基于PLC的多層升降橫移立體停車庫控制設(shè)計(jì)

　　隨著汽車的急增致使城市停車難問題不斷惡化,而作為解決城市靜態(tài)交通的有效措施——向空間、向高層發(fā)展的自動化立體停車設(shè)備,以其占地面積少、停車率高、布置靈活、高效低耗、性價比高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),越來越受到人們的青睞。目前市面上常見的機(jī)械式立體停車庫有：升降橫移類、垂直循環(huán)類、多層循環(huán)類、水平循環(huán)類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類和簡易升降類等8種,其中升降橫移類以其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安全可靠、造價低等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)車庫市場占有絕對優(yōu)勢的市場份額。

　　升降橫移立體車庫運(yùn)行原理

　　升降橫移類機(jī)械停車庫利用托盤移位產(chǎn)生垂直通道,實(shí)現(xiàn)高層車位升降存取車輛。其車位結(jié)構(gòu)為2維矩陣形式,可設(shè)計(jì)為多層和多列。由于受收鏈裝置及進(jìn)出車時間的限制,一般為2~4層(國家規(guī)定最高為4層),2層、3層者居多,現(xiàn)以典型的地上3×3升降橫移式為例,說明停車庫的運(yùn)行原理。

　　立體車庫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：底層只能平移,頂層只能升降,中間層既可平移又可升降。除頂層外,中間層和底層都必須預(yù)留一個空車位,供進(jìn)出車升降之用。當(dāng)?shù)讓榆囄贿M(jìn)出車時,無需移動其他托盤就可直接進(jìn)出車;中間層、頂層進(jìn)出車時,先要判斷其對應(yīng)的下方位置是否為空,不為空時要進(jìn)行相應(yīng)的平移處理,直到下方為空才可進(jìn)行下降動作,進(jìn)出車完成后再上升回到原位置。其運(yùn)動的總原則是：升降復(fù)位,平移不復(fù)位。

　　控制系統(tǒng)方案的確定

　　升降橫移立體停車庫以停放轎車為主,其代價較昂貴,而且立體停車庫使用時涉及到人身和車輛的安全,所以對設(shè)備的安全性和可靠性要求非常高。PLC采用了以計(jì)算機(jī)為核心的通用自動控制裝置,集微機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)、通訊技術(shù)為一體,可靠性強(qiáng)、性價比高、設(shè)計(jì)緊湊、擴(kuò)展性好、操作方便,適用于頻繁啟動和惡劣的環(huán)境,因此在立體停車庫控制系統(tǒng)中通常采用PLC作為電控系統(tǒng)的核心。

　　作為網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線技術(shù)以其簡單的結(jié)構(gòu),在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)上體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性,因此本文采用Profibus-FMS和Profibus-DP構(gòu)成兩層控制網(wǎng)絡(luò)。Profibus-FMS主要完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù),通常用于PLC與PC、PLC與PLC之間的互相通信。而底層網(wǎng)絡(luò)則選擇了Profibus-DP,這主要因?yàn)镻rofibus-DP是經(jīng)過優(yōu)化的高速通信聯(lián)接,用于設(shè)備級分散I/O之間的通信,構(gòu)成獲得最短總體循環(huán)時間的單主站系統(tǒng)。本系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化控制設(shè)備之間的開放式、數(shù)字化、多節(jié)點(diǎn)通信,并提高了系統(tǒng)工作的可靠性和靈活性。

　　同時,本系統(tǒng)以上位機(jī)作為監(jiān)控機(jī),利用上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信手段,數(shù)據(jù)處理能力和圖形顯示、多媒體技術(shù),通過現(xiàn)場總線,實(shí)時接收和處理下位機(jī)PLC從現(xiàn)場采集的各種狀態(tài)、控制、報(bào)警信號,并利用這些信號驅(qū)動PC控制界面中的各種圖形,實(shí)時顯示現(xiàn)場的各種狀況,在操作員和停車庫之間構(gòu)造出形象、直觀的界面,對操作運(yùn)行和故障給出提示、報(bào)警等。

　　立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的組成

　　立體車庫控制系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)組成,圖1為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中,監(jiān)控系統(tǒng)由“上位機(jī)+Profibus現(xiàn)場總線+PLC+現(xiàn)場操作機(jī)構(gòu)”構(gòu)成,以PC機(jī)為核心,配備有打印機(jī)、音效設(shè)備、收款機(jī)、顯示器等。如果車庫是由多個3×3單元的組合,可以用一個PLC控制一個車庫單元,多個PLC共同構(gòu)成多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。如果車庫的規(guī)模足夠大,還可以考慮配備操作器、觸摸屏和IC卡磁卡機(jī)等來實(shí)現(xiàn)智能化自動控制。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　車庫控制方式分為3級——手動、半自動和全自動。手動是在現(xiàn)場用手操作器對每個托板進(jìn)行點(diǎn)動控制,應(yīng)用于車庫檢修、突然停電、緊急停機(jī)和車庫故障4種情況;半自動為操作PLC控制面板上的按鈕由PLC實(shí)現(xiàn)自動邏輯控制;全自動是由計(jì)算機(jī)給出存取命令由PLC來執(zhí)行任務(wù)(要求配備“操作器”)。其中,手動方式為最高優(yōu)先級,而半自動或全自動方式用于正常進(jìn)出車處理,其中半自動方式優(yōu)先級高于全自動。在計(jì)算機(jī)脫機(jī)情況下,PLC控制面板可以完成所有存取車操作,而且本設(shè)計(jì)要求手動、半自動、全自動之間必須能夠互鎖。

　　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　PLC是車庫控制系統(tǒng)的核心,其操作大致分為三類：以故障診斷和處理為主的操作;聯(lián)系現(xiàn)場狀況的數(shù)據(jù)I/O操作;執(zhí)行用戶程序以及響應(yīng)與PLC相連的外部設(shè)備的命令操作。當(dāng)有存取操作時,PLC會接收和分析操作人員在控制面板按鈕或上位機(jī)輸入的指令,做出合理的工控安排：判斷檢測元件的狀態(tài),讀取車庫機(jī)械驅(qū)動部分的信息;然后,將信息反饋到執(zhí)行元件,拖動車位板,實(shí)現(xiàn)其位置移動,完成車輛的存取操作和信號的顯示(指示燈)。整個動作區(qū)域配有光電檢測及多重安全系統(tǒng),以防異常情況發(fā)生。

　　該系統(tǒng)中PLC主要完成對托盤、托板位置及運(yùn)行狀態(tài)的檢測和存取車的操作。用各種光電開關(guān)、行程開關(guān)檢測位置狀態(tài),用接觸器、繼電器執(zhí)行對拖動電機(jī)的起停控制。

　　對車位的操作就是控制橫移小電機(jī)和升降大電機(jī),使它們在不同時間實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。而且上層升降動作和以下各層的橫移動作必須是互鎖的,即當(dāng)上層泊位在升降時,下面各層泊位不能移動,反之亦然。并且上層泊位每次只能有一個泊位進(jìn)行上下升降運(yùn)動。

為了保證存取車可靠安全,系統(tǒng)要精確定位。行程開關(guān)的設(shè)置保證了托板能平移到預(yù)定位置以及托盤能上升或下降到準(zhǔn)確位置,但同時,行程開關(guān)邏輯要嚴(yán)格互鎖。例如1、2水平限位開關(guān)在靜態(tài)情況下只能有一個是斷開的,如果2個以上開關(guān)閉合即表示托板不到位。在車庫靜止時, 2、3層所有掛鉤信號均應(yīng)斷開(負(fù)邏輯),2層上限位開關(guān)斷開,3層上限位開關(guān)閉合。

　　此外,為了保證載車板運(yùn)行過程的安全性,必須采取傳動系統(tǒng)自鎖保險設(shè)計(jì)和安全掛鉤保險設(shè)計(jì)：如鏈傳動采用制動電機(jī),無論發(fā)生什么情況,都處于自我保護(hù)狀態(tài);控制安全掛鉤運(yùn)動的電磁鐵上必須有一反饋信號,以指示掛鉤是否已把托盤掛好等。

　　光電開關(guān)布置在不同的位置有不同的功能：分別安裝在托盤底層左右兩邊的光電開關(guān),可以檢測托盤上汽車停放是否到位;在托盤對角線上安放的光電開關(guān)可以檢測托盤上有無車;裝設(shè)于停車庫車輛入口處左右兩側(cè)的光電開關(guān)還可以用于檢測外界的錯誤動作和車位移動時出現(xiàn)的異常情況等,如車輛未停妥、動作區(qū)域有人或物、運(yùn)行過程中有車想開進(jìn)等意外情況,光電開關(guān)光線被遮,會給PLC一個電平變化信號,從而改變PLC的輸入,蜂鳴器發(fā)音報(bào)警,設(shè)備不作運(yùn)行或停止運(yùn)行。

　　同時在車庫中還運(yùn)用了一些傳感器,如煙溫傳感器、檢測斷繩松繩或斷鏈報(bào)警的位移傳感器,以及警示裝置、緊急停車開關(guān)、手動按鈕、復(fù)位開關(guān)等。

　　PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　控制程序流程圖

　　該系統(tǒng)存取車控制只針對上層(二、三、四層)車位,而對于下層車位,存取車只需直接開進(jìn)開出即可?？刂栖浖捎锰菪螆D語言編寫。程序流程圖如圖2所示。

圖2 上層控制程序流程圖

　　軟件在設(shè)計(jì)不同層進(jìn)出車程序時運(yùn)用了“并行分支與匯合”的技巧,所謂并行分支指的是各分支流程可同時執(zhí)行,待各流程動作全部結(jié)束后,根據(jù)相應(yīng)執(zhí)行條件,匯合狀態(tài)動作。即如果選擇第三層托盤進(jìn)出車,可以使一層二層同時平移(左移或右移),這樣,設(shè)備動作順序之間聯(lián)鎖或雙重輸出時,控制系統(tǒng)均能自動處理,而且控制系統(tǒng)的試運(yùn)行及故障檢查非常方便,可節(jié)約大量時間,提高工作效率。

　　控制程序優(yōu)化

　　由于上層的托盤升降都必須使其下層車位為空車位之后才能進(jìn)行,以地上三層車位運(yùn)動為例,一層空車位位置有N種,二層托盤升降涉及的運(yùn)動方式有N2種,三層托盤可能的運(yùn)動方式有N3種,隨著車位和層數(shù)的增加,程序會出現(xiàn)劇烈膨脹,因此,如何尋求簡便方法,使程序得到優(yōu)化將是該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。以第二層為例,在變量Dm中存放第二層需要存取的車位號,該車位號為1~N,如進(jìn)行上層X(1≤X≤N)號車位存取,則Dm＝X;在Dn中存放下層空車位號,設(shè)空車位為Y號車位,則Dn＝Y(jié);在進(jìn)行存取車時,把Dm和Dn中的數(shù)值進(jìn)行比較,其結(jié)果為零,則上層車位的托盤可以直接下移;如果結(jié)果大于零,則表示空車位在左邊,這樣先把空車位右邊第一個托盤左移到空位上,之后重復(fù)上述過程,直到空車位在上層需要存取的車位正下方時,上層車位的托盤才能進(jìn)行升降運(yùn)動。三層和四層存取車的處理方法和第二層類似。

　　模塊化程序設(shè)計(jì)

　　PLC控制程序采用模塊化編程形式,車位運(yùn)行過程中只需調(diào)用子程序模塊,這樣大大降低了程序的復(fù)雜程度,方便了程序的修改,而且為車位的拓展提供了便利的條件。整個程序包括主程序模塊、手動按鍵子程序模塊、緊急停車按鍵子程序模塊、初始化程序模塊、存取車位號賦值程序模塊、空車位號與移動車位號賦值程序模塊、托盤平移運(yùn)動程序模塊、光電開關(guān)子程序模塊、托盤升降運(yùn)動程序模塊和故障報(bào)警子程序模塊。

　　軟件設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題的處理

　　程序所用狀態(tài)元件、定時器及數(shù)據(jù)存儲器均選用具有掉電保護(hù)功能的元件,當(dāng)系統(tǒng)掉電時元件保持掉電前的狀態(tài),以保存現(xiàn)場信息,待上電后繼續(xù)完成被中斷的動作;當(dāng)發(fā)生意外情況時,按下急停按鈕中止系統(tǒng)的運(yùn)行并保存現(xiàn)場斷點(diǎn)信息;當(dāng)出現(xiàn)如電機(jī)過載、過熱電氣或機(jī)械故障時,自動中止系統(tǒng)的運(yùn)行,并發(fā)出聲光報(bào)警,同時系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動方式進(jìn)行故障處理。

　　結(jié)語

　　升降橫移類立體車庫的控制系統(tǒng)通過采用PLC和Profibus現(xiàn)場總線控制,使整個控制系統(tǒng)的可靠性大大提高,滿足了車庫的控制功能與使用性能的要求,完全實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出車的智能控制。系統(tǒng)還在硬件設(shè)計(jì)上采用了手動、半自動和全自動多級冗余控制方式,配合軟件/硬件連鎖保護(hù),大大提高了系統(tǒng)的可靠性;同時,由于PLC軟件設(shè)計(jì)上的優(yōu)化處理,使得本系統(tǒng)對于車位的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)較為簡便;此外,軟件設(shè)計(jì)還采用了“并行分支與匯合”的技巧,從而大大縮短了進(jìn)出車時間,提高了工作效率。