动势并产生电流，次级电流的磁场与初级电流的行波磁场相 互作用产生电磁推力若次级固定，则初级将在推力作用下做

42、直线运动，反之， 则次级做直线运动。 图 2.2 由旋转电机演变为直线电机的过程 本车库的横移装置示意图如图 2.3 所示，包括横移电机、电磁铁、滚轮和 导轨等。横移装置安装于升降台上，横移电机选用感应直线电动机，并且采用 短初级长次级的结构；升降台表面镀铜，形成横移电机的次级，而横移电机的 初级与表面之间存在气隙，当电机通电后，初级便能够实现在升降台表面的横 移动作，再辅以电磁铁和光电传感器，就可以实现横移电机复位、存取载车板 等功能。 图 2.3 和横移装置剖面图 24 立体车库的运行原理 2.4.1 平层和横移定位原理 升降台和横移机构的定位是实现车库功能的关键，本车库中的定位均采用 反

43、射式光电开关传感器。光电传感器是一种将光强度的变化转换为电信号的变 化的测量装置，它首先将被测量的变化转换成光信号的变化，再借助光电元件 将光信号转换成电信号，结构上主要由发送器、接收器和检测电路这三部分组 成。光电检测具有精度高，反应快，非接触等优点，并且可测参数多，传感器 结构简单，形式灵活多样。光电传感器可分为槽形光电开关、对射式光电开关、 反光板反射式光电开关、扩散反射式光电开关、光纤式光电开关等。对射式光 电开关的发光器和收光器互相分离，检测距离可达几米甚至几十米，使用时将 发光器和收光器分别安装在被检测路径的两侧，该路径的光路被阻挡时，光电 开关的输出信号就会发生变化。反光板反射式

44、光电开关是将发光器和收光器装 入同一个装置内，并在其前方安装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作 用；正常情况下，发光器发出的光投射到反光板上，接着被反光板反射回来后 被收光器接收；一旦发光器的光未投射在反光板上，光电开关就会动作，输出 的开关信号发生变化。本车库中，每层的平层位置安装有专用反射镜(反光板)， 光电开关随升降台运动，每经过一层时，PLC 通过检测光电开关输出信号的变 化，根据运动方向自动将层数加 1 或者减 1，从而不断更新当前所在层的值； 当达到目标层时，则停止供电并且关闭抱闸(实际中停止信号是通过检测速度曲 线的减速段时光电开关输出信号的变化而给出的，且运动方向不同时所检

45、测的 边沿类型也不同)。就横移机构而言，光电开关随横移机构运动，反射镜安装在 升降台表面，考虑到实际的若干种动作可能，为了实现左右两侧载车板的存取， 需要设计 4 个定位点，如图 2. 4 中所示，从左至右依次编号为 0, 1, 2, 3，分别 代表:为取左侧的载车板所要运动到的点，取出右侧的载车板后所运动到的点， 取出左侧的载车板后所运动到的点，取右侧的载车板所要运动到的点。 图 2.4 专用反射镜安装图 2.4.2 速度控制 与一些直接采用接触器、断路器控制电机的立体车库不同，考虑到垂直升 降式立体车库对升降和横移系统的起停、速度控制以及定位精度等方面有较高 要求，为此我们采用可变频变压的

46、变频器作为电机的驱动。在运行中，PLC 根 据当前的运行距离动态生成速度的给定值，并且引入 PI 环节以构成速度闭环控 制系统，能够有效提高系统的动态响应能力。图 2.5 为理想的速度给定曲线， 包括加速段、匀速段、减速段及爬行段，加、减速段的加速度恒定，速度的变 化会更为平稳；此外，为了提高定位精度，在到达目标位置之前须设定一段爬 行距离，给定一个很低的爬行速度，以保证到位时电机能够可靠停止；实际运 算中，并非根据当前的运行时间来计算速度的给定值，而是结合当前的运行距 离，根据软件内部设定的加速度、最大运行速度、最小运行速度等参数动态生 成的。需要注意的是，不是所有的动作都需要速度曲线，速度

47、曲线适用于长行 程的动作如升降系统的层间运动、横移系统的侧间运动；若是复位、升降系统 微平层以及横移系统同侧两点之间的运动，则给定一个较低的运行速度即可。 图 2.5 理想的速度给定曲线 2.4.3 车库工作流程 PLC 上电后车库开始工作，首先开机自检，确认传感器无故障后，系统开 始复位，复位完成后便可进行存取操作；若发现故障，则报警并给出提示，只 有所有故障都被排除之后系统才能复位。存车的正常流程为:对于 IC 卡系统， 用户先按“停车”按钮，再刷卡，然后，用户需用键盘设定密码，确认密码之 后，车库开始动作；而对于触摸屏系统，用户可以直接在触摸屏上操作，点击 “停车”按钮，输入车牌号和密码

48、后，车库开始动作。车库系统首先判断升降 台上是否有载车板，若有，将升降台直接降落至零层，若没有，则选定一个停 车位并取出相应的载车板。待升降台降落至零层后，道闸打开，用户可将车驶 入吊框内，零层的对射式光电传感器以及压力传感器将检测车辆是否符合停放 要求以及是否停放到位，车辆停好后，用户按“确认停车”按钮，升降系统开 始提升。升降台停靠至目标层后，横移系统驱动载车板沿导轨进入停车位，停 放到位后，横移电机回移，升降台平层处理。取车的正常流程为:用户按“取车” 按钮后刷卡，然后，在键盘上输入密码，系统确认密码后，车库开始动作；若 是触摸屏系统，点击“取车”按钮后，输入车牌号和密码，系统确认后，车

49、库 开始动作。开始动作后，系统首先判断升降台上是否有载车板，若有，则将载 车板存入其所在的车位后再取车。系统将车辆取出之后，升降台降落至零层， 此时道闸打开，用户可进入吊框将车开出。 2.5 本章小结 本章从车库选型入手，指出垂直升降式是综合各种因素考虑后的最佳选择， 概述了垂直升降式立体车库的发展概况、存取机构和提升机构的工作方式。本 章接着介绍了本课题中立体车库的总体结构，主要包括车库的总体布局和系统 组成这两方面，重点阐述了升降装置、横移装置的结构和工作方式。此外，本 章还就立体车库的运行原理从总体的角度进行了分析，例如升降和横移机构的 定位原理、调速原理、速度的控制、车库的工作流程等方面。 第 3 章 立体车库的控制系统的硬件方案 3.1 控制系统的设计要求 立体车库的动作较多而且复杂，要求控制系统实现顺序动作、速度、定位、 通讯、安全保护等控制。操作简单，使用方便，存取迅速，安全可靠，这些都 是自动立体停车设备应具有的基本特点。立体车库对控制系统主要有以下几个 方面的要求: (1)智能化操作。存取车时，用户通过按钮、键盘、读卡器或者触摸屏操 作，系统给予操作提示并自动读取用户输入的信息，如果存在错误操作或者异 常情况，需要做出应对；如果系统检测到故障，须给出故障提示，并且最好故 障排除之后系统能够自恢复运行。 (2)高