程麗麗 周興華 張建海

摘? 要? 針對高校實驗設備功能單一、工程應用背景不突出等問題，設計開發(fā)基于觸摸屏和西門子S7-1200PLC的升降橫移式立體停車庫實驗實訓裝置。通過該裝置可以開展機電一體化產品認知、工控設備組態(tài)、PLC編程及調試（手動模式和自動模式）等實驗實訓項目，使學生了解典型機電一體化設備的工作原理，充分鍛煉學生的PLC編程調試技能，提高學生的創(chuàng)新思維和工程實踐意識。同時，設計開發(fā)該實訓裝置也可以提高專業(yè)教師和實驗技術人員的業(yè)務能力和專業(yè)素養(yǎng)。

關鍵詞? 立體停車庫；實訓裝置；PLC；觸摸屏

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）20-0024-07

0? 引言

可編程邏輯控制器（PLC）技術是機電類及自動化類專業(yè)學生需要掌握的關鍵技術，在工業(yè)自動化控制過程中發(fā)揮著重要作用，與機器人、CAD/CAM并稱為現代工業(yè)自動化的三大技術支柱[1-2]。目前，高校PLC技術相關課程設置多為理論與實踐相結合的教學模式[3-4]，實踐教學作為理論教學的必要補充，在相關專業(yè)課程建設中發(fā)揮著重要作用[5-7]。然而，目前一些實踐教學環(huán)節(jié)普遍存在以下兩方面的問題：

1）實驗內容停留在仿真層面，不做實物實驗，學生對工程實際缺乏感性認識[8-9]；

2）驗證性實驗居多，且實驗設備功能單一，缺乏工程性、系統(tǒng)性的實驗實訓設備[9-11]。

因此，這就導致學生通過理論課程的學習和實驗環(huán)節(jié)的訓練，雖然能夠掌握各個零散的知識點，但是面對實際工程問題，難以提供整體的解決方案。

立體停車庫作為機電一體化產品的典型案例，被廣泛應用于各大城市商場、醫(yī)院等車流密集的場所，能夠較好地解決部分停車問題[12-14]。升降橫移式立體停車庫作為立體停車庫代表性結構，具有工程應用背景突出、系統(tǒng)性強的特點[15]。因此，對目前應用廣泛的三層十車位升降橫移式立體停車庫結構及系統(tǒng)進行小型化改造設計，開發(fā)一套適合實驗教學的基于觸摸屏和PLC控制的立體停車庫實驗實訓裝置，可以很好地解決目前實踐教學環(huán)節(jié)存在的實驗設備工程應用背景不突出、系統(tǒng)性不強等問題，對提升機電類及自動化類專業(yè)的實踐教學水平和學生培養(yǎng)質量具有重要意義。

1? 系統(tǒng)組成及總體設計方案

立體停車庫實訓裝置由三層十位停車庫體（型材結構）、二維（X、Y）運動機械及電氣控制三部分組成，其組成原理如圖1所示。三層十位停車庫體分上中下三層，由12個庫位（10個車位）構成，最多可停放十輛汽車。上層有四個車位，分別固定到四個庫位上，每個車位均配有拖車機構、載車板和行程開關，行程開關安裝在拖車機構下方，用以檢測載車板是否上升到位。中層有三個車位，預留一個車位通道供上層載車板升降使用；與上層車位不同，中層車位可以進行橫移運動，且每個庫位上均安裝行程開關，用以檢測車位是否橫移到位。與中層車位相同，下層也有三個車位，預留一個車位通道，且每個庫位上均安裝行程開關；與中層車位不同的是，下層車位只設計可以進行橫移運動的載車板。

二維（X、Y）運動機械包含橫移（X）和升降（Y）運動機械，其中上層車位僅設計升降運動機械，下層車位僅設計橫移運動機械，中層車位兩者兼有。為保證實驗學生及設備安全，運動機械采用24 V直流電機串聯(lián)蝸輪蝸桿減速機（簡稱“減速電機”）作為動力源。蝸輪蝸桿減速機具有自鎖功能，可以保證在斷電或控制系統(tǒng)故障狀態(tài)下，中層和上層庫位停放的車輛不會發(fā)生失控墜落事故。升降傳動機構采用同步帶配合鋼絲繩實現，橫移傳動機構采用同步帶驅動U形槽輪實現。

電氣控制部分由編程計算機、西門子S7-1200PLC、擴展IO模塊、觸摸屏、開關電源、行程開關、單刀雙擲繼電器、24 V直流穩(wěn)壓電源等器件組成。在編程計算機上通過Portal軟件進行組態(tài)及PLC程序編寫，PLC及擴展IO模塊中的I口與停車庫中的行程開關連接，以檢測車位狀態(tài)信息；Q口與單刀雙擲繼電器連接，兩個單刀雙擲繼電器控制一個直流電機的正反轉運行，以驅動實現車位的橫移和載車板的升降。

2? 機械結構設計

2.1? 框架結構設計

實訓裝置整體采用槽鋁等鋁合金結構件，設計四層長方體框架支撐結構，具有質量輕、剛度大、外形美觀的特點。其中，底層框架結構上部鋪設網孔板，尺寸超出中上層框架結構，超出部分可以作為車輛入庫前的臨時停放點，可擺放其他實驗物品；框架底部安裝四個具有自鎖功能的萬向輪，可以在地面及實驗臺面上自由移動。第二、三層框架結構相同，均為長方形結構，用以支撐拖車機構。由于下層和中層車位需要橫移運動以實現上層車位車輛的存取，因此，在底層和第二層框架結構前后支撐橫梁上設計安裝半圓形導向條，以實現車位橫移運動的導向。第四層（即頂層框架結構）也為長方形結構，考慮外形美觀和安裝方便，其結構平面與水平面之間設計30°的傾斜角，其上鋪設網狀方形格柵，可以擺放繼電器、PLC等電氣控制元件。設計制作完成的停車庫實訓裝置如圖2所示。

為方便存放和實驗實訓項目的開展，本實訓裝置主要設計尺寸及參數如表1所示。

2.2? 下層車位設計

下層三個車位結構相同，均由載車板和橫移驅動機構組成。橫移驅動機構安裝在載車板后端面和下部，由減速電機驅動，同步帶和U形槽輪傳動。為方便下層車位車輛的存取，對下層載車板進行折彎處理，形成一短斜坡道。

2.3? 中層車位設計

中層三個車位結構相同，每個車位由拖車機構和載車板構成，拖車機構主體是由槽鋁和薄鋼板連接構成的長方體結構，主體下方安裝四個U形槽輪，主體上方固定兩個減速電機。其中一個減速電機通過同步帶驅動U形槽輪旋轉，從而驅動拖車機構左右移動；另一個減速電機通過同步帶和鋼絲繩驅動載車板升降。

2.4? 上層車位設計

上層車位無須橫移，故拖車機構直接通過螺栓固定到第三層框架結構上。減速電機固定到拖車機構上，驅動同步帶和鋼絲繩實現載車板升降。

3? 控制系統(tǒng)硬件設計

采用西門子PLC1215C作為核心控制器，具有14路數字量輸入I口、2路模擬量輸入I口、10路輸出Q口。由于本實驗實訓裝置需要控制13個直流電機的正反轉運行（上層車位四個電機控制載車板升降；中層車位三個電機控制拖車機構橫移、三個電機控制載車板升降；下層車位三個電機控制載車板橫移），同時采用15個行程開關檢測拖車機構和載車板的狀態(tài)信息，因此，擴展兩組IO模塊，分別為8路數字量輸入模塊24VDI8和16路數字量輸出模塊24VDQ16。采用TP700精智面板作為車位狀態(tài)信息顯示和控制信號輸入終端。立體停車庫PLC及擴展IO變量連接如表2所示。

4? 程序設計示例

PLC程序控制邏輯和代碼實現多種多樣，下面介紹一種能夠實現任一車位車輛存取功能的PLC程序設計流程及程序，作為參考供學生開展相關的實驗實訓項目。采用TIA Portal V13.0/14.0軟件（簡稱“博圖軟件”）進行組態(tài)及PLC程序編寫。程序設計流程示例：設備組態(tài)→定義變量→手動模式程序設計→自動模式程序設計→HMI觸摸屏變量連接和界面設計。

4.1? 設備組態(tài)

在博圖軟件中，按照硬件型號配置PLC主機、IO擴展模塊、HMI觸摸屏。設置PLC主機和HMI觸摸屏的IP與相應硬件IP一致，并且保證它們與編程計算機的IP地址在同一網段下，以實現程序的正常下載。硬件IP可通過“在線診斷”進行查找和修改。

4.2? 定義變量

參照表2對PLC變量進行定義，定義變量時要確保數據類型正確和地址不發(fā)生沖突。

4.3? 手動模式程序設計

手動模式可點動實現拖車機構的橫移和載車板的升降。在HMI觸摸屏上設置虛擬按鈕，在滿足約束條件情況下，按下按鈕，電機正轉或反轉運行；松開按鈕，電機停止運行。約束條件為拖車機構或載車板運動至觸發(fā)相應位置傳感器，即拖車機構或載車板運行至最大限位位置時，按下按鈕，電機不動作。

4.3.1? 上層庫位載車板升降運行

上層庫位載車板升降運行的前提是中層和下層對應庫位無拖車機構或載車板。設計實現上層左一庫位載車板升降運動的PLC程序（梯形圖）如圖3和圖4所示。

圖3中第一段程序，I0.4、I0.5、I0.6三個常開觸點均處于閉合狀態(tài)時，表示中層左一庫位無拖車機構，可以保證上層左一庫位載車板無障礙上升，I2.0常閉觸點為行程開關，以防止左一庫位載車板上升至最高位置后繼續(xù)上升而損壞拖車機構和載車板。圖3中第二段程序，I0.4、I0.5、I0.6、I0.2、I0.1、I0.0六個常開觸點均處于閉合狀態(tài)時，表示中層和下層的左一庫位均無拖車機構和載車板，I0.3常閉觸點為下層庫位限位開關，防止上層左一庫位載車板下降到最低位置后繼續(xù)下降而損壞拖車機構。

圖4中兩段程序是為了實現載車板上升與下降過程之間的切換，避免錯誤運行指令發(fā)生。

4.3.2? 中層庫位載車板升降運行? 中層庫位載車板升降運行和上層庫位載車板升降運行編程原理一致。

4.3.3? 中層庫位拖車機構橫移運行

為了實現上層庫位車輛的存取，中層三個拖車機構需要依情況做橫移運動，其中每個拖車機構的運動范圍為相鄰兩個庫位之間橫移。中層車位進行橫移的前提條件是前向車位無拖車機構。設計實現中層左側拖車機構橫移運動的PLC程序（梯形圖）如圖5和圖6所示。

圖5中第一段程序實現拖車機構左移，I0.7常閉觸點閉合，表明中層左側拖車機構不處于最左庫位位置；第二段程序實現拖車機構右移，I0.6常閉觸點閉合，表明中層左側和中間拖車機構均不處于右3庫位位置。

圖6中兩段程序與圖4中程序功能類似。

4.3.4? 下層庫位載車板橫移運行

下層庫位載車板橫移運行與中層庫位拖車機構橫移運行編程原理一致。

4.4? 自動模式程序設計

自動模式可實現上層和中層任意庫位載車板的上升和下降。載車板在不滿足上升和下降條件時，下層和中層車位自動完成橫移運動，留出升降通道供上層和中層載車板升降。

4.4.1? 上層庫位車輛自動出入庫

設計實現上層左一庫位載車板下降運動的部分PLC程序（梯形圖）如圖7和圖8所示。

圖7所示程序段中，按下上層左一庫位載車板下降按鈕，當I0.0、I0.1、I0.2、I0.4、I0.5和I0.6常開觸點全部閉合（即中層左一庫位和下層左一庫位均無拖車機構和載車板）時，載車板開始下降。當不滿足載車板下降條件時，中層和下層車位各有三種停放位置。定義一個全局數據塊，使用MOVE指令給數據塊賦值，不同的值對應不同的中層和下層車位位置停放信息。

如圖8所示，針對不同的全局數據塊數值，執(zhí)行拖車機構或載車板的橫移運動指令，直至上層左一庫位載車板滿足無障礙下降條件。上層庫位載車板上升運動程序與手動模式上升程序相同，區(qū)別在于自動模式HMI按鈕鏈接變量時不設置復位。

4.4.2? 中層庫位車輛自動出入庫

中層庫位載車板下降運行與上層庫位編程思維基本一致，不同的是中層車位可以橫移，即每個拖車機構所在庫位不固定。欲令中層庫位載車板下降，首先，需利用安裝在中層框架上的四個行程開關判斷拖車機構所處庫位信息；其次，令下層載車板橫移留出通道；最后，執(zhí)行載車板下降指令。中層車位載車板自動上升的程序編寫與手動上升程序相同，區(qū)別在于自動模式HMI按鈕鏈接變量時不設置復位。

4.4.3? 下層庫位車輛自動出入庫

下層庫位載車板貼近地面，車輛可通過斜坡直接進入下層庫位，故下層庫位車輛自動出入庫程序設計與手動模式相同。

4.5? HMI觸摸屏界面設計

HMI觸摸屏界面主要實現如下兩個功能：

1）顯示停車庫庫位信息；

2）啟動運行拖車機構（包含載車板）的橫移和載車板的升降。

主界面設計效果如圖9所示，可點擊“自動模式”和“手動模式”兩個按鈕中的任意一個進入相應的界面。

手動模式HMI工作界面如圖10所示。左上角12個顯示框鏈接行程開關變量，用于顯示各個庫位拖車機構和載車板的位置停放信息。“庫1”到“庫10”周圍的每一個虛擬按鈕對應一個執(zhí)行動作。手動模式狀態(tài)下的動作執(zhí)行設計為點動運行，即按下按鈕動作執(zhí)行，松開按鈕動作取消。

圖11為自動模式HMI工作界面。右上角12個顯示框的功能和屬性設置與手動模式的相同。中間黃色按鈕為上層和中層各個庫位自動運行控制按鈕，每個按鈕鏈接一個動作。自動模式狀態(tài)下的動作執(zhí)行設計為連續(xù)運行，即按下按鈕動作開始執(zhí)行，直至連續(xù)動作完成為止。

5? 結束語

本實驗實訓裝置是一個集PLC控制、位置檢測、工控組態(tài)等技術于一體的實物教學實驗實訓裝置，可以完成機電一體化產品認知、工控設備組態(tài)、PLC編程及調試（手動模式和自動模式）等多種實驗實訓項目，也可以作為“工業(yè)機器人技術應用比賽”和“‘西門子杯中國智能制造挑戰(zhàn)賽”等比賽項目的賽前PLC訓練實操設備。通過相關實驗實訓課程的開展，能夠讓學生充分了解典型機電一體化產品的構成和工作原理，理解并掌握當今工業(yè)應用廣泛的PLC控制技術，有助于提升學生培養(yǎng)質量和實踐教學水平。

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*基金項目：吉林大學實驗技術項目“立體停車庫實訓裝置研究與開發(fā)”（409020720186）；國家自然青年科學基金項目“葉片復雜型面的柔性超聲相控陣檢測原理與技術基礎研究”（51905210）。

作者：程麗麗，吉林大學機械與航空航天工程學院，副教授，主要研究方向為機電設備自動化控制技術；周興華，通信作者，吉林大學機械與航空航天工程學院，工程師，主要研究方向為機電一體化及振動控制技術；張建海，吉林大學機械與航空航天工程學院，副教授，主要研究方向為機械工程專業(yè)科研及教學（130025）。