采用PLC和HMI的單巷道立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏玉玲， 張信禹, 黃余, 龔建平

(1. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 四川 成都 610031；2. 宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息與控制工程系， 四川 宜賓 644003;3. 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 商學(xué)院, 湖南 長沙 410205)

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采用PLC和HMI的單巷道立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏玉玲1,2， 張信禹2, 黃余2, 龔建平3

(1. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 四川 成都 610031；2. 宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息與控制工程系， 四川 宜賓 644003;3. 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 商學(xué)院, 湖南 長沙 410205)

以3層6車位單巷道堆垛式立體車庫為研究對象，以西門子S7-200系列CPU 224為核心控制器，以TPC7062KD型監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)(MCGS)觸摸屏為操作面板，共同控制3臺減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)，并由減速電機(jī)傳動給絲桿實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)的運(yùn)行.結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)可在車庫模型上進(jìn)行模擬運(yùn)行.

立體車庫; 單巷道； 堆垛式； 可編程邏輯控制器； 觸摸屏

機(jī)械式立體停車庫，又稱立體車庫，是一種可有效節(jié)省土地資源的停車設(shè)備.我國對立體車庫的研究起步較晚，隨著近幾年汽車數(shù)量的增加，停車難問題突出，加速了學(xué)者對立體車庫的研究[1-2].目前，立體車庫主要形式有垂直循環(huán)式、升降橫移式、箱型水平循環(huán)式、巷道堆垛式、垂直提升式、圓形水平循環(huán)式[3-4].本文對基于可編程邏輯控制器(PLC)和人機(jī)界面(HMI)的單巷道立體車庫控制系統(tǒng)進(jìn)行研究.

1　控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

以3層6車位巷道立體車庫為研究對象，以PLC為主控制元件，進(jìn)行立體車庫模擬，設(shè)計(jì)3層6車位PLC軟硬件控制系統(tǒng).立體車庫的整個控制系統(tǒng)由人機(jī)界面、PLC控制系統(tǒng)和現(xiàn)場操作機(jī)構(gòu)構(gòu)成.控制說明圖，如圖1所示.

圖1　控制說明圖Fig.1　Control chart

觸摸屏賦值給PLC指定地址，讀取指定地址的值，PLC按照程序執(zhí)行輸出信號,控制繼電器動作.其中，PLC是控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際I/O操作數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)車庫當(dāng)前狀態(tài)信號的顯示(指示燈)和存取操作.在設(shè)計(jì)中，PLC的主要作用是控制堆垛機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)存取車輛的動作.車輛進(jìn)入駛?cè)胄盘柌扇∠尬婚_關(guān)，實(shí)現(xiàn)車輛有無檢測.拖動電機(jī)的起動、正反轉(zhuǎn)、停止控制使用繼電器控制，不僅可靠性高，而且可以節(jié)約大量的人力、物力，以及減少后續(xù)維護(hù)的成本與難度，方便后續(xù)改造升級，自動化程度更高.

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單巷道立體車庫由HMI、PLC控制板、堆垛機(jī)、車庫架組成.作為模型，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上不嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定[5]，而是本著設(shè)計(jì)理念，追求高性價比，有效地展示控制系統(tǒng)的控制效果.車庫簡易模型示意圖，如圖2所示.

圖2　車庫簡易模型示意圖Fig.2　Schematic diagram of a simple garage model

圖2中：由電動機(jī)帶動傳動絲桿產(chǎn)生X，Y軸的動作，每一個車位都安裝傳感器，檢測是否有車停放.當(dāng)有車停在車位上，在操作面板的存車車位選擇中，該車位不顯示.為防止電路故障產(chǎn)生安全事故，采用硬件切斷電路更快速、有效.若是軟件切斷電路，繼電器觸點(diǎn)熔焊在一起無法斷開，不能起到迅速斷開電路的作用，可采用一個急停按鈕切斷車庫和堆垛機(jī)電機(jī)供電.

2.1電機(jī)的選擇

按照設(shè)計(jì)要求，車的移動和升降都需要選擇力矩大、轉(zhuǎn)速平緩的電動機(jī)，而一般直流電機(jī)轉(zhuǎn)速較高,且力矩小，需配合減速齒輪增加力矩.常用的減速方式有齒輪減速、行星減速及渦輪減速.其中，齒輪減速價格便宜，行星減速較為昂貴，而直流齒輪減速電機(jī)符合設(shè)計(jì)要求，價格相對便宜，體積小.故模型設(shè)計(jì)時選用力矩大、轉(zhuǎn)速低的直流電機(jī)作為動力，替代大型交流電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)載車托盤斜向運(yùn)動運(yùn)行.

2.2電機(jī)控制主電路的設(shè)計(jì)

電機(jī)控制主電路完全自動運(yùn)行[6]，無需人工過多干預(yù).當(dāng)有控制信號輸入控制系統(tǒng)時，PLC經(jīng)過程序運(yùn)算，輸出控制信號.輸出的控制信號傳送給中間繼電器線圈，控制中間繼電器通斷，從而控制直流齒輪減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)載車堆垛機(jī)運(yùn)行.

圖3　電機(jī)控制電路圖Fig.3　Motor control circuit diagram

文中設(shè)計(jì)對電源精度要求不高，電機(jī)控制電路圖，如圖3所示.控制電路采用24 V全電壓，對人體的危險較小，但是，如果減速電機(jī)對電源精度要求不高，需要將220 V電壓直接轉(zhuǎn)換為24 V，同時需要12 V/5 V供電，功率較小.采用LM 2576 DC/DC轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，同時，在外圍加上相應(yīng)的元件，即可正常工作.由圖3可知：同一直流減速電機(jī)由兩個中間繼電器控制，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，若兩繼電器同時得電，也不會出現(xiàn)電源短路的情況，安全系數(shù)較高.

2.3PLC選型

進(jìn)行PLC選擇時，需考慮性價比、應(yīng)用性等.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需實(shí)現(xiàn)車庫升降，即正反轉(zhuǎn)控制；車庫車位檢測限位開關(guān)6個，載車板限位開關(guān)1個，車輛駛?cè)霗z測開關(guān)1個，限位開關(guān)的位置檢測信號及紅外檢測信號可作為控制系統(tǒng)的輸入；存取車和車位選擇按鈕8個輸入；3臺直流電動機(jī)，正反轉(zhuǎn)6個輸出；紅綠燈車輛允許指示輸出1個.文中設(shè)計(jì)采用觸摸屏控制，可省去存取車的8個輸入.因此，總共使用8個數(shù)字量輸入，8個數(shù)字量輸出.根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，使用留有一定的冗余接口和程序容量要求[7-8].同時，考慮到經(jīng)濟(jì)性和模型空間的要求，采用西門子S7-200系列中的CPU 224為控制元件.CPU 224共有24個數(shù)字量I/O點(diǎn).其中，14點(diǎn)輸入，10點(diǎn)輸出，滿足設(shè)計(jì)要求.PLC 外部接線圖，如圖4所示.

圖4　PLC外部接線圖Fig.4　PLC external wiring diagram

S7-200 PLC采用220 V市電供電，輸出為繼電器輸出(RLY).其中：EL提示車位已滿信號燈；KA1，KA2控制1號減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)；KA3，KA4控制2號減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)；KA5，KA6控制3號減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)；KA7控制紅綠燈；SA1為急停按鈕；L+和M1為PLC內(nèi)部24 V直流電輸出端，在緊急情況下，可以迅速切斷線圈電源；PLC輸出模塊采用外部供電方式，電源由120 W開關(guān)電源供電；觸摸屏通過RS485通信線與S7-200通信.

2.4觸摸屏選型

通過觸摸屏幕上的按鈕，可調(diào)整參數(shù)、監(jiān)視參數(shù)或?qū)崿F(xiàn)動作，方便直接地控制動作.采用國產(chǎn)的TP7062KD型監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)(MCGS)觸摸屏，24 V直流電供電，屬于電阻型觸摸屏，當(dāng)手戴著手套，也可以操作，且具備自動息屏及鳴笛提示等功能[9-10].

2.5傳動機(jī)構(gòu)選擇

圖5　立體車庫傳動簡易示圖Fig.5　Schematic diagram of dimensional garage transmission

在實(shí)際生活中，立體車庫的堆垛機(jī)的傳動結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，運(yùn)載能力強(qiáng),而作為模型也有很多選擇.考慮方便加工和經(jīng)濟(jì)性等因素,采用絲桿傳動.作為傳動裝置，由水平和豎直及托盤的一根齒條組成載車板，如圖5所示.在方位上，需要實(shí)現(xiàn)X，Z兩個方向的移動.根據(jù)模型選擇T型絲桿作為傳動裝置，齒輪、齒條組成載車板.載車板上的減速電機(jī)通過齒輪與齒條轉(zhuǎn)換作用，使托盤能夠推出和縮進(jìn).

2.6其他硬件說明

當(dāng)車輛駛?cè)胪＼噲鰰r，需感應(yīng)到車輛.此時，可采用電磁感應(yīng)原理制成的感應(yīng)線圈，汽車車身大部分為金屬，在地磁的感應(yīng)下，相當(dāng)于一塊大型磁鐵.當(dāng)汽車進(jìn)入感應(yīng)線圈感應(yīng)范圍，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)產(chǎn)生的電流大小可以估算汽車的大小.文中的設(shè)計(jì)是模擬立體停車庫，可采用紅外對管對車輛進(jìn)行模擬檢測.

在實(shí)際生活中，載車板常暴露在外，處于惡劣的工作環(huán)境，對于檢測裝置，應(yīng)滿足能經(jīng)受高溫低溫雨雪，不易損壞、誤報低、故障低、性價比高等特點(diǎn).模型設(shè)計(jì)可采用普通限位開關(guān)，進(jìn)行模型檢測.如果僅采取軟件切斷電路，當(dāng)繼電器觸點(diǎn)熔焊在一起無法斷開，則不能起到迅速斷開電路的作用.因此，需設(shè)置急停按鈕，電源引入采用220 V.為保障安全，還可設(shè)置整個電路的總開關(guān).

圖6　控制程序流程圖Fig.6　Control program flow chart

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1控制程序流程圖

當(dāng)有控制信號輸入控制系統(tǒng)時，PLC經(jīng)過程序運(yùn)算，輸出信號控制中間繼電器線圈，控制中間繼電器通斷，控制直流齒輪減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，從而控制載車堆垛機(jī)運(yùn)行.模型車庫設(shè)置僅3層，底層車位可直接進(jìn)出，存取車控制僅針對第2,3層車位，具體的工作流程圖,如圖6所示.

3.2PLC控制程序

采用調(diào)用子程序的方式寫控制程序[11-12]，主程序涉及存取車完成及信號燈，子程序分為存車、取車、賦值、調(diào)試.

3.3觸摸屏組態(tài)

采用17.8 mm液晶顯示屏(800 px×480 px)、四線電阻式觸摸屏(1 024 px×1 024 px)和MCGS嵌入版系統(tǒng).該觸摸屏有128 M Flash和64 M的內(nèi)存，采用24 V直流電源供電，功率僅為5 W.其組態(tài)軟件由MCGS組態(tài)環(huán)境和MCGS運(yùn)行環(huán)境組成[13].

庫存取車畫面主要分為初始、存車車位選擇、取車車位選擇、存車等待、取車等待等5個畫面.初始畫面為開機(jī)啟動顯示的畫面，當(dāng)有車駛?cè)霑r，紅色指示燈亮；當(dāng)載車板無車時，存車按鈕不顯示，不能進(jìn)行存車操作.同理，當(dāng)有車在載車板上時，取車按鈕不顯示，不能進(jìn)行取車操作.此外，還可以在界面中設(shè)置調(diào)試按鈕或畫面，出現(xiàn)意外時，由工程師登錄控制窗口，直接手動控制載車板下降等操作.存車畫面與取車畫面基本相似，在存車時，只顯示可以存車的車位，已經(jīng)存好的車位不顯示，以避免出現(xiàn)不必要的操作錯誤.當(dāng)進(jìn)行取車時，相應(yīng)的也只顯示已經(jīng)有車存放的車位，沒有車存放的車位不顯示.

調(diào)試界面是為了避免在運(yùn)行中出現(xiàn)故障而緊急停車，而此時載車板上可能在高處也可能有車輛.為了降低危險程度，可以通過專業(yè)人員登錄調(diào)試界面，通過手動方式控制3臺電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而登錄界面需要登錄密碼才能進(jìn)入操作.

4　結(jié)束語

以3層6車位單巷道堆垛式立體車庫為研究對象，選用可編程邏輯控制器和觸摸屏界面共同模擬單巷道堆垛式立體車庫的控制系統(tǒng).該設(shè)計(jì)模型基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，能夠正確地模擬單巷道堆垛式立體車庫的控制系統(tǒng)，更利于觀察和分析現(xiàn)實(shí)中容易出現(xiàn)的問題.然而，該系統(tǒng)是模型設(shè)計(jì)，若應(yīng)用于實(shí)際生活中，應(yīng)結(jié)合機(jī)械、電子方面的知識，如材料選擇、安全保護(hù)及精度要求等.此外，還需結(jié)合國家相應(yīng)的規(guī)章制度.

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(責(zé)任編輯： 錢筠英文審校： 方德平)

Control System Design of Single Aisle Dimensional Garage Based on PLC and HMI

YAN Yuling1,2, ZHANG Xinyu2, HUANG Yu2, GONG Jianping3

(1. College of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031, China；2. Department of Electronic Information and Control Engineering， Yibin Vocational and Technical College, Yibin 644003, China;3. Business School, Hunan International Economics University, Changsha 410205, China)

3-storey 6 parking places single laneway stowed dimensional garage was studied. The core controller was Siemens S7-200 CPU 224, the operator panel was CGS TPC7062KD touch screen, the positive and reverse rotations of 3 decelerated motors were jointly controlled by the core controller and operator panel, the ball screw driven by decelerated motors operated the stowed machine. The results show: this control system design can perform well in the simulation garage.

dimensional parking garage; single-aisle; stowed pattern; programmable logic controller; touch screen

10.11830/ISSN.1000-5013.201605011

2016-06-21

顏玉玲(1981-)，女，副教授，主要從事電氣自動化、機(jī)電一體化的研究.E-mail:5318949@qq.com.

教育部人文社會科學(xué)研究項(xiàng)目(12YJA790035)； 四川省教育廳課題資助項(xiàng)目(川教函2014(156))

TP 271.4

A

1000-5013(2016)05-0583-04