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主电路图
电气接线图
组态仿真图
随着经济的高速增长推动了快速城市化，机动车辆拥有率的持续上升导致了停车难题逐渐成为城市发展的瓶颈之一。面对传统停车设施已无法满足现代城市需求的现状，多层停车系统（立体车库）因而应运而生。本论文聚焦于多层停车设施控制系统的设计，涉及多种类型的系统，如升降横移式、垂直升降式、水平横移式以及层叠式通道堆垛式等。经过对这些主流形式的特性进行深入分析和对比，选定了升降横移式停车设施作为研究对象。论文深入讨论了多层停车系统的研究背景与重要性，并对各类系统的特性进行了剖析，特别是对升降横移式系统的操作机理与结构特性进行了详尽阐述。此外，文中还设计了一套多层停车设施控制系统，并提供了基于可编程逻辑控制器（PLC）的操作原理程序。
关键词：立体车库 升降横移式 控制系统 PLC
1绪论
2 升降横移立体车库的设计思路
2.1 立体车库的分类
立体停车系统是解决城市紧缺停车位问题的重要技术之一，不仅可以极地节省空间，提高停车位使用率，而且能够显著提升停车的安全性和便利性。从规模上来看，立体车系统可以划分为小型、中型大型三类。1、小型立体停车系统主要应用于住宅区和办公区域，其尺度对公共域的影响较小，具有较高的社区接受度。小型立体停车系统一般适用于停车位数在百余个以内的区域，其设占用空间较小，对周围环境影响较少，是市区停车问题的一种理想解决方案。2、中型立体停车系统可适用于大型商业综合体、交通枢纽等场所，可提供近千个的停车位。其设计理念在于充分利用立体空间，实现地下、地上停车位的完美结合，其高效、便捷的特点为城市停车问题提供了新的解决路径。3、大型立体停车系统一般应用于大型城市，可容纳成千上万辆车辆。这种系统往往集合了各种先进的机械电子技术，可以有效提高城市的停车效率，降低环境压力，有利于实施低碳环保的城市策略。基于构造特征，立体停车系统又可以进一步细分为机械式、自走式、半机械式等。（1）机械式立体停车系统：主要利用机械装置来完成车辆的升降和横移，特点是结构简单，效率高，维护方便。（2）自走式立体停车系统：利用车载移动设备，自动完成停车、寻车、取车等过程，特点是操作简单，效率高。（3）半机械式立体停车系统：结果了机械式和自走式的优点，通过人工控制及部分自动完成停车等操作。操作原理方面，主要包括升降横移式、垂直循环式、简易升降式、垂直升降式、平面移动式与巷道堆垛式等分类。总的来看，立体停车系统以其科技化、智能化的表现，不仅能够解决现实中的停车难题，还可以为未来的智能交通出行提供可能性，是城市的未来发展趋势之一。他们的特点分别，如表 2-1所示。
本文所研究描写的对象是一种升降横移的立体停车场，是通过对其进行比对所选择的。
2.2 立体车库的工作原理
本研究关注的升降横移式停车设施特指一种能够进行水平以及垂直运动的载车平台系统，旨在优化汽车的存取过程。该系统为每个停车位配备独立的载车平台，通过电动机操纵实现载车平台的升降及横向移动，极大地提升了空间的动态利用率和用户的使用便捷性。对于地面层停车位的车辆，仅需横向移动至相应位置即可，无须升降操作，从而简化了司机的入库及取车流程。如图示，地面层配备七个停车位的升降系统能够有效执行车位的垂直转移。在该层，四个停车位安装有自动升降装置，确保上层仅用于车辆升降，而中间层的两个停车库可执行升降及横移操作。此外，一层和二层各预留一个空置车位，以供二层和三层之间的车辆调度使用。通过这种配置，三层的载车平台能够平稳地达到地面层。在停车操作上，初始状态下，地面层的1号和2号车位可直接停车，无需移动载车平台。若中层3号位需通行，1号和2号车辆则向右水平移动，以便3号载车平台降至地面层。当4号车辆需入库，先将2号车向右移动，随后4号载车平台降到地面进行存车。由于7号车位上空无遮挡，故车辆可直接通过载车平台达到地面层。对于5号车位的操作情况，需考虑其相对位置及周边车位的空间配置。
2.3 立体车库的结构组成
主体框架是立体停车设施的骨架结构，通常使用钢构或混凝土构造，需要受车辆以及设备的总重以及操作过程中产生的动静载荷，并且对地面平整度和坚固度有一定的要求。承载平台通常是由铁材料制成，设计为可承受车辆重量的托盘，是停车系统中最直接承载汽车的部分。据不同的停车系统，承载平台的规格、载重和性能会有所不同，但其主要作用就是把车辆安全可靠地带到指定的空间位置。动力传输系统则是立体停车设施中最为重要的部分，直接影响设备运行的效率和稳定性。通常会使用电力驱动，通过一系列复杂的机械传动装置如滑轮、齿轮等将动力传递，驱动承载平台进行精确位置的移动。控制单元，通常以电子技术为核心的目的在于实现对设备运行状态的精确控制和实时监控。这一部分的功能涵盖了车辆停放、取车、维修、疏散等一系列操作的自动化，进一步提高了设备的使用效率和安全性。安全防护机制是为防止因操作失误或设备故障导致人员受伤或车辆损害而设立的，包括但不限于防坠、防冲、防护栏、报警设备、火灾防护等等设施，旨在最大程度保证使用者的安全。综上所述，立体停车系统的设计集结构复杂、工艺精密于一体，但其出色的性能和实用性不可否认，正是这套系统，为解决城市日益严重的停车问题提供了有效的解决之道。具体结构可参见图 2-2。
该类停车设施的构架主要由五大核心部件组成：
1、钢制框架结构
钢制框架结构作为整个停车系统的承载骨架，由立柱、横梁、纵梁、导向轨道及停车托架等部分组成，承担起整个车库的重量和为其他系统设备提供安装基础。
2、承载平台
每个停车位均配备专属的承载平台，该平台负责车辆的移动、转运和安置。通过横向驱动电机实现承载平台的水平移动，配合钢缆和起重电机实现其垂直运输。
3、动力传输系统
该系统由横向移动装置和垂直升降装置构成，包含电机、导轮、链轮、链条和钢缆等关键部件。
a）横向移动装置
通过横向电机驱动的同轴链轮旋转，进而通过链条带动主动轮旋转，实现承载平台在导轨上的水平横向移动，如图 2-3所示结构[6]。图 2-3为横移装置的结构示意。
b) 升降装置
垂直升降装置依赖起重电机的旋转带动链轮和绕线轴，进而驱动滚筒，通过滚筒的旋转实现钢缆的收放，以此完成承载平台的升降动作。升降装置结构示意如图 2-4所示。
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2.4 立体车库控制系统方案设计
2.4.1 立体车库控制系统主要构成
控制立体停车系统的核心是一套复杂的计算机控制单元，包括用于发出执行信号的上级控制计算机和负责实际操作的下级机器PLC。该系统的上级计算机主要负责与停车设施的主控制面板和数据采集硬件的通信，通过监控软件对停车操作进行指挥；而PLC，即可编程逻辑控制器，承担着连接并控制各种硬件组件的任务，执行来自上级计算机的具体指令。如图 2-6所示。
详细来说：
1.上级计算机是立体停车控制系统中至关重要的组成部分，其主要职能在于直接从设备中获取状态信息并进行控制。其发出的命令首先传递至下级的PLC，后者将命令转化为定时控制信号，进而指挥设备动作。上级计算机系统包括监控用的计算机硬件和功能强大的监控软件两大部分。
2. PLC作为控制系统的心脏，其功能在于精确控制设备并获取设备运行状态。它接收上级计算机的命令，对硬件设备进行精确控制，并根据指令激发设备动作，同时也负责从硬件传感器获取数据。通过输入端口将指令输入到按钮、光电开关、限位开关、安全防护。
通过输出端口进行执行命令控制7个车位。
2.4.2 车库运行流程
关于车辆入库流程，驾驶者需要将车辆停放在载车板上，并确保位置正确后离开车辆，接入自动停车系统。在通过一系列安全验证之后，车辆便能顺利被运送至储存位置。
具体流程如图 2-7所示。
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3 升降横移式立体车库系统的硬件设计
3.1 立体车库的硬件选型
3.1.1 PLC选型
可编程逻辑控制器（PLC）作为一种工业控制系统，已在全球范围得到广泛应用。它的诞生是在全球首个实施可编程控制的年代，即1969年。初出茅庐的PLC具备极础的功能，但经过多年的演进和技术的精细打磨，如今的PLC蕴含着丰富的性能优势和广阔的应用前景。与传统的硬控制器相比，PLC的可编性带来了极大的便利。工程师们不再需要进行繁琐的电线更改操作，只需简单编程，就能完成复杂的控制任务。此外，随着技术的发展，PLC的功能也在不断增强，提升了生产效率。诚然，不同型号的PLC在性能指标上存在明显差异，这主要取决于其硬件构成、软件编程环境以及目标应用领域等多因素。一些高端型号的PLC搭载了灵活的接口和强大的计算力，能够适应更加复杂的控制任务。另一些则以经济型为主，性价比较高，满足了中小型企业的诉求。柔性和适应性一直是PLC引以为傲的优势。其与工业设备之间的连接，主要依赖于各种类型的输入/输出（I/O）模块。这些模块允许PLC读取传感器的信号，以便控制各种类型的负载。这种模块化的设计，使PLC能够灵活地适应不同的工业环境。此外，安全性是PLC设计的重要考量之一。众所周知，工业控制环境中存在大量的电气噪声和电磁干扰。然而，PLC的设计者采用了隔离技术和噪声抑制技术，使其能够在这种环境中稳定工作。而随着工业物联网技术的发展，PLC也赋予了更多互联功能，通过网络技术实现信息化和智能化的控制，进一步提高了生产效率和产品质量。总的来说，PLC的存在极大地推动了制造业的自动化进程，提升了社会生产力，其在今后的发展中将发挥更重要的作用。
在自动化立体停车系统的控制架构中，必须将可编程逻辑控制器(PLC)与触控界面进行协同工作，以期实现数字I/O控制、变频器调制以及串行通讯的高精度管理。此外，该系统还需与相应的上位计算机设备进行数据交互。为满足这些技术规格，经过详尽的对比研究，基于调试的便捷性和控制需求的复杂性，选择了模块化的PLC作为核心控制单元，并构建了综合控制系统。在选型过程中，综合考虑了成本效益、兼容性、可靠性及系统的可扩展性，最终确定采用功能全面的西门子SIMATIC S7-1200作为控制核心。
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3.2 电路设计
3.2.1 控制电路原理
遵循多层停车系统的建设规范，首层配备了2个车位，特别是6号与7号车位无须借助搬运平台即可直达，这两个车位仅支持水平位移。次层拥有4号与5号车位，这些车位在系统正常操作下能够智能地执行横向位移及垂直提升动作。若需要经由4号车位进行车辆存取，此刻必须占用6号车位作为过渡。在这种情况下，6号以及7号车位需平移到右侧的预定位置。4号车位与5号车位的运作机制大体类似。而顶层则设有1号、2号和3号三个车位，其中1号与3号的运动方式基本一致，通常只需执行垂直升降动作。当需要存取车辆时，3号车位的5号和7号承载板需同步向左平移，从而创造出一个供车辆下降的路径。假若2号车位下方区域为空，则可以直接下降至地面层，便于车辆的存放。
3.2.2 I/O模块电路设计
I/O模块分为输入模块和输出模块，其接线示意详见图 3-2。根据I/O地址分配表，输入输出信号被正确接入至I/O模块的对应端口。输入模块负责接收传感器的检测信号并存储，随后传输至PLC。输出模块则担当模拟信号与数字信号间的转换任务，提高信息转换效率，其核心机制是通过开关元件改变输入信号，并将其转换成数字信号，再传递给微控制器处理，以实现精确控制。（图见开头）
3.2.3 控制回路设计
PLC的输出逻辑不仅构成控制回路的关键，而且还能准确调控继电器、接触器等执行元件，实现精细操作。（图见开头）
4 升降横移式立体车库系统的软件设计
本研究选用了西门子S7-1200系列的可编程逻辑控制器(PLC)，并采用了TIA Portal工程组态软件。TIA Portal作为西门子全面集成自动化(TIA)系列的核心软件，支持全系列自动化及驱动产品的配置、程序编写及调试。为满足机械停车系统的需求，本项目采纳了模块化的编程策略，包含了复位程序、存车程序、取车程序、垂直动作控制、横向动作控制以及紧急停止等功能模块。PLC通电启动后，将持续循环执行主控程序，并调用各子程序，以构建一个循环完整的操作流程。在机械式停车设施中，车辆存取主要依靠电动机驱动轮系完成，因此车辆存取的过程本质上是车辆在停车位与空闲区域之间的移动。在停车系统初启动时，若初始状态不明，则需通过复位子程序来重建系统的起始状态，确保系统可以基于预定的标准状态运行。程序的流程图详见图 4-1。
4.1 PLC控制程序设计
5 HMI组态和系统的仿真
5.1 HMI操作系统设计
HMI，亦称作人机用户界面，是视觉上促进人机沟通的平台。它以图形化界面展示系统数据，简化了用户与设备的交互过程，并且使得操作变得更为直观。这一界面广泛运用于自动化设备的控制系统中，显著优化了硬件设计的复杂度。HMI系统的主要职能是为操作人员提供无缝的车辆自动化接入、信息提示以及手动控制，进而提升操作的智能水平。
5.2 HMI操作界面变量
5.3 HMI与PLC的连接
在本设计中，利用人机界面监控和控制画面，其中HMI通过以太网或串口与PLC进行通信。具体来说，HMI通过以太网与PLC中的PE/IE 1接口相连，实现数据交换。
如图 5-1所示。
5.4 HMI仿真调试
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