基于S7-1200 的PLC 學(xué)校智能立體車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

苗沛沛，張希

（江蘇省連云港中等專業(yè)學(xué)校，江蘇連云港，222000）

1 研究背景

目前，汽車已成為學(xué)校教師出行的必需品，項(xiàng)目需求學(xué)校現(xiàn)有教職工六百多人，隨著教職工汽車持有量的快速增長(zhǎng)，學(xué)校停車位明顯不足、停車難的現(xiàn)象日顯嚴(yán)重，因此，常規(guī)的平面停車形式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段學(xué)校停車需求，研制一款智能立體停車庫解決教職工“停車難”問題迫在眉睫。

本研究是在現(xiàn)有平面停車形式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)立體的智能化停車裝置，秉持“安全、實(shí)用、智能”的原則，在全面分析學(xué)校教職工停車需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃，基于S7-1200 的PLC 作為核心控制元件進(jìn)行架構(gòu)、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、調(diào)整，最終設(shè)計(jì)出一款規(guī)范、合理、安全、高效的智能立體車庫控制系統(tǒng)。

2 基于PLC 的智能立體車庫控制功能分析

■2.1 工作方式

智能立體車庫是一種集機(jī)電、自動(dòng)控制于一體，用于儲(chǔ)存車輛的智能控制系統(tǒng)。現(xiàn)有的立體車庫分為升降橫移類（PSH）、簡(jiǎn)易升降類（PJS）等九大類，分析學(xué)校停車需求發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目對(duì)施工場(chǎng)地要求較低，對(duì)安全可靠性以及自動(dòng)化程度要求較高，智能立體車庫的規(guī)模可隨環(huán)境變化任意排列組合，后期擴(kuò)展維護(hù)較為容易。

本項(xiàng)目以《特種設(shè)備目錄》中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8713-1998 為依據(jù)，選用PSH 升降橫移方案，利用載車板的橫移、升降對(duì)教職工車輛進(jìn)行存取。PSH 立體車庫結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由鋼結(jié)構(gòu)、載車板、傳動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)及安全防護(hù)五個(gè)部分構(gòu)成。鋼結(jié)構(gòu)是車庫中的硬件基礎(chǔ)，用于承載重量及安裝相關(guān)設(shè)備；載車板是車輛的載體；傳動(dòng)裝置（圖1）分為橫移與升降裝置，載車板的橫移是依靠電機(jī)帶動(dòng)鏈輪、主驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)軌上水平移動(dòng)。載車板的升降是依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，對(duì)纏繞在卷筒上的鋼絲繩進(jìn)行收放操作，使載車板升降運(yùn)動(dòng)；控制系統(tǒng)主要由檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、控制及保護(hù)等四環(huán)節(jié)構(gòu)成；此外還要增設(shè)限位檢測(cè)、急停操作、防墜落等安全防護(hù)措施。

鑒于PSH 的結(jié)構(gòu)特色，頂層的載車板只需完成升降移動(dòng)，底層的載車板只可完成平移運(yùn)動(dòng)，中間層的載車板平移、升降均可實(shí)現(xiàn)。PSH 立體車庫（X 層Y 列）最大存儲(chǔ)車輛數(shù)Z 的計(jì)算方法為：Z=X*Y-（X-1）。圖1 中樓層共三層（A、B、C）五列，則最大存儲(chǔ)車輛數(shù)Z=3×5-（3-1）=13，即車庫共有15 個(gè)車位，最大存儲(chǔ)有效車位13 個(gè)，其余2 個(gè)空車位作為預(yù)留通過道。對(duì)13 個(gè)有效車位編號(hào)，A、B 兩層均留一個(gè)空車位作為預(yù)留通道，因此，A、B 兩層車位編號(hào)為A1～A4、B1～B4，C 層編號(hào)為C1～C5。

■2.2 功能需求

不同的人員對(duì)智能立體車庫的需求不同，對(duì)學(xué)校教職工來說，主要是能對(duì)車輛進(jìn)行自動(dòng)存取；對(duì)車庫的操作員來說，要持證上崗，熟悉特種設(shè)備安全操作規(guī)程，除了能對(duì)車輛進(jìn)行自動(dòng)存取，還要能手動(dòng)操控每個(gè)車位的橫移電機(jī)、升降電機(jī)以及安全掛鉤等；對(duì)管理人員來說，不僅要能完成自動(dòng)和手動(dòng)操控，更主要的是能實(shí)時(shí)管理與監(jiān)控傳感器信號(hào)以及車庫的運(yùn)行狀態(tài)。此外，車庫一定要具有能及時(shí)對(duì)設(shè)備老化、誤操作等安全問題進(jìn)行急停、報(bào)警等功能，以避免發(fā)生安全事故。

3 PLC 智能立體車庫云數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■3.1 整體架構(gòu)

PLC 智能立體車庫云數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)主要由PC 上位機(jī)、PLC 下位機(jī)及人機(jī)界面構(gòu)成，如圖2 所示，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)底層數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)云通信、PLC 智能控制信息輸出三大主要功能。上位機(jī)由PC 機(jī)或手機(jī)、觸摸屏及監(jiān)控系統(tǒng)組成，發(fā)送存、取命令給核控制元件PLC，PLC 通過收集到的傳感器信息與變頻器雙向通訊，變頻器通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，執(zhí)行對(duì)車庫裝置的平移、升降、旋轉(zhuǎn)等操作。采用RS-232、RS-485、TTL 等通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)多設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸與采集、通過以太網(wǎng)口、WiFi、GPRS 三種通信方式建立與云服務(wù)器之間的傳輸與數(shù)據(jù)交換。建立觸摸屏、電子顯示屏完成人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)管理員現(xiàn)場(chǎng)操控、教職工停車智能引導(dǎo)等功能。

圖2 智能立體車庫控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

■3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)以S7-1200 為核心的PLC 控制電路，根據(jù)需求對(duì)器件合理選型、規(guī)范布局，在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、電路波動(dòng)大的情況下確保數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性。

3.2.1 PLC 及I/O 擴(kuò)展模塊選型

PLC 是智能立體車庫控制的核心，滿足控制要求的優(yōu)質(zhì)品牌及適合型號(hào)利于系統(tǒng)開發(fā)與功能擴(kuò)展。結(jié)合學(xué)校智能立體車庫的項(xiàng)目需求，結(jié)合項(xiàng)目I/O 點(diǎn)數(shù)需求、安全性、集成度、抗干擾能力、多通信方式、可擴(kuò)展等方面性能要求進(jìn)行考慮，最終選擇西門子的S7-1200 系列型號(hào)為1214C 的PLC 作 為 整 個(gè)立體車庫的核心控制單元。S7-1200 系 列PLC 支 持4 個(gè)數(shù) 字 量I/O（2xDC 輸 入 和2xDC 輸出），支持8 個(gè)信號(hào)模塊用于CPU 的擴(kuò)展，有RS232 和RS485 兩 種 通信模塊，在此基礎(chǔ)上還可以安裝附加的通信模塊以支持其他通信協(xié)議。

CPU 1214C 的輸入14 點(diǎn)、輸出端口10 點(diǎn)，無法達(dá)到智能立體車庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，因此需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)要求與未來需求的變化增加N 個(gè)SM 1223 擴(kuò)展模塊，以滿足控制要求。

3.2.2 傳感器選型

檢測(cè)單元需要傳感器類型主要有光電開關(guān)、接近開關(guān)及限位開關(guān)三種，多種檢測(cè)傳感器配合使用，既可檢測(cè)位置，又可以防止超過極限值，起到多重保護(hù)作用。

（1）光電開關(guān)

光電開關(guān)是用于檢測(cè)車輛是否進(jìn)入停車區(qū)域、車位上是否有車、存放汽車是否符合車庫的車位標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目光電開關(guān)選用三種型號(hào)，型號(hào)E3F-DS100C4 的紅外漫反射式光電開關(guān)安裝在載車板的左右兩側(cè)，用于檢測(cè)車位上是否有車；型號(hào)E3F-5DN1-5L 的對(duì)射式紅外光電對(duì)管安裝在載車板的四個(gè)角，用于提醒車輛安全停放和進(jìn)出；型號(hào)E3F3-10DN1-10L 對(duì)射式紅外光電開關(guān)安裝在車庫立柱兩側(cè)，用于檢測(cè)車輛是否進(jìn)入停車區(qū)域。

（2）接近開關(guān)

接近開關(guān)用于監(jiān)控載車板的位置、載車板是否準(zhǔn)備就緒，檢測(cè)安全鉤是否鉤住載車板。本項(xiàng)目選用型號(hào)LJ12A3-4-Z/BX（檢測(cè)范圍在4mm）接近開關(guān)，在停車車位與安全掛鉤動(dòng)作到位區(qū)域安裝，監(jiān)控載車板是否在車位中、安全掛鉤是否正確動(dòng)作，防止墜落事故發(fā)生。

（3）限位開關(guān)

限位開關(guān)又叫行程開關(guān)，當(dāng)行程開關(guān)超出規(guī)定位置范圍，便會(huì)撞擊行程開關(guān)擋桿，從而停止系統(tǒng)運(yùn)行。本項(xiàng)目選用360°可調(diào)節(jié)的ZCK-404H29 型限位開關(guān)，將限位開關(guān)安裝在載車板的運(yùn)動(dòng)極限位置，確保載車板不會(huì)沖出設(shè)備的極限安全范圍對(duì)人員及車輛造成傷害。

3.2.3 變頻器與電機(jī)選型

（1）變頻器選型

考慮到系統(tǒng)裝置需具備多段速調(diào)速功能，本項(xiàng)目選用變頻器選用西門子SINAMICS G120，旋轉(zhuǎn)編碼器采用增量型360P/R。旋轉(zhuǎn)圓盤與升降裝置運(yùn)行時(shí)，利用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)和實(shí)時(shí)計(jì)算升降裝置的位置、換點(diǎn)速度，發(fā)出平層、換速信號(hào)，通過G120 實(shí)現(xiàn)了定位和多段速控制要求。

（2）電機(jī)選型

升降電機(jī)使用鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)鋼絲繩進(jìn)行收放操作，具有曳引升降平衡、不打滑等優(yōu)勢(shì)，是整個(gè)系統(tǒng)中載荷最大的電機(jī)，且在升降過程中慣性沖擊大，高中低速切換頻繁，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算可得提升功率約為21.18KW，在實(shí)際使用中電機(jī)的總功率應(yīng)大于提升功率，提升扭矩才更有保障。因此，本項(xiàng)目升降電機(jī)選用2 個(gè)15KW 的SEW 異步電機(jī)，減速比17.25，運(yùn)行速度達(dá)到1.0m/s 左右；橫移電機(jī)搭載了載車板和車輛在導(dǎo)軌上做水平移動(dòng)，屬于重度載荷運(yùn)行。利用變頻器切換高中低速，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算分析選擇2.2KW 的SEW 異步電機(jī)。

（3）PLC 與變頻器控制方案

以升降裝置調(diào)速為例，PLC 和變頻器的外部接線如圖3所示，PLC 輸出Q0.0、Q0.1、Q0.2 分別接變頻器G120 的5、6、16 號(hào)端子，利用宏3 實(shí)現(xiàn)升降裝置低、中、高段速運(yùn)行。

圖3 PLC 與變頻器外部接線示意圖

3.2.4 I/O 地址分配

根據(jù)上述分析信號(hào)情況，合理分配I/O 地址，并按順序手動(dòng)設(shè)置輸入/出信號(hào)地址分配表（部分），如表1 所示。

表1

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

通過以太網(wǎng)、WiFi、GPRS 網(wǎng)絡(luò)通信模塊與PLC 連接后讀取設(shè)備數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信模式將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。學(xué)校管理者、操作員、教職工可以通過PC 機(jī)或手機(jī)APP 登錄云端查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)。當(dāng)使用者通過網(wǎng)絡(luò)向智能立體車庫發(fā)出命令時(shí)，控制信號(hào)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到GPRS 遠(yuǎn)程通信模塊、RS485 傳送到設(shè)備，即可使當(dāng)前的設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變。以太網(wǎng)通信的核心器件選擇USR-K3，WiFi 通信核心器件選擇USR-C322，GPRS 通信的核心器件USR-GPRS232-7S3，三個(gè)模塊的工作電壓均為3.3V。

■3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 自動(dòng)存取車控制方案

PLC 控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要分為主程序、子程序、中斷程序。主程序主要負(fù)責(zé)程序的初始化、信息掃描以及自動(dòng)存取過程等任務(wù)；子程序包括車位計(jì)數(shù)、滿位信息及旋轉(zhuǎn)歸位等；而中斷程序主要負(fù)責(zé)安全保護(hù)、急停、手動(dòng)故障檢修和監(jiān)控報(bào)警功能。根據(jù)本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存取功能和運(yùn)行安全可靠，控制系統(tǒng)分為自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和監(jiān)控報(bào)警

3.3.2 控制流程分析

自動(dòng)存/取車控制（圖4）是學(xué)校智能立體車庫控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，除了完成合理的車輛存/取操作外，還要考慮到系統(tǒng)的安全運(yùn)行。教職工首先通過手機(jī)發(fā)出存/取車指令，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)車輛是否符合規(guī)格，在選擇目標(biāo)車位時(shí)，系統(tǒng)判斷其下方是否有下降通道，如果有，對(duì)載車板發(fā)出下移指令，如沒有，由車位調(diào)度優(yōu)化控制，在目標(biāo)停車位下方建立可行通道。載車板下降運(yùn)行順序?yàn)椋核砷_安全掛鉤→降下載車板至地面層→升起安全檔桿。

圖4 智能立體車庫存取車流程圖

■3.4 HMI 觸摸屏與上位機(jī)監(jiān)控

在實(shí)際使用過程中，需要利用智能的人機(jī)交互窗口實(shí)現(xiàn)對(duì)立體車庫的存取、操控等操作，觸摸屏利用清晰、友好的畫面編輯設(shè)計(jì)，生動(dòng)地顯示立體車庫的操作界面、參數(shù)變量以及運(yùn)行狀態(tài)，利用SIEMENS 軟件中的仿真功能對(duì)PC 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)模擬仿真和運(yùn)行調(diào)試，具體的控制界面如圖5所示，監(jiān)控界面一目了然，直觀地反映了當(dāng)前車庫中車位的使用狀態(tài)，提供了準(zhǔn)確的車位信息反饋。

圖5 立體車庫控制界面

4 結(jié)語

智能立體車庫控制從目前學(xué)校對(duì)智能立體車庫的需求出發(fā)，提出了基于S7-1200 系列PLC 智能控制方案，完成了整體架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)以及自動(dòng)存/取車流程設(shè)計(jì)，雖然目前已經(jīng)完成了預(yù)期的控制功能，但尚存在不足亟待改善方面，下一步，我們將在物聯(lián)網(wǎng)視域下，對(duì)智能立體車庫的無線充電共享進(jìn)行研究，以便更好地為學(xué)校教職工提供便利。