基于PLC的升降横移式立体车库控制系统设计

王海周，李仁旺，宋圣涛，王维维，杨　震

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)



基于PLC的升降横移式立体车库控制系统设计

王海周，李仁旺，宋圣涛，王维维，杨震

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

摘要：作为一种有效解决停车位紧张问题的途径，立体车库得到了越来越广泛的研究和应用，而对其控制系统的研究是其中的重点.以三层十车位的升降横移式立体车库为例，设计了基于PLC的立体车库控制系统，以实现立体车库的智能、安全、高效运行.首先介绍了立体车库的结构和工作原理，接着介绍了车库控制系统各个结构模块及其软硬件组成，重点阐述了控制系统的设计方案和存取车的优化算法，对立体车库的安全性设计也进行了相关的探讨.

关键词：立体车库；PLC；控制系统；设计

随着经济的不断发展，人们生活水平的日益提高，汽车保有量迅速增长.早期的城市规划对停车设施考虑不够，停车场的设计多采用平面式，而这显然不能满足人们的停车需要，造成了目前车位严重缺失的局面[1].为解决这一难题，机械式立体车库应运而生.其集机械、智能自动化、驱动及检测技术等于一体，具有占地面积小、自动化程度高、使用方便、安全可靠等优点，已成为未来车库发展的必然趋势[2].

立体车库可主要分为垂直提升式、升降横移式、巷道堆垛式、垂直循环式、圆形水平循环式、箱型水平循环式等[2].从我国立体车库实际安装情况看，升降横移式占绝大多数.因此，本研究以升降横移式立体车库为例来说明立体车库控制系统的组成.

升降横移式立体车库将载运和存放汽车的载车板与升降装置组合在一起，利用载车板的升降或横移来实现车辆存取.该立体车库主要由主框架、载车板、传动系统、控制系统、安全防护措施等5部分组成[3].这里以三层十车位的升降横移式立体车库为例来说明其工作原理(图1).底层载车板只能做平移运动，中间层既能够平移又能够升降，顶层只能做升降运动.在三层立体车库中，除了顶层以外，中间层和底层都必须留有一个空位，为上面一层车辆的升降预留空间.这样，当底层载车板要存取车辆时，可以直接进出；而中间层和顶层的载车板要存取车辆时，需要先判断它对应的下方位置是否为空，若不为空，要对相应的载车板进行平移处理，直到下方位置为空时才可以将载车板移动至底层，进行相应的存取车操作，并在完成操作后控制载车板返回到原来的位置.载车板的总体运行思路为：升降复位，平移不复位.

1控制系统硬件设计

1.1系统设计目标

升降横移式立体车库的控制系统应符合以下特点[4]：

(1)自动化程度高.当立体车库处于自动运行模式时，用户只通过按键面板或电脑屏幕就能进行车辆的存取.

(2)安全可靠.由于轿车价值普遍比较高，因此立体车库的安全性是重中之重.在保证主框架结构强度的基础上，应设置车辆防坠装置、车辆超长超高检测、人员误入检测、紧急停止开关以及电气系统保护装置，还应设置手动取车系统， 以便在用户必要时手动操作将车辆取出.

图1　升降横移式立体车库工作原理示意图

(3)高效便捷.本系统在保证安全的前提下，能够快速高效地为用户提供存取车服务.

1.2系统硬件组成

以系统设计目标为指导，立体车库控制系统的硬件主要由上位机、PLC及输入输出装置组成(图2).

图2　升降横移式立体车库控制系统硬件组成

(1)上位机主要用于数据处理、图形显示和多媒体处理[4].其配备了鼠标、键盘、显示器、语音提示设备、收款机、打印机、IC卡读卡器等外围输入输出设备.

(2)PLC是整个系统中承上启下的关键一环，两端分别连接着上位机和输入输出装置.对PLC编程，使它可以智能地与上位机进行信息交换，并根据上位机和输入装置传来的相关信号，驱动输出装置完成预定的操作指令，从而保证立体车库的安全有序运行.因此，PLC应具有很强的稳定性，能在各种复杂环境中稳定运行.

(3)输入输出装置主要由检测机构和执行机构组成.检测机构的主要作用是将检测到的信号作为输入信号传递给PLC.其中光电传感器用来检测车辆尺寸是否符合停车要求，霍尔压力传感器用来判断载车板上面是否有车，限位开关用来确定车位上有无载车板以及保证载车板到位后升降电机或横移电机立即制动.执行机构的主要作用是接收PLC的输出信号，并根据信号做出相应动作.其中升降电机和横移电机通过正反转来完成载车板的上下运动和左右移动，防坠电磁阀和安全挂钩组成的防坠落系统主要用于保证车库的安全性.得电时，电磁阀控制安全挂钩打开，载车板可以升降平移;失电后，电磁阀断电，安全挂钩锁定，载车板无法运动.

1.3硬件间的连接和通信

在立体车库运行时，上位机通过PROFIBUS-DP通信协议与PLC进行通讯.PLC将检测机构监测到的信息传递给上位机，如存取车信息、车库异常信息等.上位机根据这些信息对车库的运行进行实时监控，并将相应的操作指令传递给PLC，通过PLC控制现场执行机构.PLC的工作流程如图3所示.

图3　PLC工作流程

为了PLC的正常工作，需要根据系统设计要求，确定PLC的输入输出点个数，并与相应的传感器或执行器件连接起来.本系统共计73个输入，46个输出，PLC选用西门子S7-200系列CPU226(加扩展模块)，共24个输入，16个输出.扩展模块选用4个EM223，每块有16个输入，16个输出，能满足系统要求.在图1中，底层从左到右为1～3号车位，中间层从左到右为4～6号车位，顶层从左到右为7～10号车位，底层的空车位为N1车位，中间层的空车位为N2车位.系统的I/O地址分配表如表1、表2所示：

表1　输入地址分配表

表2　输出地址分配表

2控制系统软件设计

PLC控制系统的软件设计主要是为了高效安全地完成车库自动存取车操作.根据升降横移式立体车库的运行特点，可将程序分为两大部分来编制：主程序块和子程序块.

主程序用来监控整个车库的运行情况，并通过调用子程序来完成各种操作.主程序的功能主要包括：切换自动运行和手动运行模式；自动运行模式下存取车辆；车库正常运行、存取车辆及出现故障时，点亮相应的指示灯；通过各种传感器检测车位上是否有载车板以及载车板是否可用；车库运行的安全监控[5-6].手动运行和自动运行模式一般通过相应的开关进行切换.在手动运行模式下，无论存车或是取车，如果所需载车板不在底层，则可以通过“点动”的方式，将拦在存取车路径上的其他载车板移走.其具体操作方法为：首先选择需要移动的车位号，然后按动“上”、“下”、“左”、“右”按钮，将选中的载车板移到指定位置，直至所需载车板的下方为空，最后将所需载车板移到底层.完成存取车操作后，再将该载车板移回原位.

自动运行是立体车库的正常运行模式，主要包括复位子程序、存车子程序和取车子程序等.其中复位子程序主要用于车库刚开始运行时建立初始状态；而存取车子程序则需根据收到的存取车指令，规划一条最优的存取车路径，并驱动执行元件执行相关动作.复位子程序流程如图4所示.自动模式下存取车流程如图5所示.

图4　复位子程序流程图

关于最优存取车路径，是指以最少的存取车时间和最小的能源消耗，完成车辆的存取.这里以图6所示状态为例进行详细说明：(1)存车时，如果底层有空闲载车板，则优先停在底层空闲载车板上；如果底层三个载车板已停满且此时没有用户从底层取车，则选取中间层和顶层中需要横移次数最少的载车板.在图6中，用户存车时，要将车存到车位5的载车板上面，需要车位2和3上的载车板右移，而如果存到车位9或10的载车板上，则只需车位3上的载车板右移或车位N2上的载车板左移.为避免混乱，本系统采用右移优先策略，即在相同横移次数的基础上，优先选择右移.因此，本次存车过程如下：先将车位3上的载车板右移，再将车位9上的载车板降到底层，待车停好之后，载车板再次升到车位9，完成本次存车.(2)取车时，如果车辆在底层载车板

图5　自动模式下存取车流程图

上，则确认周围安全后，直接驶出即可；如果在中间层或顶层载车板上，则选取需要横移载车板次数最少的路径，完成取车操作.在图6中，如果要取停在8号车位上的车辆，则需先把5号车位上的载车板右移，然后把2号和3号车位上的载车板右移，最后把8号车位上的载车板降到底层，并在用户完成取车后，再次将载车板升到车位8，完成本次取车操作.

图6　立体车库运行状态示意图

在本系统设计完成后，可利用梯形图实现软件的编写，完成对立体车库的控制.

3结束语

控制系统的设计是立体车库设计工作的核心，文中以一个三层十车位升降横移式立体车库为对象，研究了立体车库控制系统的软硬件设计以及应实现的功能.利用上位机和PLC相结合，充分发挥两者优势，不仅提高了系统的可靠性和车库的自动化程度，而且操作简单，容易学习.在自动运行模式下，系统能够根据当前的车位使用情况，自动规划出最为合理的存取车路线，而当系统出现故障时，能切换到手动运行模式，不影响用户存取车辆.

参考文献:

[1]张锦.城市停车场规划方法及其应用研究[J].城市交通,2003,1(1):23-27.

[2]易倩颖,叶云岳，郑灼.基于PLC的新型垂直提升式立体车库控制系统设计[J].机电工程, 2012,29(4):409-412.

[3]任伯淼.机械式立体停车库[M]. 北京:海洋出版社, 2001:33-47.

[4]刘岩石.基于台达PLC的立体车库控制系统[J].国内外机电一体化技术,2014,17(5):36-38.

[5]刘屹巍.基于PLC的立体车库控制系统设计[J].科学技术与工程, 2011,11(27):6735-6737,6746.

[6]刘伟,张廷林，董小伟，等.基于PLC的立体车库自动控制系统的设计[J].起重运输机械,2013,53(12):20-22.

收稿日期：2015-11-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475434)

作者简介：王海周(1987-)，男，河南许昌人，硕士研究生，研究方向为制造业信息化.

文章编号：1006-3269(2016)02-0001-05

中图分类号：TP29

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1006-3269.2016.02.001

Control System Design of Lift-sliding Stereo Garage Based on PLC

WANG Hai-zhou, LI Ren-wang,SONG Sheng-tao, WANG Wei-wei,YANG Zhen

(Mechanical Engineering & Automati Control College, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Abstract：As an effective method to solve the parking problem, stereo garage is being studied and applied more and more widely, especially on the control system. This paper chooses three-layer and ten-carports lift sliding stereo garage as the research model and designs a control system based on PLC to assure the garage run intelligently, safely and effectively. Firstly, the structure and operating principle are introduced, and then the modules of control system and the hardware & software components are deeply discussed, besides, the discussion focused on design proposal of control system and optimization algorithm of parking. In addition, the security design of stereo garage is considered.

Key words:stereo garage; PLC; control system; design