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

陸　波　王榮揚

(湖州職業(yè)技術學院機電與汽車工程學院，浙江 湖州　313000)

基于PLC的升降橫移立體車庫控制系統(tǒng)設計

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

陸波王榮揚

(湖州職業(yè)技術學院機電與汽車工程學院，浙江 湖州313000)

摘要：隨著汽車保有量的上升，立體車庫成為解決城市停車問題的首要選擇。采用UG軟件設計了一種4層9車位升降橫移立體車庫，開發(fā)了一種基于PLC及變頻器的自動控制系統(tǒng)。對控制系統(tǒng)的工作原理和硬件組成進行了研究，闡述了系統(tǒng)控制流程和執(zhí)行保護策略。結果表明，該升降橫移立體車庫具有結構簡單、運行成本低、占地少及運行安全可靠等優(yōu)點，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題。

關鍵詞：立體車庫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，越來越多的家庭購買汽車，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。由于機動車90%以上的時間處于停泊狀態(tài)，這導致城市商業(yè)廣場、居民小區(qū)及企業(yè)工廠等越來越難停車，因此立體車庫廣受歡迎。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在市面上有近10種不同的立體車庫，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因其結構簡單、規(guī)?？勺?、對場地適應性好且具有較便宜的價格和優(yōu)良的投資回報率等優(yōu)點[3]，在商業(yè)廣場、政府以及住宅等區(qū)域占有大部分市場[4]。

目前，升降橫移立體車庫主要采用PLC控制電動機恒速運行，速度過低導致效率低，速度過快導致車位在移動過程中晃動，且啟動和停車帶有很大的沖擊力，使用過程中將降低設備穩(wěn)定性[5]?？紤]到有線通信具有布線多且復雜等問題，周雪松等人提出了一種基于DSP芯片和無線收發(fā)技術的立體車庫電氣控制系統(tǒng)，但該系統(tǒng)還處于實驗室階段[6]。因PLC控制器價格昂貴且I/O口少，利用DSP控制器價格便宜且I/O多的特點， 張育斌等人提出了一種基于DSP和PLC技術的智能倉儲式立體車庫控制系統(tǒng)[7]。近年來，許多學者在立體車庫控制算法方面展開了很多研究，提出了改進遺傳算法對立體車庫進行調度策略的優(yōu)化，建立了以總存取時間為目標函數(shù)的數(shù)學模型，仿真結果取得了較為理想的效果[8]。雖然近年來涌現(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，難以用于實際立體車庫中。

鑒于此，本文旨在設計一款規(guī)模小、價格便宜的升降橫移式立體車庫。本文采用UG軟件設計了一種4層9車位的升降橫移立體車庫，以PLC技術為控制核心，結合變頻器技術和編碼器，設計了一種速度可調的升降橫移立體車庫自動控制系統(tǒng)。

1升降橫移立體車庫設計

升降橫移立體車庫是一種通過載車板的升降或橫移運動及橫移框架的升降運動來實現(xiàn)轎車多層停放的停車設備，具有結構簡單、規(guī)模可變、對場地適應性好、價格便宜和投資回報率優(yōu)良等優(yōu)點。作為車庫的支撐部件，立柱采用H型鋼及L型角鋼制作，主要承擔轎車的質量；載車板作為停放轎車的載體，主要由波浪板、電機、變頻器、鏈輪、導輪及鋼絲繩等組成，底層載車板完成橫移運動，2、3、4層載車板完成升降運動；橫移框架主要由H型鋼、電機、變頻器、鏈輪、鏈條等組成，完成車輛的橫移移動。本文設計的立體車庫采用2+2+2+3車位結構，共4層9個車位，如圖1所示。

圖1　車位結構圖示意圖

圖1中，阿拉伯數(shù)字表示載車板編號(用于選擇存取汽車)，英文字母表示車位號(用于編程)。在立體車庫工作過程中，除K車位有8號載車板外，其余H、E、B車位均沒有載車板，為兩側橫移框架橫移運動提供了空間。底層1號、2號載車板與地面平齊，可以直接存放轎車；當3號、4號、5號、6號、7號及9號載車板升降時，底層1號、2號載車板需作橫移運動，完成騰空車位動作；3號、4號、5號及6號載車板既需完成升降運動，又要完成橫移運動；頂層7號、8號、9號車位需要完成升降運動。根據(jù)以上原理，通過分析計算，利用UG軟件設計了一種4層9車位升降橫移立體車庫。

2載車板運行速度曲線

電機運行速度曲線主要有梯形型、拋物線型和拋物線-直線型3種。因直線型的機械沖擊力大，容易造成設備的損壞；拋物線型雖然機械沖擊力小于直線型，但在運行過程中電機一直處于加減速過程中，缺少穩(wěn)定的運行階段，使得設備運行不平穩(wěn)；雖然拋物線-直線型具有機械沖擊力較小，運行穩(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程中[9]。為減小加速度對電機運行的影響，本文設計了如圖2所示的速度曲線。

圖2　電機運行速度曲線

運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。本文選取旋轉編碼器和變頻器控制電機運行。

圖2中，A、B、C、D、E、F、G、H作為換速點，其中A、D、E、H四個換速點的加速度變化率為0，由此可以計算出各運行階段對應的速度函數(shù)，如下所示。

AB段：V=kt2t∈(0,t1)

根據(jù)速度函數(shù)可以計算出換速點的相對距離。經(jīng)過計算，編碼器可以精確地測得換速點對應的位置信息，然后編碼器將換速點信息反饋給PLC，再由PLC根據(jù)反饋的換速點信息控制變頻器控制電機的轉速。經(jīng)過分析，本速度曲線在保證一定運行效率的前提下，改善了機械沖擊力。

3控制系統(tǒng)硬件設計

如圖3所示,升降橫移立體車庫硬件系統(tǒng)主要由PLC控制系統(tǒng)、傳感器檢測系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)及上位機等部分組成。PLC控制系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的核心，通過接收傳感檢測系統(tǒng)的輸入信號，判斷立體車庫的運行狀態(tài)；結合人機交互系統(tǒng)數(shù)字按鍵輸入，根據(jù)旋轉編碼器獲取的換速點信息，完成對變頻器的控制以及外圍設備的數(shù)據(jù)交換。

圖3　升降橫移立體車庫控制系統(tǒng)框圖

3.1　升降橫移立體車庫傳感檢測系統(tǒng)

為了保證立體車庫正常運行和提高系統(tǒng)運行安全性，需要使用光電開關、限位開關、防墜掛鉤、壓力傳感器、煙霧傳感器等來檢測車庫的工作狀態(tài)。表1所示為本立體車庫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　升降橫移立體車庫電機控制系統(tǒng)

在第2部分中分析了電機運行速度曲線，對于本設計來說，底層兩個載車板各自安裝一個電動機，控制載車板的橫移運動；第2、3層的載車板各自安裝2個電動機，分別控制載車板的升降運動和橫移框架的左右移動；頂層的3個載車板安裝3個電機，完成載車板的升降運動。本設計均采用變頻器+編碼器的方式完成電機的控制。電機采用專用橫移電機和升降電機，此類電機具有自動抱閘功能，可實現(xiàn)自鎖保護。電機接線圖如圖4所示。

圖4　電機控制原理圖

三相工頻電源通過斷路器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接至電動機，熱繼電器FR1用于工頻運行時的過載保護。

3.3　升降橫移立體車庫人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)由PLC控制單片機完成，主要實現(xiàn)語音提示、數(shù)字按腳、LCD顯示、急停、報警、存車、取車級確認等功能。當存車時，按存車鍵+車位號+確認。

4控制系統(tǒng)軟件設計

圖5所示為控制系統(tǒng)9號載車板存車流程圖。

圖5　9號載車板存車流程圖

立體車庫的動作過程如下。①存車時，當?shù)讓榆囄惶幱诳瘴粫r，可直接存車，減少載車板橫移電機的運動；若底層沒有空車位，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，則需要通過橫移電機對下方載車板進行移位，最后進行升降運動。②取車時,當車子存放在底層時，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、保護子程序及報警子程序。本文以9號載車板存車為例說明PLC工作的過程。PLC接收到人機交互界面“存車”按鈕命令后，系統(tǒng)開始自檢，完成各種限位開關和檢測元件的初始化；按下人機交互界面的9號載車板按鍵和確認按鍵后，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，為9號載車板的下降騰空位置，PLC控制變頻器為電動機提供不同頻率的電壓，控制電動機運行速度，旋轉編碼器準確控制載車板下降距離；根據(jù)編碼器的反饋信號和下限位開關反饋信號，判斷9號載車板是否達到終點，PLC控制電動機斷電，同時制動器抱閘。當司機停車完成后，9號載車板完成復位任務，此時存車任務結束。

5執(zhí)行結構運行保護

立體停車庫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。本設計中主要采用了過限保護、時間保護以及防墜落裝置等[10]。

(1) 過限保護：過限保護屬于載車板或橫移框架運動系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，當編碼器、變頻器和PLC組成的主控制器失效的情況下，過限保護裝置開始工作。

(2) 時間保護：在控制系統(tǒng)中，預先設置每個動作的最大允許執(zhí)行時間，當執(zhí)行元器件在最大執(zhí)行時間沒有動作時，強制執(zhí)行保護子程序。

(3) 防墜落裝置：防止升降用鋼絲繩斷裂、傳動系統(tǒng)零件失效、卷揚筒驅動鋼絲繩亂繩、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結束語

本研究旨在設計一款規(guī)模小、價格便宜的升降橫移式立體車庫。通過相應分析計算，采用UG三維建模軟件設計了一種4層9車位的升降橫移立體車庫，開發(fā)了一種基于PLC技術和變頻器技術的電機運行速度可調的立體車庫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能完成立體車庫的升降和橫移運動的精確定位控制。最后分析了立體車庫運行中會遇到的安全問題，并給出了相應的解決辦法。

結果表明，本升降橫移立體車庫具有結構簡單、運行成本低、占地少及安全可靠運行的特點，且控制系統(tǒng)易于操作。本立體車庫能有效且可行地解決城市停車難的問題。

參考文獻

[1] 張桂香,耿長清.基于PLC的升降橫移式立體車庫自動控制[J].自動化儀表,2013,34(7):35-37.

[2] 陳婧,田懷文.大型垂直循環(huán)橫向平移立體車庫的結構設計及穩(wěn)定性分析[J].機械設計,2013,30(5):67-70.

[3] 李果,張廣明,凌祥.多層升降橫移立體停車庫控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].機械設計與制造,2011(3):174-175.

[4] 湯平,劉昭琴.PLC控制的立體式車庫研究分析[J].制造業(yè)自動化,3013,35(8)：154-156.

[5] 姜艷華,張連勇.基于PLC的立體車庫自動控制系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用,2011,20(5):21-24.

[6] 周雪松,許立瑾,邵寶福,等.基于DSP芯片和無線收發(fā)技術的立體車庫電氣控制系統(tǒng)[J].機床與液壓,2010,38(2):83-84.

[7] 張育斌,王萬成,王志琴,等.基于DSP的倉儲式立體車庫控制系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2013,21(3)：648-650.

[8] 李劍鋒,段文軍,方斌,等.基于改進遺傳算法立體車庫存取調度優(yōu)化[J].控制工程，2010,17(9)：658-661.

[9] 顧建凱.基于PLC的低成本機械式立體停車庫控制系統(tǒng)研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2013.

[10]馬紅麟.基于PLC控制的多層立體車庫的研究與設計[j].制造業(yè)自動化,2009,31(3):97-100.

中圖分類號：TH73；TP271

文獻標志碼：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)于浙江科技學院工業(yè)自動化專業(yè)，獲學士學位，講師；主要從事工業(yè)自動化的研究。