1、引言

隨著社會的發展，人們的生活水平有了極大的提高，汽車數量也日益劇增，尤其是居民小區、大型公共消費場所等，更是寸土如金，解決停車問題日益嚴重。因此，具有占地面積小，庫容量大的自動化立體車庫就應運而生，它能較好地解決停車難的問題。目前常見的機械式立體停車庫的種類很多，主要有升降橫移式、垂直循環式、多層循環式、水平循環式、平面移動式、巷道堆垛式等，其中由于升降橫移式停車設備具有規模可大可小，對場地的適應性較強和以最少的投資獲取最具價值的回報等優點，在國內立體停車庫市場占有絕對優勢的市場份額。目前升降橫移式立體車庫較多采用PLC 控制電動機恒速運行，速度過低則車庫運行效率低，速度過高則易造成車位晃動與撞擊，而且大多沒有監控系統或監控系統還不夠完善。為此，以PLC 作為控制核心，結合變頻器設計一種升降橫移式自動控制系統，實現了對電動機變頻調速的控制，既提高了車庫運行效率，又保證了較高的移動精度，同時基于MCGS 組態軟件建立PLC 與上位PC 機之間的通信連接，實現了友好的人機交互界面，既提高了車庫存取車速度，又方便了操作人員對系統的維護。

整個系統操作方便靈活、功能全面，并配備完善的安全裝置，為城市中日益嚴重的汽車停放問題提供了有效的解決辦法。

2 機械結構設計

立體車庫機械結構主要由主框架、停車托盤、傳動系統等部分組成，總體設計為一、二層容量為2 個車位，三層為3 個車位，即共三層7 個車位，另外還有兩個周轉空位，用作汽車的中轉平臺，構成示意圖如圖1 所示。立體車庫的主框架采用鋼結構設計，每個車位單元配置停放車輛的托盤，托盤由傳動系統驅動可上下、左右移動。傳動系統分為升降傳動系統和橫移傳動系統。升降傳動系統由電動機、變頻器、鏈輪、鏈條等組成，運行時，電動機帶動鏈輪轉動，鏈輪帶動鏈條，通過升降電動機的正反轉實現托盤的上下升降運動。橫移傳動系統由電動機、變頻器、驅動輪和從動輪、導軌組成，通過橫移電動機帶動托盤在橫梁上進行橫移運動。

圖1 立體車庫構成示意圖

它的結構特點是：底層只能平移，頂層只能升降，中間層既可以橫移又可以升降。當底層1、2 號車位存取車輛時，不需移動其他托盤就可直接存取；當中間層、頂層車位存取車輛時，首先必須把該車位正下方每層車位的托盤移開，產生一個垂直通道，再將該車位托盤移至一層，進行車輛存取。存取車后的復位遵循一個原則：升降復位，平移不復位。如果在圖1所示的狀態下1~7 號車位均有車而6 號車位欲取車，則首先將4、2 號車位的托盤右移，接著6 號車位托盤下移，并取車，最后6 號車位托盤上升復位。

3 控制系統的整體設計

圖2 系統結構框圖

立體車庫控制系統由上位機監控系統和下位機PLC 控制系統組成，構成"上位機+PLC+現場操作機構"的典型結構，圖2 為該系統結構框圖。

車庫控制方式有三種方式-手動、半自動和全自動。手動是在現場用手操作器對每個托盤進行點動控制，主要用于設備調試、維修或異常情況處理；半自動是利用PLC操作面板上的按鈕由PLC實現自動邏輯控制，在計算機脫機情況下，PLC 操作面板可以完成所有存取車操作；全自動是由計算機給出存取命令由PLC 執行，同時車庫的運行狀態實時反映在上位機上。

三種方式可以通過選擇開關任意選擇，正常情況下，車庫運行于全自動方式。

上位機作為監控機通過串行通訊，實時接收和處理下位機PLC 從現場采集的各種狀態、控制及報警信號，并利用這些信號向PLC 發出控制指令，使PLC控制變頻器及電動機的運作，同時利用這些信號驅動上位機控制界面中的各種圖形，實時顯示現場的各種狀況，在操作員和車庫之間構造出形象、直觀的界面。

存車操作過程：先按"存車"鍵，再選擇所需要存車的庫位（按"取消"鍵可重新選擇庫位），判斷無誤后，按"確定"鍵，自動完成存車過程。取車過程基本和存車操作過程相同。

4 下位機PLC控制系統設計

4.1 PLC 控制系統硬件設計

PLC 是車庫控制系統的核心，與變頻器相結合來完成車輛的存取操作、信號顯示及故障報警。存取車時PLC 工作過程如下：接收到上位機或操作面板按鈕輸入的指令后，首先檢測各種限位開關和檢測元件的狀態，讀取車庫機械驅動部分的信息，然后由PLC 控制變頻器為電動機提供低頻電壓，電動機啟動并作低速運行，電動機轉子通過減速器帶動托盤移動。為實現電動機調速，在一定的目標位置安裝了換速開關，待托盤移動觸碰到換速開關時，換速開關向PLC 發送加速信號，PLC 控制變頻器使之輸出高頻電壓，電動機帶動托盤以高速運行，車位接近終點時，觸碰另一換速開關，PLC 收到減速信號，并向變頻器發送減速指令，電機再次低速運轉，到達終點后，限位開關向PLC 發送停止信號，PLC 控制電動機斷電，同時制動裝置抱閘，保證電動機迅速停轉，避免車位移動過量。

系統采用三菱FR-E540 系列變頻器控制三相異步電動機的正反轉，從而實現托盤的移動，電動機控制原理圖如圖3 所示。

圖3 電動機控制原理圖。

表1 PLC 系統的輸入點分配表

為了保證托盤運行過程的安全性，系統采取安全掛鉤保護設計，即控制安全掛鉤動作的電磁鐵上有一反饋信號，用于指示掛鉤是否已把托盤掛好。

為了保證系統精確定位及存取車可靠安全，系統設置了限位開關、光電開關和測長傳感器。限位開關保證了托盤能平移到預定位置以及托盤能上升或下降到準確位置；光電開關可以檢測托盤上有無車等；測長傳感器是當車輛超長時， 會給PLC 一個電平變化信號，使系統發出報警提示。此外，為了保證系統的安全性，車庫還運用了緊急停車按鈕、手動按鈕等。

系統采用三菱FX2N 系列PLC 作為控制系統的控制器，PLC 的輸入信號包括按鈕信號、開關信號、傳感器信號等；輸出信號包括電動機驅動信號、指示燈驅動信號、變頻器控制信號、電磁鐵控制信號和報警信號等。系統具體的控制點分配見表1、2.

表2 PLC 系統的輸出點分配表

4.2 PLC 控制系統軟件設計

PLC 控制程序采用模塊化結構， 由主程序、存取車子程序和故障報警子程序組成，車位運行過程中只需調用子程序模塊。當車位在層數或排數上增加時，只需就其中的一個子程序和主程序進行相應的改動，而其它的子程序基本不必改動，大大減輕了車位拓展后重新編程的任務。PLC 控制程序流程圖如圖4 所示。

圖4 PLC 控制程序流程圖。

5 上位機監控系統設計

上位機監控系統由MCGS 組態軟件進行設計，所有存取車操作以及整個車庫的運行狀態監視都在計算機上完成。監控系統主要完成以下三方面的工作：

（1） 操作控制。操作人員通過操作上位機控制界面可以選擇前面介紹的三種工作方式中的一種，直接控制電動機和變頻器的運行， 從而實現存取車的控制，大大提高了系統在故障狀態時的應急處理能力。

（2） 運行狀態實時監視。采集各種開關信號、傳感器信號，實時顯示托盤平移、升降及各限位開關的狀態，有車、無車信號及掛鉤狀態等，完全實時反映現場情況，與現場完全一致。

（3） 數據管理。實現歷史數據的存儲和查詢，自動生成運行記錄文件和報表，對于報警及故障信息自動生成記錄文件供事后分析。

上位機與PLC 的通訊是通過RS232 電纜將PLC的編程口與計算機的RS232 口相連來完成的。但上位機與PLC 通訊之前，要進行相應的通信參數設置，其設置必須與PLC 的設置一樣。在PLC 中是通過數據寄存器D8120 來進行設置的，包括數據長度、校驗形式、波特率和協議方式，系統選擇的通信參數設置為波特率9600,7 位數據位，偶校驗，1 位停止位，無命令頭和命令尾，整個命令不加校驗和。只要在上位機上設置與PLC 一致的參數即可。

完成了上位機和PLC 的基本設置后，還要設置PLC 設備的通道連接，即完成PLC 元件與實時數據庫中對應數據對象的連接，系統將輸入元件X 的通道類型設置為只讀，將輸出元件Y 和輔助元件M 的通道類型設置為讀寫。這樣，上位機監控系統就可以與PLC設備進行通訊了。

6 可行性分析

根據汽車市場及可供停車泊位的場地來看，社會需求量巨大。若建1 座7 個泊位的車庫，固定成本（包括原材料、土建工程、自動化輔助設備等）大約為12.6 萬元左右（不同的地區會有一些差異），流動成本（包括工資、市場營銷、運輸、折舊等）約為7 萬元，合并稅金等，該車庫的成本約在25 萬元，若市場普通車庫銷售價7.5 萬元，而本項目每個泊位銷售5 萬元，則單座車庫銷售額為35 萬元，單座這樣的車庫當年就可以收回成本。

另外，從土地使用面積來看，以車庫占地面積15m2計算，7 個泊位需要占地105 m2,而本設計單座車庫占地面積約為47 m2,單個車庫就可以節省土地58 m2;從建造成本看，單個車庫可以節省建筑資金（7.5-5）×7=17.5 萬元，社會效益相當可觀，開發前景良好。