基于PLC的垂直升降式立体车库控制系统设计

王虎军　马殷元

(兰州交通大学机电技术研究所， 兰州 730070)



基于PLC的垂直升降式立体车库控制系统设计

王虎军马殷元

(兰州交通大学机电技术研究所， 兰州 730070)

摘要：垂直升降式立体车库是解决城市中心停车难的有效方案。设计了以西门子300系列PLC为主控制器的垂直升降式立体车库控制系统。阐述了该控制系统的硬件组成及输入输出口分配方案，编写了主程序和自动控制子程序，提出了提高车库控制系统安全与可靠性的相关设计。该控制系统能满足立体车库的功能需求并具有较高的可靠性。

关键词：立体车库； 垂直升降式； PLC； 控制系统

随着经济的发展与国民生活水平的提高，小轿车数量急剧增加，“停车难”问题日益凸显[1]。在大城市中，尤其是在商圈附近，停车位供不应求问题更加明显。

在各式各样的立体车库中，垂直升降式立体车库凭借占地面积小、空间利用率高、投资低、安全性能高等优点[2]，在城市的繁华地段或者车辆集中停放点优势凸显，是未来城市停车设备的发展趋势。

1垂直升降式立体车库结构及工作原理

以一个4层8车位的垂直升降式立体车库为例进行设计，结构如图1所示，其两侧为停车位，每个停车位都放有一个载车板。中间的巷道为升降台上升下降的通道。该车库可以纵向或横向拓展。

图1　立体车库示意图

该立体车库主要包括机械传动部分、控制部分、检测部分。其中：机械传动部分主要有升降台、载车板、车位架、升降电机、钢丝绳、横移电机、滑轮等；控制部分主要有上位机、PLC控制器、变频器等。检测部分主要有行程开关传感器、光电开关传感器、接近开关、编码器等。

当用户存车时，系统首先判断升降台上是否有载车板，如果有则直接下降到最底层，如果没有则取出一个空闲载车板到最底层。当升降台和载车板下降到位后，司机将轿车停放到载车板上。在传感器检测到轿车已停放到位后，请司机离开轿车并按下“车辆已停好”的确认按钮，然后升降台和载车板连同轿车一起提升，并通过行程开关判断是否到达目标层并停止提升，最后利用横移电机将载车板和轿车一同放入目标车位架上。经传感器确认存放到位后，存车结束。取车过程与存车过程类似。

2控制系统硬件设计

PLC是一种专业的工业控制计算机，是工业领域常用的控制器，具有编程简便、整体体积小、可靠性与性价比较高、拓展性能良好等优点[3]，可用于恶劣的工业环境以及频繁启动操作。因此立体车库控制系统常采用PLC做为控制系统的控制器。整个控制系统如图2所示。

西门子300系列的PLC具有模块化结构，可实现分布式配置，具有良好的电磁兼容性和抗震动冲击性能，属于西门子PLC系列中的中型设备。本设计选用西门子300系列的315-2DP做为核心控制器，选择的输入模块型号为DI32xDC24V，输出模块型号为DO32xDC24V0.5A，可满足控制系统的需求。在具体操作中，利用MPI总线实现下位机与上位机的通信[4]。PLC收到来自上位机的操作指令后，经过程序判断、运算，检测传感器的信号，然后输出相应的信号到执行机构，最终通过操作载车板来实现车辆的存取。

图2　控制系统组成

该立体车库的控制系统只有数字量的输入输出，没有模拟量输入，在拓展时可根据实际需要进行点数的拓展。具体的输入输出口地址分配如表1、表2所示。

表1　输入口分配

表2　输出口分配

3控制系统软件设计

利用STEP-7软件编写控制系统程序，主要包括主程序、自动操作子程序、手动操作子程序3部分。主程序主要实现故障检测和操作模式选择功能[5]。程序流程图如图3所示。

图3　控制系统主程序流程图

自动存取程序是整个程序的重点，实现了立体车库的主体功能，其工作流程如图4所示。在程序编写中，可通过开关型输入量去抖动、指令冗余、在程序中设置互锁功能等，来提高控制系统的可靠性。

4控制系统安全与可靠性设计

由于立体车库在操作过程中涉及到车辆安全和人身安全，且垂直升降式立体车库结构较为复杂，如果没有完善的闭锁系统，则故障率较高[6]。因此必须采取一定的保护措施，使整个系统安全、可靠。主要应从2个方面着手。

(1)硬件设计。在最底层安装光电传感器来检测车辆是否超宽、超高、超长，从而确保车辆是否能够停放或者是否停放到位；通过光电传感器与旋转编码器两者的冗余信号确保升降台到目标层后停止运动。

(2)软件设计。对传感器进行故障自诊断，确保传感器故障时可以及时被发现并避免控制系统误动作；利用设定完成一项任务的最长时间来检测是否发生故障；利用设定升降允许的最大距离来防止过冲；为确保叉架在升降过程中处于安全范围内，设计横移电机位置自校正程序；由于控制系统的输入输出存在一定的逻辑关系，通过编写常见的逻辑关系并检测是否发生逻辑异常来判断是否发生故障[7]。

图4　自动操作子程序流程图

5结语

以西门子300系列PLC做为控制器进行垂直升降式立体车库控制系统的结构设计、软硬件设计，并对该控制系统进行了安全可靠性设计，使整个车库系统具有较高的可靠性和运行效率。该设计过程可做为立体车库设计的参考，为城市“停车难”问题提供解决思路。

参考文献

[1] 付翠玉,关景泰.立体车库发展的现状与挑战[J].机械设计与制造,2005(9):156-157.

[2] 刘晓娟,潘宏侠.垂直升降式立体车库系统设计与研究[J].机械设计与制造,2011(5):48-50.

[3] 胡涛,苏建良,石剑锋.PLC技术与应用及其发展分析[J].机床与液压,2005(12):135-137.

[4] 杜学普,吴晓君,曹凌.基于MPI网络的PLC饮料生产线监控系统[J].工业控制计算机,2008,21(1):9-10.

[5] 郭建江,于有生.PLC在塔式立体车库控制系统中的应用[J].机电工程技术，2003,32(5):71-72.

[6] 张强.自动化立体车库控制系统的设计及应用[D].成都：电子科技大学,2009：10-12.

[7] 张亮.提高PLC控制系统可靠性的软件设计[J].工矿自动化,2006(6):39-42.

Design of Control System for Vertical Garage of Lifting Type Based on PLC

WANGHujunMAYinyuan

(Institute of Mechatronic Technology, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract:The vertical garage of lifting type is effective programs to solve the problem of hard parking in the center of a city. This paper designed a control system of the vertical garage of lifting type and made the Siemens 300 series PLC as controller to describe the hardware components of the control system and the input and output port assignments, analyze how to program the main program and automatic control subroutine, and propose hardware and software methods to improve the safety and reliability of garage control system. The control system meets the functional requirements of the parking garage with high reliability.

Key words:vertical lift type; three-dimensional garage; PLC; control system

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0082-03

中图分类号：TH21; TP271

作者简介：王虎军(1990 — )，男，内蒙古包头人，兰州交通大学在读硕士研究生，研究方向为机电一体化。

基金项目：甘肃省自然科学基金项目“大型物流配送中心拣货作业优化方法研究”(1310RJZA056)

收稿日期：2015-06-08