基于PLC的堆垛式立体车库控制系统设计

自动化立体车库是集自动化技术、机器人技术、计算机技术为一体的智能化、立体化的物流储运系统，能够自动而可靠的完成车辆的存储以及相关信息的管理。对该系统的开发与研究，可以解决我国停车难的问题，具有非常大的理论意义和使用价值。

在程序设计之前，首先确定车库的类型和平面结构。不同立体车库机构的布置和同一立体车库机构的选择等都不相同，所以对应的控制系统部分也就相应地有差别。由于堆垛式立体车库的运行效率高、可靠性好等，且能实现全自动化管理，具有广泛的应用前景，因此利用PLC（可编程序控制器）设计一个地下堆垛式立体车库的控制系统。而在设计的过程中，为了便于系统的检查，理清系统思路，尝试把进出车库的控制系统和智能搬运系统、堆垛控制系统分开来设计。整个系统的设计充分体现了PLC在自动控制中的优势。该设计的方法是：以平面停车场为核心，依靠油泵、电机等移动车位，利用PLC指令来控制车位位置变动进程。设计一种新型双层机械式停车库控制系统，文中提出了软件设计的方法，并改进了速度。这种方法具有普遍意义，可用于任意车位的设计。

本文概述了我国停车场的现状，提出了在市区建设立体车库的必要性；并简单概括了自动化立体车库的类型、特点和选型标准等等；还介绍了PLC的系统结构、工作原理、工作方式和编程的规则等；最后详细介绍了地下堆垛式立体车库和控制系统结构、工作原理、软件的实现，分析了系统的控制流程和PLC控制的梯形图。该系统实现了立体车库的有效控制与管理，充分发挥该车库的特点。

第1章 绪 论

第2章 自动化立体车库的简介

第3章 可编程序控制器（PLC）的简介

第4章 堆垛式立体车库的系统构成

现今立体车库的结构具多样性，其中垂直升降类、升降横移类和巷道堆垛式立体车库的运用最为广泛，此处设计的是堆垛式自动化立体车库，它不仅可以设计在地面上，也可以设计在地下；堆垛式立体车库机械结构复杂，但是自动化程度高，甚至可以实现整个车库的无人化管理。在此首先确定选用OMRON的CPM1A系列PLC，以此来设计立体车库的控制系统，因为选用中小型系列的PLC较为经济。

4.1运行原理和特点
采用巷道堆垛机或桥式起重机将放到搬运器上的车辆以水平且垂直移动到存车位，并由存取装置实现车辆的有序存取，所以车辆的存取均是由堆垛机和智能搬运小车的运动实现的，堆垛式立体车库的简图如图4-1所示：

4.2 车库系统的结构
根据立体停车库的结构和性能要求,设计控制系统,在功能上可划分为3级:第1层为信息管理级,主要是完成IC卡的管理、车位的规划、入库、出库和倒车任务的分配、客户信息管理、运行状态监视等；第2层是工业计算机以及数据采集检测、显示设备组成的监控级,或称调度监控级；第3层是以PLC系统为核心,完成各主要功能环节的底层控制系统,形成现场控制级。该系统在各功能上相互独立,但又相互协同运行,从而实现了信息管理和实时控制,同时也保证了系统的可扩充性和开放性。另外,这种分级结构的系统还能够与其它系统共享资源。
依据这种分级结构,控制系统从上到下具体分为:信息管理系统、出入口主控系统和智能机械系统。信息管理系统包括上位机、热备机系统等；出入口主控系统包括主控PLC系统、服务器、激光检测系统和智能终端；智能机械系统包括巷道堆垛机系统、水平交接系统等智能系统。控制系统的结构简图如图4-2所示:

下面就来介绍控制系统的三部分，其中具体介绍智能机械系统，因为在后面的设计中，我们的重点是设计库门开关及库内停车的控制部分，所以主要介绍智能机械系统，以方便后面理解。
4.3 信息管理系统
4.4 出入口控制系统
4.5 智能机械系统

第5章 立体车库控制系统的设计

在此我们设计的是地下堆垛式立体车库的进出车库的控制系统和库内停车的控制系统，地下立体车库主要运用在市中心繁华地段，此类车库可以根据用户车位数量需求进行扩展。
5.1 进出车控制系统的设计
我们设计一个具有并列的进出口以便同时有车进出的自动化立体停车库。在进口处有一个取票机。在车前方有一个可上可下运动的栏杆，当司机压下取票按钮并且拿走票后，该栏杆升起，车方能通过。当车被确认通过后，栏杆自动落下。类似地，在出口处有一个令牌机，当司机投入令牌后出口栏杆升起，车方能开出车库。要开车离开车库的司机可以拿着进库时取得的票据到车库管理员处付费换取令牌。车库门在正反转电动机的带动下可以上下启闭。本次设计的车库是上下两层的，其容量为20辆，当该最大极限值达到后，就不允许再有车进入车库。
5.1.1 系统设计
首先考虑传感器。它们将用于测定车辆出现的位置及栏杆和门的极限位置等等。当司机将车停在取票机旁取票或在令牌机旁，投入令牌时，其车前轮下面应有压力传感器以测定是否有车要通过。该传感器在一定的最低有效压力以下不应输出信号。其目的是为了防止有人从车库将车开出时，站在进口处的压力板上取票造成车库门的开启，乘机将车开出，达到逃避付停车费的目的。但这个最低有效压力不能低于对轻型摩托或微型机动车起作用的数值。
必须避免保证栏杆、车库门在人或车正在通过时落下，造成事故。因此在栏杆下方设有视觉传感器，用以保证汽车或行人仍在栏杆下时不致落下。在车库门一侧有一对大约离地0.5米左右的视觉传感器，它布置在库门的正侧，则可以避免车还在门下，库门就开始关闭，以造成车辆损坏。
车库门当然还应有两个极限位置传感器——上、下极限开关，仅当车库门完全开启时输出信号，且仅在车库门完全关闭后才停止输出信号。同时也只有库门上极限开关传感器有信号输入后，进口栏杆才能升起，这是为了防止车通过了栏杆以后，由于某种机械故障造成车库门开启不灵，造成车辆进退不得的困境。如果发生故障，进口栏杆不会开启是比较合适的。这样的话，司机就可以将车开走或找管理员来解决问题。
在车库内侧边有一对视觉传感器，用以测定车的运行方向。当车进入车库时，靠近门的传感器首先起作用，其次是远一点的传感器。这种顺序就通知PLC，该关车库门了。反之，如果车是开出车库的，远离车库门的传感器首先起作用，其次才是离车库门近一点的传感器，这时PLC就库门开启了。通过这对传感器动作的前后顺序差别，PLC就可以判断应该关门还是开门。车库门下的传感器无信号时，门也会自动关闭。
为了跟踪车库门车辆的数量，使用了PLC的计数功能。这时就不再要另加传感器了。这种计数功能完全由PLC内部功能实现。假设该车库内能够停留的车辆数最大值为20，那么该数值达到最大后，在取票机出应有“GARAGE FULL（车库满）”的标志灯发亮，以提醒需要停车的司机。
为了使栏杆动作顺利，另设两个计数器，也由PLC内部实现，不另设硬件，且能在每次动作后马上清零。计时器设定为2秒，即栏杆在视觉传感器动作后等待两秒后再行落下。这样就可以保证车与栏杆之间至少有一个安全间隙。当然这种计时也可以避免类似与摩托车的不连续车体造成的栏杆误动作。
最后，每个栏杆还应有极限位置传感器，用以检测栏杆臂的位置。这种传感器仅当栏杆臂完全升起时输出信号。这些传感器与其他传感器联用，如栏杆升起后的两秒计时，以及随后的栏杆臂降落后，均应中断信号的输出。
整个系统的传感器位置示意图如图5-1所示：

程序流程图见图5-2所示：

5.2 地下停车库控制系统设计
地下堆垛式立体车库与地上堆垛式立体车库的机构基本上都是一致的，而最大的区别在于入库的转盘。地上堆垛式立体车库的水平回转盘实现车辆出入库时旋转90度或180度，以方便取车。而地下堆垛式立体车库中，水平回转盘则被换成升降台，因为入库时，车辆要由水平地面下降到车库地面；出库时，则要把车辆由车库地面上升到水平地面，因此，升降台就需要有回转和升降功能。
5.2.1 系统构成和工作原理
所涉及的双层机械式停车系统采用梳型结构，结构如图5-3和如图5-4所示：

车辆在车库中的停放采用了梳型结构，即自主行走小车（水平交接机构/搬运小车，它通过通讯系统接收地面管理传来的指令并不断把车的位置运行状态等信息返回给上位机）与停车位之间为梳型的特殊结构，两者相互交叉，以车辆轮子的位置作为移动车辆时的支撑点，与车板式立体车库结构相比，不仅存取车更方便，而且大大节省了时间，适用于多数小型、家用和商务车辆。其机械传动部件主要包括车位架、搬运小车、堆垛机、转盘、升降电机、横移电机等，采用位移传感器检测堆垛机、搬运小车、升降台的升降、平移及转动位置，光电传感器检测车位是否为空。
存取车的工作过程：取车时，PLC控制变频调速装置带动堆垛机开到某层列外停下，指挥小车开到指定车位取车，小车回到堆垛机平台停下，堆垛机接收小车完成报告，之后运行到升降台处，小车将车辆放置到升降台上，升降台上升到水平地面，完成取车。存车时，升降台下降到车库地面，小车把车辆取到堆垛机上，堆垛机开到某层列外停下，指挥小车开到指定车位存车，小车存车后回到堆垛机平台停下，堆垛机接收小车存车任务完成报告。任务完成时，堆垛机原地待命。
5.2.2 堆垛机到位原理
堆垛机与水平交接机构一起合作以存取车，并实时向信息管理系统上报状态信息。堆垛机水平或垂直行走时,每经过一列层车位,设定的相应的列层地址数就加减1,当前值与设定值差值逐步减小。差值为2时,速度由高速变中速。差数为1时,接受中速到微速的变换指令,调整减速点用的计时器T1开始动作,如图5-5所示。T1在t1时间后发出实际减速信号,以规定的微速度运行。差数为0时,按照停止指令调整停止点用的计时器T2开始动作,T2在t2时间后进行制动,使堆垛机停止在允许的范围内,t1与t2的规定与堆垛机运行速度、惯性和制动器容量等有关。在行走和升降的各个位置上,加固定编码地址,堆垛机依靠该地址与目的地址对照,堆垛机每通过一个位置就记录一个数一直移动到和预定位置号一致时停止。这种定位方法在堆垛机中速度时,定位精度为±10mm,高速时为±40mm。

5.2.3 控制系统设计

5.3 控制系统的改进和运行速度的改善
在控制系统中，由于现场设备如定位开关、限位开关等输入信号，以及继电器、接触器等输出与PLC的联接中，设备数目过多，使得接线设计与接头校对的工作量大，电缆、端子和槽盒用量也大，不仅增加投资、不便维护，也为系统的安全运行埋下隐患。利用现场总线技术，将多个设备挂接在一对双绞线或一条电缆线上，可大大简化接线，使系统扩展更灵活，同时由于现场总线设备的智能化、数字化，还能提高控制系统的精度。
在保证了稳定性和安全性的条件下，速度作为一个运动要素，也是判断车库好坏的重要依据。一般而言，为保证车库的运行安全稳定，车库在运行时要保持恒速运动，但不可避免的是车库在启动和停止期间会产生加速度。随着车库规模的增加，对车库运行速度要求就更高，同时也要求车库的稳定性不受影响，即加速度并不增加。为此，提出一种方法来实现车库的变速运动，而且保证了运行的稳定性。
车库运行如图5-12所示。
油阀是车位上下运动的开关，它对运行速度有着直接的影响。目前，国内的车库设计基本上都是通过一个油阀1控制一个车位。当油阀1开时，车位速度v1（见图5-12 a）），启动时间为ts，结束时间为tE，恒速运动时间为tR-ts，从0~ts, tR~tE存在加速度a1；若直接通过加油压来提高速度（见图5-12 b）），在启动时间ts内达到速度v2(v2> v1)，加速度必然增大，从而使车位启动时产生很大的振动。
现在，在每一个车位上增加一个控制油阀2。开启油阀1，当车位运转为ts1时，速度为v1，加速度为a1（见图5-12 c））；运动（ts2-ts1）后，油阀2完全开启，速度达到v2，加速度仍为a1；车位以v2速度运动到tR1，关闭油阀1，然后以v1运动至结束。图中t1,t2分别为开启或关闭油阀的过渡时间。整个过程中，加速度没有增加，但速度却提高了近一倍（考虑到油压过载，不能简单地认为v2是v1的2倍，故在PLC编程时，对时间要计算正确）。
用这种设计方案，可以节省近一半的时间，大大提高了车库的效率。