采用PLC和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文介紹了基于可編程控制器（PLC）和Profibus總線的車庫(kù)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)述了多層升降橫移立體停車庫(kù)工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)PLC軟件設(shè)計(jì)及其優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了立體車庫(kù)的自動(dòng)控制。

隨著汽車的急增致使城市停車難問(wèn)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(dòng)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(jià)比高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞。目前市面上常見(jiàn)的機(jī)械式立體停車庫(kù)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(dòng)類、巷道堆垛類、垂直升降類和簡(jiǎn)易升降類等8種，其中升降橫移類以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、安全可靠、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)車庫(kù)市場(chǎng)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的市場(chǎng)份額。

升降橫移立體車庫(kù)運(yùn)行原理

升降橫移類機(jī)械停車庫(kù)利用托盤(pán)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(shí)間的限制，一般為2“4層（國(guó)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(shuō)明停車庫(kù)的運(yùn)行原理。

立體車庫(kù)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(gè)空車位，供進(jìn)出車升降之用。當(dāng)?shù)讓榆囄贿M(jìn)出車時(shí)，無(wú)需移動(dòng)其他托盤(pán)就可直接進(jìn)出車;中間層、頂層進(jìn)出車時(shí)，先要判斷其對(duì)應(yīng)的下方位置是否為空，不為空時(shí)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(dòng)作，進(jìn)出車完成后再上升回到原位置。其運(yùn)動(dòng)的總原則是：升降復(fù)位，平移不復(fù)位。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 上層控制程序流程圖

控制系統(tǒng)方案的確定

升降橫移立體停車庫(kù)以停放轎車為主，其代價(jià)較昂貴，而且立體停車庫(kù)使用時(shí)涉及到人身和車輛的安全，所以對(duì)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(dòng)控制裝置，集微機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通訊技術(shù)為一體，可靠性強(qiáng)、性價(jià)比高、設(shè)計(jì)緊湊、擴(kuò)展性好、操作方便，適用于頻繁啟動(dòng)和惡劣的環(huán)境，因此在立體停車庫(kù)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(chǎng)總線技術(shù)以其簡(jiǎn)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(guò)優(yōu)化的高速通信聯(lián)接，用于設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信，構(gòu)成獲得最短總體循環(huán)時(shí)間的單主站系統(tǒng)。本系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備之間的開(kāi)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(shí)，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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)時(shí)接收和處理下位機(jī)PLC從現(xiàn)場(chǎng)采集的各種狀態(tài)、控制、報(bào)警信號(hào)，并利用這些信號(hào)驅(qū)動(dòng)PC控制界面中的各種圖形，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)的各種狀況，在操作員和停車庫(kù)之間構(gòu)造出形象、直觀的界面，對(duì)操作運(yùn)行和故障給出提示、報(bào)警等。

立體車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的組成

立體車庫(kù)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(chǎng)總線+PLC+現(xiàn)場(chǎng)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(kù)是由多個(gè)3×3單元的組合，可以用一個(gè)PLC控制一個(gè)車庫(kù)單元，多個(gè)PLC共同構(gòu)成多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。如果車庫(kù)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(lái)實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)控制。

車庫(kù)控制方式分為3級(jí)——手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)。手動(dòng)是在現(xiàn)場(chǎng)用手操作器對(duì)每個(gè)托板進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，應(yīng)用于車庫(kù)檢修、突然停電、緊急停機(jī)和車庫(kù)故障4種情況;半自動(dòng)為操作PLC控制面板上的按鈕由PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)邏輯控制;全自動(dòng)是由計(jì)算機(jī)給出存取命令由PLC來(lái)執(zhí)行任務(wù)（要求配備“操作器”）。其中，手動(dòng)方式為最高優(yōu)先級(jí)，而半自動(dòng)或全自動(dòng)方式用于正常進(jìn)出車處理，其中半自動(dòng)方式優(yōu)先級(jí)高于全自動(dòng)。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(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)之間必須能夠互鎖。

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC是車庫(kù)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(chǎng)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(shí)，PLC會(huì)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(cè)元件的狀態(tài)，讀取車庫(kù)機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分的信息;然后，將信息反饋到執(zhí)行元件，拖動(dòng)車位板，實(shí)現(xiàn)其位置移動(dòng)，完成車輛的存取操作和信號(hào)的顯示（指示燈）。整個(gè)動(dòng)作區(qū)域配有光電檢測(cè)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(duì)托盤(pán)、托板位置及運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和存取車的操作。用各種光電開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)位置狀態(tài)，用接觸器、繼電器執(zhí)行對(duì)拖動(dòng)電機(jī)的起停控制。

對(duì)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?cè)诓煌瑫r(shí)間實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。而且上層升降動(dòng)作和以下各層的橫移動(dòng)作必須是互鎖的，即當(dāng)上層泊位在升降時(shí)，下面各層泊位不能移動(dòng)，反之亦然。并且上層泊位每次只能有一個(gè)泊位進(jìn)行上下升降運(yùn)動(dòng)。

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

此外，為了保證載車板運(yùn)行過(guò)程的安全性，必須采取傳動(dòng)系統(tǒng)自鎖保險(xiǎn)設(shè)計(jì)和安全掛鉤保險(xiǎn)設(shè)計(jì)：如鏈傳動(dòng)采用制動(dòng)電機(jī)，無(wú)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(dòng)的電磁鐵上必須有一反饋信號(hào)，以指示掛鉤是否已把托盤(pán)掛好等。

光電開(kāi)關(guān)布置在不同的位置有不同的功能：分別安裝在托盤(pán)底層左右兩邊的光電開(kāi)關(guān)，可以檢測(cè)托盤(pán)上汽車停放是否到位;在托盤(pán)對(duì)角線上安放的光電開(kāi)關(guān)可以檢測(cè)托盤(pán)上有無(wú)車;裝設(shè)于停車庫(kù)車輛入口處左右兩側(cè)的光電開(kāi)關(guān)還可以用于檢測(cè)外界的錯(cuò)誤動(dòng)作和車位移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的異常情況等，如車輛未停妥、動(dòng)作區(qū)域有人或物、運(yùn)行過(guò)程中有車想開(kāi)進(jìn)等意外情況，光電開(kāi)關(guān)光線被遮，會(huì)給PLC一個(gè)電平變化信號(hào)，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(shí)在車庫(kù)中還運(yùn)用了一些傳感器，如煙溫傳感器、檢測(cè)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(kāi)關(guān)、手動(dòng)按鈕、復(fù)位開(kāi)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(duì)上層（二、三、四層）車位，而對(duì)于下層車位，存取車只需直接開(kāi)進(jìn)開(kāi)出即可。控制軟件采用梯形圖語(yǔ)言編寫(xiě)。程序流程圖如圖2所示。

軟件在設(shè)計(jì)不同層進(jìn)出車程序時(shí)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(shí)執(zhí)行，待各流程動(dòng)作全部結(jié)束后，根據(jù)相應(yīng)執(zhí)行條件，匯合狀態(tài)動(dòng)作。即如果選擇第三層托盤(pán)進(jìn)出車，可以使一層二層同時(shí)平移（左移或右移），這樣，設(shè)備動(dòng)作順序之間聯(lián)鎖或雙重輸出時(shí)，控制系統(tǒng)均能自動(dòng)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(shí)間，提高工作效率。

控制程序優(yōu)化

由于上層的托盤(pán)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(dòng)為例，一層空車位位置有N種，二層托盤(pán)升降涉及的運(yùn)動(dòng)方式有N2種，三層托盤(pán)可能的運(yùn)動(dòng)方式有N3種，隨著車位和層數(shù)的增加，程序會(huì)出現(xiàn)劇烈膨脹，因此，如何尋求簡(jiǎn)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(hào)，該車位號(hào)為1”N，如進(jìn)行上層X(jué)（1≤X≤N）號(hào)車位存取，則Dm＝X;在Dn中存放下層空車位號(hào)，設(shè)空車位為Y號(hào)車位，則Dn＝Y(jié);在進(jìn)行存取車時(shí)，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(pán)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(gè)托盤(pán)左移到空位上，之后重復(fù)上述過(guò)程，直到空車位在上層需要存取的車位正下方時(shí)，上層車位的托盤(pán)才能進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。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(guò)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(gè)程序包括主程序模塊、手動(dòng)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(hào)賦值程序模塊、空車位號(hào)與移動(dòng)車位號(hào)賦值程序模塊、托盤(pán)平移運(yùn)動(dòng)程序模塊、光電開(kāi)關(guān)子程序模塊、托盤(pán)升降運(yùn)動(dòng)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(wèn)題的處理

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

結(jié)語(yǔ)

升降橫移類立體車庫(kù)的控制系統(tǒng)通過(guò)采用PLC和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性大大提高，滿足了車庫(kù)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(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)多級(jí)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(shí)，由于PLC軟件設(shè)計(jì)上的優(yōu)化處理，使得本系統(tǒng)對(duì)于車位的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)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(shí)間，提高了工作效率。

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