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(dòng)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(huì)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(dòng)車輛平均增長速度在15%-20%，而同時(shí)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(dòng)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(dòng)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(jià)比高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),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(jì)，以實(shí)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(jì)

（1）硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立體車庫模型裝置運(yùn)動(dòng)部分由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)（X，Z軸電機(jī)），一臺(tái)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(dòng)，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(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作盒；

6）X方向絲桿運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)庫位，便于存儲(chǔ)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(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號時(shí)就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(gè)數(shù)來控制角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角度，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)X軸絲桿做左右直線運(yùn)動(dòng)或Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)Z軸絲桿做上下直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)的上、下、左、右運(yùn)動(dòng)。通過控制X軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)，控制載物臺(tái)在X軸、Z軸上移動(dòng)的距離，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)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(jì)算公式為：

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

齒條傳動(dòng)：脈沖當(dāng)量=（360/步距角）*細(xì)分?jǐn)?shù)/傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。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(jì)

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(gè)運(yùn)動(dòng)方向上的三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)等控制，然后由機(jī)械傳動(dòng)部件傳動(dòng)，控制堆垛機(jī)完成各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，達(dá)到搬運(yùn)、存儲(chǔ)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(dòng)操作

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

2）自動(dòng)操作

接通電源，將撥碼開關(guān)撥至自動(dòng)擋。自動(dòng)檔時(shí)先要復(fù)位，復(fù)位前要保證Z軸位置在原點(diǎn)上方，X軸位置在原點(diǎn)左側(cè)（以上復(fù)位前要求可先由手動(dòng)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(diǎn)位置放車（第二次面板選擇）。選擇完畢后，啟動(dòng)指示燈以閃爍形式提示選擇完成。按下啟動(dòng)按鈕，立體車庫以自動(dòng)運(yùn)行方式到達(dá)指定位置取放車，啟動(dòng)指示燈以常亮方式提示運(yùn)行。運(yùn)行完畢后回到起點(diǎn)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(jì)

3、立體車庫系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計(jì)

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(dòng)。

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(diǎn)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(jì)數(shù)器HSC0前的勾點(diǎn)上，點(diǎn)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(xiàng)目中最高電機(jī)速度（MAX_SPEED）和電機(jī)的啟動(dòng)/停止速度（SS_SPEED），默認(rèn)是100000和5000，修改好點(diǎn)擊下一步；輸入電機(jī)加速和減速時(shí)間，默認(rèn)均為1000ms。點(diǎn)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(xiàng)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(dòng)時(shí)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(diǎn)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(chǔ)區(qū)的地址范圍，一般默認(rèn)即可，點(diǎn)擊下一步，最后點(diǎn)擊完成，這樣，通過位置控制向?qū)Ь蜕闪?個(gè)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(diǎn)，通過 PLC 軟件設(shè)計(jì)及其優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了立體車庫的自動(dòng)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(gè)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(shí)現(xiàn)了進(jìn)出車的智能控制。

參考文獻(xiàn)

[1]西門子股份公司.SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[M].2004

[2]吉順平.西門子PLC與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[3]向曉漢.西門子PLC高級應(yīng)用實(shí)例精解[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009

[4]姜艷華,張連勇.基于PLC的立體車庫自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011(8)

[5]施明絢,王小軼.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)及技術(shù)改進(jìn)[J].科技資訊，2012(5)