基于PLC的控制系统实现立体停车库的设计

前言

城市中，交通拥挤已经成为各地政府关心的社会问题。城区内交通及车辆的停放管理越来越难，特别是在城区的高级酒店、宾馆、大型百货商场那些车辆密集区，受到原有占地面积影响而不能增加停车位，停放困难以及交通阻塞已成为一大难题。据统计：在北京，每天都有50多万辆汽车停在马路的两边；而在上海，每天也有80万多辆汽车无处停放，这些问题都将会阻碍汽车工业的迅速发展。

以前的那些地下车库，需要留出充足的行车通道，每辆车大概要占据40平方米左右的面积，如果采用双层立体车库，可使地面的使用率提高将近90%。如采用地上多层立体车库的话，50平方米的土地面积上便可以存放至少40辆车。这样可节省我们有限的土地资源，并且节省了土建开发的成本。其次，立体车库与地下车库相比较而言更加有效地保证人身和车辆的安全。人在车库中或者车不能停放的位置，用电子控制的整个设备便不会运行。立体停车设备可用很小的面积停放较多数量的车，免去了坡道式停车库的坡道设计等问题。将停车库设计中的建筑空间类问题转换为机械方式的研究，并且采用新技术解决停车问题。采用计算机控制，车库区无人进入，将有效地防止盗窃和损坏。只是因为机械式停车设备的占地节省，停车灵活，既可以大面积的使用，也能见小面积的设置，还能跟地面停车场，地下停车库组合实施的优点，已经成为解决城市停车难最有效的手段之一，是停车产业发展的必经之路。而从某种意义上来说，立体停车库在管理上已经彻底做到了人车分流。 

随着经济的发展和人民生活水平逐渐的提高，小轿车数量增长迅猛，人们对车库的需求也越来越高。由于绝大部分的轿车集中在大、中城市，城市轿车数量的大幅度增加必然引起对停车位需求的增加，预计在今后5年内我国城市至少要有约250万个停车库才能满足需求。车库门的年需求量高达300万套，而实际产量为150万套。自动门、工业门的需求量为460万平方米，其中自动门的需求量为250万平方米。

机械式立体停车库的类型很多，根据原理与结构的不同可分为升降横移式、垂直循环式、垂直升降式、平面移动式、巷道堆垛式、水平循环式等多种类型。其中，升降横移式立体停车库占地面积小，规模可以根据场地和需求灵活改变。本文以3 层10 车位升降横移式立体停车库为研究对象，设计了基于PLC 的控制系统，并在S7-1200 上得到了实现。作为电气工程的技术人员应努力把当今高新技术成果引入其设计自动车库门中，设计一套低成本、高效率、高可靠性、人性化的自动车库门，才能在市场竞争中处于有利地位。自动车库应用范围广泛，既可用于商业性车库，又可用于住房配套用车库，其推广应用社会经济效益十分显著，对改善城市面貌有重大意义。

1、立体停车库的结构与工作原理

立体车库控制系统包括车辆存取车系统、车辆管理系统（车辆身份认证、停车收费等）以及监控保安系统等。自动存取车系统是立体车库控制的核心，由PLC控制。包括卡号识别与载重箱移动两个过程。在车库入口（也是出口）处设一个非接触式读卡器，用户进入车库时，在门口刷卡进入，读卡机自动把数据传送到PLC，PLC系统自动判断该卡是否有效，若有效，则库门打开，系统把载重箱移到人车交接位置，来以缩短存取车时间。

升降横移式立体停车库通过升降或横移载车板存取车辆。主要由主框架、载车板、传动系统、控制系统、安全防护措施六大部分组成。主框架是立体车库的支撑结构，通常采用钢结构。载车板用来承载库存车辆，载车板上有横移电机，带动载车板整体做横移运动。载车板上的搬运器由四根钢丝绳与框架连接，可以升降。升降横移式立体停车库的传动系统分为升降传动系统和横移传动系统，是整个车库系统的核心部分。升降横移式立体停车库的控制系统可以采用单片机、可编程控制器（PLC）等硬件控制继电器、接触器的状态，完成升降、横移的动作。安全防护措施是立体车库的安全保障，一般有紧急停止开关、超限装置、车长检测、阻车装置、防坠装置、警示装置等。

2、 立体车库智能控制系统设计

本设计基于西门子 PLC，由 PLC对数据进行运算处理，然后控制现场设备的运行来完成城市排水泵站监控控制系统的自动化高效运作、准确的操作。

本设计的控制系统是全自动控制的，当启动仿真软件WINCC运行后，只需按启动开始，PLC将通过博图软件所编写的相应程序对立体车库进行控制。

升降横移式立体停车库的控制系统中，大量存在的是电机的启停信号和传感器的检测信号等开关量信号，控制模式为逻辑控制和顺序控制，故选择PLC 作为主控单元进行控制系统设计，该控制系统选择西门子S7-200 的PLC 作为主控单元。升降横移式立体停车库的各种传感器检测信号通过数字输入通道输入到PLC 控制器，PLC 经过运算，通过输出通道将输出信号下传给立体停车库，完成对升降电机、横移电机等执行元件的控制动作，立体车库控制系统流程如图1 所示。

图 1 立体车库控制系统流程图

3 、控制系统硬件配置

3.1 主电路设计

主拖动电动机采用一台22KW的交流双速电动机，KM1接上升接触器，KM2接下降接触器，KM3接通低速绕组，KM4接通高速绕组，KM4短路切除高短路切除高速起动电抗，KM31短接切除低速电抗。L为限制电流的平波电抗器。起动（制动）时为了限制起动（制动）电流、减少电网电压冲击和起动（制动）时的加速度，采用定子绕组串联一级电抗形式，逐级降压起动（制动）。

库层感应电路。库层感应由每层4角中主平层行程开关的通/断来实现，感应出库层信号，用于指层、选向、选层、门厅呼叫的消号等。要求感应信号是连续的，该信号只有在载重箱移动至上层或下层时才消失。

②轿内或门厅呼叫电路。该电路与电梯控制不同，在立体车库轿内和门厅呼叫电路中，轿内呼叫按钮置于载重箱内操作箱上，平时不使用，只有在维修或者管理员需要进入指定库区位时才使用，方便操作。

③横向移动电路。横向移动电路是指当载重箱移到指定层并平层后，将车推入（或拉出）左右库位的控制电路，该动作是由平层后（电磁阀开锁）信号发布，终止于电磁阀锁扣（载重箱上限位开关）动作。

④载重箱起动换速、平层电路。交流双速电动机有两套绕组：高速绕组和低速绕组，高速绕组为4极，低速绕组为16极，速比为4:1。

3.2 PLC选型

本系统需要74个数字量输入以及36个数字量输出，在配置时需要一定的余量的。基本单元不能满足输入输出的要求，需要增加扩展模块，综合各个方面的因素。本设计采用了西门子 s7-1200 PLC，CPU 1214C，5个数字输入模块，2个数字输出模块，可满足立体车库控制系统设计的需求。

3.3 控制系统IO点分析

（1）控制箱。控制箱是控制系统的操作界面，应该设有车位选择、启动/停止、急停、复位、自动/点动切换等控制按钮。

（2）车辆有无检测。为了判断载车板上是否存有车辆，每个载车板上应安装检测车辆有无的传感器。

（3）准确定位检测。为了保证载车板是否运动到指定位置，应在相应的车位上安装检测载车板是否升降或横移到位的检测装置。

（4）车辆超长检测。为了防止超长车辆进入停车位，在车库的入口处安装检测车辆是否超长的检测装置。

（5）升降电机。由于载车板升降所需功率较大，故选用交流电机。搬运器的升降由电机的正反转控制。

（6）横移电机。使用小型交流电机，通过横移电机的正反转控制载车板的横移运动。

（7）防坠装置。当中间层或顶层载车板停放完毕后，为防止搬运器坠落，在相应的车位上装有防坠装置，其采用挂钩形式，由电磁铁驱动打开和关闭。

（8）车库的指示设备。运行灯，报警灯和警铃。车库中有车位动作时，运行灯亮，提醒人员注意；当出现紧急状态时，报警灯闪烁，同时警铃响起。

4 、软件设计

升降横移式立体停车库PLC 控制系统的主要功能是存取车功能，其控制方式有点动和自动两种。点动控制方式是通过“上”、“下”、“左”、“右”键，把载车板调整到预定的位置，主要用于调试维修或应急处理；自动控制方式是立体停车库的正常工作方式，当选择某车位进行存取车时，系统自动确定车位移动方案并调用相应的车位移动程序，自动完成存取车操作。

存取车控制的主要问题是解决车位移动问题，当选择某车位进行存取车操作时，需要移开它下面的所有车位，建立下行通道。建立下行通道须遵循高效原则，包括两个方面：建立下行通道的时间最少，即车位移动的距离最短；建立下行通道所需移动的车位数最少。

当选择地面层车位存取车时，由于地面层车位车辆可以直接出入，因此不用考虑空位的位置，可以直接进行存取车操作。当选择存取车位为中间层或顶层车位时，根据高效原则，比较所选车位与其下面各层的空位进行位置比较。若某层空位在该车位左侧，则将该层的相关车位左移，若某层空位在该车位右侧，则将该层的相应车位右移，最终使所选车位的下面形成通道，便于该车位升降，完成存取车操作。

为了保证存取车控制可靠和高效，建立了存取车复位规则。车位横移复位规则：横移车位不进行行列复位。在下行通道的建立过程中，顶层以下各层车位需要横移操作，为了保证存取车的效率，规定存取车完毕，横移车位不需要复位，直接参与下次下行通道的建立过程。当系统强行复位操作时，各车位恢复到初始位置。车位升降复位规则：升降车位进行层复位。为了保证存取车控制的可靠性，规定存取车完毕后，在系统没有强行停止的情况下，下降车位完成存取车操作后及时上升，恢复到该车位所在的层位。

根据上述存取车复位规则，存、取车操作的车位升降动作达成了一致，即无论存车还是取车操作，车位都是先从所在层下降到地面层，等存取车动作完成后，及时上升恢复到原来的层位。因此，可以用相同的控制程序实现同一车位的存取车控制，提高了控制程序的执行效率，节省了存储空间。

5、 总结

本文主要设计了基于西门子1200 PLC的立体车库智能控制系统设计。因为采用软接线的PLC程序控制，系统的可靠性大大提高。基于PLC的立体车库自动控制系统，使操作过程简单、运行可靠、减少维护费用，实现了控制过程的智能化。本系统在存取车流程上尽量使一些动作同时运行，如载重箱升、降和前、后移动等，大大节省存取车时间。另外，本系统还可以向高层、多库位方向扩展，适合汽车密集社区或停车场。

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