摘 要：本文以較為典型的巷道堆垛式立體車庫為研究對象，綜合考慮立體車庫制造成本和運行效率的雙重因素，采用了先進的可編程控制器控制，運用西門子公司的編程軟件編制了升降橫移式立體車庫控制系統的程序，并經調試、運行，證明采用PLC作為控制系統簡單易行。

關鍵詞：S7-200；立體車庫；模型

1、前言

停車問題是城市在發展過程中出現的靜態交通（車輛停放狀態）問題，靜態交通是相對于動態交通（車輛行駛狀態）而存在的一種交通形態，二者相互聯系，互相影響，停車設施是城市靜態交通的主要內容，隨著城市的不斷發展，各種車輛的不斷增加，對停車設施的需求也在不斷增加，如果兩者之間失去平衡，城市里就會出現停車難的一系列問題。數據顯示，最近幾年我國城市機動車輛平均增長速度在15%-20%，而同時期城市停車基礎設施的平均增長速度只有2%-3%，特別是大城市的機動車擁有量的增長速度遠遠超過停車基礎設施的增長速度，因此，我們必須重視城市停車難的問題，并積極探求解決的措施。

隨著城市的發展、人口的增長及人們生活水平的提高, 汽車這一現代化的交通工具與日俱增, 停車難和亂停車的現象成為困擾城市發展的一大難題。作為解決城市靜態交通的有效措施——向空間、向高層發展的自動化立體停車設備,以其占地面積少、停車率高、布置靈活、高效低耗、性價比高、安全可靠等優點,越來越受到人們的青睞。

本文采用于西門子S7-200系列PLC進行立體車庫模型控制系統的設計，以實現高層車位存取車輛。

2、立體車庫模型硬件系統設計

（1）硬件系統結構設計

立體車庫模型裝置運動部分由兩臺步進電機（X，Z軸電機），一臺直流電機（Y軸電機）組成。通過絲桿、齒輪、皮帶三種方式進行傳動，使用西門子S7-200PLC控制器發送脈沖，并控制程序邏輯運行（如圖1所示）。

圖1巷道堆垛式立體車庫模型

1）小型斷路器：控制設備電源通斷；

2）開關電源：將交流220V轉換為直流24V供中間繼電器、電機等弱電電路使用；

3）接線端子：接線轉換；

4）中間繼電器：靈活控制電磁閥、電機等通斷；

5）控制盒：實驗設備的操作盒；

6）X方向絲桿運動執行機構：庫位橫向行走的執行機構；

7）Z方向絲桿運動執行機構：庫位縱向行走的執行機構；

8）進出庫齒輪齒條運動執行機構；

9）硬限位開關：防止絲桿行走超出行走范圍；

10）定位檢測開關：檢測絲桿行走位置；

11）貨架：設有12個庫位，便于存儲管理。

（2）PLC控制步進電機的精確定位原理

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號時就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），其旋轉以固定的角度運行。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量以達到準確定位的目的;同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度而達到調速的目的。步進電機作為一種控制用的特種電機，因其沒有積累誤差（精度為100%）而廣泛應用于各種開環控制。

PLC每發出一個脈沖，步進電機轉動一個步距角度，X軸步進電機帶動X軸絲桿做左右直線運動或Z軸步進電機帶動Z軸絲桿做上下直線運動，實現載物臺的上、下、左、右運動。通過控制X軸、Z軸步進電機的脈沖個數，控制載物臺在X軸、Z軸上移動的距離，實現載物臺在X—Z軸平面的精確定位，從而把物體放到倉庫的指定位置。

步進電機的脈沖數計算公式為：

絲杠傳動：脈沖當量=（360/步距角）*細分數/絲杠螺距 （式1）

齒條傳動：脈沖當量=（360/步距角）*細分數/傳動比/模數*齒數*3.1415926 （式2）

PLC控制器與步進電機驅動器工作原理（共陽極）如圖2所示。

圖2 PLC控制器與步進電機驅動器工作原理（共陽極）

這里采用二相八拍混合式步進電機，主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉矩等優點。本模型中采用串聯型接法，其電氣接線如圖3所示。

圖3 二相八拍混合式步進電機串聯型接法

（3）操作面板設計

利用設在立體車庫模型裝置上控制面板上的控制按鈕、開關，由控制按鈕、開關、PLC、繼電器協同控制堆垛機在X軸、Y軸、Z軸三個運動方向上的三個驅動電機正轉、反轉或停轉等控制，然后由機械傳動部件傳動，控制堆垛機完成各種復雜的機械運動，達到搬運、存儲貨物的目的。庫位面板上的按鈕功能及車位號如圖4所示。

圖4 庫位面板

具體的操作步驟如下：

1）手動操作

接通電源，將撥碼開關撥至手動擋。通過搖柄A（上、下、左、右）控制步進電機實現四個方向的移動。當操作到達某一庫位時，通過搖柄B（左、右）控制直流電機實現前后兩個方向的取放車。最終實現12個庫位的取放車。

2）自動操作

接通電源，將撥碼開關撥至自動擋。自動檔時先要復位，復位前要保證Z軸位置在原點上方，X軸位置在原點左側（以上復位前要求可先由手動操作完成）。通過庫位面板選取起始位置取車（第一次面板選擇），完成后選取終點位置放車（第二次面板選擇）。選擇完畢后，啟動指示燈以閃爍形式提示選擇完成。按下啟動按鈕，立體車庫以自動運行方式到達指定位置取放車，啟動指示燈以常亮方式提示運行。運行完畢后回到起點位置。

3）立體車庫程序組成及循環示意

立體車庫程序組成及循環示意如圖5所示。

圖5立體車庫程序組成及循環示意圖

（4）電氣線路與I/O分配表

電氣線路如圖6所示，立體車庫I/O分配表如表1所示。

表1 立體車庫模型的I/O分配表

圖6 立體車庫模型的電氣設計

3、立體車庫系統軟件方面的設計

PLC程序中主要使用向導生成的步進電機控制函數來控制電機運動。

首先打開軟件，新建工程，選擇工具->位置控制向導（如圖7所示）。

圖7 位置控制向導

打開如下界面：選擇配置S7-200PLC內置PTO/PWM操作，點擊下一步（如圖8所示）。

圖8 PTO/PWM向導選擇

根據需要選擇Q0.0或Q0.1（本文需用的Q0.0和Q0.1），選擇線性脈沖串輸出（PTO），無需將下方使用高速計數器HSC0前的勾點上，點擊下一步（如圖9所示）。

圖9 PTO配置選擇

輸入電機此應用項目中最高電機速度（MAX_SPEED）和電機的啟動/停止速度（SS_SPEED），默認是100000和5000，修改好點擊下一步；輸入電機加速和減速時間，默認均為1000ms。點擊下一步，選擇新包絡（如圖10所示）。

圖10 新包絡選擇

選項中可以選擇相對位置和單速連續旋轉，由于步進電機有加減速過程，故選擇相對位置。輸入步0的目標速度，即運動時的限速，在下方的框中輸入結束位置，由于是相對位置，故此處位置即為所要走的距離。電機繪制包絡，右方出現的梯形的圖即為速度線。點擊確定（如圖11所示）。

圖11包絡參數設定

然后選擇V存儲區的地址范圍，一般默認即可，點擊下一步，最后點擊完成，這樣，通過位置控制向導就生成了4個PTO函數，分別是PTOx_CTRL、PTOx_RUN、PTOx_MAN。

程序STL圖(順序功能圖)（略）。

5、結束語

本文簡述了巷道堆垛式立體停車庫工作原理和結構特點，通過 PLC 軟件設計及其優化實現了立體車庫的自動控制。巷道堆垛式立體車庫的控制系統通過采用PLC控制使整個控制系統的可靠性大大提高滿足了車庫的控制功能與使用性能的要求完全實現了進出車的智能控制。

參考文獻

[1]西門子股份公司.SIMATIC S7-200可編程序控制器系統手冊[M].2004

[2]吉順平.西門子PLC與工業網絡技術[M].機械工業出版社，2008

[3]向曉漢.西門子PLC高級應用實例精解[M].機械工業出版社，2009

[4]姜艷華,張連勇.基于PLC的立體車庫自動控制系統[J].計算機系統應用，2011(8)

[5]施明絢,王小軼.步進電機驅動器設計及技術改進[J].科技資訊，2012(5)