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升降橫移式立體車庫(kù)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
升降橫移式立體車庫(kù)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
[摘要] 伴隨著生活質(zhì)量的提高，車輛的數(shù)目愈來愈多，停車位缺少的問題也就變得更明顯了，針對(duì)這個(gè)問題本文設(shè)計(jì)了一個(gè)橫移式的立體車庫(kù)。開始主要通過對(duì)立體車庫(kù)的發(fā)展，以及立體車庫(kù)現(xiàn)階段的種類和形勢(shì)進(jìn)行分析，確定了三層三列七車位升降橫移式車庫(kù)的研究方案、控制要求和工作原理。接下來對(duì)立體車庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)分析后設(shè)計(jì)本次立體車庫(kù)的架構(gòu)和組成，并對(duì)系統(tǒng)的電力控制線路進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后就根據(jù)控制系統(tǒng)的要求采用了西門子公司的S7-300 PLC作為主控制器，并對(duì)其輸入和輸出地址進(jìn)行合理分配。按照工作流程使用博途V13軟件進(jìn)行梯形圖程序的編寫，并不斷調(diào)試確保系統(tǒng)的安全，最終通過硬件與軟件的相互結(jié)合來完成立體車庫(kù)的運(yùn)行。
[關(guān)鍵詞] 立體車庫(kù)；升降橫移式；可編程控制器PLC；控制系統(tǒng)
[Abstract]With the improvement of the quality of life, the number of vehicles is getting more and more, and the problem of parking space lack is becoming more obvious. In this paper, a transversal type of three-dimensional garage is designed. At the beginning, the research scheme, control requirements and working principle of the three level and three row seven parking lift and transversal type garage are determined through the development of the three-dimensional garage and the analysis of the types and situation of the stereoscopic garage at the present stage. Next, the basic structure of the stereo garage is analyzed, then the structure and composition of the three-dimensional garage are designed, and the power control circuit of the system is designed. Finally, according to the requirements of the control system, SIEMENS S7-300 PLC is adopted as the main controller, and its input and output addresses are allocated reasonably. According to the work flow, the program of ladder diagram is written using V13 software, and the system is ensured by constant debugging. Finally, the operation of the three-dimensional garage is completed through the combination of hardware and software.
[Key Words] Stereo garage；Lifting traverse；Programmable controller PLC；Control system
目錄
1 引言 1
1.1 課題的來源 1
1.2 課題研究的目的及意義 1
1.3 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 2
1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 3
1.4 課題的主要內(nèi)容與論文框架 4
1.4.1 主要研究?jī)?nèi)容 4
1.4.2 論文整體框架 4
2 立體車庫(kù)的選取與控制系統(tǒng)的研究 5
2.1立體車庫(kù)的概述及種類 5
2.1.1 立體車庫(kù)的定義 5
2.1.2 立體車庫(kù)的種類及應(yīng)用 5
2.2 立體車庫(kù)的選型 10
2.3 升降橫移式立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)與工作原理 11
2.3.1升降橫移式立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)組成 11
2.3.2 升降橫移式立體車庫(kù)的工作原理 13
2.4 升降橫移式立體車庫(kù)的控制系統(tǒng) 14
2.4.1 控制系統(tǒng)的分析 14
2.4.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 16
3 升降橫移式立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18
3.1 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18
3.1.1 立柱受力分析 19
3.1.2 橫梁和縱梁受力分析 21
3.2 載車板的設(shè)計(jì) 24
3.3 橫移結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 25
3.4 升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 25
3.5 安全防護(hù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 26
3.6 車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 27
4 升降橫移式立體車庫(kù)硬件部分的設(shè)計(jì) 28
4.1 立體車庫(kù)電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 28
4.2 立體車庫(kù)控制器的概述與選型 30
4.2.1 可編程控制器（PLC）的概述 30
4.2.2 可編程控制器（PLC）的選型 31
4.3 可編程控制器（PLC）輸入/輸出地址的分析與分配 33
4.3.1 輸入地址的分析與分配 33
4.3.2. 輸出地址的分析與分配 34
4.4 可編程控制器（PLC）硬件電路的設(shè)計(jì) 36
5 升降橫移式立體車庫(kù)軟件部分的設(shè)計(jì) 38
5.1 控制系統(tǒng)編程語言的選取 38
5.2 控制系統(tǒng)的控制流程分析 39
5.2.1 車庫(kù)存車流程 39
5.2.2 車庫(kù)取車流程 41
5.3 控制系統(tǒng)程序的編寫 43
5.3.1 程序編寫的基本要求 43
5.3.2 鍵盤輸入模塊程序 43
5.3.3 目標(biāo)車位為地面層車位時(shí)程序 44
5.3.4 安全保護(hù)部分程序 45
5.3.5 手動(dòng)控制模塊程序 46
致謝 49
參考文獻(xiàn) 50
1 引言
1.1 課題的來源
由于現(xiàn)在社會(huì)發(fā)展迅速，經(jīng)濟(jì)水準(zhǔn)越來越高，因此人們的生活品質(zhì)也有了顯著的提高。人們所乘坐交通工具也在慢慢發(fā)生著改變，從最開始的自行車到之后摩托車，再到現(xiàn)在的汽車。2001年的時(shí)候我國(guó)的汽車產(chǎn)銷量大概為240多萬輛，等到了2016年我國(guó)汽車產(chǎn)銷量產(chǎn)生了極大地增長(zhǎng)，增至了2800萬輛左右，這個(gè)增長(zhǎng)速度在全球都是首屈一指的[4]。在這種形勢(shì)下就出現(xiàn)了汽車數(shù)量與車位數(shù)量的相關(guān)問題，主要表現(xiàn)為汽車銷售商的推廣率以及自家購(gòu)買汽車的數(shù)量上升與物業(yè)公司在建造停車場(chǎng)時(shí)的預(yù)期停車位相比，后者根本無法滿足前者的需求，所以各個(gè)地方的停車問題可謂是如今社會(huì)的熱點(diǎn)話題之一。
就對(duì)現(xiàn)在的各個(gè)城市的停車問題來說，已經(jīng)嚴(yán)重限制住了人們的出行，這樣也就間接限制住了一個(gè)城市的規(guī)劃與發(fā)展。所以為了改變?nèi)粘Ｉ钪型＼囯y，車位少的現(xiàn)狀，研發(fā)和設(shè)計(jì)立體車庫(kù)變成了社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重大趨勢(shì)。目前大部分城市都采用地下式平面停車場(chǎng)，這種車庫(kù)在車輛進(jìn)出的坡道占據(jù)了停車場(chǎng)大部分面積，而且停車場(chǎng)所建造的位置地質(zhì)條件不好，建設(shè)成本將成倍提高，在進(jìn)入停車場(chǎng)時(shí)汽車長(zhǎng)時(shí)間保持低速行駛，容易提高事故的發(fā)生率以及廢氣和噪聲的產(chǎn)生，取車時(shí)需要到特定的出口進(jìn)行繳費(fèi)才能離開停車場(chǎng)，既繁瑣又浪費(fèi)時(shí)間費(fèi)時(shí)的[1-2]。
而目前可以實(shí)現(xiàn)高密度停車的最佳途徑方法就是建造立體車庫(kù)。立體車庫(kù)注重空間的利用率，與地下平面式停車場(chǎng)相比，在相同的停車位情況下采用更少的土地面積，停車庫(kù)運(yùn)用自動(dòng)化控制，對(duì)于車庫(kù)的村取車操作都集中在設(shè)置于車庫(kù)進(jìn)出口的操作面板上，因?yàn)檫@種全自動(dòng)化的運(yùn)行，節(jié)省了很多人力同時(shí)降低了車輛的存取時(shí)間，并且自動(dòng)化設(shè)備也間接提高了安全穩(wěn)定性能。所以立體停車庫(kù)憑借以上這些優(yōu)點(diǎn)，會(huì)越來越受到人們的喜歡和重視[ 3 ]。
1.2 課題研究的目的及意義
就近幾年城市的發(fā)展?fàn)顩r來看，城市交通的問題依然在逐漸加劇，如何解決停車難的問題已經(jīng)是發(fā)展的首要問題。特別是在一些經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和商業(yè)貿(mào)易區(qū)，人們想要停車時(shí)卻很難找到一個(gè)停車位。目前，停車位的數(shù)量已經(jīng)無法滿足人們出行的需求，也不能適應(yīng)現(xiàn)代城市的發(fā)展，特別是在一些土地價(jià)格昂貴的城市中。
而本課題研究并設(shè)計(jì)的就是立體車庫(kù)，立體車庫(kù)與平面式停車場(chǎng)相比本身就具有很多的優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)于一個(gè)城市的建設(shè)來說，本課題可更謂是具有重要的意義[5]，主要就表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：
（1） 將城市中沒使用到的上層空間利用起來，減少城市建設(shè)停車場(chǎng)的占地面積。
（2） 增加停車位間接避免了因停車空間緊張而引發(fā)的交通事件，給人們的出行帶來最大程度的便捷。
（3） 立體車庫(kù)操作簡(jiǎn)單，采用自動(dòng)化裝置，降低了因人工操作而產(chǎn)生的不必要時(shí)間。
（4） 改善了城市的環(huán)境建設(shè)，促進(jìn)了一個(gè)城市的建設(shè)與管理。
（5） 這種車庫(kù)建設(shè)成本比地下式車庫(kù)要低很多，間接提高了經(jīng)濟(jì)效益。
1.3 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
在立體車庫(kù)的研究與發(fā)展過程中，歐美地區(qū)的一些國(guó)家已經(jīng)有七十多年的歷史了，因此他們對(duì)于立體車庫(kù)的種類和規(guī)章制度方面都比較完善，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)那種用戶根據(jù)需求去選擇適合的種類模型，根據(jù)模型去建造立體車庫(kù)，同時(shí)他們的立體車庫(kù)也有完善的監(jiān)管體系。19世紀(jì)20年代，世界上第一個(gè)立體車庫(kù)在美國(guó)被研發(fā)出來，是一種非常簡(jiǎn)單的升降立體車庫(kù)，但其全部停車過程是需要工作人員來實(shí)現(xiàn)的，操作過程復(fù)雜，所以當(dāng)時(shí)立體車庫(kù)的的發(fā)展就得到了一定的限制。隨著第二次工業(yè)革命的開始，汽車產(chǎn)業(yè)很快的發(fā)展壯大了起來，最開始汽車的主要銷售方向是面向大城市，而這些大城市為了追求更快的發(fā)展，大部分土地面積都用來建造商業(yè)區(qū)，高樓大廈占據(jù)了大部分的空間，導(dǎo)致想要在城市里建造停車場(chǎng)卻根本沒有足夠的地方[6]。由于可利用的平地面積過少，立體停車庫(kù)受到了極大的重視，其空間利用率高的特點(diǎn)使其成為了城市停車場(chǎng)的主力軍。
美國(guó)第一次嘗試在立體車庫(kù)設(shè)計(jì)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)的控制技術(shù)是在1963年，最后成功建造了世界上第一個(gè)通過計(jì)算機(jī)來控制的自動(dòng)化立體車庫(kù)。在這以后自動(dòng)化的立體車庫(kù)就開始有了發(fā)展，它在原本的基礎(chǔ)上又降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了土地資源的同時(shí)更換零件和操作方面更加方便。直到1968年，英國(guó)在倫敦成功建設(shè)了世界上第一個(gè)可以容納300多輛車大型立體車庫(kù)，直到現(xiàn)在這個(gè)車庫(kù)依然在運(yùn)行著。因此，歐美國(guó)家在立體車庫(kù)方面得以迅速發(fā)展。
相比于歐美地區(qū)的國(guó)家，亞洲地區(qū)的國(guó)家在立體車庫(kù)這一方面發(fā)展的就比較晚了。對(duì)于亞洲地區(qū)來說日本可謂是立體車庫(kù)發(fā)展最早的國(guó)家，早在20世紀(jì)中后期日本的立體車庫(kù)產(chǎn)業(yè)就已經(jīng)得到了很好的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本形成，直到今天，日本對(duì)于立體車庫(kù)的研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)50多年。除了日本之外，發(fā)展最快應(yīng)該就是韓國(guó)了，韓國(guó)在1970年就已經(jīng)開始從事立體車庫(kù)的研發(fā)工作了，在前人的基礎(chǔ)上，立體車庫(kù)的研發(fā)工作進(jìn)展的很快，近20年的時(shí)間，立體車庫(kù)就基本已經(jīng)遍布全國(guó)了，立體車庫(kù)的增長(zhǎng)速度十分驚人，目前韓國(guó)的立體車庫(kù)設(shè)備的研發(fā)以及逐漸走向成熟了[7-8]。
1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
在中國(guó)，機(jī)械式停車技術(shù)的研發(fā)可分為三個(gè)階段，第一階段是處于上世紀(jì)80年代的獨(dú)立研究和自我發(fā)展階段，在這段時(shí)間中，制造商通常會(huì)選擇根據(jù)客戶的具體需求進(jìn)行自主開發(fā)設(shè)計(jì)，所以這時(shí)的機(jī)械式車庫(kù)種類少、工藝簡(jiǎn)單；第二階段是上世紀(jì)90年代，這時(shí)很多國(guó)內(nèi)的外資企業(yè)都開始引進(jìn)國(guó)外一些先進(jìn)技術(shù)，采用了將低廉的生產(chǎn)成本與國(guó)外的成熟技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行立體車庫(kù)的研發(fā)的方式，可以說是一個(gè)技術(shù)引進(jìn)階段；第三階段是在2000年以后的對(duì)引進(jìn)技術(shù)的研究并自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新階段，各個(gè)企業(yè)開始對(duì)之前所引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行整理和分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際的使用情況進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)全方位自主研發(fā)的道路[9]。
而在第三階段開始之后，我國(guó)在立體車庫(kù)這一領(lǐng)域的研究與技術(shù)都有了很大的進(jìn)步。從2003年開始就不斷有學(xué)者提出關(guān)于立體車庫(kù)的控制系統(tǒng)與PC機(jī)相結(jié)合進(jìn)行通信與聯(lián)網(wǎng)的管理模式[10]。在這之后，基本每隔一年，都會(huì)有人不斷地提出多種的創(chuàng)新型的車庫(kù)研究與設(shè)計(jì)，在2008年韓立芳等學(xué)者還提出了一種雙環(huán)拱型分體轎箱垂直旋轉(zhuǎn)式的立體停車庫(kù)[11]。直到2013年還有很多學(xué)者通過一些軟件對(duì)立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究與分析并得出權(quán)威性的結(jié)論，可見在這些年間我國(guó)對(duì)于立體車庫(kù)的研究領(lǐng)域也不斷有人才在不同的方面取得相關(guān)的成就，為我國(guó)未來的立體車庫(kù)研究奠定更加良好的基礎(chǔ)，也證實(shí)了即便我國(guó)現(xiàn)在的技術(shù)相對(duì)于國(guó)外的技術(shù)來說發(fā)展比較慢，但我國(guó)的機(jī)械式車庫(kù)技術(shù)也會(huì)在未來不斷地追趕上國(guó)外的相關(guān)技術(shù)。
到現(xiàn)在為止，我國(guó)立體車庫(kù)的研發(fā)與設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越成熟了，我國(guó)對(duì)于顧客方面的滿意度已經(jīng)越來越高。雖然我國(guó)大多數(shù)企業(yè)的立體車庫(kù)生產(chǎn)水平已經(jīng)得到了很大的提高，但是與國(guó)外一些技術(shù)非常成熟的企業(yè)相比，還是有著很明顯的差距的，尤其是一些核心技術(shù)方面與他們相比還是比較差的，這個(gè)問題主要是原因是我國(guó)有很多相關(guān)的技術(shù)圖紙都是從國(guó)外企業(yè)引進(jìn)過來，或者通過與外方成立中外合資企業(yè)才得以使用，因此我們的立體車庫(kù)建設(shè)水平大多都處于國(guó)外先進(jìn)技術(shù)以下。此外，在中國(guó)關(guān)于立體車庫(kù)方面的發(fā)明專利不是很多，而那些原創(chuàng)性專利就更是少之又少了，因此對(duì)于中國(guó)停車設(shè)備的發(fā)展方面，還是要更加進(jìn)一步的提高研究深度和水平。
1.4 課題的主要內(nèi)容與論文框架
1.4.1 主要研究?jī)?nèi)容
本課題主要針對(duì)目前地下平面式車庫(kù)空間利用度小的情況，并通過對(duì)機(jī)械式立體車庫(kù)相關(guān)的類型及其特點(diǎn)進(jìn)行分析以及對(duì)其控制系統(tǒng)的研究，提出了機(jī)械式立體車庫(kù)中的升降橫移運(yùn)動(dòng)方式車庫(kù)的方案，以西門子可編程控制器S7-300為主要的控制核心，并利用傳感器來反映立體車庫(kù)的實(shí)際情況，采用三層三列的車庫(kù)形式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)全自動(dòng)的升降橫移式立體車庫(kù)。
在本課題的設(shè)計(jì)中，首先要確定的是立體車庫(kù)的控制系統(tǒng)和工作原理，然后從立體車庫(kù)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、控制系統(tǒng)的主控制電路、可編程控制器PLC的I/O 端口分配與外部接線情況、裝置主要控制程序的編寫這四個(gè)主要方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)立體車庫(kù)的基本架構(gòu)形式，分析組成車庫(kù)的各部分結(jié)構(gòu)，并繪制本次立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)總圖，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)確定控制系統(tǒng)的需求，結(jié)合實(shí)際的電源系統(tǒng)繪制出控制系統(tǒng)的主控制電路圖，然后按照實(shí)際情況分析整個(gè)系統(tǒng)的輸入與輸出，進(jìn)行可編程控制器PLC的I/O分配，并結(jié)合所需要的傳感器檢測(cè)單元進(jìn)行外部接線，最后利用博途V13軟件進(jìn)行系統(tǒng)控制程序的編寫，通過硬件與軟件的相互結(jié)合，完成本次設(shè)計(jì)中升降橫移式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的操作和安全保護(hù)。
1.4.2 論文整體框架
根據(jù)本課題的研究?jī)?nèi)容，本論文將分為五部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：
第一部分主要介紹課題的來源以及研究的目的與意義，機(jī)械式立體車庫(kù)國(guó)內(nèi)外的研究情況和發(fā)展現(xiàn)狀，并說明本課題的主要研究?jī)?nèi)容及論文整體框架。
第二部分通過對(duì)各種立體車庫(kù)的分析選取了本課題立體車庫(kù)的設(shè)計(jì)方案，研究了立體車庫(kù)的整體結(jié)構(gòu)，說明本課題的立體車庫(kù)工作原理和控制系統(tǒng)。
第三部分主要通過分析對(duì)立體車庫(kù)各部分組成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，確定立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)。
第四部分主要對(duì)控制系統(tǒng)的PLC進(jìn)行選型、 I/O端口分配及外部的接線設(shè)計(jì)，也對(duì)主控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。
第五部分就根據(jù)立體車庫(kù)的工作原理和控制方案對(duì)控制系統(tǒng)整個(gè)的工作運(yùn)行流程進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)流程編寫立體車庫(kù)的梯形圖程序。
最后對(duì)本次課題的研究設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)本次設(shè)計(jì)中所參與幫助的人致以最真誠(chéng)的感謝。
2 立體車庫(kù)的選取與控制系統(tǒng)的研究
2.1立體車庫(kù)的概述及種類
2.1.1 立體車庫(kù)的定義
立體停車庫(kù)屬于一種倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施，它就是在一個(gè)有限的土地面積情況下，最空間的利用率達(dá)到最大的效果，使其與普通停車場(chǎng)相比可以儲(chǔ)存更多車輛得機(jī)械設(shè)備。立體車庫(kù)有很多種，機(jī)械式的，半機(jī)械式的，而在本文中我們著重研究的是機(jī)械式立體車庫(kù)。它是一種結(jié)合了機(jī)、電、光、控一體化的自動(dòng)立體車庫(kù)，由多重檢測(cè)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、安全警報(bào)裝置、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及儲(chǔ)存管理系統(tǒng)組成[14]。
2.1.2 立體車庫(kù)的種類及應(yīng)用
機(jī)械式的立體車庫(kù)根據(jù)其形式和用途的不同分為很多種類，就目前研發(fā)成果和市面情況來看，常用立體停車庫(kù)大概可分為8種，將通過他們具體的名稱，所擁有的特點(diǎn)和相關(guān)的示意圖進(jìn)行介紹[12-13]。
1. 升降橫移式
升降橫移式立體車庫(kù)在設(shè)定上每個(gè)車位都安裝載車板，通過載車板的升降和橫移的運(yùn)動(dòng)模式將空位載車板移動(dòng)到地面層，將車開到空位載車板后，載車板在通過相同的方式移動(dòng)到相應(yīng)的車位。在設(shè)定上地面層的載車板通常不能進(jìn)行升降的運(yùn)動(dòng)，只可進(jìn)行左右的橫移；中間各層的載車板既能進(jìn)行上升、下降移動(dòng)，同時(shí)也可以進(jìn)行左右橫移。通常情況下這種立體車庫(kù)除了最高層外地面層和中間各層都要留出一個(gè)空位，這個(gè)空位就是方便載車板在車庫(kù)各層中進(jìn)行移動(dòng)，讓存取車的操作更加順暢無阻礙。如圖2-1所示，這種立體車庫(kù)在可用面積一定的條件下有效的利用空間，提高了空間利用率，在車輛的存取過程中基本是無障礙運(yùn)行的，通過PLC達(dá)成車庫(kù)的自動(dòng)控制，并且有多種操作方式可供選配。
圖2-1 升降橫移式立體車庫(kù)
2. 垂直循環(huán)式
垂直循環(huán)式立體車庫(kù)是在載車板在豎直方向作循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過定點(diǎn)循環(huán)的方式來實(shí)現(xiàn)車輛的存取。這種車庫(kù)的工作原理是通過減速器來引導(dǎo)牽引裝置，牽引裝置上有牽引鏈，按照均勻的高度安裝載車板，當(dāng)裝置啟動(dòng)后，牽引鏈將進(jìn)行上下循環(huán)回流，載車板隨著牽引鏈的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，通過這種方式實(shí)現(xiàn)車輛的存取，如圖2-2所示。相比于其他立體車庫(kù)垂直循環(huán)式的車庫(kù)雖然占地面積更少了，但它建設(shè)的層數(shù)卻并沒有減少甚至?xí)黾?，因此可容納更多的車輛，同時(shí)它通過PLC實(shí)現(xiàn)一鍵存取模式，而且在設(shè)備方面沒有過多的限制，可以安置在地面上，也可以安置成一半地上一般地下，型號(hào)小的甚至可以安置在商場(chǎng)內(nèi)部。但是由于在結(jié)構(gòu)方面由于是小面積高樓式車庫(kù)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性不高的缺點(diǎn)，是還在發(fā)展中的一種立體車庫(kù)。
圖2-2 垂直循環(huán)式立體車庫(kù)
3. 水平循環(huán)式
水平循環(huán)式立體車庫(kù)是采用水平循環(huán)系統(tǒng)而建設(shè)的車庫(kù)。這種循環(huán)系統(tǒng)載車板通常都只做水平的橫移運(yùn)動(dòng)，然后載車板通過圓周循環(huán)的運(yùn)動(dòng)方式達(dá)到車輛的存取工作。一般采用兩層的設(shè)計(jì)，每層都有一個(gè)空位處作為車輛進(jìn)行移動(dòng)，這個(gè)位置設(shè)定為車庫(kù)的存取地點(diǎn)，只要將空位載車板移動(dòng)這個(gè)空位處，就可以實(shí)現(xiàn)汽車的存取進(jìn)出，如圖2-3所示。
圖2-3 水平循環(huán)式立體車庫(kù)
4. 巷道堆垛式
巷道堆垛式立體立體車庫(kù)是目前多種停車設(shè)備中技術(shù)含量和智能化程度相對(duì)比較搞得停車設(shè)備。它可以根據(jù)地方的不同要求進(jìn)行建設(shè)，主要采用全封閉式建設(shè)，當(dāng)然也有在室內(nèi)或者地下進(jìn)行建設(shè)的，所以這類車庫(kù)停車數(shù)目大，而且多為全封閉式也相對(duì)安全。但是，也正因?yàn)槿绱诉@種停車設(shè)備需要比較獨(dú)立的空間，不能出現(xiàn)其他的干擾物影響車庫(kù)的正常運(yùn)行，致使它的建造成本也是比較昂貴的。車庫(kù)的主要組成就是巷道堆垛機(jī)和搬運(yùn)車，通過兩者的相結(jié)合將車輛在指定位置進(jìn)行存取工作，車庫(kù)一把都會(huì)設(shè)計(jì)為5層左右，每層至少可以存放20多輛車，因此在一般情況下搬運(yùn)車搬運(yùn)的車輛都保持在50到100輛，這樣可以保持足夠高的效率，如圖2-4所示。
圖2-4 巷道堆垛式立體車庫(kù)
5. 多層循環(huán)式
多層循環(huán)式立體車庫(kù)簡(jiǎn)單來說就是一個(gè)水平循環(huán)式車庫(kù)的升級(jí)版，在載車板進(jìn)行水平循環(huán)的過程中，增加一個(gè)上下的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車輛多層存放的停車設(shè)備。它在本身的循環(huán)系統(tǒng)中增添了升降系統(tǒng)，使每層的載車板在水平循環(huán)的同時(shí)還進(jìn)行著升降移動(dòng)，如圖2-5所示。這種車庫(kù)從設(shè)計(jì)來看并不需要坡道，車輛的存取工作簡(jiǎn)單快捷，一般都建設(shè)在那種僅需一個(gè)出入口的場(chǎng)所，所以經(jīng)常會(huì)在那種大型建筑物的地下看到這類車庫(kù)。
圖2-5 多層循環(huán)式立體車庫(kù)
6. 平面移動(dòng)式
平面移動(dòng)式立體車庫(kù)主要是通過搬運(yùn)車和升降機(jī)來實(shí)現(xiàn)多層車庫(kù)的存取工作。通過載車板在同一個(gè)層面進(jìn)行移動(dòng)來進(jìn)行平面平移車輛，而搬運(yùn)車和升降機(jī)的作用就是實(shí)現(xiàn)載車板不同平面的存取，以此來實(shí)現(xiàn)車輛多層平面的移動(dòng)。但這種車庫(kù)操作要求較高，通常都需要工作人員來進(jìn)行操作，而且安全性也不高，如圖2-6所示。
圖2-6 平面移動(dòng)式立體車庫(kù)
7. 垂直升降式
垂直升降式立體車庫(kù)可以說是充分利用升降式車庫(kù)的性能，結(jié)合搬運(yùn)機(jī)來實(shí)現(xiàn)每層的橫移，通常終將會(huì)留出來一列作為運(yùn)輸通道，稱為“井道”，而停車位就建設(shè)在井道的兩側(cè)。在所有立體車庫(kù)中垂直升降式是土地面積利用度最高的車庫(kù)，但是由于其全金屬結(jié)構(gòu)框架構(gòu)造，因此建設(shè)費(fèi)用很高，安全度也沒有其他種類的立體車庫(kù)好，如圖2-7所示。
圖2-7 垂直升降式立體車庫(kù)
8. 簡(jiǎn)易升降式
簡(jiǎn)易升降式立體車庫(kù)是指在同一豎直面上采用搬運(yùn)車或起重機(jī)來對(duì)車輛進(jìn)行升降移動(dòng)，通常不能進(jìn)行水平的橫移運(yùn)動(dòng)。這種類型的立體車庫(kù)都是在人車分開后進(jìn)行，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且車庫(kù)通常都是2層的，能存取的車輛也不會(huì)特別多，操作方面也沒有過多要求，一般人員都可以操作，所以多用于一些私人住宅和事業(yè)單位得車庫(kù)建造，如圖2-8所示。
圖2-8 簡(jiǎn)易升降式立體車庫(kù)
2.2 立體車庫(kù)的選型
通過對(duì)各種類機(jī)械式立體車庫(kù)的特點(diǎn)并結(jié)合我國(guó)目前停車現(xiàn)狀分析，以及本次研究設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)為公共場(chǎng)所的立體停車設(shè)備，在保證一定土地面積利用的條件下，并從節(jié)約建設(shè)成本和維護(hù)設(shè)備成本的條件下出發(fā)，最終選用了機(jī)械式立體車庫(kù)中的升降橫移式立體車庫(kù)作為本次設(shè)計(jì)的方案。
根據(jù)一些關(guān)于升降橫移類立體車庫(kù)的相關(guān)書籍查閱，我們可以看到，一般的立體車庫(kù)可以根據(jù)其布局形式有全地面的，半地下的和重疊的。根據(jù)車庫(kù)的位置設(shè)定為公共場(chǎng)所的建設(shè)，為了利用更多的空間，節(jié)約建造商的成本，選用了全地上式的三層三列式結(jié)構(gòu)的立體車庫(kù)。本文將對(duì)擁有7個(gè)車位地上三層的升降橫移式立體車庫(kù)進(jìn)行分析、研究和設(shè)計(jì)。
2.3 升降橫移式立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)與工作原理
2.3.1升降橫移式立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)組成
為了更好對(duì)本次升降橫移式立體車庫(kù)的設(shè)計(jì)與研究，本論文選取了雙層的升降橫移式立體車庫(kù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[16-17]。通過對(duì)其整體結(jié)構(gòu)的研究（具體構(gòu)造如2-9所示），我們得知在升降橫移式立體車庫(kù)在建造中主要結(jié)構(gòu)裝置有鋼結(jié)構(gòu)、載車板、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、擋梁和安全裝置。
立體車庫(kù)中的鋼結(jié)構(gòu)主要使用H型鋼以及鋼板這類鋼件，通過對(duì)這幾類的鋼件進(jìn)行焊接而制成主要鋼架結(jié)構(gòu)，然后再通過焊接或者高強(qiáng)度的螺栓連接等方法來完成主體框架結(jié)構(gòu)，以此來提高框架的強(qiáng)度和剛度。
載車板就如同其字面意思，是車輛進(jìn)行停放的鋼板，可以說是核心結(jié)構(gòu)之一，因?yàn)椴煌瑯邮降妮d車板能夠承受不同類型的車輛，眾所周知現(xiàn)在的車輛樣式越來越多，也就導(dǎo)致了車輛的重量不確定性，所以載車板的選取也決定了車庫(kù)能承受何種重量的車輛。
傳動(dòng)系統(tǒng)就分為很多種，有橫移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和升降橫移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。在立體車庫(kù)中中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)起到了及其主要的作用，不論是多大的立體車庫(kù)，車庫(kù)內(nèi)的車位要是想要進(jìn)行移動(dòng)都需要傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)。
控制系統(tǒng)分為主回路和控制回路兩部分，主要分為自動(dòng)運(yùn)行方式、手動(dòng)運(yùn)行方式、點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行方式這三種運(yùn)行方式[18]。一般主回路都是控制載車板上所安裝的控制電機(jī)，而控制回路則要針對(duì)不同要求的車庫(kù)在不同情況下設(shè)計(jì)，用來保證車輛與人員的的安全。
圖2-9 雙層升降橫移式立體車庫(kù)
在車輛進(jìn)入和離開車庫(kù)的的過程中，為了防止錯(cuò)誤操作而出現(xiàn)事故，此時(shí)就需要檔梁來起作用了。一般檔梁都橫放在車庫(kù)的底層，而且能夠進(jìn)行自動(dòng)開關(guān)閉，在有需要的情況下操作人員也可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行處理調(diào)整。
不管在什么樣的裝置中都要配備安全裝置，這樣才能確保設(shè)備和人員的安全[19]，通常包括下列幾種裝置：
1. 緊急停止裝置 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)非正常情況，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行緊急停止時(shí)，通過緊急停止裝置立即停止設(shè)備的運(yùn)行，因此車庫(kù)都會(huì)設(shè)置緊急停止裝置。通常都是造作面板上的一個(gè)按鈕，為了讓其看起來醒目按鈕多為紅色。
2. 運(yùn)行限制裝置 立體車庫(kù)在運(yùn)行期間，為了確保各層的車位開始運(yùn)動(dòng)或者運(yùn)到到位期間的安全時(shí)，就要安裝運(yùn)行限制裝置，例如限位開關(guān)在運(yùn)行期間出現(xiàn)了問題，限制裝置中的超限位開關(guān)便會(huì)立刻停止裝置的運(yùn)行，對(duì)車庫(kù)進(jìn)行保護(hù)作用。
3. 車輛長(zhǎng)度檢驗(yàn)裝置 當(dāng)車輛超過車庫(kù)所規(guī)定的車輛長(zhǎng)度時(shí)，該裝置可以使設(shè)備停止運(yùn)行或者進(jìn)行報(bào)警，一般是光電檢測(cè)開關(guān)。
4. 防止載車板墜落裝置 一種載車板保護(hù)裝置，主要是為了防止當(dāng)載車板在車庫(kù)中運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定位置后，載車板因故障突然墜落而設(shè)置的。通常是安裝相應(yīng)的安全掛鉤，通過安全掛鉤來有效防止載車板墜落。
5. 報(bào)警裝置 當(dāng)停車設(shè)備運(yùn)行時(shí)，報(bào)警裝置會(huì)提醒人們注意安全，一般是語音或者字幕提示。
除了以上提到的主要結(jié)構(gòu)裝置外，車庫(kù)還需配有其他的大量相關(guān)電器設(shè)備以及操作平臺(tái)，例如可編程控制器、電動(dòng)機(jī)和各種傳感器等相關(guān)電器設(shè)備，還有安裝在操作室中的操作臺(tái)，以及具備保護(hù)和報(bào)警功能的相關(guān)設(shè)備，有的還會(huì)有應(yīng)急手動(dòng)控制設(shè)備等。
2.3.2 升降橫移式立體車庫(kù)的工作原理
本文研究設(shè)計(jì)的是升降橫移運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化立體車庫(kù)，具有三層三列式的結(jié)構(gòu)，地面層與中間層為2個(gè)車位，最右邊各設(shè)置一個(gè)空車位來方便車庫(kù)內(nèi)部載車板的移動(dòng)，最高層則為3個(gè)車位，車庫(kù)共預(yù)計(jì)7個(gè)車位。在車庫(kù)中每個(gè)存車位都安裝有載車板，地面層的載車板可以進(jìn)行水平的橫移運(yùn)動(dòng)，最高層的則可以進(jìn)行垂直的升降移動(dòng)，而中間層的既可進(jìn)行橫移運(yùn)動(dòng)也可進(jìn)行降運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本次設(shè)計(jì)立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)形式，其工作原理大致可以理解為：在顧客要在車庫(kù)進(jìn)行存取車輛時(shí)，載車板通過升降和橫移的運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)到地面層，顧客就可以把車輛駛?cè)牖蝰偝鲕噹?kù)。為了更加明確的了解該車庫(kù)的工作原理，根據(jù)其判定形式與難易程度，將該車庫(kù)在運(yùn)行時(shí)的工作原理分為以下三種：
1. 車庫(kù)地面層工作原理
圖2-11 地面層存取車工作原理
如圖2-11所示，地面一層車輛存取工作只要在系統(tǒng)確定好該車輛所要停的空車位或者已經(jīng)存好的車位后，車主將車輛倒入或者駛出相應(yīng)的車位，即可完成車輛的存取工作，這層車庫(kù)進(jìn)行存取工作期間不需要任何的升降橫移等運(yùn)動(dòng)。
2. 車庫(kù)中間層工作原理
圖2-12 中間層存取車工作原理
中間層進(jìn)行車輛存取工作時(shí)，應(yīng)先判斷車主所要進(jìn)行存取的車位所對(duì)應(yīng)的地面層的載車板上是否有車，如果有車，則將地面層的該車位進(jìn)行橫移，確保該位置保證是無車的狀態(tài)后，再將中間層的載車板下降到地面層，進(jìn)行車輛的存??；如果沒車，則直接將中間層的載車板下降到地面層進(jìn)行車輛的存取，如圖2-12所示。
3. 車庫(kù)最高層工作原理
圖2-13 最高層存取車工作原理
最高層進(jìn)行車輛存取工作時(shí)與中間層存取車的工作原理基本相似，在進(jìn)行車輛存取時(shí)都需要對(duì)地面層載車板是否有車進(jìn)行判斷，但同時(shí)也要對(duì)中間層載車板是否有車進(jìn)行判斷，都需要在所對(duì)應(yīng)的地面層與中間層車位為無車空車位的情況下進(jìn)行工作。首先要判斷的是對(duì)應(yīng)中間層的車位是否有車，確保載車板可以順利下降到中間層，然后在判斷對(duì)應(yīng)地面層的車位是否有車，這樣載車板才能下降到地面層，達(dá)到存取車的目的。在這個(gè)過程中不論是中間層還是地面層的載車板都只需要通過水平的橫移運(yùn)動(dòng)就可以空出載車板的移動(dòng)路徑，然后最高層的載車板通過升降運(yùn)動(dòng)就可以到達(dá)地面層了，如圖2-13所示。
2.4 升降橫移式立體車庫(kù)的控制系統(tǒng)
2.4.1 控制系統(tǒng)的分析
本課題所設(shè)計(jì)的立體車庫(kù)的控制系統(tǒng)功能實(shí)質(zhì)上就是完成所研究的升降橫移式立體車庫(kù)傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)一般都由上位的PC機(jī)和下位的PLC這兩部分組成的，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-14。
圖2-14 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
在控制系統(tǒng)中都會(huì)常采用中間繼電器和接觸器等設(shè)備進(jìn)行信息的存儲(chǔ)和傳輸，同時(shí)該系統(tǒng)要求具有較高的可靠性和安全性，如果使用繼電器進(jìn)行控制不能滿足要求，而使用PLC作為主控制器的話，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)多個(gè)輸入和輸出設(shè)備的控制，從而形成一個(gè)完整的自動(dòng)存取車輛控制系統(tǒng)[20]。
按照這樣的設(shè)計(jì)理念來看，控制系統(tǒng)通過PLC來構(gòu)建話，輸入端就可以通過光電開關(guān)來判斷載車板上是否有車輛在進(jìn)行移動(dòng)，再通過限位開關(guān)來實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置的檢測(cè)與控制，確保車輛是否已經(jīng)安全的停在載車板上；輸出端則通過交流接觸器來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，在通過使用一些中間繼電器對(duì)開關(guān)和接觸器進(jìn)行自鎖和互鎖的安全保護(hù)。
在車庫(kù)自動(dòng)運(yùn)行的過程中，為了方便操作人員的現(xiàn)場(chǎng)控制以及維修人員的故障診斷，還需要利用到上位PC主機(jī)。一般都是在現(xiàn)場(chǎng)的上位PC機(jī)與下位PLC之間之間安裝現(xiàn)場(chǎng)總線來達(dá)成兩者之間的通信。通過上位PC主機(jī)的圖形顯示、數(shù)據(jù)通信和處理等功能，將下位PLC在現(xiàn)場(chǎng)所采集到的各種信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收和處理，并通過這些信號(hào)數(shù)據(jù)反映到PC主機(jī)的監(jiān)控界面，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。
這樣操作人員就只需要運(yùn)用控制開關(guān)就可以通過控制系統(tǒng)讓車庫(kù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)在輸入端和輸出端分別使用安全掛鉤和安全裝置來確保車庫(kù)運(yùn)行期間的安全性。
2.4.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
對(duì)于本次設(shè)計(jì)來說，再知道了車庫(kù)的控制功能和工作過程后，就要確定PLC的類型和相關(guān)硬件設(shè)備的選擇，然后按照控制系統(tǒng)的情況繪制電動(dòng)機(jī)的控制電路圖，并對(duì)PLC的輸入、輸出端口進(jìn)行分配，設(shè)計(jì)PLC外部接線圖。接著根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的控制任務(wù)進(jìn)行控制系統(tǒng)程序的編寫，最后對(duì)程序進(jìn)行編譯和下載，通過調(diào)試程序驗(yàn)證程序是否符合要求。圖2-15為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。
根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路，研究和設(shè)計(jì)的具體工作主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行展開：首先對(duì)控制系統(tǒng)硬件方面的研究與設(shè)計(jì)，然后對(duì)軟件方面（及程序的編寫）進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過程序來檢測(cè)各種信號(hào)的傳遞和驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，最后對(duì)立體車庫(kù)的程序進(jìn)行調(diào)試[21]。
硬件部分：主要研究PLC和所需擴(kuò)展模塊的選型，控制系統(tǒng)的I/O端口地址分配，設(shè)計(jì)出各個(gè)模塊的外部接線圖，同時(shí)還對(duì)所需要的控制電機(jī)的電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。
軟件部分：對(duì)控制系統(tǒng)的整體流程分析繪制流程圖，根據(jù)流程圖對(duì)系統(tǒng)的初始化、自動(dòng)存取車、系統(tǒng)的手動(dòng)控制、系統(tǒng)報(bào)警這幾個(gè)方面進(jìn)行程序編寫，因系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，所以編程簡(jiǎn)單便于修改。
圖2-15 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖
3 升降橫移式立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
經(jīng)過對(duì)車庫(kù)結(jié)構(gòu)的分析，可以看出升降橫移式立體車庫(kù)的主要結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)，主要分為兩部分，主體框架部分和載車板部分。而鋼結(jié)構(gòu)在連接形式方面是比較簡(jiǎn)單的，主要是焊接和螺栓連接這兩種方式，而選取那種連接方式將直接影響到車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)的性能好壞[22-23]。表3-1是某立體車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)格。
表3-1 某車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)初選規(guī)格
序號(hào)
名稱
初選型鋼規(guī)格尺寸
截面面積/cm3
理論重量/kg.m-1
1
立柱
HW200×200×8
63.53
49.9
2
橫梁
HN250×125×6
37.87
29.7
3
縱梁
HW200×100×5.5
27.57
21.7
因?yàn)榭紤]到力學(xué)原理，主框架的基本結(jié)構(gòu)由剛性連接的柱和梁構(gòu)成，在水平方向上建造的一般都是梁，而柱大多是在豎直方向上建造的。再建造過程中主要是通過鋼的抗彎強(qiáng)度來承受車輛對(duì)車庫(kù)所帶來的力，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)主要考慮鋼結(jié)構(gòu)的剛度要求。
根據(jù)現(xiàn)在的主框架結(jié)構(gòu)形式，主要有跨梁形式、后懸臂形式和單立柱形式，這三種結(jié)構(gòu)形式如圖3-1所示。
圖3-1 升降橫移式立體車庫(kù)的幾種框架形式
跨梁形式的結(jié)構(gòu)框架是采用雙柱的結(jié)構(gòu)形式，它的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，很大跨度使駕駛員視野開闊，而且立柱也可以給駕駛員當(dāng)參照物，車輛進(jìn)出非常方便。但是大的跨度也給鋼的生產(chǎn)和運(yùn)輸帶來很多不便，因此通常用于雙層升降的立體車庫(kù)建設(shè)。
后懸臂形式主要依靠后立柱的支撐，所承受的力矩較大，因此對(duì)立柱的穩(wěn)定性要求很高，制造和維護(hù)的成本相對(duì)也比較大。
單立柱形式的結(jié)構(gòu)因其跨度小而具有良好的穩(wěn)定性，鋼材的運(yùn)輸也方便，支撐的強(qiáng)度和剛度負(fù)載也比較大，對(duì)于層數(shù)和列數(shù)比較多的車庫(kù)單立柱形式是非常適合的。然而這種結(jié)構(gòu)形式由于立柱比較多，對(duì)車輛的駛?cè)胍苍斐刹蛔?，建造的成本也?huì)相對(duì)比較高。
綜合以上分析可已看出，對(duì)于升降橫移式立體車庫(kù)而言單立柱的結(jié)構(gòu)形式更符合力學(xué)特性，因此本文選用單立柱結(jié)構(gòu)形式作為立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)框架型式。同時(shí)在鋼結(jié)構(gòu)的框架中主要是依據(jù)抗彎強(qiáng)度來承受載荷的，這種框架的失效模式均表現(xiàn)為彎曲變形，所以在結(jié)構(gòu)框架中加入了人字形式的結(jié)構(gòu)來提高鋼結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度，提高其工作性能，其結(jié)構(gòu)框架如圖3-2所示。
圖3-2 立體車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)框架形式
3.1.1 立柱受力分析
所選的立柱為標(biāo)準(zhǔn)H型鋼，初選尺寸為HW200×200×8×L2。所建的立體車庫(kù)為三層三列式，前立柱為兩根，后立柱四根，所有立柱都均勻分布。立柱所受的力主要是作用于支架表面的壓力和彎矩。不論車庫(kù)處于那種工作情況，立柱所受的豎直方向的力作用在地基上，對(duì)立柱的影響不大，因此只要考慮彎矩對(duì)立柱位偏移移的影響即可。當(dāng)車庫(kù)內(nèi)車位都有車也就是車庫(kù)處于滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，此時(shí)立柱所受的影響是最大的，因此偏差也是最大的。而且前立柱比后立柱要少，就算在車庫(kù)沒有車輛時(shí)前立柱所受的載荷也比后立柱的大，所以我們主要研究前立柱的受力情況即可，圖3-3為立柱的受力分析圖。
圖3-3 立柱受力分析圖
因?yàn)榱⒅惭b在地面上，所以有一端必接地，即為D點(diǎn)，所以D點(diǎn)是全約束。根據(jù)受力分析圖，B點(diǎn)所受的彎矩是,C點(diǎn)所受彎矩為，設(shè)立柱腿寬a=200mm，立柱腿長(zhǎng)=AD=5800mm，將立柱分為AB、BC、CD三段，并取=BC=2500mm，=CD=2700mm，=4900，g=9.8N/kg，普通鋼材的彈性模量取值范圍是196～216GPa，在本課題中Q235鋼的彈性模量E取一個(gè)中間值，即206GPa。一輛汽車重量在1000kg左右，加上車內(nèi)坐滿人并且裝了貨物后，一輛汽車的重量大概在1600kg左右，而車庫(kù)本身每層都有載車板重量，估計(jì)在600kg左右。在確定好已知條件后，將數(shù)值帶入下列公式求得B點(diǎn)和C點(diǎn)的彎矩和：
求得B點(diǎn)與C點(diǎn)的彎矩后，根據(jù)受力圖可看出最大撓度發(fā)生的點(diǎn)是立柱的頂端，也就是點(diǎn)A，而點(diǎn)A的的撓度和點(diǎn)B以及點(diǎn)C所受的彎矩密切相關(guān)，所根據(jù)下列公式我們可以得出最大撓度方程：
撓曲線方程：
（3.1）
端截面轉(zhuǎn)角：
（3.2）
最大撓度方程：
（3.3）
根據(jù)B點(diǎn)和C點(diǎn)的彎矩求出截面轉(zhuǎn)角和：
因此根據(jù)最大繞度公式即可計(jì)算出，所以最大撓度為：
3.1.2 橫梁和縱梁受力分析
在立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)中，其主要框架除了立柱還有橫梁和縱梁，但是橫梁和縱梁他們各自收到的力各不相同。在立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)中橫梁主要受到升降、橫移這些驅(qū)動(dòng)裝置的重力以及滑輪上的壓力和剪切力作用。而縱梁橫跨在前后立柱中間，且當(dāng)載車板上停放車輛時(shí)，縱梁承受主要壓力，因此橫梁的受力遠(yuǎn)小于縱梁所受的力，所以對(duì)橫梁的受力暫不考慮?？v梁的受力分析如圖3-4所示。
圖3-4 縱梁受力分析簡(jiǎn)圖
對(duì)縱梁受力分析的簡(jiǎn)化圖可以看出其主要受拉壓應(yīng)力，并且縱梁兩端都是固定在立柱上，為固定約束，所以只受、兩個(gè)向下的力。根據(jù)縱梁做安裝的位置不同，其受力情況也不一樣，因此、力的大小也就不同。在立體車庫(kù)中根據(jù)安裝情況分為邊側(cè)縱梁和中間縱梁，而邊側(cè)縱梁外側(cè)沒有機(jī)動(dòng)車停放所以其外側(cè)不收力，只有內(nèi)側(cè)受力。但中間縱梁由于兩側(cè)都有機(jī)動(dòng)車停放，其內(nèi)外兩側(cè)表面均受力，所以邊側(cè)縱梁的受力遠(yuǎn)低于中間縱梁的受力。因此本文選取對(duì)中間縱梁進(jìn)行分析，分別在在B、C兩種工作狀態(tài)下的受力進(jìn)行研究。表3-2為縱梁具體的工作狀態(tài)情況。
表3-2 縱梁的工作狀態(tài)情況
對(duì)象
序號(hào)
工作狀態(tài)
載荷
邊側(cè)縱梁
A
縱梁表面外側(cè)不受力
縱梁表面內(nèi)側(cè)受力
中間縱梁
B
縱梁兩側(cè)停車方向一致
C
縱梁兩側(cè)停車方向不一致
1. 中間縱梁在工作情況為B時(shí)
在工作情況B的狀態(tài)下，也就是縱梁兩側(cè)的汽車停車方向一致時(shí)，此時(shí)所受力的為，，因?yàn)槠毡闄C(jī)動(dòng)車車頭都是有發(fā)動(dòng)機(jī)之類的裝置，所以我們假設(shè)。設(shè)縱梁長(zhǎng)度，，彈性模量E=206GPa，，g取9.8N/kg依然設(shè)機(jī)動(dòng)車自身重，載車板重則：
從計(jì)算結(jié)果可以看出，因此我們可以將看作是另一側(cè)的和的合力。如圖3-5所示，對(duì)縱梁所受的力進(jìn)行分解后分別如圖3-5（a），圖3-5（b）所示，對(duì)這兩種受力圖分別進(jìn)行撓度計(jì)算。
圖3-5 工作情況B時(shí)縱梁受力簡(jiǎn)圖
根據(jù)兩端固定梁的撓度方程：
AB段：
（3.4）
BC段：
（3.5）
最大撓度：
（3.6）
其中式中的，，值通過查閱取0.3后代入得出最大撓度方程，帶入已知數(shù)據(jù)對(duì)圖2（a）進(jìn)行計(jì)算可得：
然后對(duì)圖2（b）進(jìn)行撓度計(jì)算，其中a=AB=1150mm，b=BD=4650mm，，而，此時(shí)的撓度方程有：
AB段：
（3.7）
BD段：
（3.8）
最大撓度，當(dāng)時(shí)：
（3.9）
通過計(jì)算可以得出當(dāng)x在x=3572mm=3.572m處時(shí)，最大撓度為：
通過對(duì)圖2（a）和圖2（b）分別計(jì)算后可以得出在工作情況為B時(shí)的撓度最大值：
。
2. 中間縱梁在工作情況為C時(shí)
當(dāng)處于工作情況C的啥時(shí)候，這時(shí)中間縱梁A、D兩端為全約束，并且由于車的方向不一致，所以受力對(duì)稱，因此在BC段中間處為發(fā)生巧度變形最大的位置，此時(shí)中間縱梁所受力的大小為，帶入數(shù)據(jù)求得：。
求得力的大小后，根據(jù)兩端固定梁撓度方程2.4與2.5和最大撓度方程2.6，帶入已知數(shù)據(jù)求得最大撓度：
所以在工作情況為C的時(shí)候中間縱梁的最大撓度為2.051mm，因此對(duì)比工作情況B和工作情況C的最大撓度：
所以立體車庫(kù)的在處于工作情況B時(shí)，中間縱梁所受道德應(yīng)力最為顯著，此時(shí)的變形也最大，這種工作情況下的最大撓度變形為2.130mm。
3.2 載車板的設(shè)計(jì)
載車板在車庫(kù)中主要是用來承載進(jìn)入車庫(kù)的車輛，主要根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，有框架式和拼板式兩種[24]。框架式載車板通常都設(shè)有兩側(cè)停車通道和中間凸起的頂面，它可以根據(jù)車庫(kù)具體的需要設(shè)置行駛車道的寬度，每個(gè)部分都可以采用不同厚度的鋼板。相比于框架式來說拼板式載車板是進(jìn)行一次性沖壓或滾壓將鍍鋅鋼板制成的，之后會(huì)讀組裝的零件進(jìn)行表面加工處理，然后再通過咬合拼裝和螺栓連接的方式組成載車板，這樣載車板運(yùn)輸起來更加方便。在本課題中設(shè)計(jì)的是三層七車位的升降橫移式立體車庫(kù)，要求駛?cè)牍δ芤己们也恍枰M(jìn)行大批量的生產(chǎn)，因此我們采用框架式的載車板。如圖3-6為載車板結(jié)構(gòu)圖。
圖3-6 載車板結(jié)構(gòu)圖
3.3 橫移結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在立體車庫(kù)中要使載車板動(dòng)起來就需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而升降橫移式立體車庫(kù)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為橫移結(jié)構(gòu)和升降結(jié)構(gòu)。立體車庫(kù)橫移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般是由減速電機(jī)、主動(dòng)行走輪、從動(dòng)輪和運(yùn)行導(dǎo)軌組成的。各層每個(gè)載車板的后面都裝有減速電機(jī)，減速電機(jī)在導(dǎo)軌上驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)，從而從動(dòng)輪跟著動(dòng)，這樣就完成了載車板的水平橫移運(yùn)動(dòng)。如圖3-7為橫移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3-7 橫移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖
3.4 升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
升降結(jié)構(gòu)也就是車庫(kù)里的提升機(jī)構(gòu)，目前提升傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要可分為三種：鋼絲繩傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)。其中鋼絲繩傳動(dòng)對(duì)載車板所提升的高度方面上沒有限制，因此它也需要鋼絲捅和剎車盤才能進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。鏈條傳動(dòng)就更加簡(jiǎn)單可靠，而且建造價(jià)格又不貴，但它與鋼絲繩傳動(dòng)相比在高度方面就有一定的限制，在調(diào)試時(shí)也要時(shí)刻注意是否有咬鏈的情況出現(xiàn)。如果采用液壓傳動(dòng)的方式，確實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)真正的無級(jí)調(diào)速，而且它響應(yīng)速度快，并且調(diào)速范圍寬，同時(shí)還具有誤差小精度高和安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，但液壓傳動(dòng)的建造件格昂貴，對(duì)密封技術(shù)方面的要求也很高，而且要用到大量油液。因此在本次設(shè)計(jì)的升降橫移式立體車庫(kù)中，從方案的可行角度和實(shí)際情況考慮，采用鏈傳動(dòng)的方式更加穩(wěn)定。如圖3-8是鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3-8 鏈條式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖
3.5 安全防護(hù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在立體車庫(kù)的機(jī)構(gòu)中，對(duì)于車庫(kù)的安全保護(hù)系統(tǒng)的要求時(shí)很高的。安全防護(hù)系統(tǒng)有很多種形式，對(duì)于車庫(kù)的安全穩(wěn)定性來說車輛墜落的預(yù)防裝置是安全防護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵的一環(huán)。當(dāng)車輛停在載車板上時(shí)，安全防墜裝置就可以限制住載車板，防止其落下。本次設(shè)計(jì)的立體車庫(kù)選用了掛鉤式的防墜裝置，這種裝置通過電磁鐵的驅(qū)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)它的工作，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)觸動(dòng)安全掛鉤解鎖，不通電則鎖住安全掛鉤，操作起來非常方便而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安全性高，目前也是在車庫(kù)結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的一種安全裝置，圖3-9是安全防墜裝置的結(jié)構(gòu)。
圖3-9 安全防墜裝置結(jié)構(gòu)圖
3.6 車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
根據(jù)對(duì)本次設(shè)計(jì)的升降橫移式立體車庫(kù)的工作原理和控制要求的分析，并結(jié)合結(jié)構(gòu)框架、載車板結(jié)構(gòu)等部分的分析與設(shè)計(jì)，可大致模擬出本次設(shè)計(jì)的三層三列升降橫移式立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)工作原理可知地面層只需要橫移機(jī)構(gòu)，把地面層的車位定為1號(hào)車位和2號(hào)車位；中間層既需要橫移機(jī)構(gòu)也需要升降機(jī)構(gòu)，車位定為3號(hào)車位和4號(hào)車位；而最高層也只需要升降機(jī)構(gòu)，將車位定為5號(hào)車位、6號(hào)車位和7號(hào)車位。每層每個(gè)車位都需要裝有載車板和安全防墜裝置，這樣車庫(kù)才能在確保安全的情況下通過升降橫移運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)存取車的操作。如圖3-10為車庫(kù)結(jié)構(gòu)圖。（車庫(kù)結(jié)構(gòu)圖詳見附錄1）
圖3-10 車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)圖
4 升降橫移式立體車庫(kù)硬件部分的設(shè)計(jì)
4.1 立體車庫(kù)電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是負(fù)責(zé)載車板橫移的電機(jī)和升降的電機(jī)，其工作原理就是通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制來實(shí)現(xiàn)各個(gè)車位載車板的升降橫移運(yùn)動(dòng)。PLC由上位機(jī)PC機(jī)進(jìn)行相關(guān)的指令控制，通過PLC采集相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。
根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的立體車庫(kù)，要求每個(gè)車位的載車板至少都安裝一臺(tái)電機(jī)，而本文的立體車庫(kù)預(yù)計(jì)車位為7車位的立體車庫(kù)，而中間層有要求既能進(jìn)行橫移運(yùn)動(dòng)又能進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，因此每個(gè)車位要多一個(gè)電機(jī)，所以共需要9個(gè)電機(jī)，分別為升降電機(jī)5個(gè)，橫移電機(jī)4個(gè)。
在確定好所需要的電機(jī)模式和數(shù)目后，就要考慮選用何種電機(jī)了，通常對(duì)于升降和橫移這類運(yùn)動(dòng)的電機(jī)基本都選用三相異步電動(dòng)機(jī)。結(jié)合電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停止控制的基本電路、制動(dòng)控制的電路原理和控制方案中立體車庫(kù)實(shí)際存取車的要求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。該控制電路能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速啟動(dòng)并對(duì)各個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)達(dá)到良好的控制和保護(hù)，如圖4-1所示電動(dòng)機(jī)控制電路的示意圖。（控制電路圖詳見附錄2）
圖4-1 電機(jī)控制電路接線圖
4.2 立體車庫(kù)控制器的概述與選型
4.2.1 可編程控制器（PLC）的概述
1. 可編程控制器的定義
可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱為PLC，主要是通過數(shù)字量或者模擬量的輸入和輸出端口來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種類型機(jī)械設(shè)備的控制的電子操作系統(tǒng)。目前在其內(nèi)部是以微處理器為核心，可以執(zhí)行多種運(yùn)算指令，即使他最初是以電氣控制和計(jì)算機(jī)的技術(shù)研發(fā)出來的，但現(xiàn)在它已經(jīng)是一個(gè)具備多種先進(jìn)技術(shù)的自動(dòng)化工業(yè)控制裝置。
2. 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)
從可編程控制器的定義可以看出PLC也是計(jì)算機(jī)不斷發(fā)展而衍生出的產(chǎn)品，它主要是由中央處理器、輸入/輸出端口、儲(chǔ)存器及電源這幾部分組成的。如果說它與普通計(jì)算機(jī)的區(qū)別的話，也就是在工業(yè)過程進(jìn)行連接的接口和符合控制要求的編程語言這兩方面是比普通的計(jì)算器強(qiáng)很多的[25]，如圖4-2所示PLC的基本結(jié)構(gòu)。
圖4-2 PLC的基本結(jié)構(gòu)
3. 可編程控制器的一般特點(diǎn)
可編程控制器因其不同于其他控制系統(tǒng)從而得到人們得廣泛應(yīng)用，主要是它具有普通計(jì)算機(jī)等繼電器、接觸器等控制裝置所沒有的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：
（1） 抗干擾能力極高；
（2） 編程簡(jiǎn)單方便；
（3） 使用方便；
（4） 維護(hù)方便；
（5） 設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短；
（6） 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；
4. 可編程控制器的主要功能
可編程控制器一般都是要提前把程序輸入進(jìn)去，再結(jié)合工作現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)的作用，觸發(fā)相應(yīng)的輸出信號(hào)來控制現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)構(gòu)的執(zhí)行。所以其主要功能主要體現(xiàn)為順序邏輯控制、運(yùn)動(dòng)定時(shí)控制、計(jì)數(shù)步進(jìn)控制、模數(shù)和數(shù)模的轉(zhuǎn)換、可進(jìn)行通信聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理這幾大方面。
5. 可編程控制器的工作過程
雖然從上述幾個(gè)方面可發(fā)現(xiàn)可編程控制器的基本組成及工作原理與一般微型計(jì)算機(jī)的幾乎相同，但實(shí)際上其工作過程與微型計(jì)算機(jī)有很大差異，這主要是有操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件的差異造成的。在工作過程中，PLC主要有兩點(diǎn)與微型計(jì)算機(jī)有很大的不同，分別是周期性順序掃描和集中批處理。在PLC安全啟動(dòng)后，在運(yùn)行過程中一直是處于一種不斷循環(huán)的掃描，這就形成了一種周期性的順序掃描，由于這個(gè)掃描過程可能需要處理很多的輸入或者輸出端口，所以就采用了集中批處理的方式，以此來簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作過程并提高系統(tǒng)可靠性。如圖3-3所示為PLC的工作流程圖。
圖3-3 PLC的工作過程流程圖
4.2.2 可編程控制器（PLC）的選型
隨著可編程控制器相關(guān)產(chǎn)品的廣泛使用，PLC的產(chǎn)品類型越來越多，根據(jù)其結(jié)構(gòu)類型、擴(kuò)展功能、編程方法、價(jià)格等多個(gè)方面進(jìn)行分類，不同種類型號(hào)的PLC其所適用的范圍也不同，因此選擇合適的PLC對(duì)控制系統(tǒng)的控制性能有著關(guān)鍵性的影響。
1. 機(jī)型的選擇
目前PLC的主要還是根據(jù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行區(qū)分，主要分為整體式、模板式及分散式三種形式[27]。
整體式PLC是將電源和CPU等組成部件都安裝在統(tǒng)一的箱體內(nèi)，也有裝在一塊印制電路板上的。這樣的整體式結(jié)構(gòu)就讓其擁有了體積小，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于機(jī)械聲場(chǎng)的單機(jī)控制。因此整體式通常都是小型機(jī)或者微型機(jī)。
模板式PLC就是將PLC各部分以模板的形式分開，將電源、CPU等部分進(jìn)行模板化。因?yàn)椴捎媚０迨沁M(jìn)行組裝，所以都會(huì)設(shè)有一個(gè)機(jī)架低板，用于將各種各樣的模板插入鏈接。這樣拼接式的組成就讓用戶可以根據(jù)不同的控制要求配置模板來滿足控制系統(tǒng)的需求。因此采用這種結(jié)構(gòu)的多為中型機(jī)和大型機(jī)。
分散式PLC就類似于整體式和模板式結(jié)合后的產(chǎn)物。它把主要的電源和CPU等部分集中安裝在一起，而將輸入/輸出這類部分模板化，通過通信連線的方式安裝在各個(gè)地方。但是最終還是由CPU進(jìn)行集中指揮，然后對(duì)各個(gè)模塊發(fā)出相應(yīng)的指令。
因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的是三層三列式的立體車庫(kù)，車庫(kù)本身提及并不大，而且其控制系統(tǒng)的功能也是比較固定的，且主要控制方式采用開關(guān)式，并且所需要的輸入端口和輸出端口數(shù)量不是特別龐大，因此采用小型PLC就能實(shí)現(xiàn)該裝置的控制需要。通過對(duì)三種形式的PLC的分析，看出模板式PLC的結(jié)構(gòu)更為緊湊，而且模塊配置靈活。所以本課題選取了由西門子公司生產(chǎn)的S7-300模板式PLC作為主控制器。
2. CPU的選擇
目前S7-300系列的PLC主要分為標(biāo)準(zhǔn)型、集成型、緊湊型和故障安全型這四個(gè)CPU系列。因?yàn)镃PU的不同，相應(yīng)的模塊功能也有不同，不同性能的CPU模板滿足不同的需求，通常在選擇CPU模塊時(shí)，我們應(yīng)該考慮相關(guān)CPU集成的I/O點(diǎn)數(shù)和模塊擴(kuò)展功能以及其通信接口的數(shù)量等因素。
在本次設(shè)計(jì)中我們選用緊湊型CPU系列，它是在集成型CPU系列的基礎(chǔ)上推出的功能更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更緊湊的CPU模板，它們均配置了微儲(chǔ)存卡和9針多點(diǎn)通