1 工作流程

1.1 存车流程

用户选择存车，通过触摸屏或者管理员帮助获得目标车位，移动目标车位下方的所有车辆，形成目标车位的升降通道，目标载车板下降，用户存车完毕之后，目标载车板上升，车位复位，结束。

1.2 取车流程

用户选择取车，通过触摸屏或者管理员帮助验证取车凭码，获得取车目标车位，移动目标车位下方的所有车辆，形成目标车位的升降通道，目标载车板下降，用户取车完毕之后，目标载车板上升，车位复位，结束。

1.3 车位规划

车库结构为三层三列，为了后续更方便的分析控制流程，对每一个载车板的位置进行了编码。

表1 立体车库的位置坐标

表2 载车板的位置坐标

本立体车库一共有9个停车位，其中包括7个有效车位和2个交换车位，顶层车位编号从左到右依次是301、302、303，中间层车位编号从左到右依次是201、空、203,底层车位编号从左到右依次是101、空、103。底层和中间层中间车位为空位。

1.4 功能需求

本升降横移式立体车库控制系统的核心功能是完成对小型轿车的存取。而控制系统的使用者主要是普通用户、操作员和管理员，使用权限不同，其功能需求也不同。

本升降横移式立体车库控制系统的功能可以分为四部分：

自动存取操作：对于普通用户来说，简单的操作控制是他们所需要的。因此，普通用户的功能需求是实现立体车库的自动存取操作，包括自动入库和自动提车。

手动控制操作：对于操作者来说，除了能够和普通用户一样实现立体车库的自动访问操作，也可以进行手动控制的立体车库,包括手动控制起重电动机,遍历电机、安全钩和每个停车位的安全变速杆。

车库状态实时监控：作为管理员,不仅能够实现对立体车库进行自动控制和手动控制,还能够进行对其进行系统管理和实时监控状态和操作，包括信号的实时检测并显示检测到的传感器,每个停车位的横移电机和升降电机,安全钩和安全变速杆。

无论在何种情况下，当出现故障、危险或用户误操作时，立体车库控制系统应能及时发现故障并发出声光报警提示，以避免事故的发生。

故障声光报警：无论在何种情况下，当出现故障、危险或用户误操作时，立体车库控制系统应能及时发现故障并发出声光报警提示，以避免事故的发生。

2 硬件系统

2.1 输入信号

因为我们需要实时的监控立体车库的运行状态，所以使用了传感器来实现我们的功能，如使用到限位开关（行程开关）来监控载车板是否越位、是否到达指定位置，安全挂钩是否动作完成等事宜。

首先，有7个载车板（存取车）启动按钮，选择存车或取车后，点击要存取的车位。若为存车，该车位绿灯灭，表示存车开始。若为取车，该车位红灯灭，表示取车开始。

表3-1  7个载车板（存取车）启动按钮

其次，有7个载车板（手动）上升或确认按钮，在存取车完成后，按下此按钮，载车板手动上升，若为存车完成，点亮该车位的红灯，表示有车，若为取车完成，点亮该车位的绿灯，表示无车。

表3-2  7个载车板（手动）上升启动或确认按钮

其次，有16个控制载车板上下左右运动，以防止其到达指定位置后仍然运动的行程开关，若碰到此开关，表示载车板已经运动到指定位置。

表3-3  16个载车板上下左右移行程开关

其次，有7个安全挂钩行程开关，此开关两个记为一组，分别表示挂钩松开，可以进行载车板运动，以及挂钩挂住，载车板安全。

表3.4  7个安全挂钩行程开关

其次，有18个手动开关，分别控制载车板的上下左右移动，在发生故障或人为手动操作时载车板执行动作。

表3.5  18个手动开关

最后，有3个输入，分别为用户一开始需要选择按下的存车开关或取车开关和出现故障时，管理员需要使用的切换手动、自动开关。

表3.6  3个剩余输入

总之，经过统计分析所有数据，共有58个输入信号：

表3.7 所有的输入信号

2.2 输出信号

首先是18个载车板移动继电器，即升降或横移电机正转或反转而达到上升、下降、左右移动的目的。

表3.8  18个载车板移动继电器

其次，是7个安全挂钩动作的输出，一旦载车板开始离开其车位，安全挂钩动作，随后载车板移动，或复位回原车位，碰到载车板行程开关之后安全挂钩开始动作。

表3.9  7个载车板安全挂钩动作

最后，是14个红绿灯输出，有车即红闪，无车即绿闪。

表3.10 所有红绿灯

总之，经过统计分析所有数据，共有39个输出信号：

表3.11 所有输出信号

2.3 总体设计

本设计中，三层三列式立体车库是由三部分构成的。

PLC控制:输入传感器的检测状态，得到触摸屏或上位机允许后再处理数据，输出执行指令。

上位机监控：管理员可以在监控界面监控信息。

触摸屏触控：这是用户的人机交互界面。

工业领域的PLC种类较多，根据不完全统计，世界有两百多PLC生产商，四百多种PLC商品，通常分为欧洲、美洲、日本三大类，欧洲以德国的西门子为代表，美洲以美国的AB公司等为代表，日本产品进入中国市场较早的是日本三菱公司为代表，本文选用西门子硬件系统。

表3.12 所用开发环境

收集来自行程开关等检测到的立体车库的信息，通过plc模块的分析，输出信号来控制执行模块，包括指示灯的亮灭，安全挂钩的状态以及电机的旋转等，并把数据通过以太网显示在触摸屏上。

系统硬件配置：我们选择稳定可靠的元器件，提高立体车库的安全性和可靠性。

PLC硬件配置：可编程逻辑控制器（PLC）20世纪70年代前达到数字集成电路的小规模。1970-1980年扩展，1980-1985年开始解决不同厂家之间通信难的问题，1985年之后通信协议逐渐标准化。

市场上有多种多样的PLC型号，例如德国西门子SIMENENS,美国罗克韦尔ROCKWELL,法国施耐德SCHEIDER,日本三菱，综合考虑，使用西门子系列的S7-1200，因为S7-1200自由口通讯使用更简单，对于国产仪表通讯更方便。

S7-1200PLC功能：极其快速处理指令，微秒级别的处理时间能够精准控制精密设备。良好的人机交互页面，使得学习成本更低，对编程要求大大减少。可以自我诊断是否有严重错误或警告，也能实时监控系统功能。可以通过设置口令来进行技术机密保护，可以阻止他人盗用以及修改程序。

电机：根据所需的功率大小以及载重大小，选择合适的电机。

限位开关，也叫做行程开关，用行程开关（电感式）来检测载车板是否运动到位以及安全挂钩是否安全挂住载车板。接近开关不是安装在载车板上，而是安装在车库的整体框架上，比如用来检测载车板是否运动到位的接近开关就安装在载车板的标准位置的3mm上方，接近开关可以检测到周围3mm的金属物体，以此来检测载车板是否到位。同理可以用来检测安全挂钩是否挂住载车板。

它是通过检测接近程度以及运动物体是否接近来实现对开关的闭合、断开的控制，以实现系统的动作变化，在本三层三列车库的设计中，限位开关主要用于保护载车板不会运动到车库的边缘，使其在可运行的安全范围内运行。

2.4 地址分配

对每个I/O地址都进行了手动装配，对输入和输出信号的地址均分别进行了有序的配置，得到了信号的分配表。

输入、输出分配表见附录。

2.5 外部电路设计

此处主要对电机控制电路进行设计，主要是通过升降电机或者是横移电机的正反转来实现载车板的上下左右移动，整个装置共有4台横移电机，5台升降电机，所有低级都是交流异步电机。如图3.3所示：

3-7载车板上移：通过PLC输出的指令控制，3-7载车板升降电机继电器得电，使升降电机正转或停止。

3-7载车板下移：通过PLC输出的指令控制，3-7载车板升降电机继电器得电，使升降电机反转或停止。

1-4载车板右移：通过PLC输出的指令控制，1-4载车板升降电机继电器得电，使升降电机正转或停止。

1-4载车板左移：通过PLC输出的指令控制，1-4载车板升降电机继电器得电，使升降电机反转或停止。

3 软件系统

本控制系统程序的编制采用时间顺序和存取车的逻辑顺序，首先编程所有预先设计好的动作，根据用户或管理员的输入，判断内部车库的状态，从而自动，且有秩序着操作，有大量的中间单元用来记忆信息，互锁或者自锁

PLC程序设计:

本程序使用博图V15.1软件进行设计，编程且仿真。

硬件组态:

打开TIA Portal V15.1软件，创建新项目，选择设备与网络，添加新设备，首先是控制器，选择SIMATIC S7-1200中CPU1214 DC/DC/DC 编号为6ES7 214-1AG40-0XB0,然后添加6个数字量DI/DQ,DI 8/DQ 8*24DC 编号为6ES7 223-113H32-OXB0。

​​​​​自诊断

系统内部自动进行的查询行程开关传感器的信号。

系统首先查询传感器信号，然后判断检测到的信号是否和车库状态一致，如果一致，就置位“正常运行”标志位，如果不一致，就自动提出故障类型并发出报警，并复位“正常运行”标志位，最后，结束。

复位:

系统内部自动进行的，在所有操作完成后，断电，再通电时，建立新的初始状态。开始后，断电，再通电，判断载车板是否运行正常，如果运行正常，从上到下自动依次一层一层置位初始值，如果运行不正常，就重复上一步骤，直至所有车位都复位成功，结束。

存取车流程:

存取车时，根据行程开关等传感器所传递的信号，来判断下降通道是否有空位，若下降通道都是空位，载车板下降们进行存取车操作，若无空位，则根据存取车的车位来左右移动下层载车板腾出下降通道，再进行相应的操作。

通过七个中间继电器的使用，依次使101载车板右移，然后挂钩动作，201载车板下降，停取车，201载车板上升挂钩动作，101载车板左移，最后完成201车位上车的存取。

如图4.6，通过7个中间继电器的使用，依次使103载车板左移，挂钩动作，203载车板下降，停取车，203载车板上移，挂钩动作，103载车板右移，最后使203车位上车完成存取操作。

如图4.7，通过7个中间继电器的引用，依次执行101、201载车板右移，挂钩动作，301载车板下降，停取车，301载车板上升，挂钩动作，101、201载车板左移，最后使301车位上车存取完成。

如图4.8，通过5个中间继电器的引用，依次执行挂钩动作，302载车板下降，停取车，302载车板上升，挂钩动作，最后使302车位上车存取完成。

通过7个中间继电器的引用，依次执行103、2033载车板左移，挂钩动作，303载车板下降，停取车，303载车板上升，挂钩动作，103、203载车板右移，最后使303车位上车存取完成。

如上图所示，Totally Integrated Automation Portal V15.1是主程序，打开此软件，选择STEP 7 Professional V15.1在其中用进行梯形图语言的编程,完毕后，选择WinCC Professional V15.1在其中进行监控页面的编程。第二个软件是模拟PLC进行梯形图编程，第三个软件是模拟触摸屏进行监控界面编程，第四个软件是仿真软件，使第二个以及第三个软件生效。

梯形图比较方便快捷，能够快速掌握，并且能够很容易地对控制程序进行添加、修改等操作。确定了编程工具后，根据本系统的控制要求，确定出PLC所需的所有程序块。

当PLC通电后，在没有其他指令情况下，将一直循环扫描MAIN程序[OB1],[OB1]可以调用[FB]程序，当被调用时，将执行完子程序所有指令条之后才会返回主程序，程序中FB有手动控制[FB2]、故障报警[FB3]、自动控制[FB4]，在功能块FB中可以调用FC,FC有手动操作[FC1]、101载车板存取车[FC9]、103载车板存取车[FC8]、201载车板存取车[FC2]、203载车板存取车[FC3]、301载车板存取车[FC4]、302载车板存取车[FC5]、303载车板存取车[FC6]。

添加新设备，选择SIMATIC精简系列面板中的KTP700 basic显示屏，订单号和版本如上图所示，然后将显示屏和PLC连接起来，并在此显示屏上进行监控程序的编写。

图5.2 连接PLC和HMI

如图所示，将PLC和触摸屏连接在一起。

图5.3 总体设计

如图所示，一共设计两个画面，一个是自动画面，一个是手动画面，系统初始状态时候，显示的是自动画面，如果要跳转到手动画面，按下设计好的手动和自动切换按键。且自动画面为根画面，手动画面是新建画面。

自动操作页面设计:

在程序中，设置为有车时亮红灯，无车时亮绿灯，首先选择动画中的显示，添加新动画，选择外观，其次对变量进行选择，最后0为断电，1为通电，0时，背景色和边框颜色均为黑色，不闪烁。1时，背景色为红色，边框颜色为黑色，且闪烁

如上图，设置完毕自动控制页面所有的变量，同样的道理，设置手动控制页面。

手动操作页面设计:

最终得到手动操作界面，如图所示，当管理员进行手动操作时候，首先按下自动和手动切换按键，然后就可以用触摸屏对车库状态和车位位置进行手动调整。

4 仿真:

启动仿真，首先确定设备与网络连接成功，启动仿真后将禁用所有其他的在线接口，选择确定。注意PLC和HMI要分别进行仿真。

选择接口和子网的连接为PN/IE1,搜索目标设备，最终找到模拟的PLC设备，当扫描与信息检索完成后，下载程序到PLC设备中。

如图是未组态的PLC[SIM-1200],然后将HMI也仿真之后，再点击RUN。

下载前要检查，首先是PLC下载准备就绪，再检查仿真模块，将在仿真PLC上执行加载操作。再检查设备组态，删除并替换目标中的系统数据，下载组态到设备中，再检查软件，将软件一致性下载到设备中，最后检查文本库，将所有警报文本和文本列表文本下载到设备中，并得到下图的效果。

如图是对HMI也进行了仿真。

如图是将PLC和HMI都进行了仿真的截图，验证了程序的正确性。

5 说明书:

用户存车：车主在进入停车场后，用户首先按下存车按键，然后按下车位号，等待载车板下降到底层之后，首先将车停在载车板中，等完成操作后，离开电梯区域，再按下确认或载车板上升按键，完成操作。此时，界面会亮红灯显示出当前车位车位被占用的状态，载车板将车运送到相应的位置，存车过程结束。

用户取车：车主在进入停车场后，用户首先按下取车按键，然后按下车位号，等待载车板下降到底层之后，将车开出载车板，等完成操作后，离开电梯区域，再按下确认或载车板上升按键，完成操作。此时，界面会亮率灯显示出当前车位车位没有被占用的状态，载车板将车运送到相应的位置，取车过程结束。

如果出现故障，管理员按下手动自动切换按键，然后根据用户需求，按下相应的载车板移动操作。