南工院基于plc的立体车库控制系统说明书Word文档格式.docx
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1.3课题设计的内容 2
2PLC的简介与立体车库的概述 3
2.1可编程控制器的介绍 3
2.2PLC控制系统设计的基本原则和步骤 4
2.3立体停车库概述 5
3升降横移立体车库硬件的设计 7
3.1升降横移式立体车库的基本结构 7
3.2立体停车库的原理框图 7
3.3主电路图 8
3.4辅助电路设计 10
3.5元器件介绍及选型 11
4立体车库控制系统软件的设计 15
4.1PLC设计流程图 15
4.2PLC的端子接线图 16
4.3立体车库的I/O分配表 18
4.4梯形图设计 19
5结论与展望 22
5.1 结论 22
5.2 展望 22
致谢 23
参考文献 24
1绪 论
1.1本课题研究的内容及意义
本课题研究的内容是:
自动立体车库的结构设计,包括自动立体车库的总体方案设计,有关零件部件的选型计算,结构强度校核及液压系统设计,并绘制出装配图和零件图纸。
本课题研究的意义是:
自动立体车库是我国的新兴产业,具有广阔的发展前景。
随着我国经济快速的发展,城市交通拥堵和停车难的问题成了影响城市发展的重要因素之一,传统的车库己经不能适应城市发展的要求,再加上我国汽车保有量的不断增加,自动立体车库成为解决这一问题的必然途径[1]。
机械式立体车库具有空间利用率高,节省城市有限的土地资源;
具有建造成本较低、建造周期较短;
车辆停放入车库快速便捷、自动车库更加安全,还具有节约能源等优点。
同时自动立体车库还可以在有限的土地上停放更多的车辆,便于集中管理,减少管理费用和人员等的优势,在各个小区或空地都可以根据当地的实际情况进行立体车库的建设,可大大缓解这些地方停车难的问题,这对现在车库紧张的小区和其他人员较多的公共场所提供了很好的解决方法。
因此,机械式立体车库具有广阔的应用前景。
而自动立体车库的结构设计是车库建设及运行的重要环节,其设计水平与质量直接影响到用户的安全和建造成本。
合理的结构设计可最大限度的利用有限的土地空间,缓解城市中停车难的问题。
而目前我国自动立体车库加工生产厂家没有统一的标准:
大多数自动立体车库行业的生产厂家大多以国外现有产品或技术为基础进行制造,对产品创新开发能力差,没有自己的知识产权;
我国对立体车库的新技术引入研究较少,而对立体车库的主体结构桁架钢研究和优化才刚刚起步,不能形成较大的生产加工规模。
机械式自动立体车库种类较多,按照现在立体车库的发展,可将它分为巷道堆垛式立体车库,垂直升降式立体车库,垂直循环式立体车库,圆形水平循环式立体车库等。
根据运行方式和结构特点可分为:
升降横移式立体车库,水平循环式立体车库,垂直循环式立体车库,多层循环式立体车库,堆垛式立体车库,平面移动式立体车库,垂直升降式立体车库,简易升降式立体车库等八大类[2]。
1、升降横移式立体车库:
整机特点,可有效利用空间,提高空间利用率达数倍。
存取车快捷便利,其结构使用跨梁结构设计,使车辆出入无障碍。
采用PLC控制,自动化程度高,人机界面好,多种操作方式可选配,操作简便,同时环保节能,低噪音。
但下层车库必须有一空位用于车库升降。
2、垂直循环式立体车库:
车库采取垂直方向做循环运动进行对车辆存取的方式的立体车库。
垂直循环式立体车库调车时间短,取车快速,占地面积小,可设置在地面上或半地上半,可独立或附设在建筑物内,还可多台组合。
3、水平循环式立体车库:
采用水平循环运动来存取车辆的机械式立体车库。
水平循环式立体车库可以省去进出车道,充分利用狭长地形的地方建车库,降低通风装置的费用,若多层重叠可为大型停车场,但车库只有一个出入El,存取车时间较长,实用性差。
4、简易升降式立体车库:
其结构大多为一个车位泊两台车,构造简单实用,无需特殊地面基础要求。
适合装置于工厂、别墅、住宅停车场。
5、多层循环式立体车库:
其工作原理是使载车板作上下循环运动来进行车辆的调取工作。
6、堆垛式立体车库:
通过升降机、行走台车及横移装置输送载车板实现存取车操作,整个过程全自动完成,可设置于地上或,充分利用有效空间。
载车板的升降和行走同时
运行,存取车方便快捷。
全封闭式管理,安全可靠,保障人、车安全[3]。
从机械式自动立体车库的类型上看,应用较多的是升降横移式立体车库,占自动车库总量的绝大部分,其所占比例随着机械式立体车库的发展还会继续上升[4]。
所以本文详细对升降横移式自动立体车库结构设计进行研究。
1.2国内外的发展概况
机械式立体车库经过几十年的发展,已由初期的半自动化控制方式发展到全自动化的控制方式;
机械结构也发展到了模块化设计,便于组合、拆卸;
使用材料和工艺也都有了突飞猛进的发展[5]。
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,形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业[6]。
国外的发展状况
国外经济发达国家其自动立体车库在过去的几十年中已经得到了充分的发展。
日本是一个人口众多人均土地资源较少的国家,由于其经济发达,停车难的问题早就出现,同时也带动了自动立体车库的发展、使其发展至今已经较为完善,现已经发展出较多车库种类。
同时日本在车库的技术研究与开发、制造、管理等方面的水平都处于亚洲领先地位,所建成的立体停车场的数量和其容车量也居于世界前列。
如今在日本全国建设并使用的自动立体车库的停车位已有300万个,大部分自动立体车库是升降横移式车库。
而日本的优势主要在多层升降横移车库、水平循环车库、垂直循环车库、简易升降车库、垂直升降车库等产品上。
而在韩国自动立体车库的技术发展主要受到其邻国日本的技术影响。
韩国的立体车库产业从上世纪70年代中期进入起步阶段,在发展过程中又从其邻国日本引进相关技术,再对引进技术后不断改进,最后90年代立体车库展业进入大规模使用阶段。
经过这几个阶段的快速发展再加上韩国政府的大力支持,自动立体车库在韩国国内得到大规模的应用和再开发,使得韩国这几年的自动立体车库产业增长速度加快
7
到30%左右[7],使现在其产业进入稳步发展阶段。
国外的机械式立体车库发源于上世纪20年代的美国,美国建成世界上第一座机械升降汽车库,但需要由司机自己开车来完成车辆的存取;
50年代以后,伴随着小汽车的大量增加,在西欧、东南亚、韩国和日本立体车库也得到了广泛的应用,并形成了一个包括制造、安装、使用和维修的行业完整体系[8]。
这些国家和公司从上世纪六十年代初就开发并使用可最大限度地利用空间的机械式停车设备,经过几十年的不断发展,自动立体车库从结构、控制、驱动、监测等方面不断地更新换代,日趋完善。
而自动立体车库的外形也发生了较大的变化,使原来生硬机械钢架子的立体车库变成了一道独特的城市景观。
国内的发展现状
我国经济快速发展的同时汽车的数量也在快速发展,尤其在我国的大中城市。
汽车数量的增长同时也造成了路面的拥堵,许多车辆面临着停车难的问题。
面对这些问题,我国需要大量的停车设施和相关配套设备。
据有关方面统计,截止到2008年底的数据,我国生产汽车数量增长到近一千万台,同比增长5%左右[9]。
由于我国停车位新建的速度远远达不到每年汽车增长的数量,致使每年我国仅在停车位的缺口数量就在300多万个左右,城市现有的停车位远远不能满足人们的需要。
当前我国的车位数量与汽车数量之比约为1:
5,而正常的平衡比例应当是1:
1.2,与我国现有情况差距很大,需要大量增加停
车位,在城市土地资源紧缺的情况下通过地面增加车位己成为城市发展的巨大矛盾指引[10]。
为了解决这些,我国从二十世纪八十年代开始使用机械式停车设备。
此时我国的立体车库技术较为落后仅只能进行自我的研究和开发,此阶段生产企业无法满足用户的需求,而自动车库种类单一,技术落后,无法满足用户较大的要求。
到二十世纪九十年代,我国开始从国外引进技术,由于大量国外企业进入中国的立体车库行业,形成了比较多的中外合资企业。
而有些有实力的中国企业开始向国外引进先进的技术,在国内由于其生产成本与国外相比较为低廉,这些企业利用国外先进技术并根据我国现有经济情况开发出符合我国的先进的自动立体车库。
到如今经过近30年的发展历史,尤其是2000年以后得到了高速发展,现在我国的自动立体车库行业正处于快速发展阶段并很快进入稳定发展阶段,未来市场巨大。
尤其在,我国的大中型城市中,自动立体车库需要巨大。
但用户对产品的要求有两点,第一点是降低产品的价格,第二点是提高产品技术和性能。
随着我国经济持续快速发展,城市规划不断完善,自动立体车库将使一个充满生机的朝阳产业,它的技术将得到长远发展。
在我国随着现代各种高科技技术的发展,诸如计算机技术和电子技术的高速发展,越
来越多的新功能被引入到立体车库中,让其向专业化、复杂化和智能化方向发展。
重点表现为以下几个方面:
①专业化:
立体车库系统稳定可靠能正常运行而不出故障是用户的首要要求也是一套停车场系统的重中之重。
制造厂家的专业化程度越来越强如保
证设备的可靠性立体车库的软硬件设施及各种设备的配套都达到专业化程度。
②复杂化:
立体车库产业正在向多元化方向发展它已经不仅是纯粹的机械设备还包含了当今机械、电子、建筑、液压、光学、磁控、管理和计算机技术等领域的大量先进技术。
立体停车系统己经日臻完善如汽车出入车库时采用声光引导和定位、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、链绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、汽车安全检测、图像识别技术、科学管理等各种领域先进技术的综合使用已经使立体车库成为一个独立的大型复杂的高技术设备。
③智能化:
一些新技术正在迅速进入该领域如变频技术、全电脑控制系统、导航定位技术、停电及电源故障的自动判别排除及处理系统等[14]。
车库可以将汽车自动停放到合适的位置可实现无人操作
[11]。
但在我国现有的自动立体车库产业发展并不十分完善,如在我国车库行业中并没有可依据较高的行业技术标准;
大部分车库是根据或引进国外先进技术进行设计制造,但技术水平不高;
并且我国国内并没有较大规模的车库生产加工企业,其大规模量产能力明显不足。
在国内自动车库市场竞争无序,小型企业为抢占市场份额,进行恶性竞争;
同时我国没有相关的部门参与详细研究,使其技术创新能力落后于其他国家;
国家也没有相关政策进行扶持。
为了解决上述问题,国家需要出台相关市场政策、管理方案等。
虽然立体车库在我国的发展势头非常的迅猛,但是目前立体车库在住宅小区内的应用,却还是少的可怜。
其主要原因还是人们的思维观念没有转变过来,而技术上的问题已经
退居其次。
可以说,当前的技术已经完全可以满足小区内建造立体车库的主要要求,急需解决的是人们的思想问题[12]。
伴随着我国住房业的迅速发展,小区式居住方式已经成为市民住房方式的主流。
并且,伴随我国经济的迅速发展,人们拥有自己的私家车也已经成为一种必然。
所以,正是由于小区与私家车的数量越来越多,一旦人们的思想方式转变过来,那么应用于小区内的立体车库必将会如同雨后春笋般迅速地生长起来。
而且,立体车库的技术也必然在今后的若干年内有大幅度的发展[13]。
所以,无论是立体车库技术的研究,还是立体车库工程的建造,发展前景都是非常乐观的,都必将在不久的将来得到丰厚的回报。
1.3课题设计的内容
本章主要介绍了自动立体车库的主要研究内容和及其意义,详细对自动立体车库的国内外发展情况做了详细介绍,在我国自动立体车库有较大的发展前景。
本文将对车库主体结构设计,关键部件校核,传动部件及液压系统的设计和主要机械部位总装配图及主要零件图。
介绍了基于可编程控制器的车库控制系统,简述了3层3列式升降横移式立体停车库的工作原理、结构特点、并通过PLC软件设计及其优化,实现了立体车库的自动控制。
用PLC内的预置程序来控制整个系统的运行,用电机的正反转来控制车位的上下左右移动实现存取车的自动化。
2立体车库的方案
2.1立体车库的工作原理
图2.1立体车库的工作原理图
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。
如图2.1所示上层载车板只作上下移动,下层载车板只作左右横移。
立体车库工作原理当车辆驶入车库,用户根据需要选择所需停车位置。
当用户选择上层空载车板时如1号载车板,控制系统会先控制5号载车板向有移动,5号载车板移动到位后系统控制4号载车板向右移动,下层载车板无法同时移动。
此时1号载车板下方有空位,控制系统控制1号载车板下移等待用户将车辆驶入,用户将车辆停放好并确认后,提升装置带动载车板提升到二层固定位置。
下层载车板只作横移,为上层车库下移留出空位,所以下层有一个空位。
而用户选择下层车位时,可将车辆直接驶入车库,但不能驶入无载车板的空位。
用户取车时,停放在下层载车板的汽车可直接驶出车库,停放在上层载车板的汽车操作过程与停车过程类似。
升降横移式自动立体车库通过这种停车方式可更有效的应用土地,增加单位面积停放汽车的数量。
目前,立体车库主要有以下几种形式:
升降横移式、垂直循环式、简易升降式、垂直升降式、平面移动式、巷道堆垛式[14]。
而在中国使用较多的是升降横移式自动立体车
库和简易升降式车库,升降横移式自动立体车库具有存取车快捷便利,结构简单等优点。
而简易升降式车库所能停车辆数量较少不适合较大规模应用,无法满足较大空间的大规模布置。
所以选择升降横移式自动立体车库进行设计。
2.2自动立体车库结构设计的内容及要求
自动立体车库主体桁架钢结构由前、后支撑柱,前、后横梁,纵梁等组成。
传动系统安装在主体桁架的纵梁与后立柱上,包含液压缸,传动的链条链轮,链条张紧装置和钢丝绳。
载车板与钢丝绳相连进行提升,而下层载车板通过电机和导轨进行横移。
自动立体车库必须具有足够的强度和刚度,才能安全稳定工作。
升降横移式自动立体车库的结构设计主要包括:
主体桁架、传动系统、载车板及安全防护装置。
停车位设计最大尺寸5500mm×
2500mm×
1600mm;
最大停车质量为1800kg;
车库共三层上成层可停放3辆车,下层可停放2辆车,车库使用PLC进行控制;
车库载车板提升时间10s;
下层载车板横移时间10s。
2.3自动立体车库提升方式的选择
升降横移自动立体车库的提升方式有六种:
(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)液压马达、钢丝绳组合提升型式
(6)链条、钢丝绳组合提升型式
而车库选用液压马达、钢丝绳组合提升型式,其优点是结构紧凑、响应速度快、低速平稳性好,并且产生噪音低,其升降传动方式如图2.2所示
图2.2自动立体车库提升装置示意图
而车库横移传动方式也可选用液压马达带动导轮进行传动,其优点是可与升降系统使用同一液压泵减少了系统的占用空间。
2.4升降横移自动立体车库选型
升降横移自动立体车库按照主桁架可分为两种。
1.四柱结构型式:
这种型式的停车设备的钢结构桁架稳定性好,有较好的强度和刚度,特别适用于多层式或重列式的升降横移类停车设备。
2.二柱结构型式,亦叫后悬臂型式立体车库如图2.2所示:
这种型式的停车设备的最大优点是视野宽阔,存取车方便。
缺点是对设备运行的稳定性和结构桁架的强度、刚度、设计要求严格。
按车位布置形式分可分为全地上布置,半布置,重列式布置。
全地上布置:
有二层、三层、四层、五层,一般不超过五层,但也七层以上的,有的还做到了18层,但相对于低层提升速度要提高以保证客户使用要求。
半布置:
这种布置形式比全地上布置能多建车位,空间利用率高,但土建投资大。
重列式布置:
(对于只能设置一个车道,或设置两个车道太浪费,但有能停放两排或两排以上车辆长度的停车位时,可用这种方式布置)这种布置可充分利用平面减少车道占地,但进出车较麻烦一些。
由于车库要求结构简单充分利用土地,所以选择第四柱结构型式的三层立体车库进行设计。
2.5自动立体车库的其他部件
自动立体车库的其他部件还包括载车板,安全系统,横移系统,横移系统,控制系统等。
载车板是用于车辆停放以及移动升降车辆的载体,所以载车板设计必须稳定安全便于用户停放车辆。
而载车板按照其结构形式可分为两种,一种是拼装式一种是整体式[11]。
拼装式载车板主要使用普通钢板弯折成形,载车板面板使用波浪板冲压成形,并用螺栓固定。
整体式载车板使用防滑花纹钢板焊接在加强筋上而成。
由于整体式载车板加工方便快捷,稳定安全性高。
所以车库设计中使用整体式载车板。
安全系统是用于防止上层车辆和载车板坠落砸坏下层车辆或砸伤驾驶员的重要车库组成部分。
上层载车板安全系统可分为防坠钩和防坠架。
其中防坠钩安装于上层载车板上当上层载车板到位后防坠钩固定住载车板来实现防坠目地。
而防坠架安装固定在下层载车板上,但体积较大不便于用户在下层停放车辆。
经过上述分析选择防坠钩进行对车辆人员的安全防护。
横移系统是用于底层车位横移的主要部件。
控制系统是控制车辆移动的系统。
3自动立体车库的传动系统
立体车库的传动系统大多采用的是机械传动,而采用液压传动的较少。
液压传动与机械传动相比较而言有较多优点。
自动车库中液压传动最大的优点是噪声小,工作较平稳,单位体积重量轻,易于进行自动化控制。
在如今人们注重居住舒适情况下,液压传动对立体车库噪声的减小有很大帮助,这可以使自动立体车库有更大的应用空间。
因此,在欧美等发达国家自动立体车库已向液压传动方式发展。
3.1上层载车板提升装置设计
上层载车板是使车辆从地面提升到上层并提供安全稳定的停车空间的重要提升装置。
所以上层载车板选用卷筒,导轮,钢丝绳和液压马达来完成一系列提升运动。
3.1.1升降传动系统设计
升降系统安装车库的顶部,卷筒,液压马达和传动轴安装在后横梁上,导轮安装在纵梁上。
根据设计需要选择卷筒,根据起重设计手册选取T153卷同组,其参数为
D0=300mm,最大提升高度为16m,起重量为5000kg,其配套选用的钢绳直径为
11.5mm。
载车板提升时需要导轮和卷筒组共同运动才能完成。
如图3.1所示:
卷同组
重物
导轮
图3.1提升机工作原理
计算作用在卷筒上的力;
卷筒受到汽车重量载车板重量之外,还受到导轮所产生的摩擦力。
其钢绳与导轮之间的摩擦系数f=0.02。
故有F=F车载+车F载+(F
(3.1)
+F)´
f
=18000+6000+(1800+6000)´
0.02=28800N
式(3.1)为卷筒组受力计算公式,式中F为液压马达所受的力。
所以液压马达所受力为28800N,根据液压传动与气压传动表确定液压驱动的压力为5Mpa。
根据液压气压传动与控制,液压马达结构简单,噪音和流量脉动小,适用于负载扭矩不大,速度平稳性和噪声要求较高的场合。
所以选择叶片液压马达。
液压马达基本参数为:
排量V=154ml/r,转速100r/min,输出扭矩98Nm。
液压
马达出油口为0Mpa与进油口的压力为5Mpa其压力差为5Mpa,所以液压马达可
将油直接流回油箱。
由于升降系统采用叶片式液压马达,使系统实现恒速升降。
载车板离地高度为2m,液压系统在10秒内完成升(降)过程;
故速度应大于
31
v=2
10
=0.2m/s
(4.2)
式(4.2)为载车板速度计算公式。
取速度v=0.25m/s;
由于载车板与钢丝绳相连,钢丝绳与卷筒相连,故卷筒的线速度也为0.25m/s;
卷筒的角速度w:
w=v=0.25=3.34rad/s
v=wr
r 0.3
(4.3)
式(4.3)为卷筒的角速度计算公式。
卷筒的转速n;
n=wt=3.34´
60=200r/min
式(4.4)为卷筒的转速计算公式。
(4.4)
液压马达转速为100r/min,传动系统采用链轮传动,其传动系数i=2;
液压马达的流量为:
q=Vn=154´
100=15400ml/min=15.4L/min
(4.5)
式(4.5)为液压马达的流量计算公式。
由于液压系统管路布置的不确定性,整个液压回路损失大约为5%,流量损失约为1%;
所以:
5
p=1-5%
=5.12Mpa;
=
15.4
q 1-1%
=15.6L/min;
根据上述数据选择液压泵,其流量为25L/min,P=6.3Mpa,转速
n=1000r/min。
由于液压泵无法将电动机的驱动完全转化,所以液压泵的效率取
h=80%,根据上述数据对液压泵电动机进行选型:
P=pq=6.3´
106´
25´
10-3/0.8=3281w=3.21kw
h
(4.6)
式(4.6)为液压马达的功率计算公式。
根据所需转速和功率选择电动机;
查机械手册选择Y112M1-6型电动机,电动机额度功率为4kw,电动机转速为1000r/min。
3.1.2升降液压
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