基于PLC的升降橫移車庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

曾 鑫,唐樟春,2,盧 軍,吳文鋒,楊宗承

(1.電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731;2.電子科技大學(xué)廣東電子信息工程研究院,廣東 東莞 523808;3.廣東榮禧智能車庫有限公司,廣東 東莞 523000)

0 引言

升降橫移類立體車庫采用載車板升降或橫移存取車輛。該類車庫的層數(shù)目前均為多層。以提升方式劃分，升降橫移類立體車庫可分為鏈條、鋼絲繩和液壓三種[1-3]。由于其成本較小，且對于場地沒有較大要求，這類車庫約占立體車庫總量的80%以上[4-5]。這類車庫基本使用可編程控制器(programmable logic controller，PLC)進(jìn)行控制。國內(nèi)也有對同類型車庫的研究。陸波等結(jié)合變頻器和編碼器技術(shù)，設(shè)計(jì)了速度可調(diào)節(jié)的升降橫移立體車庫[6]。盛強(qiáng)提出冗余PLC系統(tǒng)，即使用2臺PLC，其中1臺作為備用[7]。但大量的檢測信號對于PLC的輸入/輸出(intput/output,I/O)點(diǎn)的消耗使得成本大幅增加，程序功能的強(qiáng)保護(hù)機(jī)制使得很多故障發(fā)生時(shí)只能使用人工方式去排除，極大地消耗了人力成本。

因此，本文從控制程序角度對升降橫移類立體車庫進(jìn)行優(yōu)化，使得所有庫位都能夠整體聯(lián)動，并且綜合考慮成本和精確控制的優(yōu)缺點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)I/O點(diǎn)數(shù)。本文設(shè)計(jì)開發(fā)4種模式，分別應(yīng)對正常運(yùn)行時(shí)的自動功能、調(diào)試安裝時(shí)的手動功能，以及故障發(fā)生時(shí)的檢修功能和準(zhǔn)確的故障報(bào)警功能。該設(shè)計(jì)使用希福特曼操作盒進(jìn)行庫位操作和可視化展示，通過RS-485協(xié)議進(jìn)行設(shè)備間通信。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以3層9列鏈條式升降橫移立體車庫作為研究對象，共計(jì)25個(gè)車位。國內(nèi)同類型車庫列數(shù)一般為2～4列[8]。列數(shù)的增加大大提升了控制難度。在確定了維持設(shè)備正常運(yùn)行所需I/O點(diǎn)的大致情況后，需要對I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行10%～20%的冗余設(shè)計(jì)[9]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

1.1 輸入信號

車庫的整體布局如圖2所示。

圖2 庫位整體布局Fig.2 Overall layout of parking space

由圖2可知，第一層只能左右橫移；第二層既可以橫移，又可以升降；第三層只能升降。第一層、第二層的各個(gè)庫位都需要左、右到位行程開關(guān)作為信號反饋。而第二層、第三層均需要升降到位行程開關(guān)作為信號反饋。同時(shí)，由于升降運(yùn)動可能導(dǎo)致沖頂和掉底，車庫還必須增加升降極限開關(guān)作為保護(hù)信號。

為了防止升降牽引鏈條/鋼絲繩在上升到位的情況下由于某些原因?qū)е缕渫蝗粩嚅_，需要在升降載車板的4個(gè)角加裝防墜器掛鉤。

正常升降時(shí)，掛鉤松開，讓載車板能夠順暢地進(jìn)行升降運(yùn)動。當(dāng)上升到位之后，防墜器還原為初始狀態(tài)，即使鏈條斷裂也可以由防墜器提供保護(hù)。所以系統(tǒng)還需要檢測防墜器反饋信號，以判斷防墜器掛鉤是否正常工作。在此過程中，還必須考慮因升降時(shí)載車板制動距離過長而導(dǎo)致設(shè)備沖頂?shù)那闆r[10]。

系統(tǒng)需要檢測車輛的前、后超長和超高。這3種信號均采用對射光電開關(guān)作為檢測手段。公用的急停、相序保護(hù)、接觸器粘連、熱繼保護(hù)等信號量以及上述各種檢測信號共同構(gòu)成PLC輸入信號。

1.2 輸出信號

各升降橫移電機(jī)的通斷控制由220 V交流接觸器控制，選用繼電器輸出的歐姆龍PLC可以直接輸出220 V交流電壓，使得接觸器主觸頭得電閉合，從而接通電路控制三相異步電機(jī)工作。

此外，為了設(shè)備使用人員的安全性，系統(tǒng)加裝了運(yùn)行指示燈、報(bào)警指示燈和蜂鳴器。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行指示燈閃亮，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出尖銳聲音。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警故障時(shí)，報(bào)警指示燈閃亮并發(fā)出尖銳聲音。對于每一層電機(jī)的統(tǒng)一控制，需要先選定正反轉(zhuǎn)，再選定電機(jī)。因此，正反轉(zhuǎn)是公用信號。防墜器的工作原理是當(dāng)防墜器線圈得電閉合，驅(qū)動掛鉤微動開關(guān)動作，從而達(dá)到防墜目的。所以也需要輸出220 V電壓控制防墜器線圈，進(jìn)而控制開關(guān)動作。

2 電氣元件選型計(jì)算

2.1 PLC選型

歐姆龍PLC價(jià)格相對便宜，功能較為健全，且支持多種通信協(xié)議。因此，本文以其作為主控CPU。歐姆龍PLC選擇繼電器輸出型號，可帶動較大負(fù)載。

歐姆龍PLC的優(yōu)勢在于輸出公共組件對象模型(component object model,COM)端可分組，采用繼電器輸出型號時(shí)就可以為不同的Q點(diǎn)接入不同的COM端電壓，從而靈活控制輸出端的電壓大小。PLC公用COM端接線如圖3所示。

圖3 PLC公用COM端接線圖Fig.3 PLC common COM terminal wiring diagram

圖3中，COM端接入的是220 V AC電壓，那么接觸器線圈電壓就是220 V AC，直接省去了采用中間繼電器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的步驟。運(yùn)行指示燈接入24 V DC,就可以單獨(dú)給出24 V DC的公用COM端。

2.2 交流接觸器選型

接觸器主觸頭的額定工作電流應(yīng)大于或等于負(fù)載電路的電流。 額定電流指的是觸點(diǎn)在額定工作條件下的電流值。銘牌顯示的額定電流是指主觸點(diǎn)的額定電流[11]。

已知橫移電機(jī)額定功率為0.4 kW，額定電流為1.44 A。那么對于第一層、第二層的正反轉(zhuǎn)接觸器而言，其額定電流為：

I總=I額1N

(1)

式中：I額1為每個(gè)橫移電機(jī)的額定電流；N為橫移電機(jī)的個(gè)數(shù)；I總為總的額定電流。

本文系統(tǒng)中：I額1為1.44 A；N為8個(gè)；I總為11.52 A。

對于每個(gè)電機(jī)的熱繼電器選擇，應(yīng)按照電機(jī)的額定電流進(jìn)行，選擇大于其額定電流的最接近型號的原則。

2.3 熱繼電器選型

通常用熱繼電器的整定電流調(diào)整電動機(jī)的額定電流。對過載能力差的電動機(jī)，可將熱元件整定值調(diào)整為電動機(jī)額定電流的60%～80%。當(dāng)電動機(jī)起動時(shí)間較長、拖動沖擊負(fù)載或不允許停車時(shí)，可將熱元件整定電流調(diào)節(jié)至電動機(jī)額定電流的1.1～1.15倍[12]。

由此可知，熱繼電器的參數(shù)范圍應(yīng)遵循：

Imin

(2)

式中:I額為電機(jī)正常運(yùn)作時(shí)的額定電流；Imin為熱繼電器的保護(hù)電流下限；Imax為熱繼電器的保護(hù)電流上限。

一般的熱繼電器是可以在其保護(hù)范圍內(nèi)通過旋鈕調(diào)節(jié)其保護(hù)電流大小的。其中，Imin可適當(dāng)放寬，但是必須保證電機(jī)額定電流小于熱繼電器的最大調(diào)節(jié)電流。

3 RS-485通信

3.1 硬件設(shè)置

歐姆龍PLC提供多種通信協(xié)議，用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信[13]。兩線制的RS-485協(xié)議與希福特曼人機(jī)界面(Chuman machine interface,HMI)進(jìn)行通信。使用雙絞屏蔽線連接PLC和HMI，可防止通信干擾。RS-485模塊接線如圖4所示。

圖4 RS-485模塊接線圖Fig.4 RS-485 module wiring diagram

本文設(shè)計(jì)所選用的PLC型號并未集成RS-485模塊，需要單獨(dú)添加；同時(shí)，需要對相關(guān)引腳進(jìn)行設(shè)置才能夠進(jìn)行RS-485通信。

根據(jù)需要，將1#、4#撥動開關(guān)設(shè)置為OFF，將2#、3#、5#、6#設(shè)置為ON,即可實(shí)現(xiàn)RS-485通信。

通過四芯雙絞屏蔽線與外部設(shè)備連接。其中：兩芯屏蔽線一端分別接RDA-和RDB+，另一端接A、B端。另外，兩芯外接24 V AC為HMI供電。

雙例直插式封裝(dual inline-pin package,DIP)技術(shù)開關(guān)設(shè)置如表1所示。

表1 DIP開關(guān)設(shè)置Tab.1 Dip switch settings

3.2 通信收發(fā)地址

希福特曼HMI與歐姆龍PLC用數(shù)據(jù)區(qū)D進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)交互地址如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)交互地址Tab.2 Data interaction address

4 功能模式

系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖Fig.5 Flowchart of system operation

4.1 自動模式

在切換自動運(yùn)行時(shí)，需要檢測自動運(yùn)行條件是否滿足。如無任何報(bào)警，且需要第二層或者第三層有1個(gè)車位下行到位，才能觸發(fā)自動運(yùn)行模式。

自動運(yùn)行時(shí)又分為自動橫移和自動升降。當(dāng)目標(biāo)庫位需要自動升降時(shí)，需判斷當(dāng)前庫位是否滿足自動升降條件。假設(shè)當(dāng)前需要201上升到位，就需要判斷是否有其他庫位橫移不到位而導(dǎo)致201升降時(shí)產(chǎn)生碰撞。升降條件程序如圖6所示。

由圖6可知，升降條件以橫移到位信號作為判定依據(jù)，滿足升降條件時(shí)，才可觸發(fā)升降動作。自動上升程序如圖7所示。

假設(shè)此時(shí)選中304，那么就需要2層車位全部上升到位。然后204～208、104～108一起自動右移到位后，304自動下降到位，完成整個(gè)過程。聯(lián)動存取效果如圖8所示。

自動橫移條件需考慮升降狀態(tài)。任何1個(gè)車庫在橫移時(shí)，都需滿足除一層以外的所有車庫都要上升到位的條件。這樣就可以避免在橫移的過程中，由于其他庫位沒有上升到位而發(fā)生碰撞的情況。橫移條件程序如圖9所示。

圖6 升降條件程序Fig.6 Lifting conditions program

圖7 自動上升程序Fig.7 Automatic rise program

圖8 聯(lián)動存取效果Fig.8 Linkage access effect

圖9 橫移條件程序Fig.9 Traverse condition propram

4.2 手動模式

手動橫移只需滿足橫移運(yùn)行條件即可，也就是說第二層、第三層庫位需要全部上升到位。以101為例，當(dāng)101沒有左移到位時(shí)，第一層的任何庫位選擇左移都能觸發(fā)101的橫移聯(lián)動效果。相比于自動橫移，其沒有考慮第二層、第三層的指令，僅關(guān)注第一層的庫位選擇情況。

手動左移程序如圖10所示。

圖10 手動左移程序Fig.10 Manual left shift program

針對第二層、第三層庫位的手動升降，需要保證目標(biāo)庫位的升降條件得到滿足。

手動上升程序觸發(fā)了電機(jī)信號。此時(shí)，電機(jī)開始進(jìn)行相應(yīng)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)升降指令觸發(fā)時(shí)，防墜器線圈得電，其微動開關(guān)打開，使載車板的防墜器掛鉤與其微動開關(guān)脫離，同時(shí)反饋1個(gè)脫離接觸的信號。這個(gè)信號可觸發(fā)升降電機(jī)動作。當(dāng)鏈條斷裂事故發(fā)生時(shí)，由于4個(gè)角都有防墜器掛鉤，那么就可以暫時(shí)穩(wěn)定住載車板，不至于整個(gè)車板都傾斜甚至墜落[14]。

手動上升程序如圖11所示。

圖11 手動上升程序Fig.1 Manual rise program

4.3 檢修模式

設(shè)備在安裝調(diào)試時(shí)，暫時(shí)屏蔽掉一切可阻斷設(shè)備動作的信號。假設(shè)有一個(gè)車位升降未到位，另一個(gè)車位橫移也未到位，那么設(shè)備既不能升降也不能橫移。如果此時(shí)屏蔽升降和橫移運(yùn)行條件，使得升降和橫移都能夠正常動作，便可通過手動的方式讓2個(gè)未到位的車位重新恢復(fù)到初始狀態(tài)。101庫位屏蔽橫移條件程序如圖12所示。

圖12 屏蔽橫移條件程序Fig.12 Shielding traverse condition program

屏蔽信號如表3所示。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)以下故障時(shí)，將選定的屏蔽點(diǎn)位信號在PLC輸入端短接后，表3所示信號完全屏蔽。此時(shí)，設(shè)備便可以隨意動作。但是這種屏蔽功能只能由專業(yè)人員進(jìn)行操作。當(dāng)設(shè)備故障解除后，必須拆除屏蔽功能點(diǎn)。

表3 屏蔽信號Tab.3 Shielded signal

4.4 故障報(bào)警

用戶對機(jī)械式停車設(shè)備的操作性能、自動化程度、運(yùn)行效能、工作的安全有效性、設(shè)備運(yùn)行安全監(jiān)控實(shí)時(shí)診斷的要求越來越高[15]。同時(shí)，車庫的運(yùn)行故障報(bào)警功能可以快速定位故障點(diǎn)，從而解決設(shè)備故障。

從表2可知，D1為故障代碼。因此，可以為D1賦不同的故障代碼數(shù)值，從而在人機(jī)界面顯示出對應(yīng)的故障代碼。故障代碼如表4所示。同時(shí)，還可以為D2賦車位號，從而幫助加快定位故障車位。

表4 故障代碼Tab.4 Fault code

故障代碼表基本涵蓋了可能出現(xiàn)的所有故障，程序中只需要為D1和D2的賦值增加邏輯判斷。以防墜器報(bào)警為例，防墜器故障明細(xì)如圖13所示。

圖13 防墜器故障明細(xì)Fig.13 Fault breakdown of fall arresters

當(dāng)出現(xiàn)防墜器故障時(shí)，為D1賦值53，同時(shí)為D2賦值201，即表示201車位防墜器電磁鐵故障。

5 結(jié)論

本文以升降橫移類立體車庫作為研究對象，開發(fā)了4種運(yùn)行模式，加快了設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)間和故障檢修時(shí)間。經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、安全保護(hù)性高、系統(tǒng)故障率小。檢修模式加快了故障處置效率，簡化了故障處置方式，為維修人員避免了很多不必要的安全隱患。程序設(shè)計(jì)的存取聯(lián)動效果提升了車庫的使用效率，同時(shí)也為該類車庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。