基于PLC的立體車庫設(shè)計與實現(xiàn)

劉超 劉煒 趙強(qiáng)

【摘要】隨著城市汽車數(shù)量的不斷增加，停車難問題己經(jīng)成為城市的一個普遍現(xiàn)象。本文提出了一種立體車庫的設(shè)計方法。該車庫通過可編程控制器（PLC）控制車位的移動，從而實現(xiàn)車位從平面到空間的轉(zhuǎn)化。升降橫移式立體車庫利用托盤來移動車輛，通過多層車位的升降來存取車輛。本文介紹了立體車庫的結(jié)構(gòu)及功能，分析了立體車庫控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并重點闡述了控制系統(tǒng)的硬件配置、軟件設(shè)計，該立體車庫實現(xiàn)了存取車的自動化，并利用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件完成了車庫運行的監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】立體車庫;PLC;昆侖通態(tài)

1.引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的不斷改，城市車輛日漸增多，城市市區(qū)停車難的問題已經(jīng)日益凸顯并成為城市發(fā)展的一大難題。立體車庫做為一種新的停車方式，具有節(jié)省占地面積、節(jié)約投資、出入庫管理方便、省時省力、能有效保障車輛安全以及配置靈活的優(yōu)點，是解決目前都市內(nèi)停車難的有效辦法[1]。

2.立體車庫的結(jié)構(gòu)

機(jī)械式立體車庫主要可分為垂直提升式、升降橫移式、巷道堆垛式、垂直循環(huán)式、圓形水平循環(huán)式、箱型水平循環(huán)式等結(jié)構(gòu)。升降橫移類立體車庫通過托盤升降或橫移實現(xiàn)車輛的存取，有二層的、多層，有四柱結(jié)構(gòu)的，有后懸臂結(jié)構(gòu)的、有鏈條提升的、有鋼絲繩提升的等等。最大特點是對場地的適應(yīng)性較強(qiáng)，規(guī)?？纱罂尚?，設(shè)備簡單、可靠、使用方便、價格較低[2]。

升降橫移類立體車庫結(jié)構(gòu)類型為N×M二維矩陣形，一個升降橫移式立體車庫的車位總?cè)萘繛椋篜=N×M-（N-1）。其中N為二維矩陣的行，即車庫的層數(shù)，M為二維矩陣的列，即車庫的列數(shù)?？紤]到裝置和安全因素的影響，車庫在設(shè)計的時候一般為2層到4層。大多以2、3層者為主。本文介紹一個2層3列實驗車庫的實現(xiàn)過程，車庫結(jié)構(gòu)如圖1所示。在N=2，M=3的條件下，由公式P=N×M-（N-1）得，車位P=2×3-（2-1），最多可設(shè)計5個車位。

圖1 立體車庫結(jié)構(gòu)示意圖

3.立體車庫的結(jié)構(gòu)

3.1 立體車庫控制系統(tǒng)框圖

升降橫移立體車庫控制系統(tǒng)的主要控制對象是橫移電機(jī)和升降電機(jī)，通過改變電源相序來改變交流三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)向，進(jìn)而改變托盤的移動方向從而實現(xiàn)存取車的操作。其次是控制車庫內(nèi)的各種輔助裝置，如指示燈及其各種安全設(shè)施等。為了保證托盤能橫移和升降到指定位置，采用行程開關(guān)來檢測托盤是否移動到位。使用光電開關(guān)判斷托盤上有無車輛，同樣車輛長度限位也采用光電開關(guān)。立體車庫系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 立體車庫控制系統(tǒng)框圖

3.2 立體車庫的硬件結(jié)構(gòu)

立體車庫由防墜裝置、車位托盤、車庫鋼體架構(gòu)、控制系統(tǒng)組成。本設(shè)計中車輛的長寬高最大分別為：5米，1.85米，1.55米。車的重量不超過1000kg。車庫的鋼體架構(gòu)對車庫的安全性起著重要作用。在三臺2.2kW的縱向移動電機(jī)，兩臺0.2kW橫向移動電機(jī)作用下完成水平和垂直方向上的運行和定位功能。核心控制器采用的是德國西門子生產(chǎn)的S7-200 smart系列的可編程邏輯控制器。為了滿足不同應(yīng)用場合的需要，立體車庫現(xiàn)場功能設(shè)置上采用了觸摸屏，并能實現(xiàn)手動和自動操作功能，同時立體車庫還具有過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、報警及報警管理等監(jiān)控功能。車庫輸入、輸出信息分配表如表1所示。

3.3 控制軟件的設(shè)計

控制軟件的主要功能是PLC根據(jù)接收到的各種開關(guān)量，向驅(qū)動設(shè)備發(fā)出控制指令，從而控制托盤的升降或者橫移。當(dāng)托盤橫移結(jié)束之后，橫移的車位不進(jìn)行復(fù)位，直接參與下一次車位的移動。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行被強(qiáng)行復(fù)位之后，各車位才恢復(fù)到預(yù)設(shè)位置。為了保證存取的可靠性，在規(guī)定的存取車結(jié)束后，下降車位及時復(fù)位。該系統(tǒng)只針對二層車位控制，對于一層車位，在存取車的時候只需直接操作即可。

保護(hù)設(shè)計：在運行的過程中，控制系統(tǒng)必須保證在一個時間段內(nèi)只能有一個托盤動作。在車位移動時，每個動作根據(jù)實際的測量情況，設(shè)置安全運行時間。如果超過安全時間，所有動作必須停止，并且報警指示。管理人員處理完故障之后，將所有車位的車位強(qiáng)行復(fù)位。圖3為升降橫移式立體車庫的存取車流程圖。

圖3 系統(tǒng)控制主程序流程圖

圖4為1號托盤下降梯形圖。當(dāng)1號下方托盤移開時時，啟動電磁鐵彈開防墜掛鉤Q1.2，延時兩秒，啟動下降電機(jī)Q0.5。在規(guī)定的時間內(nèi)，下限位被觸發(fā)即托盤下降到位（I1.0=0），關(guān)閉電機(jī)與電磁鐵。當(dāng)存車完畢，托盤自動復(fù)位。當(dāng)在規(guī)定時間內(nèi)，下限位未被觸發(fā)，所有動作立即停止，并報警。

圖4 一號托盤下降梯形圖

本系統(tǒng)可實現(xiàn)完全機(jī)械手動操作和自動操作。機(jī)械手動操作專門用于車庫設(shè)備的安裝調(diào)試、維修和故障處理，便于技術(shù)人員現(xiàn)場調(diào)試。自動操作是車庫正常運行時使用，使用戶能夠方便的進(jìn)行存取車操作3]。

圖5 存車界面

4.觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計

本設(shè)計以觸摸屏為人機(jī)交互界面，其具有操作簡單，可視性好，靈活等優(yōu)點。該系統(tǒng)選用TPC 7062 KX型觸摸屏，用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件對觸摸屏進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)用戶的存取車設(shè)計。根據(jù)客戶的要求，主要進(jìn)行了主界面、存車界面、取車界面和調(diào)試界面的設(shè)計。

本設(shè)計的主界面，提供用戶存車功能、取車功能和軟件使用幫助信息。在本設(shè)計的存車界面上，采用普遍停車場的指示燈指示效果：紅燈表示本車位有車，綠燈表示本車位目前閑置。根據(jù)本軟件的指示燈狀態(tài)，用戶可通過相應(yīng)按鈕實現(xiàn)對應(yīng)操作。

在存車界面，如圖5所示，用戶根據(jù)指示燈提供的狀態(tài)，選擇相應(yīng)的按鈕。按鈕向PLC發(fā)送存車指令，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)用戶確定無誤時候，按下確認(rèn)鍵，系統(tǒng)開始執(zhí)行存車指令。取車界面與存車界面基本相同。

調(diào)試界面如圖6所示，管理員可實時監(jiān)控整個車庫限位開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可根據(jù)調(diào)試界面信息，從而快速診斷故障位置。當(dāng)故障處理完畢，相關(guān)工作人員可通過復(fù)位按鈕將車庫還原為初始狀態(tài)。

圖6 調(diào)試界面

5.運行調(diào)試

測試初期，通過手動工作模式，對硬件系統(tǒng)進(jìn)行測試。如圖7，左圖所示，在硬件調(diào)試過程中，由于在運動過程中鋼絲繩偏離軌道，致使托盤與規(guī)定位置大約有2厘米的偏差，導(dǎo)致托盤上升過程中與防擺桿碰撞，托盤出現(xiàn)下凹的后果。行程開關(guān)安裝的偏差，就會出現(xiàn)如圖7右圖所示，鋼絲繩松弛的狀況。此時就需要手動并且多人配合將裝置還原。

通過手動系統(tǒng)將所有的硬件裝置調(diào)試完畢后，進(jìn)入自動模式的調(diào)試過程。初始階段設(shè)計防墜掛鉤彈開與電機(jī)運動兩個動作同時發(fā)生，造成在下降的時候，由于防墜掛鉤被托盤卡住沒能夠全部及時彈開，托盤的一側(cè)掛在掛鉤上，一側(cè)下降，使托盤傾斜。在程序中防墜掛鉤彈開后，設(shè)定兩秒鐘延時，然后啟動防墜掛鉤。

圖7 調(diào)試故障圖

經(jīng)調(diào)試后，觸摸屏與控制系統(tǒng)相互配合，車庫已能夠?qū)崿F(xiàn)任意車位的存取。故障報警，各種保護(hù)措施等功能均已實現(xiàn)?？蛰d測試，每個車位進(jìn)行不低于50次的運轉(zhuǎn)，運行狀況良好。正常運行時，托盤垂直方向的平均速度為0.087m/s，水平方向平均速度為0.14m/s。

故障測試，模擬車庫現(xiàn)場遇到的各種狀況，車輛未按照規(guī)定停放時，所有的動作均不能執(zhí)行。限位開關(guān)損壞、車位移動過程中有人靠近等緊急狀況，系統(tǒng)立刻停止所有動作并報警。當(dāng)突然斷電時，所有的動作都將立刻停止，當(dāng)接通電源時，系統(tǒng)保持?jǐn)嚯娗拔恢谩＞o急情況處理完之后，假如有車位停在半空中，按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)將恢復(fù)到初始狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 車庫初始狀態(tài)圖

6.結(jié)論

我們設(shè)計的立體車庫完成了車輛存取的操作，實現(xiàn)了觸摸屏輸入，狀態(tài)監(jiān)控，故障報警，系統(tǒng)自動恢復(fù)等功能。實際運行表明它具有操作簡單，運行穩(wěn)定，安全等特點。它還易于擴(kuò)展，對于解決停車難的問題具有現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳首虹.基于PLC智能化控制的立體車庫的研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（14）：24-25.

[2]王晶晶.基于PLC的升降橫移立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科技資訊，2011（07）：22-23.

[3]易倩穎，葉云岳，鄭灼.基于PLC的新型垂直提升式立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電工程，2012，29（4）：409-412.

作者簡介：

劉超（1989—），男，碩士研究生，研究方向：信號檢測與信息處理。

趙強(qiáng)（1987—），男，碩士研究生，研究方向：信號檢測與信息處理。

劉煒（1963—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：智能儀器。