基于PLC的升降橫移立體車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of the PLC-based Control System for 3-D Lifting and Transferring Parking Garage

陸　波　王榮揚(yáng)

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州　313000)

基于PLC的升降橫移立體車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of the PLC-based Control System for 3-D Lifting and Transferring Parking Garage

陸波王榮揚(yáng)

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州313000)

摘要：隨著汽車保有量的上升，立體車庫(kù)成為解決城市停車問(wèn)題的首要選擇。采用UG軟件設(shè)計(jì)了一種4層9車位升降橫移立體車庫(kù)，開(kāi)發(fā)了一種基于PLC及變頻器的自動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)控制系統(tǒng)的工作原理和硬件組成進(jìn)行了研究，闡述了系統(tǒng)控制流程和執(zhí)行保護(hù)策略。結(jié)果表明，該升降橫移立體車庫(kù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、占地少及運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，且控制系統(tǒng)易于操作，能有效且可行地解決城市停車難問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：立體車庫(kù)可編程控制器控制系統(tǒng)升降橫移UG速度曲線

Abstract：Along with the ascension of car ownership, dimensional garage has become the first choice to solve the problem of urban parking. The lifting and transferring 4-storey 9-parking position 3-dimensional garage is designed by using UG software, and the automatic control system is developed based on PLC and inverter. The operational principle and hardware composition of the control system are researched, the control process of the system and execution protection strategy are described. The results indicate that this garage features simple structure, low operating cost, small footprint, and safety and reliable operation, and the control system is easy to operate; thus it can effectively solve the difficulty of urban parking.

Keywords：3-D parking garagePLCControl systemLifting and transferringUGSpeed curve

0引言

近年來(lái)，越來(lái)越多的家庭購(gòu)買汽車，有很多家庭擁有2輛以上汽車，且絕大部分汽車集中在大、中城市。由于機(jī)動(dòng)車90%以上的時(shí)間處于停泊狀態(tài)，這導(dǎo)致城市商業(yè)廣場(chǎng)、居民小區(qū)及企業(yè)工廠等越來(lái)越難停車，因此立體車庫(kù)廣受歡迎。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在市面上有近10種不同的立體車庫(kù)，大致可以分為以下幾類：升降橫移式、多層循環(huán)式、水平循環(huán)式、垂直循環(huán)式及巷道堆垛式等[1-2]，其中升降橫移立體車庫(kù)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)?？勺儭?duì)場(chǎng)地適應(yīng)性好且具有較便宜的價(jià)格和優(yōu)良的投資回報(bào)率等優(yōu)點(diǎn)[3]，在商業(yè)廣場(chǎng)、政府以及住宅等區(qū)域占有大部分市場(chǎng)[4]。

目前，升降橫移立體車庫(kù)主要采用PLC控制電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行，速度過(guò)低導(dǎo)致效率低，速度過(guò)快導(dǎo)致車位在移動(dòng)過(guò)程中晃動(dòng)，且啟動(dòng)和停車帶有很大的沖擊力，使用過(guò)程中將降低設(shè)備穩(wěn)定性[5]?？紤]到有線通信具有布線多且復(fù)雜等問(wèn)題，周雪松等人提出了一種基于DSP芯片和無(wú)線收發(fā)技術(shù)的立體車庫(kù)電氣控制系統(tǒng)，但該系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)室階段[6]。因PLC控制器價(jià)格昂貴且I/O口少，利用DSP控制器價(jià)格便宜且I/O多的特點(diǎn)， 張育斌等人提出了一種基于DSP和PLC技術(shù)的智能倉(cāng)儲(chǔ)式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)[7]。近年來(lái)，許多學(xué)者在立體車庫(kù)控制算法方面展開(kāi)了很多研究，提出了改進(jìn)遺傳算法對(duì)立體車庫(kù)進(jìn)行調(diào)度策略的優(yōu)化，建立了以總存取時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果取得了較為理想的效果[8]。雖然近年來(lái)涌現(xiàn)了多種新型的控制方法，但是這些新型控制方法還不成熟，難以用于實(shí)際立體車庫(kù)中。

鑒于此，本文旨在設(shè)計(jì)一款規(guī)模小、價(jià)格便宜的升降橫移式立體車庫(kù)。本文采用UG軟件設(shè)計(jì)了一種4層9車位的升降橫移立體車庫(kù)，以PLC技術(shù)為控制核心，結(jié)合變頻器技術(shù)和編碼器，設(shè)計(jì)了一種速度可調(diào)的升降橫移立體車庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1升降橫移立體車庫(kù)設(shè)計(jì)

升降橫移立體車庫(kù)是一種通過(guò)載車板的升降或橫移運(yùn)動(dòng)及橫移框架的升降運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轎車多層停放的停車設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)?？勺?、對(duì)場(chǎng)地適應(yīng)性好、價(jià)格便宜和投資回報(bào)率優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。作為車庫(kù)的支撐部件，立柱采用H型鋼及L型角鋼制作，主要承擔(dān)轎車的質(zhì)量；載車板作為停放轎車的載體，主要由波浪板、電機(jī)、變頻器、鏈輪、導(dǎo)輪及鋼絲繩等組成，底層載車板完成橫移運(yùn)動(dòng)，2、3、4層載車板完成升降運(yùn)動(dòng)；橫移框架主要由H型鋼、電機(jī)、變頻器、鏈輪、鏈條等組成，完成車輛的橫移移動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的立體車庫(kù)采用2+2+2+3車位結(jié)構(gòu)，共4層9個(gè)車位，如圖1所示。

圖1　車位結(jié)構(gòu)圖示意圖

圖1中，阿拉伯?dāng)?shù)字表示載車板編號(hào)(用于選擇存取汽車)，英文字母表示車位號(hào)(用于編程)。在立體車庫(kù)工作過(guò)程中，除K車位有8號(hào)載車板外，其余H、E、B車位均沒(méi)有載車板，為兩側(cè)橫移框架橫移運(yùn)動(dòng)提供了空間。底層1號(hào)、2號(hào)載車板與地面平齊，可以直接存放轎車；當(dāng)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)及9號(hào)載車板升降時(shí)，底層1號(hào)、2號(hào)載車板需作橫移運(yùn)動(dòng)，完成騰空車位動(dòng)作；3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)及6號(hào)載車板既需完成升降運(yùn)動(dòng)，又要完成橫移運(yùn)動(dòng)；頂層7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)車位需要完成升降運(yùn)動(dòng)。根據(jù)以上原理，通過(guò)分析計(jì)算，利用UG軟件設(shè)計(jì)了一種4層9車位升降橫移立體車庫(kù)。

2載車板運(yùn)行速度曲線

電機(jī)運(yùn)行速度曲線主要有梯形型、拋物線型和拋物線-直線型3種。因直線型的機(jī)械沖擊力大，容易造成設(shè)備的損壞；拋物線型雖然機(jī)械沖擊力小于直線型，但在運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)一直處于加減速過(guò)程中，缺少穩(wěn)定的運(yùn)行階段，使得設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)；雖然拋物線-直線型具有機(jī)械沖擊力較小，運(yùn)行穩(wěn)定性也比拋物線型好，但是也避免不了加速度處于變化過(guò)程中[9]。為減小加速度對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的速度曲線。

圖2　電機(jī)運(yùn)行速度曲線

運(yùn)行速度曲線主要由拋物線加速階段(AB段)、勻加速階段(BC段)、拋物線加速階段(CD段)、勻速運(yùn)行階段(DE段)、拋物線減速階段(EF段)、勻減速階段(FG段)、拋物線減速階段(GH段)組成。本文選取旋轉(zhuǎn)編碼器和變頻器控制電機(jī)運(yùn)行。

圖2中，A、B、C、D、E、F、G、H作為換速點(diǎn)，其中A、D、E、H四個(gè)換速點(diǎn)的加速度變化率為0，由此可以計(jì)算出各運(yùn)行階段對(duì)應(yīng)的速度函數(shù)，如下所示。

AB段：V=kt2t∈(0,t1)

根據(jù)速度函數(shù)可以計(jì)算出換速點(diǎn)的相對(duì)距離。經(jīng)過(guò)計(jì)算，編碼器可以精確地測(cè)得換速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置信息，然后編碼器將換速點(diǎn)信息反饋給PLC，再由PLC根據(jù)反饋的換速點(diǎn)信息控制變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過(guò)分析，本速度曲線在保證一定運(yùn)行效率的前提下，改善了機(jī)械沖擊力。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示,升降橫移立體車庫(kù)硬件系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)及上位機(jī)等部分組成。PLC控制系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)接收傳感檢測(cè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，判斷立體車庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)；結(jié)合人機(jī)交互系統(tǒng)數(shù)字按鍵輸入，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器獲取的換速點(diǎn)信息，完成對(duì)變頻器的控制以及外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

圖3　升降橫移立體車庫(kù)控制系統(tǒng)框圖

3.1　升降橫移立體車庫(kù)傳感檢測(cè)系統(tǒng)

為了保證立體車庫(kù)正常運(yùn)行和提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性，需要使用光電開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、防墜掛鉤、壓力傳感器、煙霧傳感器等來(lái)檢測(cè)車庫(kù)的工作狀態(tài)。表1所示為本立體車庫(kù)中所使用的各類傳感器信息。

表1　各類傳感器的數(shù)目、位置和作用

3.2　升降橫移立體車庫(kù)電機(jī)控制系統(tǒng)

在第2部分中分析了電機(jī)運(yùn)行速度曲線，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，底層兩個(gè)載車板各自安裝一個(gè)電動(dòng)機(jī)，控制載車板的橫移運(yùn)動(dòng)；第2、3層的載車板各自安裝2個(gè)電動(dòng)機(jī)，分別控制載車板的升降運(yùn)動(dòng)和橫移框架的左右移動(dòng)；頂層的3個(gè)載車板安裝3個(gè)電機(jī)，完成載車板的升降運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)均采用變頻器+編碼器的方式完成電機(jī)的控制。電機(jī)采用專用橫移電機(jī)和升降電機(jī)，此類電機(jī)具有自動(dòng)抱閘功能，可實(shí)現(xiàn)自鎖保護(hù)。電機(jī)接線圖如圖4所示。

圖4　電機(jī)控制原理圖

三相工頻電源通過(guò)斷路器QS1和熔斷器FU1接入，交流接觸器KM1用于將電源接至變頻器的輸入端R、S、T，交流接觸器KM2用于將變頻器的輸出端U、V、W接至電動(dòng)機(jī)，熱繼電器FR1用于工頻運(yùn)行時(shí)的過(guò)載保護(hù)。

3.3　升降橫移立體車庫(kù)人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)由PLC控制單片機(jī)完成，主要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音提示、數(shù)字按腳、LCD顯示、急停、報(bào)警、存車、取車級(jí)確認(rèn)等功能。當(dāng)存車時(shí)，按存車鍵+車位號(hào)+確認(rèn)。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5所示為控制系統(tǒng)9號(hào)載車板存車流程圖。

圖5　9號(hào)載車板存車流程圖

立體車庫(kù)的動(dòng)作過(guò)程如下。①存車時(shí)，當(dāng)?shù)讓榆囄惶幱诳瘴粫r(shí)，可直接存車，減少載車板橫移電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；若底層沒(méi)有空車位，則需要選取欲存車車位，然后判斷下方是否有載車板，若有載車板，則需要通過(guò)橫移電機(jī)對(duì)下方載車板進(jìn)行移位，最后進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。②取車時(shí),當(dāng)車子存放在底層時(shí)，可以直接取車，否則需要選擇欲取車車位，之后與存車流程一樣。

本車庫(kù)的控制程序采用模塊式，主要包括主程序、存車子程序、取車子程序、保護(hù)子程序及報(bào)警子程序。本文以9號(hào)載車板存車為例說(shuō)明PLC工作的過(guò)程。PLC接收到人機(jī)交互界面“存車”按鈕命令后，系統(tǒng)開(kāi)始自檢，完成各種限位開(kāi)關(guān)和檢測(cè)元件的初始化；按下人機(jī)交互界面的9號(hào)載車板按鍵和確認(rèn)按鍵后，PLC控制程序判斷所選載車板下方是否有載車板，完成載車板的橫向移動(dòng)，為9號(hào)載車板的下降騰空位置，PLC控制變頻器為電動(dòng)機(jī)提供不同頻率的電壓，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度，旋轉(zhuǎn)編碼器準(zhǔn)確控制載車板下降距離；根據(jù)編碼器的反饋信號(hào)和下限位開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)，判斷9號(hào)載車板是否達(dá)到終點(diǎn)，PLC控制電動(dòng)機(jī)斷電，同時(shí)制動(dòng)器抱閘。當(dāng)司機(jī)停車完成后，9號(hào)載車板完成復(fù)位任務(wù)，此時(shí)存車任務(wù)結(jié)束。

5執(zhí)行結(jié)構(gòu)運(yùn)行保護(hù)

立體停車庫(kù)涉及到人身和車輛安全，因此除保證基本功能外，還需額外考慮安全措施。本設(shè)計(jì)中主要采用了過(guò)限保護(hù)、時(shí)間保護(hù)以及防墜落裝置等[10]。

(1) 過(guò)限保護(hù)：過(guò)限保護(hù)屬于載車板或橫移框架運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，當(dāng)編碼器、變頻器和PLC組成的主控制器失效的情況下，過(guò)限保護(hù)裝置開(kāi)始工作。

(2) 時(shí)間保護(hù)：在控制系統(tǒng)中，預(yù)先設(shè)置每個(gè)動(dòng)作的最大允許執(zhí)行時(shí)間，當(dāng)執(zhí)行元器件在最大執(zhí)行時(shí)間沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，強(qiáng)制執(zhí)行保護(hù)子程序。

(3) 防墜落裝置：防止升降用鋼絲繩斷裂、傳動(dòng)系統(tǒng)零件失效、卷?yè)P(yáng)筒驅(qū)動(dòng)鋼絲繩亂繩、固定端或焊接端斷裂或者脫焊等引起的載車板突然下墜。

6結(jié)束語(yǔ)

本研究旨在設(shè)計(jì)一款規(guī)模小、價(jià)格便宜的升降橫移式立體車庫(kù)。通過(guò)相應(yīng)分析計(jì)算，采用UG三維建模軟件設(shè)計(jì)了一種4層9車位的升降橫移立體車庫(kù)，開(kāi)發(fā)了一種基于PLC技術(shù)和變頻器技術(shù)的電機(jī)運(yùn)行速度可調(diào)的立體車庫(kù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能完成立體車庫(kù)的升降和橫移運(yùn)動(dòng)的精確定位控制。最后分析了立體車庫(kù)運(yùn)行中會(huì)遇到的安全問(wèn)題，并給出了相應(yīng)的解決辦法。

結(jié)果表明，本升降橫移立體車庫(kù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、占地少及安全可靠運(yùn)行的特點(diǎn)，且控制系統(tǒng)易于操作。本立體車庫(kù)能有效且可行地解決城市停車難的問(wèn)題。

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中圖分類號(hào)：TH73；TP271

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507007

修改稿收到日期：2014-12-22。

第一作者陸波(1978-)，女，2001年畢業(yè)于浙江科技學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，講師；主要從事工業(yè)自動(dòng)化的研究。