基于PLC的垂直升降式立體車庫(kù)設(shè)計(jì)

李 寧，陳 瑞

（喀什大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，新疆 喀什 844000）

引言

2020年，我國(guó)私人轎車保有量較2019年增加973萬(wàn)輛，增長(zhǎng)了7.1%，而2019年較2018年增加了1 112萬(wàn)輛，增長(zhǎng)了8.83%[1]。這就要求小區(qū)和一些公共區(qū)域要有更多的停車位。相比較傳統(tǒng)的地下或地上停車場(chǎng)，立體車庫(kù)對(duì)土地的利用率要高很多。

在國(guó)家質(zhì)檢總局頒布的《特種設(shè)備目錄》中，將立體車庫(kù)分為九大類，包括水平循環(huán)式（PSX）、垂直升降式（PCS）、升降橫移式（PSH）、簡(jiǎn)易升降式（PJS）、平面移動(dòng)式（PPY）、巷道堆垛式（PXD）、垂直循環(huán)式（PCX）、多層循環(huán)式（PDX）以及汽車專用升降機(jī)（PQS）[2]。

垂直升降式立體停車庫(kù)利用升降機(jī)構(gòu)和橫移機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)車位的存（?。┸?，具有占地面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)地面要求低、建設(shè)成本低，以及可根據(jù)需要增加列來(lái)增加車位等優(yōu)勢(shì)，因此，適用于城市中停車位緊張的城中村、老舊小區(qū)或者城市中心的商超附近，適用面較廣。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)八層八車位的垂直升降式立體停車庫(kù)，采用基于PLC的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)停車庫(kù)的自動(dòng)控制。

1 立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行過(guò)程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的立體車庫(kù)共有八個(gè)車位，八層單列。其結(jié)構(gòu)包括控制升降系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、載車板、橫移系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)框架?？刂粕迪到y(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)載車板移動(dòng)，在八層停車庫(kù)中實(shí)現(xiàn)存（取）車；提升系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)載車板的上升與下降；載車板用來(lái)承載車輛；橫移系統(tǒng)主要用于控制載車板的左右平移；結(jié)構(gòu)框架對(duì)所有鋼架、設(shè)備以及載車板、汽車起到支撐作用。

1.2 停車位移動(dòng)過(guò)程

如圖1所示，共有八個(gè)車位，八層單列。由每個(gè)載車板單獨(dú)升降移動(dòng)，到用戶選取的停車位后載車板左移將轎車送入對(duì)應(yīng)停車位，實(shí)現(xiàn)八層八車位的立體停車模式。

圖1 車位移動(dòng)示意圖

八個(gè)車位移動(dòng)方案相似，舉例說(shuō)明八號(hào)車位存車與取車方案。

八號(hào)車位存車時(shí)，八號(hào)載車板右移一個(gè)車位，接著下降一個(gè)車位，一段時(shí)間后，車輛駛?cè)氚颂?hào)載車板，等待一段時(shí)間后，八號(hào)載車板上移一個(gè)車位，接著右移一個(gè)車位，進(jìn)入八號(hào)車位后，八號(hào)車位存車結(jié)束。如圖2所示，仿真模擬八號(hào)車位存車程序。

圖2 八號(hào)位存車簡(jiǎn)述圖

八號(hào)車位取車時(shí)，八號(hào)載車板右移一個(gè)車位，一段時(shí)間后，八號(hào)載車板下移一個(gè)車位，待車輛駛出八號(hào)載車板后，八號(hào)載車板上升并右移至八號(hào)車位，至此，八號(hào)車位取車結(jié)束。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

硬件整體主要包括PLC硬件、電機(jī)、中間繼電器、指示燈和計(jì)算機(jī)等。

PLC主要用來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)載車板的移動(dòng)，還有防墜掛鉤的動(dòng)作以及啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)、復(fù)位開(kāi)關(guān)等。

其中主要硬件的型號(hào)選擇如表1所示。

表1 各類硬件選型

硬件部分各類元件的功能說(shuō)明如表2所示。SB1、SB2、SB3分別作為系統(tǒng)的啟動(dòng)、復(fù)位和急停開(kāi)關(guān)，L1~L8分別作為八個(gè)車位的存取車指示燈（有車顯示紅色，無(wú)車顯示綠色）。M1~M4四個(gè)電機(jī)作為升降橫移載車板使用，其中M1~M2作為升降電機(jī)使用，M3~M4作為橫移電機(jī)使用。KA1~KA8分別是一車位~八車位的光電感應(yīng)器。

表2 各類硬件電氣符號(hào)及功能說(shuō)明表

2.2 系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)主要是對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和防墜掛鉤吸合釋放的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主電路作用于整個(gè)車庫(kù)中。電磁鐵的得電和失電控制安全防墜掛鉤的彈出和收回。

2.3 PLC I/O口地址分配

CPU224XP自身包含一定數(shù)量的本機(jī)I/O（輸入口/輸出口），可以用擴(kuò)展I/O模塊來(lái)增加I/O點(diǎn)數(shù)。整個(gè)PLC控制系統(tǒng)I/O地址分配如表3所示。

近年來(lái)，我國(guó)公路橋梁施工技術(shù)發(fā)展迅速，如在高等級(jí)公路建設(shè)中，在線型設(shè)計(jì)布局方面的要求也在逐年提升，特別是對(duì)高墩橋梁建設(shè)中的加固技術(shù)更有了新的要求標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上增加了施工難度。我國(guó)高速公路橋梁的基本特點(diǎn)包括：（1）跨度大，對(duì)承載力要求高。公路橋梁工程是跨越水域、山谷等地勢(shì)的構(gòu)造物，因此，其跨度通常較大，相應(yīng)地對(duì)其結(jié)構(gòu)的承載力要求也高。（2）耐久性強(qiáng)。橋梁工程的設(shè)計(jì)年限一般為100～120年，并且在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，會(huì)受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕以及車輛荷載、風(fēng)荷載、超載及人為等因素的影響，因此，為了保證橋梁的正常通行，要求橋梁工程的耐久性較強(qiáng)。

表3 PLCI/O口地址分配示意圖

整體PLC硬件接線電路如圖3所示，PLC外圍三相異步電動(dòng)機(jī)等部分的供電電源均為交流220 V，接地端直接接地。所有開(kāi)關(guān)和電路指示燈如電源燈等部分供電電源都為+24 V，且共用COM口。

圖3 PLC外部硬件接線電路圖

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程

存（?。┸嚵鞒倘鐖D4所示，當(dāng)客戶選擇好車位并按下存（?。┸嚢粹o時(shí)，其他車位按鈕鎖定禁止動(dòng)作，被呼叫載車板準(zhǔn)備移動(dòng)同時(shí)繼電器得電，被呼叫載車板右移下降等待車輛進(jìn)（出）結(jié)束，后載車板上升左移繼電器失電。存（?。┸嚱Y(jié)束，自動(dòng)復(fù)位，等待下次操作。

圖4 立體停車庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程圖

3.2 PLC程序的設(shè)計(jì)

PLC依據(jù)系統(tǒng)程序和用戶程序?qū)崿F(xiàn)各種處理和控制。本設(shè)計(jì)采用梯形圖編程。

以八號(hào)載車板移動(dòng)為例，示例程序運(yùn)行。

網(wǎng)絡(luò)1如圖5所示，車位的存（?。╅_(kāi)關(guān)具有自鎖功能，按下存（?。┸嚢粹o，八號(hào)車位時(shí)間的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)間設(shè)定總長(zhǎng)為40 s。

圖5 網(wǎng)絡(luò)1

網(wǎng)絡(luò)2如圖6所示，在0~2 s（20×100 ms=2 s）這個(gè)時(shí)間內(nèi)，八號(hào)載車板右移一個(gè)車位。

圖6 網(wǎng)絡(luò)2

圖7 網(wǎng)絡(luò)3

網(wǎng)絡(luò)4如圖8所示，等待4 s，等待車輛進(jìn)入載車板。

圖8 網(wǎng)絡(luò)4

網(wǎng)絡(luò)5如圖9所示，八號(hào)載車板存車結(jié)束，開(kāi)始上移，上升時(shí)間14 s。

圖9 網(wǎng)絡(luò)5

網(wǎng)絡(luò)6如圖10所示，八號(hào)載車板左移一個(gè)車位，進(jìn)入八號(hào)車位。

圖10 網(wǎng)絡(luò)6

網(wǎng)絡(luò)7如圖11所示，八號(hào)車位停有車輛，顯示此處有車。

圖11 網(wǎng)絡(luò)7

網(wǎng)絡(luò)8如圖12所示，八號(hào)車位存（?。┸噺?fù)位，等待下次車位存（?。┸?。

圖12 網(wǎng)絡(luò)8

二號(hào)停車位程序控制則由時(shí)間繼電器T38控制二號(hào)載車板移動(dòng)，當(dāng)按下二號(hào)車存（?。┸嚢粹o時(shí)，二號(hào)載車板右移一個(gè)車位，時(shí)間2 s，下移一個(gè)車位，時(shí)間2 s，等待4 s等待車輛進(jìn)入二號(hào)載車板。待車輛進(jìn)入二號(hào)載車板后，二號(hào)載車板上移一個(gè)車位，時(shí)間2 s，再左移一個(gè)車位，時(shí)間2 s，進(jìn)入二號(hào)停車位，繼電器失電，光電感應(yīng)器顯示此處有車。

其他車位存（?。┸嚺c八號(hào)、二號(hào)車位存（?。┓绞交疽恢隆?/p>

3.3 仿真模擬及結(jié)果

立體車庫(kù)的仿真是通過(guò)將PLC與仿真軟件s7-200 simulator v5.0進(jìn)行程序模擬運(yùn)行，S7-200仿真軟件模擬出隨機(jī)八個(gè)位置的存（?。┸嚥l(fā)出指令，程序可以運(yùn)行，并完成存取車操作過(guò)程，系統(tǒng)程序的運(yùn)行狀態(tài)顯示在s7-200 simulator v5.0模擬軟件界面，最終可以實(shí)現(xiàn)八個(gè)車位的存取車操作。

4 結(jié)論

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案使用框架結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)，用PLC程序?qū)崿F(xiàn)控制，使存取車過(guò)程更加靈敏高效。但車庫(kù)存取車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能還不夠完善，例如安全防墜掛鉤、限位信息、車輛是否超高信息、車輛停的位置、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、IC卡計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等安全保護(hù)措施還需進(jìn)一步完善。