基于PLC与MCGS的智能立体车库监控系统设计案例分享

引言

自动化立体车库， 既可解决停车难的问题， 又可充分地利用城市较少的土地资源， 实现城市的可持续性发展。 自动化立体车库是城市现代化的主要标志之一， 是集机械、 电子及控制技术于一体的现代化设备， 是实现物流处理自动化的有效手段。 可实现的主要功能有： 提高地面利用率； 实现车辆停放的三维储存； 智能化控制； 节省人力资源。 本设计针对目前停车场管理系统存在的系统管理介质落后、 集成自动化程度低、 安全性差、 人性化和运行效率低下的不足， 结合目前科学技术领域的新研究成果， 设计了一种技术较先进、 性能可靠、 自动化程度较高的停车场智能管理系统。 立足于提高停车场管理系统的可靠性、 安全性和高效性， 对目前我国各大中城市所面临的“停车难”问题的解决， 具有一定的促进作用。 本系统所采用的PLC技术， 组态监控技术对其它交通收费系统也有一定的借鉴意义。 阐述了智能停车场系统的PLC控制的一些基本思路和方法， 本系统不仅编程简单，通用性强， 抗干扰能力强， 可靠性高， 而且具有易于操作及维护， 设计、施工、调试周期短等优点。 监控系统 MCGS 在数据采集的基础上， 以友好的人机交互界面， 最终完成指挥 PLC对车库运行操作的自动控制 。 操作员的所有存取车操作都在计算机上完成。 本文设计的对停车场进行智能化设计， 通过采取PLC技术对停车场管理的设计， 达到停车场智能化、 高效化。

1、车库整体结构的设计

整个立体停车库是由多个2排3层3列的车库单元形成的， 如图1所示。 当用户来停车时， 由管理员负责为其寻找车位， 发放IC卡。 当车辆进入时， 出入检测光电开关会检测信息： 包括车辆形状是否符合要求； 车库目前的容量等。 上位机能够对车库目前容量进行判断， 在放满的时候能够进行报警。 在用户停好车后， 在出口处使用IC卡， 此时车库各托盘复位， 下一位用户可以进行存取 。 在取车的时候， 当车辆驶出车库时， 通过PLC控制使车库自动复位， 保证高效， 安全。 考虑到在停车的时候， 各人所需时间不一， 安全检测不易，如果也采用自动复位的话， 易引起事故。 故采用读卡机检测信号使其复位， 而读卡机安放的位置选在出口处， 因为只使用一台读卡机的话， 出口处是最佳位置。 安装在此处虽然可能使车库的运行效率降低， 但是可以方便管理员进行管理防止客户忘记拉卡等事情发生。 此外，在车库中还可以安装摄像头， 对车库进行安全监测。

在车库中采用非接触式读卡机， 来实现车库的计时与收费。 用户在存车、 取车时， 只需要在读卡机面前晃动一下IC卡， 读卡机就会将信息送到上位机， 由上位机进行收费计算，保证准确， 快捷。 同时上位机也将信息送到PLC， 控制车库的运行。本系统采用滚珠丝杠、 滑杠和普通丝杠作为主要传动机构， 电机采用步进电机和直流电机， 其关键部分是堆垛机， 它由水平移动、 垂直移动及伸叉机构三部分组成， 其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成， 伸叉机构由一台直流电机来控制。 它分为上下两层， 上层为货台， 可前后伸缩， 低层装有丝杠等传动机构。 当堆垛机平台移动到货架的指定位置时， 伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入， 当取到货物或货已送入， 则铲叉向后缩回

具体的操作步骤如下：

1． 接通电源。

2． 将选择开关置手动位置（此时此时 1～6 号有效）

3． 分别点动按键←1、 2↓ 、 3→、 4↙、 5↑ 、 6↗， 观察水平（X 轴） 、 垂直（Y 轴） 、前后（Z 轴） 各丝杠运行情况， 运行应平稳， 在接近极限位置时， 应执行限位保护。

4． 用计算机编写程序并下载至PLC。

5.将选择开关置自动位置（通电状态下， 各机构复位， 即返回零位） 。

6.将一带托盘汽车模型置零号车位， 放置模型时， 入位要准确， 并注意到车位底部检测开关已动作。

2、系统硬件设计与选型

2.1 车库方案确定

目前的自动化立体车库主要有： 升降横移式、 仓储式、 垂直循环式、 电梯式、 简易式。图3是立体停车设备最普遍的一种结构类型， 升降横移式从结构上讲， 它通过载车板的垂直升降和水平移动来进行车辆的存取， 设备结构简单， 适用车型比较广泛， 而且相对其他车库，安装和布置比较灵活， 非常适用于地下以及室外停车。升降横移式立体停车设备结构非常灵活， 可以根据具体应用情况将车库布置为两层或者两层以上， 通过增加停车层数可以增加停车容量， 其基本单元式两层结构， 可以停放5辆汽车， 上层3个托板可以升降， 上层3个托板可以升降， 下设有2个托板， 能左右平移， 但不能升降。 整个单元由钢结构框架、 托板、 升降机构、 平移机构和控制系统组成。 托板的宽度视车辆大小而定， 介于 2400-2500mm， 长度介于 5250-6370mm。 托板可以采用液压驱动升降机构或电机升降系统， 电机功率为2.2-3.7kw ,平移机构电机功率为0.2kw ,升降平移时均为 20s 。 在安全装置方面除紧急断电开关和自动急停的光电开关外， 还有防止坠毁的安全锁 。双层托板升降平移式停车设备的主要特点是： 存、 取车极为方便， 托板直接落在地面上，既可用于户外停车场， 也可以用于地下车库， 当基本单元组合成一列时， 便可存放 18 辆汽车。 大型地下停车场如采用这种机械化停车系统， 对有效利用地下车库的空间， 增加存车容量， 降低车库总造价均及其有利。

2.2PLC的选型

S7-200是一种小型的可编程序控制器， 适用于各行各业， 各种场合中的检测、 监测及控制的自动化。 S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中， 或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 西门子系列PLC集成的24V 负载110电源： 可直接连接到传感器和变送器（执行器） ， CPU 226输出400mA电流。 可用作负载电源， 具有24个输入点和16个输出点。 方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。 可使用仿真器（选件） 对本机输入信号进行仿真， 用于调试用户程序。

2.3 光电开关

在本设计中， 需要用光电开关检测的量比较多， 如托盘是否到位， 车辆的有无， 车辆是115否停放准确等等。 其中， 对于车辆是否停放准确的检测可使用安全光幕， 它的工作原理同光电开关。 但考虑到成本关系， 并且用光电开关同样可以达到相同的功能， 所以本设计中均采用光电开关代替。 由于车库中托盘的反复运动势必带来震动， 因此在选择光电开关时需考虑防震性。 在检测托盘是否到位时， 光电开关的响应速度必须快速、 准确。 此外所选元器件最好能使用统一电源， 方便接线。 因此， 选择OMRON的E3G-R13回归反射型光电开关， 其主要性能指标如下： 其相应速度快， 动作、 复位各 1ms， 耐震动（10~55Hz） ， 并且带有安全保护结构。 其最大特点是输出方式PNP/NPN可调， 并且LIGHT ON/DARK ON可调，这在程序设计和电器原理图设计上都带来了便利。

2.4 电机选择

电机是最终的执行机构， 最终功能的实现要依靠电机。 由于所需功率不同， 在水平和垂125直托盘上采用不同的电机。

本设计中水平托盘要求的功率为0.2KW,升降托盘要求的功率为2.2KW。 根据功率选择三相异步电机 Y801-2,额定功率0.75KW,额定电流1.83A 和 Y90L-2,额定功率2.2KW,额定电流4.83A。

2.5 其他装置选择

本设计中还需要运用的有读卡机、 蜂鸣器、 工控机等。其中读卡机选用上海玺玛克智能科技有限公司的SKRD-M1/R1读卡机。 这是一种非接触式（Mifare） 读卡机， 采用12V电源， 有防水设计， ABS树脂密封， 比较适用于停车场的环境。 蜂鸣器采用丹东华颖电器公司的24V电源的产品。 工控机采用研华610-H。

3、PLC 控制系统设计

3.1 PLC 硬件设计

根据总体方案及机械结构的控制要求， 确定硬件电路的总体方案， 绘制系统电气控制的结构框图。 系统硬件电路由PLC、 电气部分、 外围设备、 I／O接口的分配及电路组成。 用S7-200 系列PLC作为控制设备。 而电气部分设计主要是传感器的选择。 可在每个车位内安装一个接近开关， 有车时开关感应为“1” ， 向PLC输入一个信号； 一层车位装有4个左右 140限位开关和4个下限位开关， 到位断开； 二层有4个左右限位开关和 4 个上限位开关； 三层只有上限位开关， 可选用普通行程开关、 接近开关和霍尔开关。 开关闭合即向 PLC 输入一个信号。 外围设备主要包括键盘、 LED显示和电机。 PLC外部接线如图2所示。

PLC的输入信号包括按钮信号、 开关信号、 传感器信号等； 输出信号包括电动机驱动信号、 指示灯驱动信号、 变频器控制信号、 电磁铁控制信号和报警信号等。 系统具体的控制点分配见表2。 

3.2 系统软件设计

升降横移式立体停车库PLC控制系统的主要功能是存取车功能， 其控制方式有点动和自动两种。 点动控制方式是通过“上” 、 “下” 、 “左” 、 “右” 键， 把载车板调整到预定的位置， 主要用于调试维修或应急处理； 自动控制方式是立体停车库的正常工作方式， 当选择某车位进行存取车时， 系统自动确定车位移动方案并调用相应的车位移动程序， 自动完成 存取车操作。存取车控制的主要问题是解决车位移动问题， 当选择某车位进行存取车操作时， 需要移开它下面的所有车位， 建立下行通道。 建立下行通道须遵循高效原则， 包括两个方面： 建立下行通道的时间最少， 即车位移动的距离最短； 建立下行通道所需移动的车位数最少。

当选择地面层车位存取车时， 由于地面层车位车辆可以直接出入， 因此不用考虑空位的 位置， 可以直接进行存取车操作。 当选择存取车位为中间层或顶层车位时， 根据高效原则，比较所选车位与其下面各层的空位进行位置比较。 若某层空位在该车位左侧， 则将该层的相关车位左移， 若某层空位在该车位右侧， 则将该层的相应车位右移， 最终使所选车位的下面形成通道， 便于该车位升降， 完成存取车操作。为了保证存取车控制的可靠和高效， 建立了存取车复位规则。 车位横移复位规则： 横移车位不进行列复位。 在下行通道的建立过程中， 顶层以下各层车位需要横移操作， 为了保证存取车的效率， 规定存取车完毕， 横移车位不需要复位， 直接参与下次下行通道的建立过程。当系统强行复位操作时， 各车位恢复到初始位置。 车位升降复位规则： 升降车位进行层复位。为了保证存取车控制的可靠性， 规定存取车完毕后， 在系统没有强行停止的情况下， 下降车位完成存取车操作后及时上升， 恢复到该车位所在的层位

根据上述存取车复位规则， 存、 取车操作的车位升降动作达成了一致， 即无论存车还是取车操作， 车位都是先从所在层下降到地面层， 等存取车动作完成后， 及时上升恢复到原来的层位。 因此， 可以用相同的控制程序实现同一车位的存取车控制， 提高了控制程序的执行效率， 节省了存储空间。 图3所示为升降横移式立体停车库存取车控制流程图。

4 、MCGS 组态监控设计 

监控系统在数据采集的基础上， 以友好的人机交互界面， 最终完成指挥 PLC 对车库运行操作的自动控制。 操作员的所有存取车操作都在计算机上完成。 上位监控系统主要具备以

下功能：

1)监视车库运行状态“车库运行状态” 功能界面显示整个车库电梯、 各现场停车等待及现场进出指示信号灯， 前者指示司机在何处等待停车后者指示司机可以将车开入车库电梯

2)监视设备运行状态功能“位置信号” 界面显示， 电梯、 行走小车、 载车板在运行过程中各层平层开关、 限位等的开关信号， 与实际电气条件一致。 当系统硬件或线路发生故障时，出错时信号灯显示， 由此判断故障并确定故障点 。

3)人机交互操作。 操作员直接在计算机上进行控制操作和管理。 系统自动控制车位载车板的运动变化， 自动生成记录报表和账单。 起动、 停车和打印， 仍由操作员完成。 操作分为手动操作和自动操作手动操作又分为控制柜手动和现场手动。 在计算机脱机情况下可以完成所有停车操作， 但不能对车库进行监控管理。 遇到比较复杂的故障时， 可现场手动处理。 自动操作指下位与计算机的交互操作。

4)车位选择。 停车首先要选车位， 车位可以优选、 指定和包租。 每存取次车之后， 自动按最优车位选定下次停车位置例如存车优先、 取车优先、 原地待命等等。 也可人工指定位置，如某车位属于包租， 则对此车位的优选可指定为无效。

5)故障处理和维护。 故障可能发生两种情况一种是现场设备和信号失误， 运动部件在运动过程中非正常停止， 则应急停控制， 现场手动复位。 另一种是计算机显示错误， 那么可调出“维护” 界面。 其功能包括重定电梯、 载车板、 小车状态、 重定运行状态、 调整停车收费价格、 运动部件单步调试。 这些功能保证监控系统状态与现场完全一致。

6)系统记录。 历史日报、 月报、 即时日报、 历史账单和打印当前账单。 日报保存个月，月报保存个月， 查询可选定时间段进行。 所有管理数据在车库运行中自动生成。监控画面设计如图 4 所示, 画面中画出了三层升降横移式立体车库的监控画面：

5、总结

本文进行了升降横移式立体车库控制系统模拟设计与研究， 做了以下工作：

(l） 分析了立体车库类型的原理， 得出“安全、 快适、 经济” 的升降横移式立体车库适合我国现状。

(2） 通过对升降横移式立体车库运行原理的分析， 探讨了用可编程控制器PLC实现车库控制系统的基本方法， 实现了对3x3立体车库模型的控制， 对PLC在复杂控制系统中的灵活应用有一定的理论意义和较大的实际价值。

(3） 讨论了基于MCGS对控制系统虚拟仿真的实现， 探讨了MCGS实现仿真的方法和制作过程， 作为仿真技术的应用， 该软件较直观、 真实体现了车库的控制功能， 并且为实际中的控制装置（包括软件、 硬件） 的开发与调试开辟一条经济、 可靠的途径。