基于PLC的垂直循環型立體車庫的控制系統設計

丁彩紅，何 龍

（東華大學 機械工程學院，上海201620）

近年來，隨著人們生活水平的提高，作為現代交通工具的小轎車逐漸進入了千家萬戶，方便了人們出行的同時也使城市停車矛盾日漸突出，停車難的問題不斷惡化。立體車庫設備的應用可以有效地解決土地資源緊缺和停車難的問題[1]。目前，國內外立體車庫主要傾向于小型化車庫如升降橫移式、簡易升降式，這類車庫存在數字化程度低，土地使用效率低。為了實現車庫更加自動化、數字化，并提高土地資源利用率，有必要研究中大型停車庫。垂直循環型立體車庫占地面少，結構相對簡單，操作方面方便，在超市、醫院、小區等停車場都能得到很好的應用[2]。在此，根據客戶的需求，開發設計了將OMRON公司的CP1H-XA40DT-D系列PLC應用在垂直循環型立體車庫控制系統中，并在此基礎上進行技術改造和創新，實現了垂直循環型立體車庫的自動化控制、人機交互等功能，大大提高了產品的競爭力。

1 垂直循環立體車庫的結構

垂直循環型立體車庫由機械結構、鋼結構框架、動力系統、電氣控制系統等部分組成[3]，如圖1所示。其中，機械系統包含傳動鏈輪、停車托盤、鏈輪、防墜裝置等；動力系統包含減速電機、減速器、制動器、傳動軸、聯軸器等部件。鋼結構框架是垂直循環型立體車庫的骨架，主要包括進車側框架和電機側框架。電氣控制系統包括PLC，變頻器、電器柜、觸摸屏、安全檢測裝置等，用于控制車庫，保障車庫運行正常。

圖1 立體車庫的結構Fig.1 Structure of tridimensional garage

垂直循環型立體車庫的工作流程[4]如下：當用戶存車時，司機將車開到停車托盤內準確的位置后，關好車門退出車庫，按下觸摸屏上的停車鍵按鈕，安檢系統確認安全后，控制系統控制電機啟動，車在停車托盤機構中隨著鏈條一起做垂直循環運動，進入車庫內部，同時另一個空停車托盤轉動到進車口出等待下一次存車的操作。取車時，按下存車編號按鈕，電機啟動，控制系統會按著最短的路程運行至出口，用戶進入停車托盤，將車開走，完成取車過程。

2 控制系統要求

為了保證整個系統的正常工作，控制系統需滿足如下要求：

（1）滿足上面所述的用戶存車和取車的功能。

（2）車庫在運行過程，實時監控電機速度、電流以及停車托盤存車狀態情況。

（3）為了維修以及特殊情況的處理，電機可以手動控制。需要進行手動操作時，將觸摸屏上“手動/自動”按鈕切換到手動狀態即可手動操作。

（4）故障報警。在車庫運行過程中，當出現故障問題（最下面1個停車托盤不能準確地停靠在進口位置，刮頂或蹭底，車輛停靠不當，等）時，傳感器檢測到異常時，報警燈閃爍，同時觸摸屏界面跳出報警原因。排除故障后，點擊復位按鈕后，系統即可正常工作。

3 控制系統設計要求

3.1 控制系統的組成

根據控制系統的要求，所設計的垂直循環型立體車庫控制系統主要包括上位機——觸摸屏，下位機——PLC。上位機用于輸入命令，并實時監控系統運行狀態；下位機是一臺PLC，連接檢測元件、執行元件。

各個單元的具體功能如下：

①上位機（觸摸屏）發出存車、取車命令給下位機，同時實時監控顯示車庫的運行狀態，并對相關數據進行保存。

②下位機（PLC）是整體控制系統的中樞，接受來自上位機的信號，向上位機傳送當前車庫狀態的信息；采集傳感器信號；控制相關執行元件。

③檢測元件包括接近開關、光電開關、限位開關，檢測車輛在停車托盤中停放是否符合要求；對停車托盤中是否有車進行狀態檢測；檢測升降或橫移是否到位；等。

④執行元件為旋轉電機。它接受PLC的命令，立即執行相關動作。

綜上所述，垂直循環型立體車庫的控制系統組成如圖2所示。

圖2 控制系統組成Fig.2 Control system block diagram

3.2 控制系統硬件配置

3.2.1 PLC及擴展模塊的選擇

由于本系統對所需要的數字量輸入/輸出（I/O）接口為26DI/13DO，并且需要監測、控制執行元件電機速度，監測電流，需要2個模擬量輸入，1個模擬量輸出。根據上述條件以及經濟性和可靠性的要求，控制系統選用OMRON公司CP1H系列主機PLC。該系列PLC具有多種擴展功能模塊可以選擇，完全可以滿足垂直循環型立體車庫的自動化要求。

PLC主機單元選用的CP1H-XA40DT-D，擁有24DI/12DO和4AI/4AO，具有1個USB編程接口和2個標準的RS-485通訊/編程接口，4軸 100 Hz（單相）/50 Hz（相位差），可用于接受編碼的信號[5-6]。為了彌補數字量I/O不足的問題，選擇了OMRON的CP1H系列數字量I/O擴展模塊CP1W-20EDT，它擁有12DI/8DO，可擴展PLC的I/O點數和功能，在滿足該系統26DI/13DO需求的同時，還有部分余量，可為以后的工作流程變化和I/O口設備的擴充做準備。

圖3 系統的控制流程Fig.3 System control flow chart

3.2.2 觸摸屏的選型

隨著技術的發展，PLC控制器與觸摸屏的接口技術很成熟，控制系統采用觸摸屏控制方式、數據保存以及監控系統的設計，綜合考慮選用Schneider的GTO3510觸摸屏可以通過HostLink與PLC連接通訊[7]。通過GTO3510觸摸屏可控制、監控PLC運行狀態。

3.3 控制系統軟件設計

3.3.1 PLC程序設計

根據系統要求，設計本系統控制流程如圖3所示。采用順序控制設計法進行直觀的梯形圖程序編程，系統可根據其內部程序狀態，在外部輸入信號的作用下，使各個執行機構按照動作執行的先后次序自動地進行操作。

本系統PLC軟件設計采用OMRON公司的CX-Programmer編程軟件[8]。在分配好相對應地址后，進行PLC程序編程時，需要考慮存車與取車之間的邏輯關系。根據控制要求，在存車過程中，最下面1個停車托盤始終處于空車狀態（除非所有的車位都停滿了），用戶將車輛直接開上停車托盤，關好車門退出車庫，在觸摸屏上按下確認停車按鈕后，將車輛停放到合適的位置。在停車過程中，如果車輛位置停放超出規定的停車范圍或發生其他的故障時，系統會終止電機運行并進行停車故障報警。取車時，在觸摸屏上輸入車輛的停車托盤號碼，然后按下取車按鈕，電機啟動，停車托盤會在可編程控制器作用下按照最短的路程轉動到車庫出入口處，用戶進入停車托盤，將車輛開出，完成取車過程。

4 觸摸屏軟件設計

采用Schneider的Vijeo Designer 6.2型觸摸屏編程軟件，其具有多種功能模塊庫，且可記錄和跟蹤操作動作和組態[9]。觸摸屏軟件設計步驟如下：

步驟1設置通訊參數通過HostLink實現觸摸屏與PLC之間的通訊連接。

步驟2 根據系統設計要求，創建可視化的組態界面。

步驟3設置控制參數，通過控制參數實現PLC和現場傳感器與觸摸屏的功能模塊之間的連接，實現觸摸屏對PLC參數的控制，PLC參數和傳感器向觸摸屏的反饋。

垂直循環型立體車庫的監控系統由4個功能模塊組成，即監控界面、報警界面、參數設置和檢修界面，如圖4所示。

監控界面是本系統的主要功能[10]。該界面左側區域用于顯示當前車庫的存車狀況，界面直觀清晰，實現對車庫的實時監控；右側區域在開關撥到自動擋后可以實現存車和取車的功能，如果此時出現緊急情況，可按下“急停”按鈕，停止電機工作。

圖4 監控界面Fig.4 Monitoring interface

故障報警主要負責系統的故障顯示問題。當系統發生故障時，如用戶停車位置不當，停車托盤未準確停靠進出口位置等，則發出提示信息，以便管理人員及時發現，及時維修。

參數設置模塊是管理員權限。根據現場情況管理員可以設置電機的相關參數，以及補償參數等，實現系統的人性化管理。

檢修功能模塊是為了維修人員方便對系統硬件進行維護檢修而開放出來的1個窗口。

5 結語

垂直循環型立體車庫是由機械、PLC，電氣和觸摸屏等元件構成的復雜的機電一體化工業裝備，機械動作復雜且具有嚴格的先后邏輯關系。充分利用PLC控制的穩定性、靈活性以及觸摸屏在可視化方面的便捷性，設計了基于PLC和觸摸屏的垂直循環型立體車庫控制系統，采用歐姆龍CP1H系列PLC編程軟件CX-Programmer編寫其相關功能，并使用Vijeo Designer開發其監控軟件，既保證了系統動作之間嚴格的邏輯關系，也保證了操作過程的可視化和系統的安全性。

[1]方超林.立體車庫發展的現狀與挑戰[J].中國高新技術企業，2013，20（9）：160-161.

[2]NationalParking Association.Automated ParkingTakesIts Place in the United States：But is it Right for You[J].Parking the Magazine of the Parking Industry，2003，42（1/2）：22-25.

[3]郭鵬.基于CAE的垂直循環型立體車庫結構設計研究[D].濟南：山東大學，2007.

[4]白玉銘.垂直循環式立體車庫設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

[5]呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統的應用[J].自動化儀表，2010，31（8）：45-47.

[6]王輝，張亞妮，徐江偉.歐姆龍系列PLC原理及應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[7]劉正瓊，徐海衛，潘媛，等.基于HostLink協議的PLC與上位機串口通信的實現 [J].合肥工業大學學報自然科學版，2008，31（12）：1940-1943.

[8]盧巧，張凌寒.歐姆龍PLC編程指令與梯形圖快速入門[M].北京：電子工業出版社，2013.

[9]王艷紅，吳建平，李娜，等.基于PLC與觸摸屏的立體倉庫控制系統設計與實現[J].工業技術創新，2016，3（4）：775-778.

[10]金博，喬曉軍，王成，等.基于觸摸屏的溫室環境監控系統的人機界面實現[J].農業工程學報，2004，20（1）：267-26.