基于PLC 的立體車庫控制設(shè)計(jì)

游珍珍

（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

隨著人民生活水平的不斷提高，私家車的數(shù)量日漸增長(zhǎng)，隨之而來的就是停車位難以滿足現(xiàn)有車輛的停車[1]。如何解決這一問題？目前有兩種方法：第一，開放部分單位停車場(chǎng)，但這種方法似乎并不能完全解決停車難的問題；第二，利用現(xiàn)有停車場(chǎng)資源，很多地下車庫空間沒有利用，可以有效利用其空間資源，設(shè)計(jì)立體車庫停車場(chǎng)[2]，在原有的一層停車場(chǎng)上構(gòu)建多層停車場(chǎng)，這種立體車庫，不用額外占地建造，使用非常方便，控制簡(jiǎn)單，可以有效緩解停車難這一城市難題[3]。

21 世紀(jì)，隨著科技的進(jìn)步，人民的生活水平不斷上升，人們擁有私家車的數(shù)量逐漸增多，我國通過引進(jìn)以及借鑒歐美和日本的立體車庫先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合自己的自主研發(fā)成果，開始大規(guī)模增加立體車庫的制造與使用。目前我國約有100 家企業(yè)進(jìn)行立體車庫設(shè)備的研究、設(shè)計(jì)與制造[4]。我國制定的《2017 特種設(shè)備目錄》規(guī)定了立體車庫的類別包括：升降橫移類立體停車庫、垂直循環(huán)類立體停車庫、水平循環(huán)類立體停車庫、多層循環(huán)類立體停車庫、平面移動(dòng)類立體停車庫、堆垛類立體停車庫、垂直升降類立體車庫、簡(jiǎn)易升降類立體停車庫、汽車專用升降機(jī)等[5-6]。雖然立體車庫行業(yè)發(fā)展迅速，但城市汽車增長(zhǎng)的數(shù)量遠(yuǎn)大于停車位數(shù)量的增長(zhǎng)，因此，立體車庫仍有極大的發(fā)展空間。

本文從立體車庫的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制等方面設(shè)計(jì)了一種2 層立體車庫，將PLC 作為立體車庫控制的大腦，使得立體車庫控制更加穩(wěn)定、可靠。

1 立體車庫總體方案設(shè)計(jì)

1.1 立體車庫的結(jié)構(gòu)

由于升降橫移式立體車庫具有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此可以存放更多的車輛[7]。本文設(shè)計(jì)的立體車庫包括車庫主體框架、升降機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、保護(hù)機(jī)構(gòu)等。為了更加準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行升降橫移，還需要采用PLC 作為立體車庫的控制器[8]，能夠精準(zhǔn)控制車輛的上升下降以及左右移動(dòng)。此外，為了保證車輛安全，還配備有速度傳感器、車輛長(zhǎng)度檢測(cè)裝置、防墜落報(bào)警裝置等。

升降橫移式的立體車庫由于受框架結(jié)構(gòu)復(fù)雜度以及存取車輛時(shí)間的限制，立體車庫通常以 2～3層居多[9]。立體車庫能夠提供的總車位數(shù)量P 與立體車庫的層數(shù)、列數(shù)關(guān)系為：P=XY-(X-1)[10]。式中X 表示立體車庫的層數(shù)，Y 為立體車庫的列數(shù)。

1.2 立體車庫工作原理

本文設(shè)計(jì)一個(gè)2 層升降橫移式立體車庫，第2層只能進(jìn)行下降動(dòng)作，第1 層只能進(jìn)行平移動(dòng)作。本設(shè)計(jì)的車庫包含1 個(gè)空車位，該空車位是為了給其他車輛進(jìn)出車庫時(shí)上升和下降的通道。當(dāng)?shù)? 層的車位進(jìn)行存取時(shí)，其他車位的車輛不需移動(dòng)，可以直接進(jìn)行存車和取車[11]。本設(shè)計(jì)的立體車庫構(gòu)造圖如圖1 所示，實(shí)際每一層的車位可以增加。

圖1 立體車庫構(gòu)造示意圖

當(dāng)?shù)? 層的車位需要存取車時(shí)，先判斷第1 層平面車位是不是有車，如果有車需要先左移或者右移到空車位，隨后下降到達(dá)下層；如果下層沒有車，可控制該車位車輛下降，進(jìn)行存車或取車處理，存取車完畢后回到起始位置。

2 立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 元器件選型

立體車庫的控制系統(tǒng)可以采用單片機(jī)、PLC 和繼電器控制等。繼電器控制接線復(fù)雜，而且控制要求不易改變；采用單片機(jī)控制抗干擾能力差、故障率高、不易擴(kuò)展；PLC 通過輸入輸出端口獲取信號(hào)，可進(jìn)行模塊化擴(kuò)展，編程簡(jiǎn)單易懂，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定可靠。本設(shè)計(jì)采用西門子 S7-200PLC 中的CPU226 進(jìn)行控制，其可用的輸入點(diǎn)數(shù)是24 點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)是16 點(diǎn)。針對(duì)本設(shè)計(jì)的控制要求，CPU226型的PLC 輸入輸出點(diǎn)數(shù)能夠滿足需求。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 I/O 分配

本設(shè)計(jì)中，第2 層車位可以進(jìn)行升降移動(dòng)，不能進(jìn)行左右方位的移動(dòng)，當(dāng)需要進(jìn)行上層車位的車輛存取時(shí)，需要先將第1 層車位左右移動(dòng)騰出空車位，便于第2 層車位進(jìn)行移動(dòng)，根據(jù)本設(shè)計(jì)的2 層立體車庫的控制要求，進(jìn)行PLC 的輸入輸出點(diǎn)的分配，如表1 所示。

表1 I/O 分配

從表1 可以看出，本設(shè)計(jì)需要輸入點(diǎn)23 個(gè)，輸出點(diǎn)14 個(gè)，西門子S7-200PLC 中的CPU226 型的輸入輸出點(diǎn)能夠滿足本設(shè)計(jì)的需要，按照表1 給出的輸入輸出點(diǎn)與 PLC 內(nèi)部的輸入輸出繼電器一一對(duì)應(yīng)連接。

2.2.2 控制程序流程設(shè)計(jì)

本立體車庫控制系統(tǒng)對(duì)第1 層的車輛可以直接進(jìn)行存取車，不需要升降，對(duì)于第2 層的車輛，當(dāng)其下層沒有車可以直接下降，當(dāng)其下層有車時(shí)，先移動(dòng)下層車輛后再將第2 層車輛進(jìn)行下降操作。

以需要存入上層車位為例，設(shè)計(jì)存車的流程圖如圖2 所示。

圖2 存車流程圖

以需要取出上層車輛為例，設(shè)計(jì)取車的流程圖如圖3 所示。

圖3 取車流程圖

2.2.3 梯形圖設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用 STEP7-Microwin SP9 軟件編寫 2層立體車庫控制梯形圖設(shè)計(jì)，其中，主程序包括程序啟動(dòng)、停止、報(bào)警等，主程序的梯形圖設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 主程序梯形圖

圖4（續(xù)）

以1 號(hào)車位需要取車為例，1 號(hào)車防墜電磁閥松開，若4 號(hào)車位有車，則將4 號(hào)車位車輛右移到5 號(hào)空車位，若4 號(hào)車位無車，則將1 號(hào)載車板下降，下降到位后，1 號(hào)車開出，隨即1 號(hào)載車板上升，上升到位后，4 號(hào)車位回到起始位置，完成上層1 號(hào)車位的取車流程，其梯形圖設(shè)計(jì)如圖5 所示。立體車庫中其他車位的存取車流程可以根據(jù)圖2 和圖3 所示控制流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，此處不再一一贅述。

圖5 1 號(hào)取車梯形圖

2.3 存取車策略

為了提高本設(shè)計(jì)立體車庫的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力及經(jīng)濟(jì)效益，本文研究如何減少存取車時(shí)間的策略，目前市面上的立體車庫存取車主要由 PLC 控制升降機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和搬運(yùn)器來實(shí)現(xiàn)，采用的存取車策略主要有原地待命策略、取車優(yōu)先策略、存車優(yōu)先策略和混合交叉策略。

2.3.1 根據(jù)時(shí)間段進(jìn)行存取策略優(yōu)化分配

以上4 種常見的存取車策略各有優(yōu)劣，根據(jù)對(duì)某停車場(chǎng)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一天當(dāng)中在上班時(shí)間和晚上吃飯時(shí)間是存車高峰，下班時(shí)間是取車高峰，其他時(shí)間是存取車相當(dāng)，因此，為了達(dá)到本設(shè)計(jì)的立體車庫存取策略最優(yōu)的目的，7：30—9：30，13：30—15：00，18：30—19：30 為存車高峰期，采用存車優(yōu)先策略為主策略，并采用混合交叉策略為次策略，而在 11:00—12:30，16:30—18:00 取車高峰期采用取車優(yōu)先策略為主策略，混合交叉策略為次策略，其他存取相當(dāng)?shù)臅r(shí)間段，采用混合交叉策略為主策略，原地待命策略為次策略，這樣可以使整個(gè)搬運(yùn)系統(tǒng)的服務(wù)時(shí)間減少以及提高整個(gè)車庫的停車效率。

2.3.2 存取策略數(shù)學(xué)模型的建立

為了完成對(duì)幾種存取策略數(shù)學(xué)模型的建立，需要設(shè)置幾個(gè)參數(shù)：X 為本設(shè)計(jì)車庫的層數(shù)，Y 為本設(shè)計(jì)車庫的列數(shù)，T 為用戶完成一次存取車過程的時(shí)間，TU為升降機(jī)上升一層的運(yùn)行時(shí)間，TD為升降機(jī)下降一層的運(yùn)行時(shí)間，TH為橫向移動(dòng)一個(gè)車位所需的時(shí)間，T1為搬運(yùn)器將待停車輛搬到存車位的時(shí)間，T2為搬運(yùn)器回到初始位置所需的時(shí)間。

（1）原地待命策略

（2）存車優(yōu)先策略

（3）取車優(yōu)先策略

2.4 存取策略對(duì)比

當(dāng)存車多于取車時(shí)，混合交叉策略是當(dāng)2 號(hào)車位存完車后直接去到3 號(hào)車位進(jìn)行取車操作，在4號(hào)車位存完車過后直接去到 5 號(hào)車位進(jìn)行取車操作，這樣取車操作可以節(jié)省很多時(shí)間，取車只需要在存車后完成橫向移動(dòng)一個(gè)車位即可完成取車，可以節(jié)約取車所需的時(shí)間。而當(dāng)取車多于存車時(shí)，假設(shè)3 號(hào)和5 號(hào)作為用戶存車的車位，若用戶準(zhǔn)備存3 號(hào)車位，則需在2 號(hào)車位上的車輛完成取車操作后再進(jìn)行3 號(hào)車位的存車，若用戶準(zhǔn)備存5 號(hào)車位，則需要在4 號(hào)車位的車輛完成取車操作后再進(jìn)行5號(hào)車位的存車動(dòng)作。選取 10 個(gè)車位的存取情況作為樣本，假設(shè) TU=5 s，TD=4 s，TH=6s，T1+T2=15 s，X=2，Y=5，以存車多于取車的情況為例，例如存8輛車取2 輛車，采用混合交叉策略取2 次車只需要在存車后完成橫向移動(dòng)車位即可完成取車，可以節(jié)約取車所需的時(shí)間，10 個(gè)車位完成存取所需的總時(shí)間自然是最少的。由式(1)至式(3)分別得到“原地待命策略”“存車優(yōu)先策略”“取車優(yōu)先策略”用戶完成一次存取車時(shí)間為50 s，60 s 和66 s。以上4 種策略 10 個(gè)車位存取實(shí)際測(cè)量的總時(shí)間和平均時(shí)間見表2。

表2 存取策略對(duì)比

從表2 可以看出，采用混合交叉策略所需時(shí)間最少。同理，當(dāng)取車多于存車的情況時(shí)，采用混合交叉策略存車所花的時(shí)間也只是完成橫向移動(dòng)車位即可，可以節(jié)約存車的時(shí)間，以上4 種策略所需平均存取車時(shí)間對(duì)比，也是采用混合交叉策略所需時(shí)間最少。從以上數(shù)據(jù)表明，采用混合交叉策略節(jié)省了時(shí)間，提高了存取車效率。

3 系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，本設(shè)計(jì)的梯形圖程序通過S7-200 仿真器V2.0 進(jìn)行仿真調(diào)試。梯形圖程序設(shè)計(jì)完成后，需要將設(shè)計(jì)程序?qū)С鰹楹缶Y名為awl 的文件，再在仿真軟件中載入這個(gè)設(shè)計(jì)程序才能進(jìn)行仿真。

以1 號(hào)車取車仿真為例，當(dāng)用戶需要取車時(shí)，可以在仿真軟件中模擬按鍵 I1.5，即可開始調(diào)用 1號(hào)車取車子程序，進(jìn)入取車流程。開始取車后，輸出線圈Q0.3 通電，1 號(hào)載車板下降，下降到下限位時(shí)，開始取車。取車完成后，輸出線圈Q0.0 通電，1 號(hào)車位進(jìn)行上升操作，當(dāng)上升到1 號(hào)位上限位時(shí)，取車流程結(jié)束。圖6所示是1號(hào)車取車的仿真結(jié)果圖。

從圖6（a）的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)用戶需要取出車輛時(shí)，Q0.3 對(duì)應(yīng)的1 號(hào)位下行線圈指示燈點(diǎn)亮，說明1 號(hào)載車板下降，開始進(jìn)行取車操作；從圖6（b）的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)取車完成時(shí)，對(duì)應(yīng)1 號(hào)位上行的線圈指示燈點(diǎn)亮，車庫中1 號(hào)載車板恢復(fù)到原來的位置，完成取車操作，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

圖6 1 號(hào)車取車仿真圖

圖6（續(xù)）

4 結(jié)語

本文通過 PLC 設(shè)計(jì)了一個(gè)兩層立體車庫的車輛存取車控制系統(tǒng)，該兩層立體車庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝使用方便，采用多種防護(hù)措施，安全程度高，采用PLC 控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，通過該立體車庫的控制思路，可以改造現(xiàn)有車庫，占地面積小，建設(shè)費(fèi)用低，能有效緩解停車難的問題，受到市場(chǎng)和用戶的好評(píng)。該設(shè)計(jì)在液壓系統(tǒng)方面可做進(jìn)一步研究，使得立體車庫運(yùn)行時(shí)更加平穩(wěn)，噪聲更低。