PLC在立体车库控制系统中的应用
摘 要：随着生活水平的提高，我国私家车的数量越来越多，但是停车位的保有量却无法满足越来越多的停车求，基于此立体车库的设计与应用便在中国逐渐兴起，立体车库极大地缓解了城市停车难的问题，高效地利用了有限的空间。本文主要介绍了PLC在立体车库控制系统中的应用，首先分析了立体车库控制系统的组成，并分别就各控制子模块进行了设计，最后根据控制系统电气原理图设计了立体车库的PLC控制系统，并进行了仿真测试，系统运行稳定。
关键词：立体车库；三菱PLC；控制系统
前言
随着我国经济的快速发展，人民生活水平有了质的飞跃，很多家庭都有能力购买自己的小车，导致我国城市车辆迅猛增加，而城市中所设置的停车位却远远满足不了现有的停车需求。交通拥堵和停车困难的问题日益凸显，其已经成为各政府着力解决的核心问题，其采取了单双号限行、加大公共交通设施的建设，但其还是无法从根本上解决停车难的困境。人们在解决交通问题时逐渐观察到车辆大部分时间都是停驶状态，这就使得车辆占用停车位的时间远大于其对道路的需求。停车位不足，会严重影响城市道路畅通，基于此，自动化立体车库在发达国家率先得到推广应用，我国也逐渐引入了这种先进的停车系统。立体停车位一般是指采用几层、十几层高的车辆停放单元，用自动化控制系统实现对车辆的车位入库和出库操作，自动化立体车库是由立体货架、有轨巷道堆垛机、出入库托盘输送机系统、通讯系统、PLC自控系统、计算机监控及管理系统、计算机管理系统以及其他如电线电缆桥架配电柜、托盘、调节平台、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统。运用一流的集成化物流理念，采用先进的控制、总线、通讯和信息技术，通过以上设备的协调动作，按照用户的需要完成指定车辆的自动有序、快捷准确、高效的入库和出库作业。其充分的利用了有限的停车空间，并且存放车辆的效率很高，因此，成为各大城市的重点发展方向。
1立体车库控制系统总体设计
立体车库的工作方式主要是通过对载车盘的垂直方向和水平方向上的移位来实现充分利用有限的停车空间，以自动化控制系统实现多层空间停车位的升降，进而对车辆进行高效存取。此外,LITI 车库具有多种多样的组合布置形式，且组合灵活多样，可以满足各种不同场地条件的需求。本文设计立体车库主要设计模式为：该立体车库分为两层，第一层车位停放系统仅进行横向平移运动，第二层的车位停放系统仅进行竖向升降运动，且第一层预留一个空车位作为进出车辆的临时停靠点。这样在第一层车库进出车时就不需要移动其他载车盘了，当第二层进出车时，首先判断与其对应的下方车位置是否空置，当确定其下方车位没有空置时，就横向平移对应车位，以找到合适的空置车位，进出车完毕后上升回到原来的位置。一般而言，在运行时，立体车库最常见的故障点发生在车位上升和下降的过程中。整个立体车库控制系统的运行过程如下：首先立体车库自控系统利用变频器来驱动升降电机和相应的减速装置来实现立体车库的升降速度控制；其次，还将一个上限位开关和一个下限位开关分别设定在每个升降车位上，以防止车位升降过度，造成车体损坏。一般情况下，立体车库控制系统的控制横向移动的电机选用常规的电机即可满足需求，但对于垂直移动的升降驱动电机，必须根据设计标准，选购安全系统和负荷量大的电机，以满足垂直升降要求。出于安全考虑，必须在高层车位上设置防坠落系统，该系统主要由防坠电磁铁与安全挂钩及相应的控制模块构成。安全挂钩系统具有上电开启，失电闭锁的控制特性，这样即使在系统突然发生断电故障，立体车库也能够保持原始状态，而不是直接坠落。为了方便检测车位的准确位置及车位使用状态，立体车库系统还设置了大量的传感器检测装置，传感器通过对车位状态进行检测，并将检测的结果一电信号形式发送给控制系统，以确保车位的精确定位，并防止停车冲突。为了精确定位车位，需要设置左到位、右到位、上到位、上极限、下到位等传感器检测装置。此外，所有信号传输线路都要使用带金属屏蔽网的电缆，以减少外界电磁干扰，提高系统稳定性。立体车库控制系统总体结构图如图1所示。
图1 立体车库控制系统总体结构图
2立体车库电气控制系统设计
2.1立体车库系统电气原理图
随着工控机技术的不断发展，工控机的运行速度、工作性能、运行稳定性等方面都有了很大的提高，此外，立体车库系统采用的是步进电机驱动，而对步进电机驱动最适宜的就是使用PLC来进行控制，因此，将PLC与工控机结合便成为立体车库控制系统的发展趋势，其既满足了安全性、稳定性的要求，又能提高系统的数据检测速度和处理速度。对升降机构控制时，执行部件使用的是四相八拍的步进电动机，X轴伸缩﹑Z轴升降﹑底盘回转和机械升降机构回转分别使用四个步进电动机。使用两个步进电动机分别控制堆垛机的升降和行走，而升降控制使用直流电动机为执行元件。对这六个步进电动机的控制实际上是对它们对应驱动器的控制。本系统中使用SH-2H057型号的步进电动机驱动来驱动步进电动机的运行。系统电气原理图主要是用于表示各个电气设备之间的连接关系、工作原理及其作用的一种工程图。电气原理图一般由主回路、控制回路、保护回路、供电回路等回路构成。主回路：绘制主回路时，应依规定的电气图形符号用粗实线画出主要控制、保护等用电设备，如断路器、熔断器、变频器、热继电器、电动机等，并依次标明相关的文字符号；控制回路：控制回路一般是由开关、按钮、信号指示、接触器、继电器的线圈和各种辅助触点构成，无论简单或复杂的控制回路，一般均是由延时电路、联锁电路、顺控电路等各种典型电路组合而成，用以控制主回路中受控设备的“起动”、“运行”、“停止”使主回路中的设备按设计工艺的要求正常工作。对于简单的控制回路：只要依据主回路要实现的功能，结合生产工艺要求及设备动作的先、后顺序依次分析，仔细绘制。对于复杂的控制回路，要按各部分所完成的功能，分割成若干个局部控制回路，然后与典型电路相对照，找出相同之处，本着先简后繁、先易后难的原则逐个画出每个局部环节，再找到各环节的相互关系。将电气控制系统中的各组成电气元件用一定的图形符号和文字符号表示，并通过实际的连接关系将各个电器元件连接在一起，就构成了电气控制系统原理图，该原理图可以直观的表示各电气控制系统元件的连接关系及其工作原理，可以方便安装人员快速、准确、高效地对系统进行安装、调试和维护。立体车库系统的控制电气原理图如图2所示。
图2 立体车库的主电气原理图
3 立体车库PLC控制系统的设计
自动化立体车位系统开发了多种自动化系统硬件设备及软件产品，如：不同类型的库存管理软件、系统仿真软件、车位输送机控制软件、条形码识别跟踪系统、搬运机器人、车位探测器、高度检测器、输送系统等产品。存取操作时，该控制系统中PLC接收和分析工控机输入的指令，做出相应的动作，并判断各检测装置的状态，读取车库当前各个车位的存放情况，然后将信息反馈到执行元件，拖动载车盘实现位置移动，完成车辆的存取及相关的信号显示。用各种光电开关和行程开关等检测装置的状态，以及用接触器、继电器执行对拖动电机的启停控制，整个动作区域配有光电检测及多重安全系统，以防异常情况的发生。本文选用FX2N－48MR为基本单元，(24入、24出)，M表示主机、R表示该单元为继电器输出型。PLC控制系统的程序主要是完成车库自动存取车的操作。系统主要由：PLC、组态监控部分、电气传动部分、检测部分、手动控制部分、支架模型系统，立体仓库控制系统整体结构图如图3所示。
图3 立体仓库PLC控制系统总体结构图
系统核心部分采用三菱FX2N-48MR为控制元件，它是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。它的基本指令执行时间高达0.08us，远远超过了很多大型可编程控制器。它功能强大实用，价格便宜，工作稳定可靠，24点输入，24点输出，采用继电器输出形式，可驱动交直流负载，负载电流在2A左右。220V AC供电。并且输入端内部自带24V直流电源，还可为负载提供直流电源。立体车库控制系统通过检测车位运行状态和其它参数，控制电机轮流工作，合理调度电机运行。立体车库自动控制系统通过计算机以实时地检测并显示系统的工作状态以及车位位置，并通过PLC通讯模块与监测监控主机实现数据交换，根据实际情况进行自动控制，改系统工作过程为：1号-3号车位只能进行上下方向上的运动，不能进行左右方向上的运动；4号-5号车位进行左右方向上的运动，不能进行上下方向上的运动；下层车位上的汽车可以直接开出；上层车位的汽车，要想开出需要先按下相应车位标号呼叫按键，再按下叫车按键，然后下层车位先左右移动，让出位置，上层车位降至下层，再进出车辆。
根据立体车库的运行控制要求，绘制立体车库主控制程序流程图，如下图4所示。
图4 立体车库主控制程序流程图
通过车库的设计以及可编程逻辑控制器的分析，可编程逻辑控制器主要对车库门限位的控制、车位电机正反转的控制、车位限位的控制等。本次设计三菱FX2N-48MR可以满足该模型的控制要求。对程序进行I/O分配如下。
表1 I/O分配
本设计通过按钮X3实现车位的选择，当每次按下X3时会产生一个上升沿，上升沿接到INC_B指令的使能端EN，每次有上升沿时D1就自动加1。当D1加到6时，D1就被重新赋值为1。当接着再按按钮时会继续从1增加，如此循环。这种设计方法优点是可以减少输入口的使用个数，这样也就减少了扩展模块的使用。同时也节省了投资成本，由于是一个按钮还方便维护。这个功能的主要实现方法是将D1的值自增后送给D0，之后将D0接到ROR_B指令的N端，输入移位位数。D0循环右移动相应位数，然后将移位后的值送入D100中，其中M400的0或1状态即可识别车位是否有车。如此实现车位的选择。立体车库部分程序梯形图如图5所示。
图5 立体车库部分程序梯形图
5结语
本文主要介绍了PLC在自动化立体车库控制系统中的应用，分别介绍了控制系统的整体结构、电气原理图、PLC控制流程图等模块，为相关技术人员设计基于PLC的立体车库系统提供了参考。当然，本文还有很多需要细化的地方需要改进，在以后的工作中会做深入研究。
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