基于PLC与触摸屏的立体停车库实训装置设计与开发*

程丽丽 周兴华 张建海

摘  要  针对高校实验设备功能单一、工程应用背景不突出等问题，设计开发基于触摸屏和西门子S7-1200PLC的升降横移式立体停车库实验实训装置。通过该装置可以开展机电一体化产品认知、工控设备组态、PLC编程及调试（手动模式和自动模式）等实验实训项目，使学生了解典型机电一体化设备的工作原理，充分锻炼学生的PLC编程调试技能，提高学生的创新思维和工程实践意识。同时，设计开发该实训装置也可以提高专业教师和实验技术人员的业务能力和专业素养。

关键词  立体停车库；实训装置；PLC；触摸屏

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）20-0024-07

0  引言

可编程逻辑控制器（PLC）技术是机电类及自动化类专业学生需要掌握的关键技术，在工业自动化控制过程中发挥着重要作用，与机器人、CAD/CAM并称为现代工业自动化的三大技术支柱[1-2]。目前，高校PLC技术相关课程设置多为理论与实践相结合的教学模式[3-4]，实践教学作为理论教学的必要补充，在相关专业课程建设中发挥着重要作用[5-7]。然而，目前一些实践教学环节普遍存在以下两方面的问题：

1）实验内容停留在仿真层面，不做实物实验，学生对工程实际缺乏感性认识[8-9]；

2）验证性实验居多，且实验设备功能单一，缺乏工程性、系统性的实验实训设备[9-11]。

因此，这就导致学生通过理论课程的学习和实验环节的训练，虽然能够掌握各个零散的知识点，但是面对实际工程问题，难以提供整体的解决方案。

立体停车库作为机电一体化产品的典型案例，被广泛应用于各大城市商场、医院等车流密集的场所，能够较好地解决部分停车问题[12-14]。升降横移式立体停车库作为立体停车库代表性结构，具有工程应用背景突出、系统性强的特点[15]。因此，对目前应用广泛的三层十车位升降横移式立体停车库结构及系统进行小型化改造设计，开发一套适合实验教学的基于触摸屏和PLC控制的立体停车库实验实训装置，可以很好地解决目前实践教学环节存在的实验设备工程应用背景不突出、系统性不强等问题，对提升机电类及自动化类专业的实践教学水平和学生培养质量具有重要意义。

1  系统组成及总体设计方案

立体停车库实训装置由三层十位停车库体（型材结构）、二维（X、Y）运动机械及电气控制三部分组成，其组成原理如图1所示。三层十位停车库体分上中下三层，由12个库位（10个车位）构成，最多可停放十辆汽车。上层有四个车位，分别固定到四个库位上，每个车位均配有拖车机构、载车板和行程开关，行程开关安装在拖车机构下方，用以检测载车板是否上升到位。中层有三个车位，预留一个车位通道供上层载车板升降使用；与上层车位不同，中层车位可以进行横移运动，且每个库位上均安装行程开关，用以检测车位是否横移到位。与中层车位相同，下层也有三个车位，预留一个车位通道，且每个库位上均安装行程开关；与中层车位不同的是，下层车位只设计可以进行横移运动的载车板。

二维（X、Y）运动机械包含横移（X）和升降（Y）运动机械，其中上层车位仅设计升降运动机械，下层车位仅设计横移运动机械，中层车位两者兼有。为保证实验学生及设备安全，运动机械采用24 V直流电机串联蜗轮蜗杆减速机（简称“减速电机”）作为动力源。蜗轮蜗杆减速机具有自锁功能，可以保证在断电或控制系统故障状态下，中层和上层库位停放的车辆不会发生失控坠落事故。升降传动机构采用同步带配合钢丝绳实现，横移传动机构采用同步带驱动U形槽轮实现。

电气控制部分由编程计算机、西门子S7-1200PLC、扩展IO模块、触摸屏、开关电源、行程开关、单刀双掷继电器、24 V直流稳压电源等器件组成。在编程计算机上通过Portal软件进行组态及PLC程序编写，PLC及扩展IO模块中的I口与停车库中的行程开关连接，以检测车位状态信息；Q口与单刀双掷继电器连接，两个单刀双掷继电器控制一个直流电机的正反转运行，以驱动实现车位的横移和载车板的升降。

2  机械结构设计

2.1  框架结构设计

实训装置整体采用槽铝等铝合金结构件，设计四层长方体框架支撑结构，具有质量轻、刚度大、外形美观的特点。其中，底层框架结构上部铺设网孔板，尺寸超出中上层框架结构，超出部分可以作为车辆入库前的临时停放点，可摆放其他实验物品；框架底部安装四个具有自锁功能的万向轮，可以在地面及实验台面上自由移动。第二、三层框架结构相同，均为长方形结构，用以支撑拖车机构。由于下层和中层车位需要横移运动以实现上层车位车辆的存取，因此，在底层和第二层框架结构前后支撑横梁上设计安装半圆形导向条，以实现车位横移运动的导向。第四层（即顶层框架结构）也为长方形结构，考虑外形美观和安装方便，其结构平面与水平面之间设计30°的倾斜角，其上铺设网状方形格栅，可以摆放继电器、PLC等电气控制元件。设计制作完成的停车库实训装置如图2所示。

为方便存放和实验实训项目的开展，本实训装置主要设计尺寸及参数如表1所示。

2.2  下层车位设计

下层三个车位结构相同，均由载车板和横移驱动机构组成。横移驱动机构安装在载车板后端面和下部，由减速电机驱动，同步带和U形槽轮传动。为方便下层车位车辆的存取，对下层载车板进行折弯处理，形成一短斜坡道。

2.3  中层车位设计

中层三个车位结构相同，每个车位由拖车机构和载车板构成，拖车机构主体是由槽铝和薄钢板连接构成的长方体结构，主体下方安装四个U形槽轮，主体上方固定两个减速电机。其中一个减速电机通过同步带驱动U形槽轮旋转，从而驱动拖车机构左右移动；另一个减速电机通过同步带和钢丝绳驱动载车板升降。

2.4  上层车位设计

上层车位无须横移，故拖车机构直接通过螺栓固定到第三层框架结构上。减速电机固定到拖车机构上，驱动同步带和钢丝绳实现载车板升降。

3  控制系统硬件设计

采用西门子PLC1215C作为核心控制器，具有14路数字量输入I口、2路模拟量输入I口、10路输出Q口。由于本实验实训装置需要控制13个直流电机的正反转运行（上层车位四个电机控制载车板升降；中层车位三个电机控制拖车机构横移、三个电机控制载车板升降；下层车位三个电机控制载车板横移），同时采用15个行程开关检测拖车机构和载车板的状态信息，因此，扩展两组IO模块，分别为8路数字量输入模块24VDI8和16路数字量输出模块24VDQ16。采用TP700精智面板作为车位状态信息显示和控制信号输入终端。立体停车库PLC及扩展IO变量连接如表2所示。

4  程序设计示例

PLC程序控制逻辑和代码实现多种多样，下面介绍一种能够实现任一车位车辆存取功能的PLC程序设计流程及程序，作为参考供学生开展相关的实验实训项目。采用TIA Portal V13.0/14.0软件（简称“博图软件”）进行组态及PLC程序编写。程序设计流程示例：设备组态→定义变量→手动模式程序设计→自动模式程序设计→HMI触摸屏变量连接和界面设计。

4.1  设备组态

在博图软件中，按照硬件型号配置PLC主机、IO扩展模块、HMI触摸屏。设置PLC主机和HMI触摸屏的IP与相应硬件IP一致，并且保证它们与编程计算机的IP地址在同一网段下，以实现程序的正常下载。硬件IP可通过“在线诊断”进行查找和修改。

4.2  定义变量

参照表2对PLC变量进行定义，定义变量时要确保数据类型正确和地址不发生冲突。

4.3  手动模式程序设计

手动模式可点动实现拖车机构的横移和载车板的升降。在HMI触摸屏上设置虚拟按钮，在满足约束条件情况下，按下按钮，电机正转或反转运行；松开按钮，电机停止运行。约束条件为拖车机构或载车板运动至触发相应位置传感器，即拖车机构或载车板运行至最大限位位置时，按下按钮，电机不动作。

4.3.1  上层库位载车板升降运行

上层库位载车板升降运行的前提是中层和下层对应库位无拖车机构或载车板。设计实现上层左一库位载车板升降运动的PLC程序（梯形图）如图3和图4所示。

图3中第一段程序，I0.4、I0.5、I0.6三个常开触点均处于闭合状态时，表示中层左一库位无拖车机构，可以保证上层左一库位载车板无障碍上升，I2.0常闭触点为行程开关，以防止左一库位载车板上升至最高位置后继续上升而损坏拖车机构和载车板。图3中第二段程序，I0.4、I0.5、I0.6、I0.2、I0.1、I0.0六个常开触点均处于闭合状态时，表示中层和下层的左一库位均无拖车机构和载车板，I0.3常闭触点为下层库位限位开关，防止上层左一库位载车板下降到最低位置后继续下降而损坏拖车机构。

图4中两段程序是为了实现载车板上升与下降过程之间的切换，避免错误运行指令发生。

4.3.2  中层库位载车板升降运行  中层库位载车板升降运行和上层库位载车板升降运行编程原理一致。

4.3.3  中层库位拖车机构横移运行

为了实现上层库位车辆的存取，中层三个拖车机构需要依情况做横移运动，其中每个拖车机构的运动范围为相邻两个库位之间横移。中层车位进行横移的前提条件是前向车位无拖车机构。设计实现中层左侧拖车机构横移运动的PLC程序（梯形图）如图5和图6所示。

图5中第一段程序实现拖车机构左移，I0.7常闭触点闭合，表明中层左侧拖车机构不处于最左库位位置；第二段程序实现拖车机构右移，I0.6常闭触点闭合，表明中层左侧和中间拖车机构均不处于右3库位位置。

图6中两段程序与图4中程序功能类似。

4.3.4  下层库位载车板横移运行

下层库位载车板横移运行与中层库位拖车机构横移运行编程原理一致。

4.4  自动模式程序设计

自动模式可实现上层和中层任意库位载车板的上升和下降。载车板在不满足上升和下降条件时，下层和中层车位自动完成横移运动，留出升降通道供上层和中层载车板升降。

4.4.1  上层库位车辆自动出入库

设计实现上层左一库位载车板下降运动的部分PLC程序（梯形图）如图7和图8所示。

图7所示程序段中，按下上层左一库位载车板下降按钮，当I0.0、I0.1、I0.2、I0.4、I0.5和I0.6常开触点全部闭合（即中层左一库位和下层左一库位均无拖车机构和载车板）时，载车板开始下降。当不满足载车板下降条件时，中层和下层车位各有三种停放位置。定义一个全局数据块，使用MOVE指令给数据块赋值，不同的值对应不同的中层和下层车位位置停放信息。

如图8所示，针对不同的全局数据块数值，执行拖车机构或载车板的横移运动指令，直至上层左一库位载车板满足无障碍下降条件。上层库位载车板上升运动程序与手动模式上升程序相同，区别在于自动模式HMI按钮链接变量时不设置复位。

4.4.2  中层库位车辆自动出入库

中层库位载车板下降运行与上层库位编程思维基本一致，不同的是中层车位可以横移，即每个拖车机构所在库位不固定。欲令中层库位载车板下降，首先，需利用安装在中层框架上的四个行程开关判断拖车机构所处库位信息；其次，令下层载车板横移留出通道；最后，执行载车板下降指令。中层车位载车板自动上升的程序编写与手动上升程序相同，区别在于自动模式HMI按钮链接变量时不设置复位。

4.4.3  下层库位车辆自动出入库

下层库位载车板贴近地面，车辆可通过斜坡直接进入下层库位，故下层库位车辆自动出入库程序设计与手动模式相同。

4.5  HMI触摸屏界面设计

HMI触摸屏界面主要实现如下两个功能：

1）显示停车库库位信息；

2）启动运行拖车机构（包含载车板）的横移和载车板的升降。

主界面设计效果如图9所示，可点击“自动模式”和“手动模式”两个按钮中的任意一个进入相应的界面。

手动模式HMI工作界面如图10所示。左上角12个显示框链接行程开关变量，用于显示各个库位拖车机构和载车板的位置停放信息。“库1”到“库10”周围的每一个虚拟按钮对应一个执行动作。手动模式状态下的动作执行设计为点动运行，即按下按钮动作执行，松开按钮动作取消。

图11为自动模式HMI工作界面。右上角12个显示框的功能和属性设置与手动模式的相同。中间黄色按钮为上层和中层各个库位自动运行控制按钮，每个按钮链接一个动作。自动模式状态下的动作执行设计为连续运行，即按下按钮动作开始执行，直至连续动作完成为止。

5  结束语

本实验实训装置是一个集PLC控制、位置检测、工控组态等技术于一体的实物教学实验实训装置，可以完成机电一体化产品认知、工控设备组态、PLC编程及调试（手动模式和自动模式）等多种实验实训项目，也可以作为“工业机器人技术应用比赛”和“‘西门子杯中国智能制造挑战赛”等比赛项目的赛前PLC训练实操设备。通过相关实验实训课程的开展，能够让学生充分了解典型机电一体化产品的构成和工作原理，理解并掌握当今工业应用广泛的PLC控制技术，有助于提升学生培养质量和实践教学水平。

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*基金项目：吉林大学实验技术项目“立体停车库实训装置研究与开发”（409020720186）；国家自然青年科学基金项目“叶片复杂型面的柔性超声相控阵检测原理与技术基础研究”（51905210）。

作者：程丽丽，吉林大学机械与航空航天工程学院，副教授，主要研究方向为机电设备自动化控制技术；周兴华，通信作者，吉林大学机械与航空航天工程学院，工程师，主要研究方向为机电一体化及振动控制技术；张建海，吉林大学机械与航空航天工程学院，副教授，主要研究方向为机械工程专业科研及教学（130025）。