基于PLC的垂直循环型立体车库的控制系统设计

丁彩红，何 龙

（东华大学 机械工程学院，上海201620）

近年来，随着人们生活水平的提高，作为现代交通工具的小轿车逐渐进入了千家万户，方便了人们出行的同时也使城市停车矛盾日渐突出，停车难的问题不断恶化。立体车库设备的应用可以有效地解决土地资源紧缺和停车难的问题[1]。目前，国内外立体车库主要倾向于小型化车库如升降横移式、简易升降式，这类车库存在数字化程度低，土地使用效率低。为了实现车库更加自动化、数字化，并提高土地资源利用率，有必要研究中大型停车库。垂直循环型立体车库占地面少，结构相对简单，操作方面方便，在超市、医院、小区等停车场都能得到很好的应用[2]。在此，根据客户的需求，开发设计了将OMRON公司的CP1H-XA40DT-D系列PLC应用在垂直循环型立体车库控制系统中，并在此基础上进行技术改造和创新，实现了垂直循环型立体车库的自动化控制、人机交互等功能，大大提高了产品的竞争力。

1 垂直循环立体车库的结构

垂直循环型立体车库由机械结构、钢结构框架、动力系统、电气控制系统等部分组成[3]，如图1所示。其中，机械系统包含传动链轮、停车托盘、链轮、防坠装置等；动力系统包含减速电机、减速器、制动器、传动轴、联轴器等部件。钢结构框架是垂直循环型立体车库的骨架，主要包括进车侧框架和电机侧框架。电气控制系统包括PLC，变频器、电器柜、触摸屏、安全检测装置等，用于控制车库，保障车库运行正常。

图1 立体车库的结构Fig.1 Structure of tridimensional garage

垂直循环型立体车库的工作流程[4]如下：当用户存车时，司机将车开到停车托盘内准确的位置后，关好车门退出车库，按下触摸屏上的停车键按钮，安检系统确认安全后，控制系统控制电机启动，车在停车托盘机构中随着链条一起做垂直循环运动，进入车库内部，同时另一个空停车托盘转动到进车口出等待下一次存车的操作。取车时，按下存车编号按钮，电机启动，控制系统会按着最短的路程运行至出口，用户进入停车托盘，将车开走，完成取车过程。

2 控制系统要求

为了保证整个系统的正常工作，控制系统需满足如下要求：

（1）满足上面所述的用户存车和取车的功能。

（2）车库在运行过程，实时监控电机速度、电流以及停车托盘存车状态情况。

（3）为了维修以及特殊情况的处理，电机可以手动控制。需要进行手动操作时，将触摸屏上“手动/自动”按钮切换到手动状态即可手动操作。

（4）故障报警。在车库运行过程中，当出现故障问题（最下面1个停车托盘不能准确地停靠在进口位置，刮顶或蹭底，车辆停靠不当，等）时，传感器检测到异常时，报警灯闪烁，同时触摸屏界面跳出报警原因。排除故障后，点击复位按钮后，系统即可正常工作。

3 控制系统设计要求

3.1 控制系统的组成

根据控制系统的要求，所设计的垂直循环型立体车库控制系统主要包括上位机——触摸屏，下位机——PLC。上位机用于输入命令，并实时监控系统运行状态；下位机是一台PLC，连接检测元件、执行元件。

各个单元的具体功能如下：

①上位机（触摸屏）发出存车、取车命令给下位机，同时实时监控显示车库的运行状态，并对相关数据进行保存。

②下位机（PLC）是整体控制系统的中枢，接受来自上位机的信号，向上位机传送当前车库状态的信息；采集传感器信号；控制相关执行元件。

③检测元件包括接近开关、光电开关、限位开关，检测车辆在停车托盘中停放是否符合要求；对停车托盘中是否有车进行状态检测；检测升降或横移是否到位；等。

④执行元件为旋转电机。它接受PLC的命令，立即执行相关动作。

综上所述，垂直循环型立体车库的控制系统组成如图2所示。

图2 控制系统组成Fig.2 Control system block diagram

3.2 控制系统硬件配置

3.2.1 PLC及扩展模块的选择

由于本系统对所需要的数字量输入/输出（I/O）接口为26DI/13DO，并且需要监测、控制执行元件电机速度，监测电流，需要2个模拟量输入，1个模拟量输出。根据上述条件以及经济性和可靠性的要求，控制系统选用OMRON公司CP1H系列主机PLC。该系列PLC具有多种扩展功能模块可以选择，完全可以满足垂直循环型立体车库的自动化要求。

PLC主机单元选用的CP1H-XA40DT-D，拥有24DI/12DO和4AI/4AO，具有1个USB编程接口和2个标准的RS-485通讯/编程接口，4轴 100 Hz（单相）/50 Hz（相位差），可用于接受编码的信号[5-6]。为了弥补数字量I/O不足的问题，选择了OMRON的CP1H系列数字量I/O扩展模块CP1W-20EDT，它拥有12DI/8DO，可扩展PLC的I/O点数和功能，在满足该系统26DI/13DO需求的同时，还有部分余量，可为以后的工作流程变化和I/O口设备的扩充做准备。

图3 系统的控制流程Fig.3 System control flow chart

3.2.2 触摸屏的选型

随着技术的发展，PLC控制器与触摸屏的接口技术很成熟，控制系统采用触摸屏控制方式、数据保存以及监控系统的设计，综合考虑选用Schneider的GTO3510触摸屏可以通过HostLink与PLC连接通讯[7]。通过GTO3510触摸屏可控制、监控PLC运行状态。

3.3 控制系统软件设计

3.3.1 PLC程序设计

根据系统要求，设计本系统控制流程如图3所示。采用顺序控制设计法进行直观的梯形图程序编程，系统可根据其内部程序状态，在外部输入信号的作用下，使各个执行机构按照动作执行的先后次序自动地进行操作。

本系统PLC软件设计采用OMRON公司的CX-Programmer编程软件[8]。在分配好相对应地址后，进行PLC程序编程时，需要考虑存车与取车之间的逻辑关系。根据控制要求，在存车过程中，最下面1个停车托盘始终处于空车状态（除非所有的车位都停满了），用户将车辆直接开上停车托盘，关好车门退出车库，在触摸屏上按下确认停车按钮后，将车辆停放到合适的位置。在停车过程中，如果车辆位置停放超出规定的停车范围或发生其他的故障时，系统会终止电机运行并进行停车故障报警。取车时，在触摸屏上输入车辆的停车托盘号码，然后按下取车按钮，电机启动，停车托盘会在可编程控制器作用下按照最短的路程转动到车库出入口处，用户进入停车托盘，将车辆开出，完成取车过程。

4 触摸屏软件设计

采用Schneider的Vijeo Designer 6.2型触摸屏编程软件，其具有多种功能模块库，且可记录和跟踪操作动作和组态[9]。触摸屏软件设计步骤如下：

步骤1设置通讯参数通过HostLink实现触摸屏与PLC之间的通讯连接。

步骤2 根据系统设计要求，创建可视化的组态界面。

步骤3设置控制参数，通过控制参数实现PLC和现场传感器与触摸屏的功能模块之间的连接，实现触摸屏对PLC参数的控制，PLC参数和传感器向触摸屏的反馈。

垂直循环型立体车库的监控系统由4个功能模块组成，即监控界面、报警界面、参数设置和检修界面，如图4所示。

监控界面是本系统的主要功能[10]。该界面左侧区域用于显示当前车库的存车状况，界面直观清晰，实现对车库的实时监控；右侧区域在开关拨到自动挡后可以实现存车和取车的功能，如果此时出现紧急情况，可按下“急停”按钮，停止电机工作。

图4 监控界面Fig.4 Monitoring interface

故障报警主要负责系统的故障显示问题。当系统发生故障时，如用户停车位置不当，停车托盘未准确停靠进出口位置等，则发出提示信息，以便管理人员及时发现，及时维修。

参数设置模块是管理员权限。根据现场情况管理员可以设置电机的相关参数，以及补偿参数等，实现系统的人性化管理。

检修功能模块是为了维修人员方便对系统硬件进行维护检修而开放出来的1个窗口。

5 结语

垂直循环型立体车库是由机械、PLC，电气和触摸屏等元件构成的复杂的机电一体化工业装备，机械动作复杂且具有严格的先后逻辑关系。充分利用PLC控制的稳定性、灵活性以及触摸屏在可视化方面的便捷性，设计了基于PLC和触摸屏的垂直循环型立体车库控制系统，采用欧姆龙CP1H系列PLC编程软件CX-Programmer编写其相关功能，并使用Vijeo Designer开发其监控软件，既保证了系统动作之间严格的逻辑关系，也保证了操作过程的可视化和系统的安全性。

[1]方超林.立体车库发展的现状与挑战[J].中国高新技术企业，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]郭鹏.基于CAE的垂直循环型立体车库结构设计研究[D].济南：山东大学，2007.

[4]白玉铭.垂直循环式立体车库设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[5]吕品.PLC和触摸屏组合控制系统的应用[J].自动化仪表，2010，31（8）：45-47.

[6]王辉，张亚妮，徐江伟.欧姆龙系列PLC原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[7]刘正琼，徐海卫，潘媛，等.基于HostLink协议的PLC与上位机串口通信的实现 [J].合肥工业大学学报自然科学版，2008，31（12）：1940-1943.

[8]卢巧，张凌寒.欧姆龙PLC编程指令与梯形图快速入门[M].北京：电子工业出版社，2013.

[9]王艳红，吴建平，李娜，等.基于PLC与触摸屏的立体仓库控制系统设计与实现[J].工业技术创新，2016，3（4）：775-778.

[10]金博，乔晓军，王成，等.基于触摸屏的温室环境监控系统的人机界面实现[J].农业工程学报，2004，20（1）：267-26.