基于PLC和MCGS的升降横移式立体车库监控系统设计

汪　岚

随着国民收入的提高，私家车的拥有量急剧增加，停车位供不应求的情况日益凸显［1-2］.垂直升降式立体车库［3-4］以其空间利用率高、占地面积小和建造成本少等优点，有效缓解了停车难的问题，具有较好的发展前景.立体车库作为一种集机械工程、控制技术和计算机应用技术于一体的停车设施，如何更好地提高车库控制与监测水平已成为当前的研究热点.本文以立体车库的控制系统为研究对象，提出了一种基于S7-200系列PLC为核心控制器的立体车库的控制方案，利用MCGS组态软件设计人机监控界面，该方案可实现车辆的存取和系统实时监控，对减轻工作人员的工作负担、降低运行维护费用具有重要意义.

1　立体车库控制系统总体设计

1.1　系统组成

本文以3*3共9车位的升降横移式立体车库为例，控制系统主要由上位机（PC机）、PLC、检测单元、执行机构组成，如图1所示.图1中，检测单元包含光电开关和限位开关，光电开关分别安装在车位内和升降台上，用于检测当前车位中是否有车以及更新楼层信息；限位开关分别安装在车位左右两侧和井道顶层的上限位，用于检测升降和横移运动是否到位；执行元件包含升降电机、横移电机、进出电机和旋转电机，均采用三相异步电机，用于控制载车板左右及上下等移动，变频器用于调节电机转速，从而控制升降速度.上位机发送命令给PLC，PLC根据检测元件检测到的信号，控制电机正反转，执行相关动作.

图1　车库控制系统组成框图

1.2　系统原理

控制系统默认为自动模式，具体工作原理为：用户在车库门外PC机上选择存车或取车，并指定目标车位.①若为存车状态，升降台降到最底层，挡车杆抬起，车主将小车停放在升降台后离开，挡车杆落下，降台自动将车存到指定车位.存车结束后，人机界面上相应车位的车出现，相应车库的有车指示灯亮.②若为取车状态，升降台从指定车位取车，降到最底层后，通过旋转台自动完成掉头动作.挡车杆抬起，车主将小车驶离，挡车杆落下.取车结束后，人机界面上相应车位的车消失，相应车库的有车指示灯灭.③上位机可实时监控车库存取车过程及状态，若有突发故障等紧急情况出现，监控人员可切换至手动模式进行相关处理；或直接发送命令给下位机进行紧急处理.

2　下位机设计

2.1　硬件设计

目前常用的控制方式有单片机控制、继电器控制和PLC控制，与前两者相比，PLC具有更丰富的工业控制通信接口、更简单易上手的编程语言、更强的抗干扰能力和易扩展等优点，故本文选择PLC作为车库控制系统的控制器.考虑到西门子S7-200系列运算能力强、配置灵活，但输入输出端点数较少，本文选用西门子S7-200 CPU226 PLC为核心控制单元，以及3个EM223扩展模块.CPU226有24个DI、16个DO，而EM223有8个DI、8个DO，足以满足本系统的设计要求.具体I/O分配如表1和表2所示.

表1　系统输入地址分配表

表2　系统输出地址分配表

2.2　软件设计

本系统是使用西门子公司的Step7编程平台进行软件编程.编程思路为：系统启动，默认控制模式为自动控制.当接收到上位机发出存车命令，如果车库未停满车，车主可在上位机上选择要存放的目标空车位，并将车停放在载车板上后离开.载车板即会按照存车策略，调动相应执行结构进行升降和横移，完成存车操作.当接收到上位机发出的取车命令时，载车板按照取车策略，调动相应执行结构进行升降和横移，完成取车操作，并在旋转台调转车头，以便车主能原路将车辆驶离车库.自动模式下的程序流程图如图2所示.

图2　“自动模式”系统程序流程图

3　上位机软件设计

立体车库监控系统上位机组态使用MCGS软件设计完成，它是北京昆仑自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要实现系统与设备的运行状态和现场数据的采集与监控.它综合了直接的处理方式、透明性和灵活性等特点，有强大的组态功能，带有丰富的图库和操作对象，方便用户快速地生成各种美观的画面，且支持用户自定义对象，支持多种通信类型，简单、高效、易于上手.

3.1PLC与MCGS通讯

PLC与MCGS通讯步骤［5］为：通过MCGS软件的“设备工具箱”打开设备管理窗口，选择西门子S7-200PPI，以及通用串口父设备，双击将其添加到设备窗口中.首先，对通用串口父设备设置内部属性，选择默认波特率9600、8位数据位、1位停止位等属性，修改数据校验方式为偶校验.在西门子S7-200PPI的设备属性设置窗口，根据表1和表2的I/O分配，在默认输入通道的基础上，增加40个输入通道和28个输出通道，并选择通道的类型、地址和操作方式等相关信息.最后，将PLC的I/O端口与MCGS的实时数据变量连接，实现上下位机通信.

3.2　监控画面组态

根据系统设计要求，完成包括创建实时数据变量、组态车库监控界面和脚本编写等工作.最终，本系统车库外的组态界面如图3所示，立体车库内部的整体构架和控制面板组态界面如图4所示.

图3形象地模拟了车辆进出立体仓库行驶过程和自动门的移动过程，并显示了当前立体车库内剩余的车位数量，方便用户判断此处是否还能停车.图4分别显示了“系统待机”“车库满”“存车”和“取车”的监控画面，直观地体现了系统对整个车库存取车过程的监控功能，并将PLC在车库现场检测到的传感器信号和控制模式等信息一一呈现，如当前处于存车或取车状态、车位是否有车、手动控制或自动控制、运行状态正常或是故障.除此之外，相关数据及监控画面也可通过网络传送至主监控室，监控人员可根据实际需要，通过上位机的控制面板对PLC发送控制命令，控制车库实际运作，有效地提高了工作效率.

图3　车库外监控界面

图4　车库内监控界面

4　结论

基于S7-200 PLC和EM223扩展模块进行升降横移式立体车库控制系统下位机的软硬件设计，利用MCGS软件合成了上位机的监控组态界面，最终设计并实现了升降横移式立体车库监控系统.本系统真实地反映了立体车库的运行情况、现场的相关信号和信息，工作人员可实时监测和控制车库，提高了车库控制的智能化水平和运行效率，且人机界面良好、操作简单方便，对于缓解城市停车难的问题具有很好的实用意义.

参考文献：

［1］王虎军，马殷元.基于PLC的垂直升降式立体车库控制系统设计［J］.重庆科技学院学报，2016，18（1）：82-84.

［2］李彬，杜可可，李鑫.基于PLC的立体车库控制系统研究［J］.现代制造技术与装备，2016（11）：173-174.

［3］陈天胜，傅龙飞，任继锋.基于S7-200升降横移式三层立体车库控制系统设计［J］.工业仪表与自动化装置，2017（1）：102-105.

［4］王鑫，曹志杰，姜雪英，等.基于组态王的平面移动式立体停车库监控系统设计［J］.机电产品开发与创新，2017，30（2）：77-79，59.

［5］张文明，华祖银.嵌入式组态控制技术［M］.北京：中国铁道出版社，2017.