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摘要伴隨著社會(huì)生產(chǎn)力的顯著提高,越來越多的人選擇汽車作為主要的交通工具,在城市停車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后且土地資源受限的情況下,“停車難”的問題日益凸顯。針對(duì)當(dāng)前立體車庫(kù)主要依靠人工操作、缺乏高效的存取路徑規(guī)劃方法以及泊位利用率低等問題,本研究構(gòu)建了一個(gè)以PLC為核心的智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng),旨在實(shí)現(xiàn)以下功能:首先,選取升降橫移式立體車庫(kù)作為研究的核心,從其結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)作機(jī)制出發(fā),明確系統(tǒng)的功能需求及操作原理。隨后,依據(jù)車庫(kù)的整體布局設(shè)計(jì),探討車庫(kù)的功能特性,并針對(duì)升降橫移式立體車庫(kù)開展硬件方面的設(shè)計(jì)工作。其中,硬件系統(tǒng)主要由PLC、上位機(jī)、電源和電機(jī)以及其網(wǎng)絡(luò)通信模塊共同組成。最后,對(duì)智能立體車庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)及人機(jī)界面設(shè)計(jì),利用西門子S7-1200型PLC控制器編寫程序,通過PORTALV16(博圖)軟件對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),并使用HMI觸摸屏進(jìn)行編程,以實(shí)現(xiàn)立體車庫(kù)的自動(dòng)化控制和智能化管理。本課題從工程實(shí)踐的角度出發(fā),對(duì)立體車庫(kù)的推廣和發(fā)展具有重要的實(shí)踐意義。關(guān)鍵詞:立體車庫(kù);PLC;升降橫移式;上位機(jī);PORTALV16;HMIABSTRACTWiththeremarkableimprovementofsocialproductivity,moreandmorepeoplechoosecarsasthemainmeansoftransportation.Inthecaseoflaggingurbanparkinginfrastructureandlimitedlandresources,theproblemof"difficultparking"isincreasinglyprominent.Inviewoftheproblemsthatthecurrentthree-dimensionalgaragemainlyreliesonmanualoperation,lacksefficientaccesspathplanningmethodandlowberthutilizationrate,thisstudyhasconstructedanintelligentthree-dimensionalgaragecontrolsystemwithPLCasthecore,aimingatachievingthefollowingfunctions:Firstly,theliftingandtraversingstereogarageisselectedasthecoreoftheresearch,andthefunctionalrequirementsandoperatingprinciplesofthesystemaredefinedfromitsstructuralcharacteristicsandoperatingmechanism.Then,accordingtotheoveralllayoutdesignofthegarage,thefunctionalcharacteristicsofthegaragearediscussed,andthehardwaredesignworkiscarriedoutfortheliftingandtraversingthree-dimensionalgarage.Amongthem,thehardwaresystemismainlycomposedofPLC,uppercomputer,powersupply,motoranditsnetworkcommunicationmodule.Finally,thesoftwaredesignandman-machineinterfacedesignoftheintelligentthree-dimensionalgaragesystemarecarriedout,theprogramiswrittenbySiemensS7-1200PLCcontroller,themonitoringsystemisdesignedbyPORTALV16software,andtheHMItouchscreenisusedforprogramming,soastorealizetheautomaticcontrolandintelligentmanagementofthethree-dimensionalgarage.Fromtheperspectiveofengineeringpractice,thistopichasimportantpracticalsignificanceforthepromotionanddevelopmentofthree-dimensionalgarage.Keywords:three-dimensionalgarage;PLC;liftingandtraversingtype;uppercomputer;PORTALV16;HMI第一章緒論在20世紀(jì)90年代,擁有私家車是鄰居們羨慕的對(duì)象。但到了21世紀(jì),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,購(gòu)車速度加快。從1995年的每千人僅2.06輛車,到2014年激增至每千人90.21輛車,增幅達(dá)43倍。到2023年末,我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已超過4億輛,達(dá)到430280590輛,汽車已成為普遍現(xiàn)象。但隨著生活層次的提高,人們隨即也迎來了越來越多的問題,日常停車難,無疑是眾多車主最為頭疼的問題,車位已經(jīng)儼然成了稀缺品,車位的“生產(chǎn)”速度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上汽車,車位供需已然失衡,并且在逐步惡化。未來,將會(huì)有越來越多的機(jī)動(dòng)車主面臨著有車無位的尷尬局面。為了解決我國(guó)“停車難”的問題,各省政府針對(duì)這一問題采取合理的交通管理措施,其主要途徑就是建設(shè)立體車庫(kù)。立體車庫(kù)其優(yōu)勢(shì)在于車庫(kù)的占地面積相對(duì)較小,車庫(kù)的車位利用率高、安全性好且操作管理便利等,對(duì)于我國(guó)停車難問題能夠起到有效的緩解作用,同時(shí)對(duì)促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代化發(fā)展起到了重要作用。研究背景隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,人民生活水平日益提高,我國(guó)汽車保有量也將持續(xù)增加,據(jù)我國(guó)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì),2018年截至2023年9月,我國(guó)的汽車保有量已經(jīng)達(dá)到3.3億輛。汽車保有量情況如圖1-1所示:2018—2023年9月底中國(guó)汽車保有量統(tǒng)計(jì)情況圖1-1全國(guó)汽車保有量早期人們對(duì)待停車問題的認(rèn)識(shí)需求不夠完善,在上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行城市的一些規(guī)劃的方案時(shí),對(duì)待我們的汽車停放考慮問題不周全,大多數(shù)都為平面式的停車庫(kù),但是伴隨著我們國(guó)家發(fā)展的日新月異,家家戶戶汽車的需求不斷進(jìn)行增加,停車現(xiàn)狀已經(jīng)無法滿足當(dāng)下社會(huì)的飽和需求[1],車庫(kù)位置緊張并且收費(fèi)較貴,然而就突出了停車比較難的問題,但對(duì)于大城市來說,城市發(fā)展迅速程度,土地的占有資源寶貴,也比較緊張,因此我國(guó)的停車問題也愈來愈引起重視,隨著立體車庫(kù)的普及,傳統(tǒng)的平面式停車模式正在逐漸消失。從而進(jìn)行構(gòu)建研究三維的立體停車庫(kù)[2],為我國(guó)停車難的問題提供了方向和思路。已經(jīng)成為解決這一難題的重要措施[3]。例如占地面積小,高度的立體感,自動(dòng)化,大存儲(chǔ)容量。這些突出的問題引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。1.2立體車庫(kù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀1.2.1國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀相比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)立體車庫(kù)的發(fā)展起步較晚,仍有待加強(qiáng)[4]。自80年代起,中國(guó)就開始探索建設(shè)立體停車庫(kù),當(dāng)時(shí)的努力集中于對(duì)市場(chǎng)需求的調(diào)查,并且積極引進(jìn)和消化先進(jìn)的技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)[5]。隨著20世紀(jì)90年代中國(guó)沿海城市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,大量的外資涌入中國(guó)市場(chǎng),國(guó)外的立體車庫(kù)設(shè)備制造商也紛紛瞄準(zhǔn)這一幾乎較窄的街道停車問題。目前來說,我國(guó)的機(jī)械車庫(kù)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方面已經(jīng)堪比國(guó)外先進(jìn)技術(shù),通過引入交流變頻調(diào)速技術(shù)[6]、激光測(cè)距[7]、PLC、觸摸屏[8]、總線控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù),使得產(chǎn)品的技術(shù)含量、智能化水平和運(yùn)行可靠性得到了顯著提升。1.2.1國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀在亞洲,機(jī)械式停車設(shè)備技術(shù)的廣泛應(yīng)用主要集中在日本和韓國(guó)。日本自20世紀(jì)60年代起便開始從事機(jī)械停車設(shè)備的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù),至今已有四十多年的歷史。目前,日本約有200多家公司從事機(jī)械式停車庫(kù)及其設(shè)備的開發(fā)和制造,其中大約100家專注于生產(chǎn)機(jī)械式停車設(shè)備。這些公司中,較大的企業(yè)包括新明和、石川島、日精、三菱重工等。自90年代以來,日本每年投入運(yùn)行的機(jī)械停車泊位超過10萬個(gè),產(chǎn)品種類也從單一的垂直循環(huán)式發(fā)展到多種形式,目前已開發(fā)出九大類近百個(gè)品種的機(jī)械式停車設(shè)備。全日本已投入使用超過300萬個(gè)機(jī)械式停車位,其中升降橫移式停車設(shè)備占據(jù)主導(dǎo)地位。日本在多層升降橫移類、垂直升降類、水平循環(huán)類、垂直循環(huán)類、簡(jiǎn)易升降類等產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。德國(guó)和意大利等歐洲國(guó)家也在較早的時(shí)間開始從事停車設(shè)備的開發(fā)和生產(chǎn),其中較好的公司包括意大利的Sotefin、Interpark和德國(guó)的Palis等。在歐洲,由于土地資源相對(duì)充足,停車問題并不十分突出,因此對(duì)停車設(shè)備的需求不高。主要的停車設(shè)備類型為巷道堆垛式和多層升降橫移式,這兩種類型的停車設(shè)備在歐洲尤其是德國(guó)的應(yīng)用非常廣泛。德國(guó)是停車設(shè)備生產(chǎn)的大國(guó),擁有約24家生產(chǎn)廠商,其中KLAUS和OTTOWOHR兩家公司的產(chǎn)量占到了德國(guó)總產(chǎn)量的80%。德國(guó)和意大利等國(guó)家的停車庫(kù)主要優(yōu)勢(shì)在于巷道堆垛類產(chǎn)品,而德國(guó)最具代表性的立體車庫(kù)是沃爾夫斯堡全自動(dòng)停車塔。日本、德國(guó)立體車庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1-2、1-3所示:圖1-2日本平面移動(dòng)車庫(kù)圖1-3德國(guó)沃爾夫斯堡全自動(dòng)停車塔1.3本文研究的主要目的和內(nèi)容1.3.1研究目的本研究旨在針對(duì)當(dāng)前城市停車難的問題,通過分析和改進(jìn)現(xiàn)有的平面車庫(kù),設(shè)計(jì)出一種既智能又方便的立體停車解決方案。通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化,使鋼架結(jié)構(gòu)更加合理,旨在充分利用資源,降低經(jīng)濟(jì)成本,對(duì)提升城市道路發(fā)展具有實(shí)際意義,并對(duì)智能立體車庫(kù)的推廣產(chǎn)生積極影響。1.3.2研究?jī)?nèi)容本文總共分為以下幾個(gè)部分:第一章:緒論。首先從我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的角度出發(fā),探討了研究立體車庫(kù)問題的背景;隨后,對(duì)國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述;最后,簡(jiǎn)要說明了本論文旨在解決的問題及研究的主要內(nèi)容。第二章:智能立體車庫(kù)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。首先對(duì)立體車庫(kù)進(jìn)行了初步概述并依據(jù)其種類劃分,從而選擇了升降橫移式立體車庫(kù)作為研究對(duì)象,并描述了其工作方式。接下來,對(duì)升降橫移式立體車庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討,包括停車場(chǎng)的布局和機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)建。最后,詳細(xì)介紹了升降橫移式立體車庫(kù)的工作原理,為進(jìn)一步的工作奠定了基礎(chǔ)。第三章:智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。首先對(duì)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹,采用了可編程控制器S7-1200PLC作為控制系統(tǒng)的核心,其次選擇了使用便利、開發(fā)效率高、運(yùn)行可靠的上位機(jī)以及系統(tǒng)的I/O分配,最后對(duì)立體車庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。第四章:智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。首步是分析PLC控制程序設(shè)計(jì)的需求,接著依次開發(fā)PLC控制程序、構(gòu)建上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)計(jì)HMI觸摸屏界面,最終實(shí)現(xiàn)立體車庫(kù)存取車的自動(dòng)化控制。第五章:HMI組態(tài)及系統(tǒng)調(diào)試。首先對(duì)HMI即人機(jī)界面進(jìn)行了介紹,其次確定了在本次設(shè)計(jì)中所需要的人機(jī)交互設(shè)備并根據(jù)其控制要求進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)和通信連接,最后對(duì)其功能進(jìn)行調(diào)試。第六章:結(jié)論與展望。首先回顧了論文的主要工作,并指出了研究中存在的問題,同時(shí)提出了未來研究的方向。第二章智能立體車庫(kù)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1立體車庫(kù)介紹立體車庫(kù)是一種機(jī)械倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備系統(tǒng),其全稱為“全自動(dòng)立體停車系統(tǒng)”,立體車庫(kù)的目的是車庫(kù)所占面積或體積最小化,而最大化存放車輛的數(shù)量。2.1.1立體車庫(kù)的分類改革開放之后,我國(guó)工業(yè)快速得到發(fā)展,同時(shí)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)及設(shè)備,對(duì)其進(jìn)行了本土化的改進(jìn)以及適應(yīng)性調(diào)整。在最近幾年,在城市化和交通擁堵日益加劇的背景下,立體車庫(kù)成為解決城市停車難題的主要手段,因此得到了不斷的發(fā)展及推廣[9][10]。根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局頒布的《特種設(shè)備目錄》,立體車庫(kù)被細(xì)分為九種類別,包括垂直升降型、簡(jiǎn)易升降型、垂直循環(huán)型、水平循環(huán)型、多層循環(huán)型、平面移動(dòng)型、巷道堆垛型、汽車專用升降機(jī)型和升降橫移型。1.垂直升降式立體車庫(kù)如圖2-1(a)所示,垂直升降類立體車庫(kù)又稱為塔式立體車庫(kù),它的設(shè)計(jì)理念是將車輛垂直升降來實(shí)現(xiàn)其停放和取出。垂直升降式立體車庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)由升降機(jī)、平臺(tái)和車位組成[11],其操作原理如圖2-2(b)所示:(a)垂直升降式現(xiàn)場(chǎng)(b)垂直升降式工作原理圖2-1垂直升降式立體停車庫(kù)2.簡(jiǎn)易升降式立體車庫(kù)如圖2-2(a)所示,簡(jiǎn)易升降式立體車庫(kù)是一種簡(jiǎn)單的立體停車設(shè)備,通常由一個(gè)簡(jiǎn)單的鋼制結(jié)構(gòu)、升降系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等組成。與其他類型的立體車庫(kù)不同,簡(jiǎn)易升降式立體車庫(kù)通常不需要太多的建筑空間。它通常有一個(gè)升降平臺(tái)和一個(gè)升降機(jī)構(gòu),將車輛升起并將其停放在高度為一層或兩層的儲(chǔ)車平臺(tái)上,其操作原理如圖2-2(b)所示:簡(jiǎn)單升降式現(xiàn)場(chǎng)圖(b)簡(jiǎn)單升降式工作原理圖圖2-2簡(jiǎn)單升降式立體停車庫(kù)3.垂直循環(huán)式立體停車庫(kù)如圖2-3(a)所示,垂直循環(huán)式立體車庫(kù)是一種通過循環(huán)式垂直升降機(jī)實(shí)現(xiàn)汽車存儲(chǔ)和檢索的機(jī)械立體停車系統(tǒng)。垂直循環(huán)式立體車庫(kù)在停車時(shí)只需要垂直升降進(jìn)行存儲(chǔ)和檢索操作,其建設(shè)和維護(hù)成本較低,也更加適合小型停車場(chǎng)。垂直循環(huán)式立體車庫(kù)的工作原理是汽車在地面駛?cè)肷禉C(jī)平臺(tái),然后升降機(jī)通過類似摩天輪運(yùn)動(dòng)的方式,將汽車向上運(yùn)輸?shù)胶线m的停車位,其操作原理如圖2-3(b)所示:(a)垂直循環(huán)式現(xiàn)場(chǎng)圖(b)垂直循環(huán)式工作原理圖圖2-3垂直循環(huán)式立體停車庫(kù)4.水平循環(huán)式立體車庫(kù)如圖2-4(a)所示,該立體車庫(kù)通過水平循環(huán)與升降的智能控制,實(shí)現(xiàn)了車輛的有效存放,極大地節(jié)省了空間資源。系統(tǒng)基于PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,配備多重安全保護(hù)機(jī)制,保障使用過程的安全性。用戶存取車輛方便快捷,界面友好,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,設(shè)計(jì)靈活多樣。其操作原理如圖2-4(b)所示:(a)水平循環(huán)式現(xiàn)場(chǎng)圖圖2-4水平循環(huán)式立體停車庫(kù)5.多層循環(huán)式立體車庫(kù)如圖2-5(a)所示,多層循環(huán)式立體車庫(kù)通過PLC技術(shù)的全面自動(dòng)化管理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛存放的高效循環(huán)控制。這不僅極大提升了空間利用率和節(jié)省了場(chǎng)地資源,還通過智能化的操作提升了管理效率和安全性。此外,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到了用戶操作的便捷性和車輛存取的便利性,同時(shí)提供了多樣化的結(jié)構(gòu)選擇和靈活的布局方案,確保了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高效性能。其操作原理如圖2-5(b)所示:(a)多層循環(huán)式效果圖圖2-5多層循環(huán)式立體停車庫(kù)6.平面移動(dòng)式立體車庫(kù)如圖2-6(a)所示,平面移動(dòng)式立體車庫(kù)停車系統(tǒng)利用升降機(jī)進(jìn)行垂直升降以及搬運(yùn)機(jī)在平面上的來回移動(dòng),自動(dòng)完成車輛到多層平面停車區(qū)的轉(zhuǎn)移。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制,能夠迅速進(jìn)行調(diào)度,達(dá)成存取車過程的完全自動(dòng)化。此系統(tǒng)適合安裝于大型樓宇及公共設(shè)施場(chǎng)所,尤其適宜于需要大量停車位的大規(guī)模停車場(chǎng)。其可提供的車位范圍從10個(gè)至數(shù)千個(gè)不等,且能夠允許兩輛車同時(shí)進(jìn)行進(jìn)出庫(kù)操作。依據(jù)具體的場(chǎng)地條件,可以對(duì)系統(tǒng)的布置方式進(jìn)行選擇,包括縱向布置或橫向布置。其操作原理如圖2-6(b)所示:(a)平面移動(dòng)式現(xiàn)場(chǎng)圖圖2-6平面移動(dòng)式立體停車庫(kù)7.巷道堆垛式立體車庫(kù)如圖2-7(a)所示,巷道堆垛式立體車庫(kù)是通過機(jī)械設(shè)備將汽車自動(dòng)停放到指定車位的立體車庫(kù)。巷道堆垛式立體車庫(kù)采用的是水平移動(dòng)和升降結(jié)合的方式[12][13],具有空間利用率高、容積率大的優(yōu)點(diǎn),常被用于大型商業(yè)中心、機(jī)場(chǎng)、車站等人流密集場(chǎng)所的停車場(chǎng)。巷道中央則是移動(dòng)式的貨架或搬運(yùn)機(jī)器人,其操作原理如圖2-7(b)所示:(a)巷道堆垛式現(xiàn)場(chǎng)圖(b)巷道堆垛式工作原理圖圖2-7巷道堆垛式立體停車庫(kù)8.汽車專用升降機(jī)如圖2-8(a)所示,汽車專用升降機(jī)作為停車庫(kù)的核心運(yùn)輸設(shè)備,承擔(dān)著升降車輛的功能,有效替代了傳統(tǒng)的車庫(kù)進(jìn)出及樓層間移動(dòng)方式。該設(shè)備的載重性能和操作模式可根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整,既可以選配曳引或卷?yè)P(yáng)系統(tǒng),也可以通過減速電動(dòng)機(jī)直接進(jìn)行動(dòng)力傳輸,還可以借助先進(jìn)的交流電壓-頻率變換控制(VVVF)技術(shù),以達(dá)到更高的操作精度和效率。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,機(jī)房可為頂置,側(cè)置或底置方式。節(jié)省大量場(chǎng)地??晒┤塑嚬草d。機(jī)房可頂置,側(cè)置或底置。其操作原理如圖2-8(b)所示:(a)汽車升降機(jī)現(xiàn)場(chǎng)圖圖2-8巷道堆垛式立體停車庫(kù)9.升降橫移式立體車庫(kù)如圖2-9(a)所示,升降橫移式立體車庫(kù)是一種將車輛在水平和垂直方向上移動(dòng)的立體停車設(shè)備。該設(shè)備可以在有限的地面內(nèi)提供更多的停車位,是商業(yè)、住宅和公共場(chǎng)所常用的停車解決方案之一。升降橫移式立體車庫(kù)的工作原理與垂直升降式類似,也是通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車輛的垂直移動(dòng)。不同之處在于,升降橫移式立體車庫(kù)還具有橫移功能,可以將車位在水平方向上移動(dòng)到合適的位置,以便于車輛進(jìn)出。具體來說,升降橫移式立體車庫(kù)通常由升降機(jī)構(gòu)和橫移機(jī)構(gòu)組成。其操作原理如圖2-9(b)所示:(a)升降橫移式現(xiàn)場(chǎng)圖(b)升降橫移式工作原理圖圖2-9升降橫移式立體停車庫(kù)2.1.2立體車庫(kù)的選型升降橫移式立體車庫(kù)最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠最大化停車位的數(shù)量,并且不需要太大的建筑面積。另外,由于車輛是垂直升降的,所以不需要斜坡或走廊來連接不同層之間的停車位,這也節(jié)省了空間。并且由于無需車輛進(jìn)出車庫(kù)內(nèi)部,還可以減少對(duì)車輛造成的損傷和事故的發(fā)生。此外,升降橫移式立體車庫(kù)以PLC進(jìn)行控操作簡(jiǎn)單,不需要人工指導(dǎo),且自動(dòng)化程度高,可大大提高停車效率,減少等待時(shí)間。經(jīng)過分析對(duì)比,本文采用升降橫移式升降車庫(kù)作為研究對(duì)象。2.1.3立體車庫(kù)的基本結(jié)構(gòu)升降橫移式立體車庫(kù)是一種機(jī)械式停車設(shè)備,通過載車板的升降或橫向移動(dòng)來存取和停放車輛。每個(gè)車位都配備有載車板,駕駛員在進(jìn)入車庫(kù)后,可以通過這些載車板的升、降、橫移運(yùn)動(dòng)將所需存取的車輛移動(dòng)到地面層,從而完成存取過程。在本設(shè)計(jì)中立體車庫(kù)共設(shè)有9個(gè)車位,包括兩個(gè)預(yù)留通道和7個(gè)實(shí)際使用車位。底層平面車位可直接進(jìn)出車,無需影響其他托盤。頂層車位進(jìn)出車前,需確認(rèn)其下方無車輛占用,若有,則需調(diào)整至空位后方可下降至下層進(jìn)行進(jìn)出車操作,操作完畢后返回原位。根據(jù)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律存取車的過程主要包括3個(gè)步驟:(1)為了釋放空間以容納車輛,必須執(zhí)行載車板的水平移動(dòng);(2)為了取出或放入車輛,需對(duì)載車板實(shí)施升降動(dòng)作;(3)載車板需精確地在左右兩側(cè)移動(dòng)至目標(biāo)停車位,并調(diào)整至精確的高度。升降橫移式立體車庫(kù)平面示意圖如圖2-10所示:圖2-10升降橫移式立體車庫(kù)平面示意圖2.1.4升降橫移式機(jī)械停車設(shè)備容車規(guī)格在本次設(shè)計(jì)中因?yàn)榭紤]到實(shí)際問題的局限性,所以本文選用中小微型汽車作為研究對(duì)象,并對(duì)其做出限長(zhǎng)、限寬、限高和承重的要求。其中車長(zhǎng)為5000mm以下,車寬為1900mm以下,車高為1550mm以下,車重為2000kg以下。2.1.5升降橫移式立體車庫(kù)的工作方式在升降橫移(PSH)立體車庫(kù)中,由于車庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),最上層的載車板僅限于垂直移動(dòng),而最底層的載車板則僅限于水平移動(dòng),但是在其他層次,載車板的上下移動(dòng)都是可以實(shí)現(xiàn)的[14]。在地面層,車輛的存取更加便捷,與傳統(tǒng)的停車位存取相同,但是在其他樓層,則需要利用每個(gè)車位的水平移動(dòng),創(chuàng)建出一條專門的通道,讓目標(biāo)載車板得以通過,從而將它們從上層降落至地面層,從而滿足車輛的存取需求如果PSH立體車庫(kù)具備X層Y列,那么就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的快速存取,則最大存儲(chǔ)車輛總數(shù)Z為:Z=X*Y?2立體車庫(kù)這樣通過左右進(jìn)行橫移,從而形成通道供載車板進(jìn)行使用,為了提高車輛存取的效率,我們使用了多種載車板,包括上下兩個(gè)部分。上部載車板能夠上下調(diào)節(jié),下部載車板能夠水平移動(dòng),而中部載車板則具有上下調(diào)節(jié)功能[15]。在建筑物的每一個(gè)部分,不管是高層還是底層,都應(yīng)該保證有一個(gè)足夠的空間來容納車輛,以便于它以便于它們能夠上下移動(dòng)[16]。2.2立體車庫(kù)系統(tǒng)功能需求分析在本設(shè)計(jì)中,車庫(kù)的核心功能是實(shí)現(xiàn)車輛的存取操作,主要服務(wù)于管理員、操作員和用戶。根據(jù)不同的服務(wù)對(duì)象,他們對(duì)車庫(kù)的使用權(quán)限和功能需求各不相同,這些需求主要包括自動(dòng)存取、手動(dòng)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及故障時(shí)的聲光報(bào)警。系統(tǒng)功能需求如圖2-11所示:圖2-11系統(tǒng)功能需求圖2.3立體車庫(kù)工作原理立體車庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)存取車過程,此車庫(kù)為單行通道。通過PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制,車庫(kù)通過點(diǎn)擊觸摸屏面板,使橫移機(jī)通過相應(yīng)的指令達(dá)到其目的。存車時(shí),用戶在觸摸屏上選擇存車操作,車庫(kù)門打開,用戶停車后出庫(kù),車庫(kù)門關(guān)閉,載車板進(jìn)行升降或平移運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定目標(biāo)車位。在進(jìn)行車庫(kù)內(nèi)取車的時(shí)候,用戶進(jìn)行操作刷卡在觸摸屏上進(jìn)行操作,等待汽車被載車板升降或平移后送到底層平面車位,用戶進(jìn)入載車板將車開出,載車板復(fù)位,此時(shí)人員可駕車離去。存取車流程圖如圖2-12、2-13所示:圖2-12存車流程圖2-13取車流程第三章智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)的主要硬件組成部分包括上位計(jì)算機(jī)、用戶界面、PLC以及其他的執(zhí)行單元和監(jiān)控單元等,具體硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3-1所示:圖3-1硬件系統(tǒng)基本架構(gòu)示意圖3.2主機(jī)PLC的選擇在選擇PLC時(shí),主要考慮其功能需求、處理能力以及是否便于維護(hù)、備件的通用性、擴(kuò)展性以及是否有特殊功能需求等因素。(1)PLC輸入/輸出點(diǎn)確定在規(guī)劃PLC的I/O配置時(shí),必須考慮到一定的靈活性;鑒于控制任務(wù)需要9個(gè)輸入通道,因此在選擇輸入點(diǎn)的數(shù)量時(shí),既可以考慮采用8個(gè)點(diǎn),也可以考慮使用16個(gè)點(diǎn);同時(shí),考慮到控制對(duì)象的數(shù)量為7個(gè),輸出點(diǎn)的選擇可以低于8個(gè)點(diǎn),例如選擇8個(gè)點(diǎn)作為輸出點(diǎn)數(shù),綜合以上兩點(diǎn),選擇輸入輸出點(diǎn)數(shù)16點(diǎn)[17]。PLC存儲(chǔ)容量在系統(tǒng)中存在模擬量信號(hào)或需要執(zhí)行大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的情況下,應(yīng)優(yōu)先考慮選擇較大的存儲(chǔ)容量;專用鏜孔機(jī)床PLC控制程序設(shè)計(jì)步驟200步之內(nèi)存儲(chǔ)容量小于20K,選擇8K即可。輸出類型在大多數(shù)情況下,鑒于專用鏜孔機(jī)床依賴于交流220V三相異步電機(jī)進(jìn)行操作,故此,選用繼電器輸出型MR(具備觸點(diǎn)功能,適用于連接交直流負(fù)載)或采用雙向晶閘管輸出型MS(無觸點(diǎn)設(shè)計(jì),適合連接交流負(fù)載)均屬可行選項(xiàng)。存儲(chǔ)維持時(shí)間一般存儲(chǔ)器的使用壽命大約為1至3年,但這也取決于其使用頻率。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)保存或在斷電情況下保持?jǐn)?shù)據(jù),推薦使用EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)作為存儲(chǔ)介質(zhì),因?yàn)樗恍枰~外的電源供應(yīng)即可工作。此外,還可以考慮使用外置存儲(chǔ)卡盒作為一種替代方案。PLC的擴(kuò)展可通過增加擴(kuò)展模塊、擴(kuò)展單元與主單元連接的方式[18]。擴(kuò)展模塊有輸入單元、輸出單元、輸入/輸出一體單元。擴(kuò)展部分超出主單元驅(qū)動(dòng)能力時(shí)應(yīng)選用帶電源的擴(kuò)展模塊或另外加電源模塊予以支持[19]。PLC的聯(lián)網(wǎng)PLC的聯(lián)網(wǎng)方式分為PLC與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和PLC之間相互聯(lián)網(wǎng)兩種。與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)可通過RS232C接口直接連接、RS422+RS232C/422轉(zhuǎn)換適配器連接、調(diào)制解調(diào)通訊連接等方式[20];一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng),可通過采用通信處理器、網(wǎng)絡(luò)適配器等方式進(jìn)行連接,連接介質(zhì)為雙絞線或光纜;PLC之間互聯(lián)時(shí)可通過專用通訊電纜直接連接、通訊板卡或模塊+數(shù)據(jù)線連接等方式[21]。綜上所述原因,選擇S7-1200。3.3電源和電機(jī)的選擇在本次設(shè)計(jì)中選擇雙路供電,選擇使用380V電壓、50Hz頻率的三相交流電。對(duì)于車庫(kù)升降電機(jī),通常要求的功率為2.2KW,因此選用額定功率為2.2KW、額定電流為4.83A的三相異步電機(jī)Y90L-2。而對(duì)于橫移電機(jī),其一般要求的功率為0.2KW,故選擇額定功率為0.75KW、額定電流為1.83A的三相異步電機(jī)Y801-2。3.4上位機(jī)與傳感器的選擇采用西門子HMI觸摸屏作為上位機(jī)的人機(jī)交互界面,既能夠滿足用戶與系統(tǒng)之間的交互需求,也便于編寫后臺(tái)腳本程序。該觸摸屏具備較高的分辨率和較大的屏幕尺寸,代表了目前最易于使用、開發(fā)的人機(jī)交互解決方案。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的檢測(cè)以及防止超出極限值,檢測(cè)單元主要依賴于光電開關(guān)、接近開關(guān)和限位開關(guān)這三種類型的傳感器。通過這些多種傳感器的協(xié)同工作,不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的精確檢測(cè),還能提供多重保護(hù),避免超限情況的發(fā)生。3.5網(wǎng)絡(luò)通信模塊在通過以太網(wǎng)、WiFi、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊與PLC建立連接后,可以讀取設(shè)備數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)通信方式將這些數(shù)據(jù)傳輸至云端,以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。用戶和操作員能夠通過個(gè)人電腦或移動(dòng)應(yīng)用程序訪問云端,查看相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)用戶通過網(wǎng)絡(luò)向智能立體車庫(kù)發(fā)送指令時(shí),該指令會(huì)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞至GPRS遠(yuǎn)程通信模塊,并通過RS485接口傳輸至相關(guān)設(shè)備,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的調(diào)整。在此過程中,我們選用了USR-K3作為以太網(wǎng)通信的核心組件,USR-C322作為WiFi通信的核心組件,以及USR-GPRS232-7S3作為GPRS通信的核心組件,所有這些核心組件的工作電壓均為3.3V。第四章智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1PLC控制程序設(shè)計(jì)需求分析(1)收集車位的傳感器信號(hào),并且轉(zhuǎn)換信號(hào)加以運(yùn)算再進(jìn)行車位狀態(tài)的分析[22];(2)當(dāng)用戶選擇使用上層車位時(shí),系統(tǒng)需自動(dòng)將車位降至下層;(3)若下層車位已被占用,系統(tǒng)必須自動(dòng)調(diào)整位置以騰出空間;(4)針對(duì)存取車輛的不同需求,軟件應(yīng)設(shè)計(jì)成便于用戶交互的界面;(5)為了便于檢修,單個(gè)車位應(yīng)能被單獨(dú)控制;(6)要自行分析和判斷車位的狀態(tài),對(duì)于非正常的停車狀態(tài)應(yīng)有輸出顯示[23]。4.2系統(tǒng)I/O地址分配PLC的端子接線圖顯示,它具有55個(gè)用于接收信號(hào)的輸入端口和26個(gè)用于發(fā)送信號(hào)的輸出端口。I/O分配表如表4-1所示:4.3立體車庫(kù)的程序控制4.3.1立體車庫(kù)的存車控制1號(hào)車庫(kù)存車流程:系統(tǒng)運(yùn)行后,選擇停1按鈕,1號(hào)載車板下降,4號(hào)車和6號(hào)車右移,經(jīng)過傳感器檢測(cè)判斷車輛是否符合存放標(biāo)準(zhǔn),如符合,車輛駛?cè)?號(hào)載車板,用戶停車并走出,4號(hào)車和6號(hào)車復(fù)位。完成存車后,用戶記錄存車信息,存車結(jié)束后,觸摸屏上當(dāng)前空余車位數(shù)量自動(dòng)減1。1號(hào)停車流程圖如圖4-1所示:圖4-11號(hào)車庫(kù)存車流程圖一號(hào)車庫(kù)程序設(shè)計(jì)文字說明:按下啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)開始運(yùn)行,%M2.1接通,然后按下停1按鈕,%M7.4停1運(yùn)行,%M7.5接通形成自鎖,同時(shí)通過MOVE移動(dòng)值指令將%MW116賦值為1(1號(hào)車可見)。當(dāng)停1運(yùn)行%M7.5接通時(shí),4號(hào)車和6號(hào)車往右移動(dòng),通過%M0.5脈沖指令(1秒振蕩1次)和加法指令(每次加20)使位置到達(dá)100時(shí),車托1%M7.6下行。當(dāng)%M7.6接通時(shí),%M7.7線圈得電,車托1下行,其常開觸點(diǎn)接通形成自鎖,并且作為車托1下行的條件。當(dāng)%M7.7接通時(shí),通過%M0.5脈沖指令和加法指令使位置到達(dá)260時(shí),車1上行。當(dāng)%M8.2接通時(shí),%M8.3接通形成自鎖,并且作為車托1上行的條件,%M8.3運(yùn)行。經(jīng)接通型延時(shí)器延時(shí)1秒之后,通過%M0.5脈沖指令(1秒振蕩1次)和減法指令(每次減20)使位置到達(dá)0時(shí),%M8.6停1運(yùn)行。當(dāng)%M8.6接通時(shí),%M8.4接通形成自鎖,此時(shí)1號(hào)車位已經(jīng)有車,1號(hào)車位指示燈亮起。當(dāng)1號(hào)車位已經(jīng)有車時(shí),則4號(hào)車和6號(hào)車往左移動(dòng),通過%M0.5脈沖指令和減法指令使位置到達(dá)0時(shí),%M8.7接通形成自鎖,4號(hào)車歸位。以上是1號(hào)車庫(kù)存車文字講解說明,程序圖如圖4-2所示:4.3.3立體車庫(kù)的取車控制1號(hào)車庫(kù)取車流程:當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),用戶需要點(diǎn)擊觸摸屏出1按鈕,輸入1號(hào)車輛信息,系統(tǒng)查找到車輛后,點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕,打開內(nèi)門,將1號(hào)載車板下移,將載車板下降到目標(biāo)停車位的高度,然后用戶進(jìn)入1號(hào)載車板將車開出,通過程序控制完成取車任務(wù)。車主取車完成之后,當(dāng)前空余車位數(shù)量加1。一號(hào)停車庫(kù)取車流程圖如圖4-3所示:圖4-31號(hào)車庫(kù)取車流程圖按下啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)開始運(yùn)行,%M2.1接通,然后再按下出1按鈕,%M9.0接通,%M9.1線圈得電,出1運(yùn)行,其常開觸點(diǎn)接通,形成自鎖。當(dāng)%M9.1接通時(shí),4號(hào)車和6號(hào)車往右移動(dòng),通過%M0.5脈沖指令(1秒振蕩1次)和加法指令(每次加20)位置到達(dá)100時(shí),%M9.3線圈得電,1號(hào)車下移,用戶進(jìn)入1號(hào)載車板將車開出。當(dāng)%M9.3接通時(shí),通過%M0.5脈沖指令和加法指令位置到達(dá)260時(shí),%M9.5線圈得電,車托1上行。當(dāng)%M9.5接通時(shí),%M9.6線圈得電,車托1上行,其常開觸點(diǎn)接通,形成自鎖,并作為車托1上行的條件。經(jīng)接通延時(shí)定時(shí)器延時(shí)1秒之后,通過%M0.5脈沖指令和減法指令(每次減20)位置到達(dá)0時(shí),%M10.0線圈得電,停1運(yùn)行。當(dāng)%M10.0接通時(shí),TP定時(shí)器得電,并開始計(jì)時(shí)3秒之后斷電,通過MOVE移動(dòng)值指令將%MW116賦值為0,讓載車板不可見。當(dāng)%M10.0接通時(shí),%M10.1線圈得電,停1運(yùn)行其常開觸點(diǎn)接通,形成互鎖。當(dāng)%M10.1接通時(shí),通過脈沖指令和減法指令使位置到達(dá)0時(shí),%M10.2線圈得電,4號(hào)車和6號(hào)車復(fù)位。以上是1號(hào)車庫(kù)存車文字講解說明,程序圖如圖4-4所示:其余車庫(kù)程序設(shè)計(jì)與文字說明與1號(hào)車庫(kù)類似,程序設(shè)計(jì)可見附錄一。第五章HMI組態(tài)及系統(tǒng)調(diào)試5.1HMI組態(tài)HMI(全稱HumanandMachineInterface)即人機(jī)界面,它是“人”與“機(jī)”交流信息的窗口,用于監(jiān)控PLC控制的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了根畫面、運(yùn)行畫面和調(diào)試畫面,實(shí)現(xiàn)控制過程的可視化,充分提高了系統(tǒng)的可視性和工作效率。要實(shí)現(xiàn)在人機(jī)界面上改變PLC控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),就需在PLC程序中加入人機(jī)界面中的變量,并在程序中采用常開觸點(diǎn)并聯(lián)、常閉觸點(diǎn)串聯(lián)的方法將觸摸屏中的變量放到PLC程序中。本設(shè)計(jì)中人機(jī)交互設(shè)備選用西門子TP700精簡(jiǎn)面板人機(jī)界面。該設(shè)備具有高分辨率,16M色,7寸大小,具有良好的擴(kuò)展性與兼容性。根據(jù)控制要求,分為根畫面、運(yùn)行畫面和調(diào)試畫面,具體設(shè)計(jì)過程如下。5.1.1畫面設(shè)計(jì)為滿足控制要求,圖中設(shè)置有16個(gè)按鈕,分別為啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、7個(gè)車位存車按鈕、7個(gè)車位取車按鈕;8個(gè)指示燈,1個(gè)電源指示燈,7個(gè)車位狀態(tài)指示燈;1個(gè)顯示器顯示剩余車位,如圖5-1所示:圖5-1PLC與HMI組態(tài)連接5.1.2HMI與PLC通信連接本設(shè)計(jì)中運(yùn)用人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)畫面的監(jiān)視和控制。HMI與PLC的通信方式有以太網(wǎng)方式和串口方式,本設(shè)計(jì)中HMI與PLC中的PE/IE1接口通過以太網(wǎng)通信方式連接,如圖5-2所示。5.2功能調(diào)試1)點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕,電源指示燈點(diǎn)亮,剩余車位數(shù)為72)存車功能調(diào)試①點(diǎn)擊停1,此時(shí)1號(hào)車位下方無車,4、6號(hào)托盤右移后1號(hào)托盤下降存放車輛后上升至1號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)亮,剩余車位數(shù)減1,4、6號(hào)托盤左移回到原位。②點(diǎn)擊停2,此時(shí)2號(hào)車位下方無車,2號(hào)托盤下降存放車輛后上升至2號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)亮,剩余車位數(shù)減1。③點(diǎn)擊停3,此時(shí)3號(hào)車位下方無車,5、7號(hào)托盤右移后3號(hào)托盤下降存放車輛后上升至3號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)亮,剩余車位數(shù)減1,5、7號(hào)托盤左移回到原位。④點(diǎn)擊停4,此時(shí)1號(hào)車位下方無車,6號(hào)托盤右移后4號(hào)托盤下降存放車輛后上升至4號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)亮,剩余車位數(shù)減1,6號(hào)托盤左移回到原位。⑤點(diǎn)擊停5,此時(shí)5號(hào)車位下方無車,7號(hào)托盤右移后5號(hào)托盤下降存放車輛后上升至5號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)亮,剩余車位數(shù)減1,7號(hào)托盤左移回到原位。⑥點(diǎn)擊停6,6號(hào)托盤下降存放車輛后上升至6號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)亮,剩余車位數(shù)減1。⑦點(diǎn)擊停7,7號(hào)托盤下降存放車輛后上升至7號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)亮,剩余車位數(shù)減1。3)取車功能調(diào)試①點(diǎn)擊出1,此時(shí)1號(hào)車位下方車,4、6號(hào)托盤右移后1號(hào)托盤下降取出車輛后上升至1號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)滅,剩余車位數(shù)加1,4、6號(hào)托盤左移回到原位。②點(diǎn)擊出2,2號(hào)托盤下降取出車輛后上升至1號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)滅,剩余車位數(shù)加1。③點(diǎn)擊出3,此時(shí)3號(hào)車位下方有車,5、7號(hào)托盤右移后5號(hào)托盤下降取出車輛后上升至5號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)滅,剩余車位數(shù)加1,5、7號(hào)托盤左移回到原位。④點(diǎn)擊出4,此時(shí)4號(hào)車位下方有車,6號(hào)托盤右移后4號(hào)托盤下降取出車輛后上升至4號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)滅,剩余車位數(shù)加1,6號(hào)托盤左移回到原位。⑤點(diǎn)擊出5,此時(shí)5號(hào)車位下方有車,7號(hào)托盤左移后5號(hào)托盤下降取出車輛后上升至5號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)滅,剩余車位數(shù)加1,7號(hào)托盤左移回到原位。⑥點(diǎn)擊出6,6號(hào)托盤下降取出車輛后上升至6號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)滅,剩余車位數(shù)加1。⑦點(diǎn)擊出7,7號(hào)托盤下降取出車輛后上升至7號(hào)車位,對(duì)應(yīng)狀態(tài)滅,剩余車位數(shù)加1。第六章結(jié)論與展望6.1結(jié)論本文研究了一種基于PLC的升降橫移式立體車庫(kù)設(shè)計(jì)方案,該方案包括硬件和軟件兩大部分,并通過PORTALV16(博圖)軟件實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。經(jīng)過測(cè)試,該設(shè)計(jì)能夠滿足立體車庫(kù)自動(dòng)控制的基本需求,可在后續(xù)智能立體車庫(kù)設(shè)計(jì)中參考應(yīng)用。6.2展望本文雖然在一定程度上提高了升降橫移式立體車庫(kù)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和功能可靠性,但是限于時(shí)間和種種因素,仍然有很多不足之處需要改進(jìn)和完善。首先,針對(duì)車輛停放調(diào)查研究,因受到實(shí)際問題的局限性,本次設(shè)計(jì)中研究對(duì)象僅限于中小微型汽

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