基于S7-1200 的PLC 学校智能立体车库控制系统的设计

苗沛沛，张希

（江苏省连云港中等专业学校，江苏连云港，222000）

1 研究背景

目前，汽车已成为学校教师出行的必需品，项目需求学校现有教职工六百多人，随着教职工汽车持有量的快速增长，学校停车位明显不足、停车难的现象日显严重，因此，常规的平面停车形式已经无法满足现阶段学校停车需求，研制一款智能立体停车库解决教职工“停车难”问题迫在眉睫。

本研究是在现有平面停车形式的基础上设计一个立体的智能化停车装置，秉持“安全、实用、智能”的原则，在全面分析学校教职工停车需求的基础上进行规划，基于S7-1200 的PLC 作为核心控制元件进行架构、设计、优化、调整，最终设计出一款规范、合理、安全、高效的智能立体车库控制系统。

2 基于PLC 的智能立体车库控制功能分析

■2.1 工作方式

智能立体车库是一种集机电、自动控制于一体，用于储存车辆的智能控制系统。现有的立体车库分为升降横移类（PSH）、简易升降类（PJS）等九大类，分析学校停车需求发现，项目对施工场地要求较低，对安全可靠性以及自动化程度要求较高，智能立体车库的规模可随环境变化任意排列组合，后期扩展维护较为容易。

本项目以《特种设备目录》中的行业标准JB/T 8713-1998 为依据，选用PSH 升降横移方案，利用载车板的横移、升降对教职工车辆进行存取。PSH 立体车库结构如图1 所示，主要由钢结构、载车板、传动装置、控制系统及安全防护五个部分构成。钢结构是车库中的硬件基础，用于承载重量及安装相关设备；载车板是车辆的载体；传动装置（图1）分为横移与升降装置，载车板的横移是依靠电机带动链轮、主驱动轮旋转实现在导轨上水平移动。载车板的升降是依靠电机驱动链轮带动卷筒旋转，对缠绕在卷筒上的钢丝绳进行收放操作，使载车板升降运动；控制系统主要由检测、驱动、控制及保护等四环节构成；此外还要增设限位检测、急停操作、防坠落等安全防护措施。

鉴于PSH 的结构特色，顶层的载车板只需完成升降移动，底层的载车板只可完成平移运动，中间层的载车板平移、升降均可实现。PSH 立体车库（X 层Y 列）最大存储车辆数Z 的计算方法为：Z=X*Y-（X-1）。图1 中楼层共三层（A、B、C）五列，则最大存储车辆数Z=3×5-（3-1）=13，即车库共有15 个车位，最大存储有效车位13 个，其余2 个空车位作为预留通过道。对13 个有效车位编号，A、B 两层均留一个空车位作为预留通道，因此，A、B 两层车位编号为A1～A4、B1～B4，C 层编号为C1～C5。

■2.2 功能需求

不同的人员对智能立体车库的需求不同，对学校教职工来说，主要是能对车辆进行自动存取；对车库的操作员来说，要持证上岗，熟悉特种设备安全操作规程，除了能对车辆进行自动存取，还要能手动操控每个车位的横移电机、升降电机以及安全挂钩等；对管理人员来说，不仅要能完成自动和手动操控，更主要的是能实时管理与监控传感器信号以及车库的运行状态。此外，车库一定要具有能及时对设备老化、误操作等安全问题进行急停、报警等功能，以避免发生安全事故。

3 PLC 智能立体车库云数据采集与控制系统设计

■3.1 整体架构

PLC 智能立体车库云数据采集与控制系统主要由PC 上位机、PLC 下位机及人机界面构成，如图2 所示，实现了现场底层数据采集、网络云通信、PLC 智能控制信息输出三大主要功能。上位机由PC 机或手机、触摸屏及监控系统组成，发送存、取命令给核控制元件PLC，PLC 通过收集到的传感器信息与变频器双向通讯，变频器通过驱动电机的转动频率，执行对车库装置的平移、升降、旋转等操作。采用RS-232、RS-485、TTL 等通信协议实现多设备数据传输与采集、通过以太网口、WiFi、GPRS 三种通信方式建立与云服务器之间的传输与数据交换。建立触摸屏、电子显示屏完成人机交互模块设计，实现管理员现场操控、教职工停车智能引导等功能。

图2 智能立体车库控制系统整体架构

■3.2 硬件电路设计

设计以S7-1200 为核心的PLC 控制电路，根据需求对器件合理选型、规范布局，在现场环境复杂、电路波动大的情况下确保数据通信的稳定性。

3.2.1 PLC 及I/O 扩展模块选型

PLC 是智能立体车库控制的核心，满足控制要求的优质品牌及适合型号利于系统开发与功能扩展。结合学校智能立体车库的项目需求，结合项目I/O 点数需求、安全性、集成度、抗干扰能力、多通信方式、可扩展等方面性能要求进行考虑，最终选择西门子的S7-1200 系列型号为1214C 的PLC 作 为 整 个立体车库的核心控制单元。S7-1200 系 列PLC 支 持4 个数 字 量I/O（2xDC 输 入 和2xDC 输出），支持8 个信号模块用于CPU 的扩展，有RS232 和RS485 两 种 通信模块，在此基础上还可以安装附加的通信模块以支持其他通信协议。

CPU 1214C 的输入14 点、输出端口10 点，无法达到智能立体车库系统的设计需求，因此需要根据现实要求与未来需求的变化增加N 个SM 1223 扩展模块，以满足控制要求。

3.2.2 传感器选型

检测单元需要传感器类型主要有光电开关、接近开关及限位开关三种，多种检测传感器配合使用，既可检测位置，又可以防止超过极限值，起到多重保护作用。

（1）光电开关

光电开关是用于检测车辆是否进入停车区域、车位上是否有车、存放汽车是否符合车库的车位标准。本项目光电开关选用三种型号，型号E3F-DS100C4 的红外漫反射式光电开关安装在载车板的左右两侧，用于检测车位上是否有车；型号E3F-5DN1-5L 的对射式红外光电对管安装在载车板的四个角，用于提醒车辆安全停放和进出；型号E3F3-10DN1-10L 对射式红外光电开关安装在车库立柱两侧，用于检测车辆是否进入停车区域。

（2）接近开关

接近开关用于监控载车板的位置、载车板是否准备就绪，检测安全钩是否钩住载车板。本项目选用型号LJ12A3-4-Z/BX（检测范围在4mm）接近开关，在停车车位与安全挂钩动作到位区域安装，监控载车板是否在车位中、安全挂钩是否正确动作，防止坠落事故发生。

（3）限位开关

限位开关又叫行程开关，当行程开关超出规定位置范围，便会撞击行程开关挡杆，从而停止系统运行。本项目选用360°可调节的ZCK-404H29 型限位开关，将限位开关安装在载车板的运动极限位置，确保载车板不会冲出设备的极限安全范围对人员及车辆造成伤害。

3.2.3 变频器与电机选型

（1）变频器选型

考虑到系统装置需具备多段速调速功能，本项目选用变频器选用西门子SINAMICS G120，旋转编码器采用增量型360P/R。旋转圆盘与升降装置运行时，利用旋转编码器检测和实时计算升降装置的位置、换点速度，发出平层、换速信号，通过G120 实现了定位和多段速控制要求。

（2）电机选型

升降电机使用链轮链条驱动钢丝绳进行收放操作，具有曳引升降平衡、不打滑等优势，是整个系统中载荷最大的电机，且在升降过程中惯性冲击大，高中低速切换频繁，按照行业标准计算可得提升功率约为21.18KW，在实际使用中电机的总功率应大于提升功率，提升扭矩才更有保障。因此，本项目升降电机选用2 个15KW 的SEW 异步电机，减速比17.25，运行速度达到1.0m/s 左右；横移电机搭载了载车板和车辆在导轨上做水平移动，属于重度载荷运行。利用变频器切换高中低速，按照行业标准计算分析选择2.2KW 的SEW 异步电机。

（3）PLC 与变频器控制方案

以升降装置调速为例，PLC 和变频器的外部接线如图3所示，PLC 输出Q0.0、Q0.1、Q0.2 分别接变频器G120 的5、6、16 号端子，利用宏3 实现升降装置低、中、高段速运行。

图3 PLC 与变频器外部接线示意图

3.2.4 I/O 地址分配

根据上述分析信号情况，合理分配I/O 地址，并按顺序手动设置输入/出信号地址分配表（部分），如表1 所示。

表1

3.2.5 网络通信模块

通过以太网、WiFi、GPRS 网络通信模块与PLC 连接后读取设备数据通过网络通信模式将数据发送到云端，实现远程控制。学校管理者、操作员、教职工可以通过PC 机或手机APP 登录云端查看各项数据。当使用者通过网络向智能立体车库发出命令时，控制信号通过无线网络传到GPRS 远程通信模块、RS485 传送到设备，即可使当前的设备状态发生改变。以太网通信的核心器件选择USR-K3，WiFi 通信核心器件选择USR-C322，GPRS 通信的核心器件USR-GPRS232-7S3，三个模块的工作电压均为3.3V。

■3.3 软件设计

3.3.1 自动存取车控制方案

PLC 控制系统的应用程序主要分为主程序、子程序、中断程序。主程序主要负责程序的初始化、信息扫描以及自动存取过程等任务；子程序包括车位计数、满位信息及旋转归位等；而中断程序主要负责安全保护、急停、手动故障检修和监控报警功能。根据本控制系统的设计要求，为了实现自动存取功能和运行安全可靠，控制系统分为自动控制、手动控制和监控报警

3.3.2 控制流程分析

自动存/取车控制（图4）是学校智能立体车库控制的关键环节，除了完成合理的车辆存/取操作外，还要考虑到系统的安全运行。教职工首先通过手机发出存/取车指令，系统自动识别目标车辆是否符合规格，在选择目标车位时，系统判断其下方是否有下降通道，如果有，对载车板发出下移指令，如没有，由车位调度优化控制，在目标停车位下方建立可行通道。载车板下降运行顺序为：松开安全挂钩→降下载车板至地面层→升起安全档杆。

图4 智能立体车库存取车流程图

■3.4 HMI 触摸屏与上位机监控

在实际使用过程中，需要利用智能的人机交互窗口实现对立体车库的存取、操控等操作，触摸屏利用清晰、友好的画面编辑设计，生动地显示立体车库的操作界面、参数变量以及运行状态，利用SIEMENS 软件中的仿真功能对PC 上位机监控系统模拟仿真和运行调试，具体的控制界面如图5所示，监控界面一目了然，直观地反映了当前车库中车位的使用状态，提供了准确的车位信息反馈。

图5 立体车库控制界面

4 结语

智能立体车库控制从目前学校对智能立体车库的需求出发，提出了基于S7-1200 系列PLC 智能控制方案，完成了整体架构、硬件设计以及自动存/取车流程设计，虽然目前已经完成了预期的控制功能，但尚存在不足亟待改善方面，下一步，我们将在物联网视域下，对智能立体车库的无线充电共享进行研究，以便更好地为学校教职工提供便利。