摘 要：本文以較為典型的巷道堆垛式立體車(chē)庫(kù)為研究對(duì)象，綜合考慮立體車(chē)庫(kù)制造成本和運(yùn)行效率的雙重因素，采用了先進(jìn)的可編程控制器控制，運(yùn)用西門(mén)子公司的編程軟件編制了升降橫移式立體車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)的程序，并經(jīng)調(diào)試、運(yùn)行，證明采用PLC作為控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行。

關(guān)鍵詞：S7-200；立體車(chē)庫(kù)；模型

1、前言

停車(chē)問(wèn)題是城市在發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的靜態(tài)交通（車(chē)輛停放狀態(tài)）問(wèn)題，靜態(tài)交通是相對(duì)于動(dòng)態(tài)交通（車(chē)輛行駛狀態(tài)）而存在的一種交通形態(tài)，二者相互聯(lián)系，互相影響，停車(chē)設(shè)施是城市靜態(tài)交通的主要內(nèi)容，隨著城市的不斷發(fā)展，各種車(chē)輛的不斷增加，對(duì)停車(chē)設(shè)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(huì)出現(xiàn)停車(chē)難的一系列問(wèn)題。數(shù)據(jù)顯示，最近幾年我國(guó)城市機(jī)動(dòng)車(chē)輛平均增長(zhǎng)速度在15%-20%，而同時(shí)期城市停車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施的平均增長(zhǎng)速度只有2%-3%，特別是大城市的機(jī)動(dòng)車(chē)擁有量的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)停車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施的增長(zhǎng)速度，因此，我們必須重視城市停車(chē)難的問(wèn)題，并積極探求解決的措施。

隨著城市的發(fā)展、人口的增長(zhǎng)及人們生活水平的提高, 汽車(chē)這一現(xiàn)代化的交通工具與日俱增, 停車(chē)難和亂停車(chē)的現(xiàn)象成為困擾城市發(fā)展的一大難題。作為解決城市靜態(tài)交通的有效措施——向空間、向高層發(fā)展的自動(dòng)化立體停車(chē)設(shè)備,以其占地面積少、停車(chē)率高、布置靈活、高效低耗、性價(jià)比高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到人們的青睞。

本文采用于西門(mén)子S7-200系列PLC進(jìn)行立體車(chē)庫(kù)模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高層車(chē)位存取車(chē)輛。

2、立體車(chē)庫(kù)模型硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立體車(chē)庫(kù)模型裝置運(yùn)動(dòng)部分由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)（X，Z軸電機(jī)），一臺(tái)直流電機(jī)（Y軸電機(jī)）組成。通過(guò)絲桿、齒輪、皮帶三種方式進(jìn)行傳動(dòng)，使用西門(mén)子S7-200PLC控制器發(fā)送脈沖，并控制程序邏輯運(yùn)行（如圖1所示）。

圖1巷道堆垛式立體車(chē)庫(kù)模型

1）小型斷路器：控制設(shè)備電源通斷；

2）開(kāi)關(guān)電源：將交流220V轉(zhuǎn)換為直流24V供中間繼電器、電機(jī)等弱電電路使用；

3）接線端子：接線轉(zhuǎn)換；

4）中間繼電器：靈活控制電磁閥、電機(jī)等通斷；

5）控制盒：實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作盒；

6）X方向絲桿運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：庫(kù)位橫向行走的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

7）Z方向絲桿運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：庫(kù)位縱向行走的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

8）進(jìn)出庫(kù)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

9）硬限位開(kāi)關(guān)：防止絲桿行走超出行走范圍；

10）定位檢測(cè)開(kāi)關(guān)：檢測(cè)絲桿行走位置；

11）貨架：設(shè)有12個(gè)庫(kù)位，便于存儲(chǔ)管理。

（2）PLC控制步進(jìn)電機(jī)的精確定位原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱(chēng)為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運(yùn)行?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，因其沒(méi)有積累誤差（精度為100%）而廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。

PLC每發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角度，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)X軸絲桿做左右直線運(yùn)動(dòng)或Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)Z軸絲桿做上下直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)的上、下、左、右運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制X軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)，控制載物臺(tái)在X軸、Z軸上移動(dòng)的距離，實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)在X—Z軸平面的精確定位，從而把物體放到倉(cāng)庫(kù)的指定位置。

步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)計(jì)算公式為：

絲杠傳動(dòng)：脈沖當(dāng)量=（360/步距角）*細(xì)分?jǐn)?shù)/絲杠螺距 （式1）

齒條傳動(dòng)：脈沖當(dāng)量=（360/步距角）*細(xì)分?jǐn)?shù)/傳動(dòng)比/模數(shù)*齒數(shù)*3.1415926 （式2）

PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作原理（共陽(yáng)極）如圖2所示。

圖2 PLC控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作原理（共陽(yáng)極）

這里采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)，主要特點(diǎn)：體積小，具有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。本模型中采用串聯(lián)型接法，其電氣接線如圖3所示。

圖3 二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)串聯(lián)型接法

（3）操作面板設(shè)計(jì)

利用設(shè)在立體車(chē)庫(kù)模型裝置上控制面板上的控制按鈕、開(kāi)關(guān)，由控制按鈕、開(kāi)關(guān)、PLC、繼電器協(xié)同控制堆垛機(jī)在X軸、Y軸、Z軸三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上的三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)等控制，然后由機(jī)械傳動(dòng)部件傳動(dòng)，控制堆垛機(jī)完成各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，達(dá)到搬運(yùn)、存儲(chǔ)貨物的目的。庫(kù)位面板上的按鈕功能及車(chē)位號(hào)如圖4所示。

圖4 庫(kù)位面板

具體的操作步驟如下：

1）手動(dòng)操作

接通電源，將撥碼開(kāi)關(guān)撥至手動(dòng)擋。通過(guò)搖柄A（上、下、左、右）控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四個(gè)方向的移動(dòng)。當(dāng)操作到達(dá)某一庫(kù)位時(shí)，通過(guò)搖柄B（左、右）控制直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)前后兩個(gè)方向的取放車(chē)。最終實(shí)現(xiàn)12個(gè)庫(kù)位的取放車(chē)。

2）自動(dòng)操作

接通電源，將撥碼開(kāi)關(guān)撥至自動(dòng)擋。自動(dòng)檔時(shí)先要復(fù)位，復(fù)位前要保證Z軸位置在原點(diǎn)上方，X軸位置在原點(diǎn)左側(cè)（以上復(fù)位前要求可先由手動(dòng)操作完成）。通過(guò)庫(kù)位面板選取起始位置取車(chē)（第一次面板選擇），完成后選取終點(diǎn)位置放車(chē)（第二次面板選擇）。選擇完畢后，啟動(dòng)指示燈以閃爍形式提示選擇完成。按下啟動(dòng)按鈕，立體車(chē)庫(kù)以自動(dòng)運(yùn)行方式到達(dá)指定位置取放車(chē)，啟動(dòng)指示燈以常亮方式提示運(yùn)行。運(yùn)行完畢后回到起點(diǎn)位置。

3）立體車(chē)庫(kù)程序組成及循環(huán)示意

立體車(chē)庫(kù)程序組成及循環(huán)示意如圖5所示。

圖5立體車(chē)庫(kù)程序組成及循環(huán)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(chē)庫(kù)I/O分配表如表1所示。

表1 立體車(chē)庫(kù)模型的I/O分配表

圖6 立體車(chē)庫(kù)模型的電氣設(shè)計(jì)

3、立體車(chē)庫(kù)系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計(jì)

PLC程序中主要使用向?qū)傻牟竭M(jìn)電機(jī)控制函數(shù)來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

首先打開(kāi)軟件，新建工程，選擇工具->位置控制向?qū)Вㄈ鐖D7所示）。

圖7 位置控制向?qū)?/p>

打開(kāi)如下界面：選擇配置S7-200PLC內(nèi)置PTO/PWM操作，點(diǎn)擊下一步（如圖8所示）。

圖8 PTO/PWM向?qū)нx擇

根據(jù)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(wú)需將下方使用高速計(jì)數(shù)器HSC0前的勾點(diǎn)上，點(diǎn)擊下一步（如圖9所示）。

圖9 PTO配置選擇

輸入電機(jī)此應(yīng)用項(xiàng)目中最高電機(jī)速度（MAX_SPEED）和電機(jī)的啟動(dòng)/停止速度（SS_SPEED），默認(rèn)是100000和5000，修改好點(diǎn)擊下一步；輸入電機(jī)加速和減速時(shí)間，默認(rèn)均為1000ms。點(diǎn)擊下一步，選擇新包絡(luò)（如圖10所示）。

圖10 新包絡(luò)選擇

選項(xiàng)中可以選擇相對(duì)位置和單速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，由于步進(jìn)電機(jī)有加減速過(guò)程，故選擇相對(duì)位置。輸入步0的目標(biāo)速度，即運(yùn)動(dòng)時(shí)的限速，在下方的框中輸入結(jié)束位置，由于是相對(duì)位置，故此處位置即為所要走的距離。電機(jī)繪制包絡(luò)，右方出現(xiàn)的梯形的圖即為速度線。點(diǎn)擊確定（如圖11所示）。

圖11包絡(luò)參數(shù)設(shè)定

然后選擇V存儲(chǔ)區(qū)的地址范圍，一般默認(rèn)即可，點(diǎn)擊下一步，最后點(diǎn)擊完成，這樣，通過(guò)位置控制向?qū)Ь蜕闪?個(gè)PTO函數(shù)，分別是PTOx_CTRL、PTOx_RUN、PTOx_MAN。

程序STL圖(順序功能圖)（略）。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了巷道堆垛式立體停車(chē)庫(kù)工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò) PLC 軟件設(shè)計(jì)及其優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了立體車(chē)庫(kù)的自動(dòng)控制。巷道堆垛式立體車(chē)庫(kù)的控制系統(tǒng)通過(guò)采用PLC控制使整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性大大提高滿足了車(chē)庫(kù)的控制功能與使用性能的要求完全實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出車(chē)的智能控制。

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