基于PLC與變頻器的升降橫移式立體車庫的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、引言

隨著社會的發(fā)展，人們的生活水平有了極大的提高，汽車數(shù)量也日益劇增，尤其是居民小區(qū)、大型公共消費(fèi)場所等，更是寸土如金，解決停車問題日益嚴(yán)重。因此，具有占地面積小，庫容量大的自動化立體車庫就應(yīng)運(yùn)而生，它能較好地解決停車難的問題。目前常見的機(jī)械式立體停車庫的種類很多，主要有升降橫移式、垂直循環(huán)式、多層循環(huán)式、水平循環(huán)式、平面移動式、巷道堆垛式等，其中由于升降橫移式停車設(shè)備具有規(guī)模可大可小，對場地的適應(yīng)性較強(qiáng)和以最少的投資獲取最具價值的回報(bào)等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)立體停車庫市場占有絕對優(yōu)勢的市場份額。目前升降橫移式立體車庫較多采用PLC 控制電動機(jī)恒速運(yùn)行，速度過低則車庫運(yùn)行效率低，速度過高則易造成車位晃動與撞擊，而且大多沒有監(jiān)控系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)還不夠完善。為此，以PLC 作為控制核心，結(jié)合變頻器設(shè)計(jì)一種升降橫移式自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對電動機(jī)變頻調(diào)速的控制，既提高了車庫運(yùn)行效率，又保證了較高的移動精度，同時基于MCGS 組態(tài)軟件建立PLC 與上位PC 機(jī)之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互界面，既提高了車庫存取車速度，又方便了操作人員對系統(tǒng)的維護(hù)。

整個系統(tǒng)操作方便靈活、功能全面，并配備完善的安全裝置，為城市中日益嚴(yán)重的汽車停放問題提供了有效的解決辦法。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立體車庫機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由主框架、停車托盤、傳動系統(tǒng)等部分組成，總體設(shè)計(jì)為一、二層容量為2 個車位，三層為3 個車位，即共三層7 個車位，另外還有兩個周轉(zhuǎn)空位，用作汽車的中轉(zhuǎn)平臺，構(gòu)成示意圖如圖1 所示。立體車庫的主框架采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個車位單元配置停放車輛的托盤，托盤由傳動系統(tǒng)驅(qū)動可上下、左右移動。傳動系統(tǒng)分為升降傳動系統(tǒng)和橫移傳動系統(tǒng)。升降傳動系統(tǒng)由電動機(jī)、變頻器、鏈輪、鏈條等組成，運(yùn)行時，電動機(jī)帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪帶動鏈條，通過升降電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)托盤的上下升降運(yùn)動。橫移傳動系統(tǒng)由電動機(jī)、變頻器、驅(qū)動輪和從動輪、導(dǎo)軌組成，通過橫移電動機(jī)帶動托盤在橫梁上進(jìn)行橫移運(yùn)動。

圖1 立體車庫構(gòu)成示意圖

它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：底層只能平移，頂層只能升降，中間層既可以橫移又可以升降。當(dāng)?shù)讓?、2 號車位存取車輛時，不需移動其他托盤就可直接存?。划?dāng)中間層、頂層車位存取車輛時，首先必須把該車位正下方每層車位的托盤移開，產(chǎn)生一個垂直通道，再將該車位托盤移至一層，進(jìn)行車輛存取。存取車后的復(fù)位遵循一個原則：升降復(fù)位，平移不復(fù)位。如果在圖1所示的狀態(tài)下1~7 號車位均有車而6 號車位欲取車，則首先將4、2 號車位的托盤右移，接著6 號車位托盤下移，并取車，最后6 號車位托盤上升復(fù)位。

3 控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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，構(gòu)成"上位機(jī)+PLC+現(xiàn)場操作機(jī)構(gòu)"的典型結(jié)構(gòu)，圖2 為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

車庫控制方式有三種方式-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盤進(jìn)行點(diǎn)動控制，主要用于設(shè)備調(diào)試、維修或異常情況處理；半自動是利用PLC操作面板上的按鈕由PLC實(shí)現(xiàn)自動邏輯控制，在計(jì)算機(jī)脫機(jī)情況下，PLC 操作面板可以完成所有存取車操作；全自動是由計(jì)算機(jī)給出存取命令由PLC 執(zhí)行，同時車庫的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時反映在上位機(jī)上。

三種方式可以通過選擇開關(guān)任意選擇，正常情況下，車庫運(yùn)行于全自動方式。

上位機(jī)作為監(jiān)控機(jī)通過串行通訊，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)、控制及報(bào)警信號，并利用這些信號向PLC 發(fā)出控制指令，使PLC控制變頻器及電動機(jī)的運(yùn)作，同時利用這些信號驅(qū)動上位機(jī)控制界面中的各種圖形，實(shí)時顯示現(xiàn)場的各種狀況，在操作員和車庫之間構(gòu)造出形象、直觀的界面。

存車操作過程：先按"存車"鍵，再選擇所需要存車的庫位（按"取消"鍵可重新選擇庫位），判斷無誤后，按"確定"鍵，自動完成存車過程。取車過程基本和存車操作過程相同。

4 下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC 是車庫控制系統(tǒng)的核心，與變頻器相結(jié)合來完成車輛的存取操作、信號顯示及故障報(bào)警。存取車時PLC 工作過程如下：接收到上位機(jī)或操作面板按鈕輸入的指令后，首先檢測各種限位開關(guān)和檢測元件的狀態(tài)，讀取車庫機(jī)械驅(qū)動部分的信息，然后由PLC 控制變頻器為電動機(jī)提供低頻電壓，電動機(jī)啟動并作低速運(yùn)行，電動機(jī)轉(zhuǎn)子通過減速器帶動托盤移動。為實(shí)現(xiàn)電動機(jī)調(diào)速，在一定的目標(biāo)位置安裝了換速開關(guān)，待托盤移動觸碰到換速開關(guān)時，換速開關(guān)向PLC 發(fā)送加速信號，PLC 控制變頻器使之輸出高頻電壓，電動機(jī)帶動托盤以高速運(yùn)行，車位接近終點(diǎn)時，觸碰另一換速開關(guān)，PLC 收到減速信號，并向變頻器發(fā)送減速指令，電機(jī)再次低速運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)終點(diǎn)后，限位開關(guān)向PLC 發(fā)送停止信號，PLC 控制電動機(jī)斷電，同時制動裝置抱閘，保證電動機(jī)迅速停轉(zhuǎn)，避免車位移動過量。

系統(tǒng)采用三菱FR-E540 系列變頻器控制三相異步電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)托盤的移動，電動機(jī)控制原理圖如圖3 所示。

圖3 電動機(jī)控制原理圖。

表1 PLC 系統(tǒng)的輸入點(diǎn)分配表

為了保證托盤運(yùn)行過程的安全性，系統(tǒng)采取安全掛鉤保護(hù)設(shè)計(jì)，即控制安全掛鉤動作的電磁鐵上有一反饋信號，用于指示掛鉤是否已把托盤掛好。

為了保證系統(tǒng)精確定位及存取車可靠安全，系統(tǒng)設(shè)置了限位開關(guān)、光電開關(guān)和測長傳感器。限位開關(guān)保證了托盤能平移到預(yù)定位置以及托盤能上升或下降到準(zhǔn)確位置；光電開關(guān)可以檢測托盤上有無車等；測長傳感器是當(dāng)車輛超長時， 會給PLC 一個電平變化信號，使系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提示。此外，為了保證系統(tǒng)的安全性，車庫還運(yùn)用了緊急停車按鈕、手動按鈕等。

系統(tǒng)采用三菱FX2N 系列PLC 作為控制系統(tǒng)的控制器，PLC 的輸入信號包括按鈕信號、開關(guān)信號、傳感器信號等；輸出信號包括電動機(jī)驅(qū)動信號、指示燈驅(qū)動信號、變頻器控制信號、電磁鐵控制信號和報(bào)警信號等。系統(tǒng)具體的控制點(diǎn)分配見表1、2.

表2 PLC 系統(tǒng)的輸出點(diǎn)分配表

4.2 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC 控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)， 由主程序、存取車子程序和故障報(bào)警子程序組成，車位運(yùn)行過程中只需調(diào)用子程序模塊。當(dāng)車位在層數(shù)或排數(shù)上增加時，只需就其中的一個子程序和主程序進(jìn)行相應(yīng)的改動，而其它的子程序基本不必改動，大大減輕了車位拓展后重新編程的任務(wù)。PLC 控制程序流程圖如圖4 所示。

圖4 PLC 控制程序流程圖。

5 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由MCGS 組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有存取車操作以及整個車庫的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視都在計(jì)算機(jī)上完成。監(jiān)控系統(tǒng)主要完成以下三方面的工作：

（1） 操作控制。操作人員通過操作上位機(jī)控制界面可以選擇前面介紹的三種工作方式中的一種，直接控制電動機(jī)和變頻器的運(yùn)行， 從而實(shí)現(xiàn)存取車的控制，大大提高了系統(tǒng)在故障狀態(tài)時的應(yīng)急處理能力。

（2） 運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)視。采集各種開關(guān)信號、傳感器信號，實(shí)時顯示托盤平移、升降及各限位開關(guān)的狀態(tài)，有車、無車信號及掛鉤狀態(tài)等，完全實(shí)時反映現(xiàn)場情況，與現(xiàn)場完全一致。

（3） 數(shù)據(jù)管理。實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲和查詢，自動生成運(yùn)行記錄文件和報(bào)表，對于報(bào)警及故障信息自動生成記錄文件供事后分析。

上位機(jī)與PLC 的通訊是通過RS232 電纜將PLC的編程口與計(jì)算機(jī)的RS232 口相連來完成的。但上位機(jī)與PLC 通訊之前，要進(jìn)行相應(yīng)的通信參數(shù)設(shè)置，其設(shè)置必須與PLC 的設(shè)置一樣。在PLC 中是通過數(shù)據(jù)寄存器D8120 來進(jìn)行設(shè)置的，包括數(shù)據(jù)長度、校驗(yàn)形式、波特率和協(xié)議方式，系統(tǒng)選擇的通信參數(shù)設(shè)置為波特率9600,7 位數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)，1 位停止位，無命令頭和命令尾，整個命令不加校驗(yàn)和。只要在上位機(jī)上設(shè)置與PLC 一致的參數(shù)即可。

完成了上位機(jī)和PLC 的基本設(shè)置后，還要設(shè)置PLC 設(shè)備的通道連接，即完成PLC 元件與實(shí)時數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)數(shù)據(jù)對象的連接，系統(tǒng)將輸入元件X 的通道類型設(shè)置為只讀，將輸出元件Y 和輔助元件M 的通道類型設(shè)置為讀寫。這樣，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)就可以與PLC設(shè)備進(jìn)行通訊了。

6 可行性分析

根據(jù)汽車市場及可供停車泊位的場地來看，社會需求量巨大。若建1 座7 個泊位的車庫，固定成本（包括原材料、土建工程、自動化輔助設(shè)備等）大約為12.6 萬元左右（不同的地區(qū)會有一些差異），流動成本（包括工資、市場營銷、運(yùn)輸、折舊等）約為7 萬元，合并稅金等，該車庫的成本約在25 萬元，若市場普通車庫銷售價7.5 萬元，而本項(xiàng)目每個泊位銷售5 萬元，則單座車庫銷售額為35 萬元，單座這樣的車庫當(dāng)年就可以收回成本。

另外，從土地使用面積來看，以車庫占地面積15m2計(jì)算，7 個泊位需要占地105 m2,而本設(shè)計(jì)單座車庫占地面積約為47 m2,單個車庫就可以節(jié)省土地58 m2;從建造成本看，單個車庫可以節(jié)省建筑資金（7.5-5）×7=17.5 萬元，社會效益相當(dāng)可觀，開發(fā)前景良好。