垂直升降式立體車庫系統(tǒng)設(shè)計與研究

文章編號：1001-3997（2011）05-0048-03垂直升降式立體車庫系統(tǒng)設(shè)計與研究劉曉娟潘宏俠（中北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，太原 030051）Design and research for vertical garage system of lifting typeLIU Xiao-juan，PAN Hong-xia（College of Mechanical Engineering and Automatization，North University of China，Taiyuan 030051，China）【摘 要】以垂直升降電梯式立體車庫為主要研究對象，通過研究立體車庫垂直提升和旋轉(zhuǎn)定位并 行工作的控制方式，進行了升降機構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計研究。介紹了垂直升降式立體車庫的總體結(jié)構(gòu)和工 作原理。確定了以三菱 FX2N-80MR 可編程序控制器（PLC）為主控單元的控制方案，并對控制系統(tǒng)的輸 入輸出進行了詳細(xì)的分析,完成了控制系統(tǒng)的輸入輸出分配及其與 PLC 硬件端子的連接，設(shè)計了控制系 統(tǒng)的控制程序梯形圖，完成了立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計，滿足了立體車庫的控制功能和使用要求，因此，這 項研究具有很強的理論價值和現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：垂直升降式；立體車庫；PLC；控制系統(tǒng)；梯形圖【Abstract】The vertical garage of lifting type is what we shall research in which the control system for lifting mechanism is developed through researching parallel operating of lifting and rotary positioning of thegarage.First the overall structure and working principle for the garage is introduced.Then the Mitsubishi FX2N-80MR PLC （PLC）control scheme is defined to be the main control unit，which will analyze in detail and distribute the input and output of the control system，connect with PLC terminals as well.Ladder diagram control program is designed for the control system.The completion of the control system could meet the re quirements for parking and operating.Therefore the research is valuable and significant both in theory and practice.Key words：Vertical lifting type；Three-dimensional garage；PLC；Control system；Ladder diagram中圖分類號：TH16，TP2731 引言文獻標(biāo)識碼：A京、上海、廣州這些車位總量相對較多的大城市，停車泊位仍不足機動車的 30%，與國際 80%的合理比例相比，中國顯然“車滿為 患”。如再不采取措施，機動車保有量的迅速增長與城市停車場建 設(shè)滯后的矛盾將十分突出“，停車難”的問題將越演越烈。垂直升降式立體車庫是集自動化技術(shù)、機器人技術(shù)、計算機隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國城市汽車保有量急劇增長，停車問題成為許多大城市的一大難題。據(jù)有 關(guān)部門的不完全調(diào)查統(tǒng)計，全國城市每 4.84 輛機動車才有一個 合法的停車位，有的城市平均每 31 輛車才配一個停車位，而在北來稿日期：2010-07-13參考文獻1Shah J J.A ssessment of features technology.Computer -Aided Design，1991，23（5）：331-342.2張莉芳，等.基于 I-DEAS 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則曲線。通過使用樣條化變參數(shù)設(shè)計就能完成復(fù)雜多變的零部件 快速設(shè)計。20154040第 5 期劉曉娟等：垂直升降式立體車庫系統(tǒng)設(shè)計與研究49技術(shù)等高新技術(shù)為一體的智能化、立體化的物流運輸系統(tǒng)。具有投資小，充分利用空間，占地面積極小，停放車輛最多，單車占地 面積最小，出車速度快，安全性能高的諸多優(yōu)點；而且其造型美 觀，外部可放置大型商業(yè)廣告牌，與城市商業(yè)相吻合，逐漸成為未 來城市停車設(shè)施的一種發(fā)展趨勢。2 垂直升降式立體車庫總體結(jié)構(gòu)垂直升降式立體車庫的機械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中，主要包括鋼 架結(jié)構(gòu)，升降裝置、存取裝置、載車臺回轉(zhuǎn)裝置、安全保護裝置等。研究的垂直升降式立體車庫以 5 層 10 庫位為例，每層 2 庫 位，分 A 區(qū)、B 區(qū)，采用垂直提升式，由 1 臺電磁制動三相異步電動 機（22kW）作為主拖動電動機，1 臺開門電動機，1 臺升降電動機，1 臺旋轉(zhuǎn)電動機，1 臺橫向移動電動機組成。結(jié)構(gòu)示意，如圖 1 所示?？?，管理系統(tǒng)根據(jù)卡號確定存車的目標(biāo)車位。立體車庫入口處安裝有導(dǎo)向設(shè)備，引導(dǎo)司機正確停車。車輛停在車庫進/出口后司機 即可離去?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)目標(biāo)車位的層數(shù)和列數(shù)判斷升降機上升 時間和和回轉(zhuǎn)盤是否旋轉(zhuǎn)。立體車庫的存車過程，如圖 3 所示。Y檢查車輛長、寬、高超標(biāo)否N平層否N橫移是否到位AB圖 3 垂直升降式立體車庫的存車流程圖由于存取車是三維運動，即水平 X 方向、橫向 Y 方向和高度 Z 方向的運動。其高度 Z 方向的運動由電梯的升降實現(xiàn)；水平 X 方向的運動由進出裝置的前、后運行實現(xiàn)；橫向 Y 方向的運動由 橫移裝置的橫移實現(xiàn)。即一個存取周期應(yīng)由水平 X 方向、橫向 Y 方向和高度 Z 方向的運動組成。由于各個方向上的幾何尺寸及運 動速度各不相同，且在一定的情況下某些運動部件之間存在互鎖 關(guān)系：當(dāng)升降裝置與進出裝置分離時，它們可分別同時動作；當(dāng)電 梯升降裝置有車時，僅電梯動作，取車過程與之相反。4 垂直升降式立體車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計垂直升降式立體車庫整個控制系統(tǒng)分為 PLC 控制系統(tǒng)，通 訊系統(tǒng)，人機界面，信號檢測，數(shù)據(jù)庫及報表管理系統(tǒng)等?？刂葡?統(tǒng)采用高性能光敏元件，傳感器，檢測移動叉梳的運動位置，車庫 狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)臺上汽車停放位置等。然后把檢測到的數(shù)據(jù)傳送給 PLC 作為控制的輸入信號。4.1 PLC 的 I/O 設(shè)置根據(jù)控制系統(tǒng)功能分析，該系統(tǒng)共有 40 個輸入點，24 個輸 出點，所以采用三菱 FX2N-80MR 可編程序控制器（PLC）。如果系 統(tǒng)需要功能擴充，可方便的增加輸入或輸出模塊增加輸入點或輸 出點。輸入輸出地址分配以及外接器件的類型和作用，如表 1、表2 所示。表 1 輸入信號分配表圖 1 垂直升降式立體車庫示意圖垂直升降式立體車庫的進出裝置選用叉梳式交接系統(tǒng)機 構(gòu)，該機構(gòu)具有簡單，傳動部件少，維護工作量少，運行效率高的 優(yōu)點，因此可選用此裝置實現(xiàn)進出車庫的目的回轉(zhuǎn)盤采用伺服電 動機驅(qū)動，減速及傳動裝置為減速箱和齒圈。回轉(zhuǎn)的目的是能順 利的存取車輛和使送出車輛時使車頭朝前?；剞D(zhuǎn)盤能根據(jù)實際需 要旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。升降裝置包括：（1）曳引驅(qū)動機，即電機、減速箱和制動器；（2）傳動部件，包括鋼絲繩和滑輪（或升降鏈條、鏈輪）等；（3）對重 和平衡鏈；（4）升降導(dǎo)軌和對重導(dǎo)軌。曳引驅(qū)動機通過鋼絲繩（或 鏈條）使載車臺升降，同時對重也相應(yīng)運動，平衡重量這樣有利于 減小電機功率?？紤]到存取車過程對提升機構(gòu)的精度要求較高， 采用成熟的升降機提升裝置，使用曳引驅(qū)動方式。曳引機的性能 直接決定了提升系統(tǒng)的啟動、制動減速度和平層精度，為此我們 選用現(xiàn)在普遍使用的變頻變壓調(diào)速 （VVVF Variable Voltage Variable Frequcncy）電動機。圖 2 回轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖（俯視圖）3 垂直升降式立體車庫工作原理車輛進出立體車庫采用智能運送的方式。全封閉方式運作， 司機只需要將車駛?cè)胲噹烊肟谔幍妮d車板即可存車，車輛運送由 立體車庫控制系統(tǒng)控制。存取車輛均向前開，無需倒車、掉頭，車 輛安全度極高。當(dāng)有司機要停車時，司機在車庫入口處取卡或讀輸入繼電器編號輸入信號類型作用鑰匙開關(guān)和選擇開關(guān) 系統(tǒng)電源開關(guān)、手動/自動選擇X000X004X005X016X017X020X040X041X046按鈕開關(guān)繼電器接點 行程開關(guān) 平層開關(guān)車位選擇、落地、急停、開關(guān)門變頻器故障檢測報警 臺板升降、橫移到位、上下限位 升降臺在各層的平層橫移叉梳下降叉梳收回存車過程結(jié)束叉梳橫移YY判斷是否旋轉(zhuǎn) 180o升降機構(gòu)上升把車送入車庫報警車輛停放到位No.5May.2011機械設(shè)計與制造50表 2 輸出信號分配表4.3.2 升降存取控制叉梳錯位交換是用升降裝置上升及橫移裝置橫移實現(xiàn)存取車 操作，存取車全部過程自動完成。橫向移動控制是指當(dāng)升降機移到 指定層、平層后，將車送入或取出左右?guī)煳坏目刂齐娐?，該動作是?平層后的信號觸發(fā)，直到升降臺上限位開關(guān)動作。當(dāng)在人機界面上 選取操作時，觸發(fā)某庫區(qū)呼叫，升降臺首先響應(yīng)庫層信號，接通庫層 感應(yīng)輔助繼電器 Y004 并保持，然后才開始升降機的運行。當(dāng)升降 機到達人機選定的庫層時，根據(jù)平層基準(zhǔn)點感應(yīng)信號停止升降機運 行，待平層后，根據(jù)人機界面的信息指令，繼電器線圈 Y006 通電叉 梳橫移。當(dāng)?shù)竭_指定庫位的限位開關(guān)時，油泵線圈 Y011 通電，橫移 叉梳下降，汽車順利放置指定庫位。接著繼電器線圈 Y007 通電，叉 梳自動收回升降機內(nèi)完成存車動作。其梯形圖，如圖 6 所示。輸出繼電器編號輸出器件類型作用繼電器線圈指示燈、發(fā)光二極管各個電機的正反轉(zhuǎn)控制運行狀態(tài)顯示、車位是否有車Y000Y012Y013Y0274.2 PLC 硬件端子 I/O 接口連接PLC 硬件端子與 I/O 接口連接圖，如圖 4 所示。開門電機正轉(zhuǎn)輸出鑰匙開關(guān)開門電機反轉(zhuǎn)輸出選擇開關(guān)進出電機正轉(zhuǎn)輸出存/取車開關(guān)進出電機反轉(zhuǎn)輸出共10 個 車位 選 擇 按 鈕安檢開關(guān)X003急停按鈕Y004 升降電機正轉(zhuǎn)輸出升降電機反轉(zhuǎn)輸出一層 A 呼叫按鈕橫移電機正轉(zhuǎn)輸出一層 B 呼叫按鈕橫移電機反轉(zhuǎn)輸出二層 A 呼叫按鈕油泵上升繼電器線圈二層 B 呼叫按鈕油泵下降繼電器線圈旋轉(zhuǎn)電機繼電器線圈庫位指示共10 個 車庫位指示五層 B 呼叫按鈕X016庫位指示繼電器節(jié)點Y004庫位指示開門限位開關(guān)位關(guān)門限位開關(guān)Y006庫位指示燈 指進出內(nèi)限位開關(guān)示 燈Y011進出外限位開關(guān)旋轉(zhuǎn)限位開關(guān) X02310Y026Y025個 限 位 開 關(guān)油泵下限位開關(guān)油泵上限位開關(guān) X025Y005一層 A 限位開關(guān)一層 B 限位開關(guān)五層 B 限位開關(guān)6底層平層開關(guān)個 平 層 開 關(guān)圖 6 升降存取裝置控制程序梯形圖五層平層開關(guān)5 結(jié)束語垂直升降式立體車庫是一個復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)，以三 菱 FX2N-80MR 可編程序控制器（PLC）作為主控單元進行控制 系統(tǒng)設(shè)計，保證了系統(tǒng)的可靠運行，滿足了立體車庫的控制功能 和使用要求。同時，在軟件設(shè)計過程中，采用梯形圖作為 PLC 的 控制程序，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，使 用方便，大大縮短了系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試周期。該項目的研制成功， 將可為立體車庫制造業(yè)提供物美價廉的控制系統(tǒng)，降低立體車庫 造價，從而推動我國立體車庫的發(fā)展，以解決大中城市的停車難 問題，為汽車制造業(yè)的發(fā)展做出貢獻。同時還可以大量節(jié)約大中 城市用地，將有限的土地資源投入到更為廣闊的其它經(jīng)濟活動 中，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。參考文獻1中華人民共和國機械工業(yè)部機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 機械式停車設(shè)備類別、型 式與基本參數(shù)，1998，7（1）：2-5.2曹衛(wèi)東.談垂直升降類機械式停車庫的設(shè)計（停車場設(shè)備）.中國電梯，2002，13（3）：41-46.3賀玲芳.液壓升降橫移式全自動立體車庫運動控制系統(tǒng).機械科學(xué)與 技術(shù)，2001（4）：550-554.4周志新.地坑式立體車庫液壓升降臺系統(tǒng)設(shè)計.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2001，15（2）：154-157.5李志輝，沈利華.機械立體停車庫設(shè)計講座之十一“電梯垂直升降類停 車設(shè)備種類及設(shè)計參數(shù)”中國電梯，2004，15（9）：48-52.6蔣圣平等.PLC 在立體車庫系統(tǒng)控制中的應(yīng)用. 華北工學(xué)院測試技術(shù) 學(xué)報，2000，14（2）：76-80.7Akagi S，F(xiàn)ujita k.Building and expert system for engineering design based on the object-oriented representation concept J.ASME Trans. 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