基于PLC的垂直循環(huán)型立體車庫的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁彩紅，何 龍

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

近年來，隨著人們生活水平的提高，作為現(xiàn)代交通工具的小轎車逐漸進(jìn)入了千家萬戶，方便了人們出行的同時(shí)也使城市停車矛盾日漸突出，停車難的問題不斷惡化。立體車庫設(shè)備的應(yīng)用可以有效地解決土地資源緊缺和停車難的問題[1]。目前，國內(nèi)外立體車庫主要傾向于小型化車庫如升降橫移式、簡易升降式，這類車庫存在數(shù)字化程度低，土地使用效率低。為了實(shí)現(xiàn)車庫更加自動(dòng)化、數(shù)字化，并提高土地資源利用率，有必要研究中大型停車庫。垂直循環(huán)型立體車庫占地面少，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，操作方面方便，在超市、醫(yī)院、小區(qū)等停車場(chǎng)都能得到很好的應(yīng)用[2]。在此，根據(jù)客戶的需求，開發(fā)設(shè)計(jì)了將OMRON公司的CP1H-XA40DT-D系列PLC應(yīng)用在垂直循環(huán)型立體車庫控制系統(tǒng)中，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了垂直循環(huán)型立體車庫的自動(dòng)化控制、人機(jī)交互等功能，大大提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 垂直循環(huán)立體車庫的結(jié)構(gòu)

垂直循環(huán)型立體車庫由機(jī)械結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)框架、動(dòng)力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成[3]，如圖1所示。其中，機(jī)械系統(tǒng)包含傳動(dòng)鏈輪、停車托盤、鏈輪、防墜裝置等；動(dòng)力系統(tǒng)包含減速電機(jī)、減速器、制動(dòng)器、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器等部件。鋼結(jié)構(gòu)框架是垂直循環(huán)型立體車庫的骨架，主要包括進(jìn)車側(cè)框架和電機(jī)側(cè)框架。電氣控制系統(tǒng)包括PLC，變頻器、電器柜、觸摸屏、安全檢測(cè)裝置等，用于控制車庫，保障車庫運(yùn)行正常。

圖1 立體車庫的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of tridimensional garage

垂直循環(huán)型立體車庫的工作流程[4]如下：當(dāng)用戶存車時(shí)，司機(jī)將車開到停車托盤內(nèi)準(zhǔn)確的位置后，關(guān)好車門退出車庫，按下觸摸屏上的停車鍵按鈕，安檢系統(tǒng)確認(rèn)安全后，控制系統(tǒng)控制電機(jī)啟動(dòng)，車在停車托盤機(jī)構(gòu)中隨著鏈條一起做垂直循環(huán)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入車庫內(nèi)部，同時(shí)另一個(gè)空停車托盤轉(zhuǎn)動(dòng)到進(jìn)車口出等待下一次存車的操作。取車時(shí)，按下存車編號(hào)按鈕，電機(jī)啟動(dòng)，控制系統(tǒng)會(huì)按著最短的路程運(yùn)行至出口，用戶進(jìn)入停車托盤，將車開走，完成取車過程。

2 控制系統(tǒng)要求

為了保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，控制系統(tǒng)需滿足如下要求：

（1）滿足上面所述的用戶存車和取車的功能。

（2）車庫在運(yùn)行過程，實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)速度、電流以及停車托盤存車狀態(tài)情況。

（3）為了維修以及特殊情況的處理，電機(jī)可以手動(dòng)控制。需要進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，將觸摸屏上“手動(dòng)/自動(dòng)”按鈕切換到手動(dòng)狀態(tài)即可手動(dòng)操作。

（4）故障報(bào)警。在車庫運(yùn)行過程中，當(dāng)出現(xiàn)故障問題（最下面1個(gè)停車托盤不能準(zhǔn)確地停靠在進(jìn)口位置，刮頂或蹭底，車輛停靠不當(dāng)，等）時(shí)，傳感器檢測(cè)到異常時(shí)，報(bào)警燈閃爍，同時(shí)觸摸屏界面跳出報(bào)警原因。排除故障后，點(diǎn)擊復(fù)位按鈕后，系統(tǒng)即可正常工作。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

3.1 控制系統(tǒng)的組成

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，所設(shè)計(jì)的垂直循環(huán)型立體車庫控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)——觸摸屏，下位機(jī)——PLC。上位機(jī)用于輸入命令，并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；下位機(jī)是一臺(tái)PLC，連接檢測(cè)元件、執(zhí)行元件。

各個(gè)單元的具體功能如下：

①上位機(jī)（觸摸屏）發(fā)出存車、取車命令給下位機(jī)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示車庫的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

②下位機(jī)（PLC）是整體控制系統(tǒng)的中樞，接受來自上位機(jī)的信號(hào)，向上位機(jī)傳送當(dāng)前車庫狀態(tài)的信息；采集傳感器信號(hào)；控制相關(guān)執(zhí)行元件。

③檢測(cè)元件包括接近開關(guān)、光電開關(guān)、限位開關(guān)，檢測(cè)車輛在停車托盤中停放是否符合要求；對(duì)停車托盤中是否有車進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)；檢測(cè)升降或橫移是否到位；等。

④執(zhí)行元件為旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它接受PLC的命令，立即執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。

綜上所述，垂直循環(huán)型立體車庫的控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成Fig.2 Control system block diagram

3.2 控制系統(tǒng)硬件配置

3.2.1 PLC及擴(kuò)展模塊的選擇

由于本系統(tǒng)對(duì)所需要的數(shù)字量輸入/輸出（I/O）接口為26DI/13DO，并且需要監(jiān)測(cè)、控制執(zhí)行元件電機(jī)速度，監(jiān)測(cè)電流，需要2個(gè)模擬量輸入，1個(gè)模擬量輸出。根據(jù)上述條件以及經(jīng)濟(jì)性和可靠性的要求，控制系統(tǒng)選用OMRON公司CP1H系列主機(jī)PLC。該系列PLC具有多種擴(kuò)展功能模塊可以選擇，完全可以滿足垂直循環(huán)型立體車庫的自動(dòng)化要求。

PLC主機(jī)單元選用的CP1H-XA40DT-D，擁有24DI/12DO和4AI/4AO，具有1個(gè)USB編程接口和2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通訊/編程接口，4軸 100 Hz（單相）/50 Hz（相位差），可用于接受編碼的信號(hào)[5-6]。為了彌補(bǔ)數(shù)字量I/O不足的問題，選擇了OMRON的CP1H系列數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊CP1W-20EDT，它擁有12DI/8DO，可擴(kuò)展PLC的I/O點(diǎn)數(shù)和功能，在滿足該系統(tǒng)26DI/13DO需求的同時(shí)，還有部分余量，可為以后的工作流程變化和I/O口設(shè)備的擴(kuò)充做準(zhǔn)備。

圖3 系統(tǒng)的控制流程Fig.3 System control flow chart

3.2.2 觸摸屏的選型

隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC控制器與觸摸屏的接口技術(shù)很成熟，控制系統(tǒng)采用觸摸屏控制方式、數(shù)據(jù)保存以及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，綜合考慮選用Schneider的GTO3510觸摸屏可以通過HostLink與PLC連接通訊[7]。通過GTO3510觸摸屏可控制、監(jiān)控PLC運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)控制流程如圖3所示。采用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行直觀的梯形圖程序編程，系統(tǒng)可根據(jù)其內(nèi)部程序狀態(tài)，在外部輸入信號(hào)的作用下，使各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照動(dòng)作執(zhí)行的先后次序自動(dòng)地進(jìn)行操作。

本系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計(jì)采用OMRON公司的CX-Programmer編程軟件[8]。在分配好相對(duì)應(yīng)地址后，進(jìn)行PLC程序編程時(shí)，需要考慮存車與取車之間的邏輯關(guān)系。根據(jù)控制要求，在存車過程中，最下面1個(gè)停車托盤始終處于空車狀態(tài)（除非所有的車位都停滿了），用戶將車輛直接開上停車托盤，關(guān)好車門退出車庫，在觸摸屏上按下確認(rèn)停車按鈕后，將車輛停放到合適的位置。在停車過程中，如果車輛位置停放超出規(guī)定的停車范圍或發(fā)生其他的故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)終止電機(jī)運(yùn)行并進(jìn)行停車故障報(bào)警。取車時(shí)，在觸摸屏上輸入車輛的停車托盤號(hào)碼，然后按下取車按鈕，電機(jī)啟動(dòng)，停車托盤會(huì)在可編程控制器作用下按照最短的路程轉(zhuǎn)動(dòng)到車庫出入口處，用戶進(jìn)入停車托盤，將車輛開出，完成取車過程。

4 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

采用Schneider的Vijeo Designer 6.2型觸摸屏編程軟件，其具有多種功能模塊庫，且可記錄和跟蹤操作動(dòng)作和組態(tài)[9]。觸摸屏軟件設(shè)計(jì)步驟如下：

步驟1設(shè)置通訊參數(shù)通過HostLink實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的通訊連接。

步驟2 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，創(chuàng)建可視化的組態(tài)界面。

步驟3設(shè)置控制參數(shù)，通過控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)PLC和現(xiàn)場(chǎng)傳感器與觸摸屏的功能模塊之間的連接，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)PLC參數(shù)的控制，PLC參數(shù)和傳感器向觸摸屏的反饋。

垂直循環(huán)型立體車庫的監(jiān)控系統(tǒng)由4個(gè)功能模塊組成，即監(jiān)控界面、報(bào)警界面、參數(shù)設(shè)置和檢修界面，如圖4所示。

監(jiān)控界面是本系統(tǒng)的主要功能[10]。該界面左側(cè)區(qū)域用于顯示當(dāng)前車庫的存車狀況，界面直觀清晰，實(shí)現(xiàn)對(duì)車庫的實(shí)時(shí)監(jiān)控；右側(cè)區(qū)域在開關(guān)撥到自動(dòng)擋后可以實(shí)現(xiàn)存車和取車的功能，如果此時(shí)出現(xiàn)緊急情況，可按下“急?！卑粹o，停止電機(jī)工作。

圖4 監(jiān)控界面Fig.4 Monitoring interface

故障報(bào)警主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的故障顯示問題。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如用戶停車位置不當(dāng)，停車托盤未準(zhǔn)確?？窟M(jìn)出口位置等，則發(fā)出提示信息，以便管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)維修。

參數(shù)設(shè)置模塊是管理員權(quán)限。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況管理員可以設(shè)置電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，以及補(bǔ)償參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人性化管理。

檢修功能模塊是為了維修人員方便對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行維護(hù)檢修而開放出來的1個(gè)窗口。

5 結(jié)語

垂直循環(huán)型立體車庫是由機(jī)械、PLC，電氣和觸摸屏等元件構(gòu)成的復(fù)雜的機(jī)電一體化工業(yè)裝備，機(jī)械動(dòng)作復(fù)雜且具有嚴(yán)格的先后邏輯關(guān)系。充分利用PLC控制的穩(wěn)定性、靈活性以及觸摸屏在可視化方面的便捷性，設(shè)計(jì)了基于PLC和觸摸屏的垂直循環(huán)型立體車庫控制系統(tǒng)，采用歐姆龍CP1H系列PLC編程軟件CX-Programmer編寫其相關(guān)功能，并使用Vijeo Designer開發(fā)其監(jiān)控軟件，既保證了系統(tǒng)動(dòng)作之間嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，也保證了操作過程的可視化和系統(tǒng)的安全性。

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