基于PLC的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)立體停車庫(kù)的設(shè)計(jì)

前言

城市中，交通擁擠已經(jīng)成為各地政府關(guān)心的社會(huì)問題。城區(qū)內(nèi)交通及車輛的停放管理越來越難，特別是在城區(qū)的高級(jí)酒店、賓館、大型百貨商場(chǎng)那些車輛密集區(qū)，受到原有占地面積影響而不能增加停車位，停放困難以及交通阻塞已成為一大難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在北京，每天都有50多萬輛汽車停在馬路的兩邊；而在上海，每天也有80萬多輛汽車無處停放，這些問題都將會(huì)阻礙汽車工業(yè)的迅速發(fā)展。

以前的那些地下車庫(kù)，需要留出充足的行車通道，每輛車大概要占據(jù)40平方米左右的面積，如果采用雙層立體車庫(kù)，可使地面的使用率提高將近90%。如采用地上多層立體車庫(kù)的話，50平方米的土地面積上便可以存放至少40輛車。這樣可節(jié)省我們有限的土地資源，并且節(jié)省了土建開發(fā)的成本。其次，立體車庫(kù)與地下車庫(kù)相比較而言更加有效地保證人身和車輛的安全。人在車庫(kù)中或者車不能停放的位置，用電子控制的整個(gè)設(shè)備便不會(huì)運(yùn)行。立體停車設(shè)備可用很小的面積停放較多數(shù)量的車，免去了坡道式停車庫(kù)的坡道設(shè)計(jì)等問題。將停車庫(kù)設(shè)計(jì)中的建筑空間類問題轉(zhuǎn)換為機(jī)械方式的研究，并且采用新技術(shù)解決停車問題。采用計(jì)算機(jī)控制，車庫(kù)區(qū)無人進(jìn)入，將有效地防止盜竊和損壞。只是因?yàn)闄C(jī)械式停車設(shè)備的占地節(jié)省，停車靈活，既可以大面積的使用，也能見小面積的設(shè)置，還能跟地面停車場(chǎng)，地下停車庫(kù)組合實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為解決城市停車難最有效的手段之一，是停車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。而從某種意義上來說，立體停車庫(kù)在管理上已經(jīng)徹底做到了人車分流。?

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平逐漸的提高，小轎車數(shù)量增長(zhǎng)迅猛，人們對(duì)車庫(kù)的需求也越來越高。由于絕大部分的轎車集中在大、中城市，城市轎車數(shù)量的大幅度增加必然引起對(duì)停車位需求的增加，預(yù)計(jì)在今后5年內(nèi)我國(guó)城市至少要有約250萬個(gè)停車庫(kù)才能滿足需求。車庫(kù)門的年需求量高達(dá)300萬套，而實(shí)際產(chǎn)量為150萬套。自動(dòng)門、工業(yè)門的需求量為460萬平方米，其中自動(dòng)門的需求量為250萬平方米。

機(jī)械式立體停車庫(kù)的類型很多，根據(jù)原理與結(jié)構(gòu)的不同可分為升降橫移式、垂直循環(huán)式、垂直升降式、平面移動(dòng)式、巷道堆垛式、水平循環(huán)式等多種類型。其中，升降橫移式立體停車庫(kù)占地面積小，規(guī)?？梢愿鶕?jù)場(chǎng)地和需求靈活改變。本文以3 層10 車位升降橫移式立體停車庫(kù)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于PLC 的控制系統(tǒng)，并在S7-1200 上得到了實(shí)現(xiàn)。作為電氣工程的技術(shù)人員應(yīng)努力把當(dāng)今高新技術(shù)成果引入其設(shè)計(jì)自動(dòng)車庫(kù)門中，設(shè)計(jì)一套低成本、高效率、高可靠性、人性化的自動(dòng)車庫(kù)門，才能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位。自動(dòng)車庫(kù)應(yīng)用范圍廣泛，既可用于商業(yè)性車庫(kù)，又可用于住房配套用車庫(kù)，其推廣應(yīng)用社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，對(duì)改善城市面貌有重大意義。

1、立體停車庫(kù)的結(jié)構(gòu)與工作原理

立體車庫(kù)控制系統(tǒng)包括車輛存取車系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)（車輛身份認(rèn)證、停車收費(fèi)等）以及監(jiān)控保安系統(tǒng)等。自動(dòng)存取車系統(tǒng)是立體車庫(kù)控制的核心，由PLC控制。包括卡號(hào)識(shí)別與載重箱移動(dòng)兩個(gè)過程。在車庫(kù)入口（也是出口）處設(shè)一個(gè)非接觸式讀卡器，用戶進(jìn)入車庫(kù)時(shí)，在門口刷卡進(jìn)入，讀卡機(jī)自動(dòng)把數(shù)據(jù)傳送到PLC，PLC系統(tǒng)自動(dòng)判斷該卡是否有效，若有效，則庫(kù)門打開，系統(tǒng)把載重箱移到人車交接位置，來以縮短存取車時(shí)間。

升降橫移式立體停車庫(kù)通過升降或橫移載車板存取車輛。主要由主框架、載車板、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)措施六大部分組成。主框架是立體車庫(kù)的支撐結(jié)構(gòu)，通常采用鋼結(jié)構(gòu)。載車板用來承載庫(kù)存車輛，載車板上有橫移電機(jī)，帶動(dòng)載車板整體做橫移運(yùn)動(dòng)。載車板上的搬運(yùn)器由四根鋼絲繩與框架連接，可以升降。升降橫移式立體停車庫(kù)的傳動(dòng)系統(tǒng)分為升降傳動(dòng)系統(tǒng)和橫移傳動(dòng)系統(tǒng)，是整個(gè)車庫(kù)系統(tǒng)的核心部分。升降橫移式立體停車庫(kù)的控制系統(tǒng)可以采用單片機(jī)、可編程控制器（PLC）等硬件控制繼電器、接觸器的狀態(tài)，完成升降、橫移的動(dòng)作。安全防護(hù)措施是立體車庫(kù)的安全保障，一般有緊急停止開關(guān)、超限裝置、車長(zhǎng)檢測(cè)、阻車裝置、防墜裝置、警示裝置等。

2、 立體車庫(kù)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于西門子 PLC，由 PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行來完成城市排水泵站監(jiān)控控制系統(tǒng)的自動(dòng)化高效運(yùn)作、準(zhǔn)確的操作。

本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是全自動(dòng)控制的，當(dāng)啟動(dòng)仿真軟件WINCC運(yùn)行后，只需按啟動(dòng)開始，PLC將通過博圖軟件所編寫的相應(yīng)程序?qū)αⅢw車庫(kù)進(jìn)行控制。

升降橫移式立體停車庫(kù)的控制系統(tǒng)中，大量存在的是電機(jī)的啟停信號(hào)和傳感器的檢測(cè)信號(hào)等開關(guān)量信號(hào)，控制模式為邏輯控制和順序控制，故選擇PLC 作為主控單元進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)選擇西門子S7-200 的PLC 作為主控單元。升降橫移式立體停車庫(kù)的各種傳感器檢測(cè)信號(hào)通過數(shù)字輸入通道輸入到PLC 控制器，PLC 經(jīng)過運(yùn)算，通過輸出通道將輸出信號(hào)下傳給立體停車庫(kù)，完成對(duì)升降電機(jī)、橫移電機(jī)等執(zhí)行元件的控制動(dòng)作，立體車庫(kù)控制系統(tǒng)流程如圖1 所示。

圖 1 立體車庫(kù)控制系統(tǒng)流程圖

3 、控制系統(tǒng)硬件配置

3.1 主電路設(shè)計(jì)

主拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用一臺(tái)22KW的交流雙速電動(dòng)機(jī)，KM1接上升接觸器，KM2接下降接觸器，KM3接通低速繞組，KM4接通高速繞組，KM4短路切除高短路切除高速起動(dòng)電抗，KM31短接切除低速電抗。L為限制電流的平波電抗器。起動(dòng)（制動(dòng)）時(shí)為了限制起動(dòng)（制動(dòng)）電流、減少電網(wǎng)電壓沖擊和起動(dòng)（制動(dòng)）時(shí)的加速度，采用定子繞組串聯(lián)一級(jí)電抗形式，逐級(jí)降壓起動(dòng)（制動(dòng)）。

庫(kù)層感應(yīng)電路。庫(kù)層感應(yīng)由每層4角中主平層行程開關(guān)的通/斷來實(shí)現(xiàn)，感應(yīng)出庫(kù)層信號(hào)，用于指層、選向、選層、門廳呼叫的消號(hào)等。要求感應(yīng)信號(hào)是連續(xù)的，該信號(hào)只有在載重箱移動(dòng)至上層或下層時(shí)才消失。

②轎內(nèi)或門廳呼叫電路。該電路與電梯控制不同，在立體車庫(kù)轎內(nèi)和門廳呼叫電路中，轎內(nèi)呼叫按鈕置于載重箱內(nèi)操作箱上，平時(shí)不使用，只有在維修或者管理員需要進(jìn)入指定庫(kù)區(qū)位時(shí)才使用，方便操作。

③橫向移動(dòng)電路。橫向移動(dòng)電路是指當(dāng)載重箱移到指定層并平層后，將車推入（或拉出）左右?guī)煳坏?a href="http://srfitnesspt.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路，該動(dòng)作是由平層后（電磁閥開鎖）信號(hào)發(fā)布，終止于電磁閥鎖扣（載重箱上限位開關(guān)）動(dòng)作。

④載重箱起動(dòng)換速、平層電路。交流雙速電動(dòng)機(jī)有兩套繞組：高速繞組和低速繞組，高速繞組為4極，低速繞組為16極，速比為4:1。

3.2 PLC選型

本系統(tǒng)需要74個(gè)數(shù)字量輸入以及36個(gè)數(shù)字量輸出，在配置時(shí)需要一定的余量的?；締卧荒軡M足輸入輸出的要求，需要增加擴(kuò)展模塊，綜合各個(gè)方面的因素。本設(shè)計(jì)采用了西門子 s7-1200 PLC，CPU 1214C，5個(gè)數(shù)字輸入模塊，2個(gè)數(shù)字輸出模塊，可滿足立體車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

3.3 控制系統(tǒng)IO點(diǎn)分析

（1）控制箱?？刂葡涫强刂葡到y(tǒng)的操作界面，應(yīng)該設(shè)有車位選擇、啟動(dòng)/停止、急停、復(fù)位、自動(dòng)/點(diǎn)動(dòng)切換等控制按鈕。

（2）車輛有無檢測(cè)。為了判斷載車板上是否存有車輛，每個(gè)載車板上應(yīng)安裝檢測(cè)車輛有無的傳感器。

（3）準(zhǔn)確定位檢測(cè)。為了保證載車板是否運(yùn)動(dòng)到指定位置，應(yīng)在相應(yīng)的車位上安裝檢測(cè)載車板是否升降或橫移到位的檢測(cè)裝置。

（4）車輛超長(zhǎng)檢測(cè)。為了防止超長(zhǎng)車輛進(jìn)入停車位，在車庫(kù)的入口處安裝檢測(cè)車輛是否超長(zhǎng)的檢測(cè)裝置。

（5）升降電機(jī)。由于載車板升降所需功率較大，故選用交流電機(jī)。搬運(yùn)器的升降由電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

（6）橫移電機(jī)。使用小型交流電機(jī)，通過橫移電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制載車板的橫移運(yùn)動(dòng)。

（7）防墜裝置。當(dāng)中間層或頂層載車板停放完畢后，為防止搬運(yùn)器墜落，在相應(yīng)的車位上裝有防墜裝置，其采用掛鉤形式，由電磁鐵驅(qū)動(dòng)打開和關(guān)閉。

（8）車庫(kù)的指示設(shè)備。運(yùn)行燈，報(bào)警燈和警鈴。車庫(kù)中有車位動(dòng)作時(shí)，運(yùn)行燈亮，提醒人員注意；當(dāng)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時(shí)，報(bào)警燈閃爍，同時(shí)警鈴響起。

4 、軟件設(shè)計(jì)

升降橫移式立體停車庫(kù)PLC 控制系統(tǒng)的主要功能是存取車功能，其控制方式有點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)兩種。點(diǎn)動(dòng)控制方式是通過“上”、“下”、“左”、“右”鍵，把載車板調(diào)整到預(yù)定的位置，主要用于調(diào)試維修或應(yīng)急處理；自動(dòng)控制方式是立體停車庫(kù)的正常工作方式，當(dāng)選擇某車位進(jìn)行存取車時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)確定車位移動(dòng)方案并調(diào)用相應(yīng)的車位移動(dòng)程序，自動(dòng)完成存取車操作。

存取車控制的主要問題是解決車位移動(dòng)問題，當(dāng)選擇某車位進(jìn)行存取車操作時(shí)，需要移開它下面的所有車位，建立下行通道。建立下行通道須遵循高效原則，包括兩個(gè)方面：建立下行通道的時(shí)間最少，即車位移動(dòng)的距離最短；建立下行通道所需移動(dòng)的車位數(shù)最少。

當(dāng)選擇地面層車位存取車時(shí)，由于地面層車位車輛可以直接出入，因此不用考慮空位的位置，可以直接進(jìn)行存取車操作。當(dāng)選擇存取車位為中間層或頂層車位時(shí)，根據(jù)高效原則，比較所選車位與其下面各層的空位進(jìn)行位置比較。若某層空位在該車位左側(cè)，則將該層的相關(guān)車位左移，若某層空位在該車位右側(cè)，則將該層的相應(yīng)車位右移，最終使所選車位的下面形成通道，便于該車位升降，完成存取車操作。

為了保證存取車控制可靠和高效，建立了存取車復(fù)位規(guī)則。車位橫移復(fù)位規(guī)則：橫移車位不進(jìn)行行列復(fù)位。在下行通道的建立過程中，頂層以下各層車位需要橫移操作，為了保證存取車的效率，規(guī)定存取車完畢，橫移車位不需要復(fù)位，直接參與下次下行通道的建立過程。當(dāng)系統(tǒng)強(qiáng)行復(fù)位操作時(shí)，各車位恢復(fù)到初始位置。車位升降復(fù)位規(guī)則：升降車位進(jìn)行層復(fù)位。為了保證存取車控制的可靠性，規(guī)定存取車完畢后，在系統(tǒng)沒有強(qiáng)行停止的情況下，下降車位完成存取車操作后及時(shí)上升，恢復(fù)到該車位所在的層位。

根據(jù)上述存取車復(fù)位規(guī)則，存、取車操作的車位升降動(dòng)作達(dá)成了一致，即無論存車還是取車操作，車位都是先從所在層下降到地面層，等存取車動(dòng)作完成后，及時(shí)上升恢復(fù)到原來的層位。因此，可以用相同的控制程序?qū)崿F(xiàn)同一車位的存取車控制，提高了控制程序的執(zhí)行效率，節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

5、 總結(jié)

本文主要設(shè)計(jì)了基于西門子1200 PLC的立體車庫(kù)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因?yàn)椴捎密浗泳€的PLC程序控制，系統(tǒng)的可靠性大大提高?；赑LC的立體車庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使操作過程簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、減少維護(hù)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了控制過程的智能化。本系統(tǒng)在存取車流程上盡量使一些動(dòng)作同時(shí)運(yùn)行，如載重箱升、降和前、后移動(dòng)等，大大節(jié)省存取車時(shí)間。另外，本系統(tǒng)還可以向高層、多庫(kù)位方向擴(kuò)展，適合汽車密集社區(qū)或停車場(chǎng)。

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