摘 要：本文以較為典型的巷道堆垛式立體車庫為研究對象，綜合考慮立體車庫制造成本和運(yùn)行效率的雙重因素，采用了先進(jìn)的可編程控制器控制，運(yùn)用西門子公司的編程軟件編制了升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)的程序，并經(jīng)調(diào)試、運(yùn)行，證明采用PLC作為控制系統(tǒng)簡單易行。

關(guān)鍵詞：S7-200；立體車庫；模型

1、前言

停車問題是城市在發(fā)展過程中出現(xiàn)的靜態(tài)交通（車輛停放狀態(tài)）問題，靜態(tài)交通是相對于動態(tài)交通（車輛行駛狀態(tài)）而存在的一種交通形態(tài)，二者相互聯(lián)系，互相影響，停車設(shè)施是城市靜態(tài)交通的主要內(nèi)容，隨著城市的不斷發(fā)展，各種車輛的不斷增加，對停車設(shè)施的需求也在不斷增加，如果兩者之間失去平衡，城市里就會出現(xiàn)停車難的一系列問題。數(shù)據(jù)顯示，最近幾年我國城市機(jī)動車輛平均增長速度在15%-20%，而同時期城市停車基礎(chǔ)設(shè)施的平均增長速度只有2%-3%，特別是大城市的機(jī)動車擁有量的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過停車基礎(chǔ)設(shè)施的增長速度，因此，我們必須重視城市停車難的問題，并積極探求解決的措施。

隨著城市的發(fā)展、人口的增長及人們生活水平的提高, 汽車這一現(xiàn)代化的交通工具與日俱增, 停車難和亂停車的現(xiàn)象成為困擾城市發(fā)展的一大難題。作為解決城市靜態(tài)交通的有效措施——向空間、向高層發(fā)展的自動化立體停車設(shè)備,以其占地面積少、停車率高、布置靈活、高效低耗、性價比高、安全可靠等優(yōu)點,越來越受到人們的青睞。

本文采用于西門子S7-200系列PLC進(jìn)行立體車庫模型控制系統(tǒng)的設(shè)計，以實現(xiàn)高層車位存取車輛。

2、立體車庫模型硬件系統(tǒng)設(shè)計

（1）硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

立體車庫模型裝置運(yùn)動部分由兩臺步進(jìn)電機(jī)（X，Z軸電機(jī)），一臺直流電機(jī)（Y軸電機(jī)）組成。通過絲桿、齒輪、皮帶三種方式進(jìn)行傳動，使用西門子S7-200PLC控制器發(fā)送脈沖，并控制程序邏輯運(yùn)行（如圖1所示）。

圖1巷道堆垛式立體車庫模型

1）小型斷路器：控制設(shè)備電源通斷；

2）開關(guān)電源：將交流220V轉(zhuǎn)換為直流24V供中間繼電器、電機(jī)等弱電電路使用；

3）接線端子：接線轉(zhuǎn)換；

4）中間繼電器：靈活控制電磁閥、電機(jī)等通斷；

5）控制盒：實驗設(shè)備的操作盒；

6）X方向絲桿運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)：庫位橫向行走的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

7）Z方向絲桿運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)：庫位縱向行走的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

8）進(jìn)出庫齒輪齒條運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

9）硬限位開關(guān)：防止絲桿行走超出行走范圍；

10）定位檢測開關(guān)：檢測絲桿行走位置；

11）貨架：設(shè)有12個庫位，便于存儲管理。

（2）PLC控制步進(jìn)電機(jī)的精確定位原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運(yùn)行?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，因其沒有積累誤差（精度為100%）而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

PLC每發(fā)出一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個步距角度，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動X軸絲桿做左右直線運(yùn)動或Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動Z軸絲桿做上下直線運(yùn)動，實現(xiàn)載物臺的上、下、左、右運(yùn)動。通過控制X軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)的脈沖個數(shù)，控制載物臺在X軸、Z軸上移動的距離，實現(xiàn)載物臺在X—Z軸平面的精確定位，從而把物體放到倉庫的指定位置。

步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)計算公式為：

絲杠傳動：脈沖當(dāng)量=（360/步距角）*細(xì)分?jǐn)?shù)/絲杠螺距 （式1）

齒條傳動：脈沖當(dāng)量=（360/步距角）*細(xì)分?jǐn)?shù)/傳動比/模數(shù)*齒數(shù)*3.1415926 （式2）

PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器工作原理（共陽極）如圖2所示。

圖2 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器工作原理（共陽極）

這里采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)，主要特點：體積小，具有較高的起動和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線如圖3所示。

圖3 二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)串聯(lián)型接法

（3）操作面板設(shè)計

利用設(shè)在立體車庫模型裝置上控制面板上的控制按鈕、開關(guān)，由控制按鈕、開關(guān)、PLC、繼電器協(xié)同控制堆垛機(jī)在X軸、Y軸、Z軸三個運(yùn)動方向上的三個驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)等控制，然后由機(jī)械傳動部件傳動，控制堆垛機(jī)完成各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，達(dá)到搬運(yùn)、存儲貨物的目的。庫位面板上的按鈕功能及車位號如圖4所示。

圖4 庫位面板

具體的操作步驟如下：

1）手動操作

接通電源，將撥碼開關(guān)撥至手動擋。通過搖柄A（上、下、左、右）控制步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)四個方向的移動。當(dāng)操作到達(dá)某一庫位時，通過搖柄B（左、右）控制直流電機(jī)實現(xiàn)前后兩個方向的取放車。最終實現(xiàn)12個庫位的取放車。

2）自動操作

接通電源，將撥碼開關(guān)撥至自動擋。自動檔時先要復(fù)位，復(fù)位前要保證Z軸位置在原點上方，X軸位置在原點左側(cè)（以上復(fù)位前要求可先由手動操作完成）。通過庫位面板選取起始位置取車（第一次面板選擇），完成后選取終點位置放車（第二次面板選擇）。選擇完畢后，啟動指示燈以閃爍形式提示選擇完成。按下啟動按鈕，立體車庫以自動運(yùn)行方式到達(dá)指定位置取放車，啟動指示燈以常亮方式提示運(yùn)行。運(yùn)行完畢后回到起點位置。

3）立體車庫程序組成及循環(huán)示意

立體車庫程序組成及循環(huán)示意如圖5所示。

圖5立體車庫程序組成及循環(huán)示意圖

（4）電氣線路與I/O分配表

電氣線路如圖6所示，立體車庫I/O分配表如表1所示。

表1 立體車庫模型的I/O分配表

圖6 立體車庫模型的電氣設(shè)計

3、立體車庫系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計

PLC程序中主要使用向?qū)傻牟竭M(jìn)電機(jī)控制函數(shù)來控制電機(jī)運(yùn)動。

首先打開軟件，新建工程，選擇工具->位置控制向?qū)Вㄈ鐖D7所示）。

圖7 位置控制向?qū)?/p>

打開如下界面：選擇配置S7-200PLC內(nèi)置PTO/PWM操作，點擊下一步（如圖8所示）。

圖8 PTO/PWM向?qū)нx擇

根據(jù)需要選擇Q0.0或Q0.1（本文需用的Q0.0和Q0.1），選擇線性脈沖串輸出（PTO），無需將下方使用高速計數(shù)器HSC0前的勾點上，點擊下一步（如圖9所示）。

圖9 PTO配置選擇

輸入電機(jī)此應(yīng)用項目中最高電機(jī)速度（MAX_SPEED）和電機(jī)的啟動/停止速度（SS_SPEED），默認(rèn)是100000和5000，修改好點擊下一步；輸入電機(jī)加速和減速時間，默認(rèn)均為1000ms。點擊下一步，選擇新包絡(luò)（如圖10所示）。

圖10 新包絡(luò)選擇

選項中可以選擇相對位置和單速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，由于步進(jìn)電機(jī)有加減速過程，故選擇相對位置。輸入步0的目標(biāo)速度，即運(yùn)動時的限速，在下方的框中輸入結(jié)束位置，由于是相對位置，故此處位置即為所要走的距離。電機(jī)繪制包絡(luò)，右方出現(xiàn)的梯形的圖即為速度線。點擊確定（如圖11所示）。

圖11包絡(luò)參數(shù)設(shè)定

然后選擇V存儲區(qū)的地址范圍，一般默認(rèn)即可，點擊下一步，最后點擊完成，這樣，通過位置控制向?qū)Ь蜕闪?個PTO函數(shù)，分別是PTOx_CTRL、PTOx_RUN、PTOx_MAN。

程序STL圖(順序功能圖)（略）。

5、結(jié)束語

本文簡述了巷道堆垛式立體停車庫工作原理和結(jié)構(gòu)特點，通過 PLC 軟件設(shè)計及其優(yōu)化實現(xiàn)了立體車庫的自動控制。巷道堆垛式立體車庫的控制系統(tǒng)通過采用PLC控制使整個控制系統(tǒng)的可靠性大大提高滿足了車庫的控制功能與使用性能的要求完全實現(xiàn)了進(jìn)出車的智能控制。

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