基于PLC的立体车库设计与实现

刘超 刘炜 赵强

【摘要】随着城市汽车数量的不断增加，停车难问题己经成为城市的一个普遍现象。本文提出了一种立体车库的设计方法。该车库通过可编程控制器（PLC）控制车位的移动，从而实现车位从平面到空间的转化。升降横移式立体车库利用托盘来移动车辆，通过多层车位的升降来存取车辆。本文介绍了立体车库的结构及功能，分析了立体车库控制系统的总体结构，并重点阐述了控制系统的硬件配置、软件设计，该立体车库实现了存取车的自动化，并利用昆仑通态组态软件完成了车库运行的监控。

【关键词】立体车库;PLC;昆仑通态

1.引言

随着我国经济发展和人民生活的不断改，城市车辆日渐增多，城市市区停车难的问题已经日益凸显并成为城市发展的一大难题。立体车库做为一种新的停车方式，具有节省占地面积、节约投资、出入库管理方便、省时省力、能有效保障车辆安全以及配置灵活的优点，是解决目前都市内停车难的有效办法[1]。

2.立体车库的结构

机械式立体车库主要可分为垂直提升式、升降横移式、巷道堆垛式、垂直循环式、圆形水平循环式、箱型水平循环式等结构。升降横移类立体车库通过托盘升降或横移实现车辆的存取，有二层的、多层，有四柱结构的，有后悬臂结构的、有链条提升的、有钢丝绳提升的等等。最大特点是对场地的适应性较强，规模可大可小，设备简单、可靠、使用方便、价格较低[2]。

升降横移类立体车库结构类型为N×M二维矩阵形，一个升降横移式立体车库的车位总容量为：P=N×M-（N-1）。其中N为二维矩阵的行，即车库的层数，M为二维矩阵的列，即车库的列数。考虑到装置和安全因素的影响，车库在设计的时候一般为2层到4层。大多以2、3层者为主。本文介绍一个2层3列实验车库的实现过程，车库结构如图1所示。在N=2，M=3的条件下，由公式P=N×M-（N-1）得，车位P=2×3-（2-1），最多可设计5个车位。

图1 立体车库结构示意图

3.立体车库的结构

3.1 立体车库控制系统框图

升降横移立体车库控制系统的主要控制对象是横移电机和升降电机，通过改变电源相序来改变交流三相异步电机的转向，进而改变托盘的移动方向从而实现存取车的操作。其次是控制车库内的各种辅助装置，如指示灯及其各种安全设施等。为了保证托盘能横移和升降到指定位置，采用行程开关来检测托盘是否移动到位。使用光电开关判断托盘上有无车辆，同样车辆长度限位也采用光电开关。立体车库系统框图如图2所示。

图2 立体车库控制系统框图

3.2 立体车库的硬件结构

立体车库由防坠装置、车位托盘、车库钢体架构、控制系统组成。本设计中车辆的长宽高最大分别为：5米，1.85米，1.55米。车的重量不超过1000kg。车库的钢体架构对车库的安全性起着重要作用。在三台2.2kW的纵向移动电机，两台0.2kW横向移动电机作用下完成水平和垂直方向上的运行和定位功能。核心控制器采用的是德国西门子生产的S7-200 smart系列的可编程逻辑控制器。为了满足不同应用场合的需要，立体车库现场功能设置上采用了触摸屏，并能实现手动和自动操作功能，同时立体车库还具有过程监控、数据采集、报警及报警管理等监控功能。车库输入、输出信息分配表如表1所示。

3.3 控制软件的设计

控制软件的主要功能是PLC根据接收到的各种开关量，向驱动设备发出控制指令，从而控制托盘的升降或者横移。当托盘横移结束之后，横移的车位不进行复位，直接参与下一次车位的移动。当系统进行被强行复位之后，各车位才恢复到预设位置。为了保证存取的可靠性，在规定的存取车结束后，下降车位及时复位。该系统只针对二层车位控制，对于一层车位，在存取车的时候只需直接操作即可。

保护设计：在运行的过程中，控制系统必须保证在一个时间段内只能有一个托盘动作。在车位移动时，每个动作根据实际的测量情况，设置安全运行时间。如果超过安全时间，所有动作必须停止，并且报警指示。管理人员处理完故障之后，将所有车位的车位强行复位。图3为升降横移式立体车库的存取车流程图。

图3 系统控制主程序流程图

图4为1号托盘下降梯形图。当1号下方托盘移开时时，启动电磁铁弹开防坠挂钩Q1.2，延时两秒，启动下降电机Q0.5。在规定的时间内，下限位被触发即托盘下降到位（I1.0=0），关闭电机与电磁铁。当存车完毕，托盘自动复位。当在规定时间内，下限位未被触发，所有动作立即停止，并报警。

图4 一号托盘下降梯形图

本系统可实现完全机械手动操作和自动操作。机械手动操作专门用于车库设备的安装调试、维修和故障处理，便于技术人员现场调试。自动操作是车库正常运行时使用，使用户能够方便的进行存取车操作3]。

图5 存车界面

4.触摸屏组态软件设计

本设计以触摸屏为人机交互界面，其具有操作简单，可视性好，灵活等优点。该系统选用TPC 7062 KX型触摸屏，用昆仑通态组态软件对触摸屏进行组态设计，实现用户的存取车设计。根据客户的要求，主要进行了主界面、存车界面、取车界面和调试界面的设计。

本设计的主界面，提供用户存车功能、取车功能和软件使用帮助信息。在本设计的存车界面上，采用普遍停车场的指示灯指示效果：红灯表示本车位有车，绿灯表示本车位目前闲置。根据本软件的指示灯状态，用户可通过相应按钮实现对应操作。

在存车界面，如图5所示，用户根据指示灯提供的状态，选择相应的按钮。按钮向PLC发送存车指令，系统进入等待状态，当用户确定无误时候，按下确认键，系统开始执行存车指令。取车界面与存车界面基本相同。

调试界面如图6所示，管理员可实时监控整个车库限位开关的状态。当系统出现故障时，可根据调试界面信息，从而快速诊断故障位置。当故障处理完毕，相关工作人员可通过复位按钮将车库还原为初始状态。

图6 调试界面

5.运行调试

测试初期，通过手动工作模式，对硬件系统进行测试。如图7，左图所示，在硬件调试过程中，由于在运动过程中钢丝绳偏离轨道，致使托盘与规定位置大约有2厘米的偏差，导致托盘上升过程中与防摆杆碰撞，托盘出现下凹的后果。行程开关安装的偏差，就会出现如图7右图所示，钢丝绳松弛的状况。此时就需要手动并且多人配合将装置还原。

通过手动系统将所有的硬件装置调试完毕后，进入自动模式的调试过程。初始阶段设计防坠挂钩弹开与电机运动两个动作同时发生，造成在下降的时候，由于防坠挂钩被托盘卡住没能够全部及时弹开，托盘的一侧挂在挂钩上，一侧下降，使托盘倾斜。在程序中防坠挂钩弹开后，设定两秒钟延时，然后启动防坠挂钩。

图7 调试故障图

经调试后，触摸屏与控制系统相互配合，车库已能够实现任意车位的存取。故障报警，各种保护措施等功能均已实现。空载测试，每个车位进行不低于50次的运转，运行状况良好。正常运行时，托盘垂直方向的平均速度为0.087m/s，水平方向平均速度为0.14m/s。

故障测试，模拟车库现场遇到的各种状况，车辆未按照规定停放时，所有的动作均不能执行。限位开关损坏、车位移动过程中有人靠近等紧急状况，系统立刻停止所有动作并报警。当突然断电时，所有的动作都将立刻停止，当接通电源时，系统保持断电前位置。紧急情况处理完之后，假如有车位停在半空中，按下复位按钮，系统将恢复到初始状态，如图8所示。

图8 车库初始状态图

6.结论

我们设计的立体车库完成了车辆存取的操作，实现了触摸屏输入，状态监控，故障报警，系统自动恢复等功能。实际运行表明它具有操作简单，运行稳定，安全等特点。它还易于扩展，对于解决停车难的问题具有现实意义。

参考文献

[1]陈首虹.基于PLC智能化控制的立体车库的研究[J].中国新技术新产品，2012（14）：24-25.

[2]王晶晶.基于PLC的升降横移立体车库控制系统设计[J].科技资讯，2011（07）：22-23.

[3]易倩颖，叶云岳，郑灼.基于PLC的新型垂直提升式立体车库控制系统设计[J].机电工程，2012，29（4）：409-412.

作者简介：

刘超（1989—），男，硕士研究生，研究方向：信号检测与信息处理。

赵强（1987—），男，硕士研究生，研究方向：信号检测与信息处理。

刘炜（1963—），男，副教授，硕士生导师，研究方向：智能仪器。