第29卷第4期2012年4月機電工程JournalofMechanical&ElectricalEngineeringV01.29No.4Apr.2012基于PLC的新型垂直提升式立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計易倩穎,葉云岳8,鄭灼(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州310027摘要:為實現(xiàn)機械式立體車庫的高效全自動運行,提出了基于可編程控制器(PLC的立體車庫控制系統(tǒng)解決方案。針對以直線電機直接驅(qū)動作為橫移裝置的新型垂直提升式立體車庫,首先介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理,接著闡述了其車庫控制系統(tǒng)的硬件組成和程序編制,最后,進行了立體車庫控制系統(tǒng)的運行試驗。試驗結(jié)果證明,該車庫控制系統(tǒng)能夠安全可靠地運行;且所提供的新型立體車庫設(shè)計方案是可行的、有效的。關(guān)鍵詞:立體車庫;直線電機;直接驅(qū)動;控制系統(tǒng)中圖分類號:TH21;TP271+.4;TH39文獻標志碼:A文章編號:1001~4551(201204—0409—04ResearchofthecontrolsystembasedOilPLCforanewverticalliftthree-dimensionalgarageYIQian—ying,YEYun—yue,ZHENGZhuo(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,ChinaAbstract:Inordertorealizehighefficiencyandwholeautomationofmechanicalthree—dimensionalgarage,asolutionofcontrolsystembasedonprogrammablelogiccontroller(PLCwasputforward.Fornewverticalliftgaragewhichusedlinearmotorastransversemovedevice,firstly,itsstructureandoperatingprincipleswereintroduced,thenthehardwareconstitutionandsoftwaredesignofcontrolsystemweredeeplydiscussed.Finally,actualtestofthecontrolsystemonthree—dimensionalgaragewasdone.Theexperimentalresultsprovethatthewholesystemcouldworkreliably,andthetechnologysolutionproposediseffectiveandfeasible.Keywords:three-dimensionalgarage;linearmotor;directdrive;controlsystemO引言隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,車輛不斷增多,國內(nèi)許多城市的車輛交通已經(jīng)遠遠超過現(xiàn)有道路設(shè)施的負荷,并且城市停車位緊缺的問題也日益突出。傳統(tǒng)的平面停車場占用大量寶貴的土地資源,無法有效解決目前停車難的問題,而先進的自動化立體車庫,集機械、智能自動化、驅(qū)動及檢測技術(shù)等于一體,具有占地面積小、自動化程度高、使用方便、安全可靠等優(yōu)點,已成為未來車庫發(fā)展的必然趨勢【-‘4,。機械式立體車庫主要可分為垂直提升式、升降橫,移式、巷道堆垛式、垂直循環(huán)式、圓形水平循環(huán)式、箱型水平循環(huán)式等同。其中,垂直提升式立體車庫每層可設(shè)置2個或多個泊車位嘶l,其工作方式類似于電梯,利用升降裝置將車輛提升至目標層,然后啟動橫移機構(gòu)將車輛存人泊位中。此種立體車庫機械結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜,但是能耗相對更少,具有較好的發(fā)展前景[7-91。本研究將介紹一種以直線電機直接驅(qū)動作為橫移裝置的新型垂直提升式立體車庫,由于去除了中間的機械傳動環(huán)節(jié),橫移電機將直接作用于載車板的運動控制,能夠?qū)崿F(xiàn)橫移動作的快速動態(tài)響應(yīng)并且節(jié)省時間和能耗,從而有效提高車庫的運行效率。收稿日期:2011-10一15作者簡介:易倩穎(1989一,女,江西宜春人,主要從事電機控制方面的研究.E—mail:yiqianying@通信聯(lián)系人:葉云岳,男,教授,博士生導(dǎo)師.E-mail:yeyunyue@萬方數(shù)據(jù)機電工程第29卷1立體車庫結(jié)構(gòu)及工作原理本研究中的立體車庫共4層8個車位,供試驗用,實際產(chǎn)品化時能夠方便地進行橫向或縱向擴展。車庫結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,最底層定義為零層,用于車輛的出入庫;中間的井道為載車臺的升降通道,車位分布在井道兩側(cè),每個車位對應(yīng)有一塊載車板,車庫運行時,存在某個車位的載車板在升降臺上的情況,如果此時用戶需要存車,系統(tǒng)默認將車存人此載車板所在的車位,如果用戶需要取車,則將載車板存人其所在的車位后再取車。56圖1立體車庫結(jié)構(gòu)示意圖1一鋼結(jié)構(gòu)框架;2-栽車板;3一配重;4--塔樓;5--升降臺:6---橫移電機整個車庫控制系統(tǒng)可分為機械傳動部件、控制部件以及檢測裝置。機械傳動部件包括鋼結(jié)構(gòu)框架、車位架、載車板、升降電機及減速機構(gòu)、橫移電機、電磁鐵、鋼絲繩、升降臺、抱閘、配重等,升降電機及減速機構(gòu)通過鋼絲繩驅(qū)動升降臺的升降,橫移電機則直接安裝在升降臺上,升降臺的表面鍍銅,橫移電機與表面之間存在氣隙,當電機通電后,橫移電機便能夠在升降臺表面左右移動,再輔以電磁鐵和光電傳感器,就可以實現(xiàn)橫移電機復(fù)位、存取載車板等多種功能;控制部件的控制對象為升降電機、橫移電機以及車庫的各種輔助裝置,主要包括PLC、變頻器、上位機等,其中PLC為整個控制系統(tǒng)的核心;此外,控制系統(tǒng)的實現(xiàn)離不開各種檢測裝置,包括光電傳感器、霍爾傳感器、壓力傳感器、按鈕、接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器等。用戶存車的流程為:系統(tǒng)首先判斷升降臺上是否有載車板,若有,升降臺直接降落至零層,若沒有,則就近選擇一個車位并取出相應(yīng)的載車板,待升降臺降落至零層后,用戶即可將車開入,零層的對射式光電開關(guān)傳感器以及壓力傳感器將對車輛是否符合停車標準以及是否停放到位進行檢測,車輛停好后,用戶按“確認停車”按鈕,升降臺開始上升,?？恐聊繕藢雍?橫移電機驅(qū)動載車板沿導(dǎo)軌進入車位,停放到位后,橫移電機回移,升降臺平層處理;取車過程類似。與一些直接采用接觸器、斷路器控制電機的立體車庫不同,本研究考慮到立體車庫對升降和橫移系統(tǒng)的起停、定位精度以及速度控制等方面有較高要求,采用可變頻變壓的變頻器作為電機的驅(qū)動,在運行中,PLC根據(jù)當前的運行距離動態(tài)生成速度的給定值,并且引入速度PI環(huán)節(jié),構(gòu)成速度閉環(huán)控制系統(tǒng),有效提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力。理想的速度給定曲線如圖2所示,包括加速段、勻速段、減速段及爬行段,可以看到,加、減速段的加速度恒定,可以讓速度的變化更為平穩(wěn);此外,為了提高定位精度,本研究在到達目標位置之前須設(shè)定一段爬行距離(固定值,給定一個很低的爬行速度,以保證到位時能夠可靠停止;在實際運算中,并非根據(jù)當前的運行時間來確定速度的給定值,而是結(jié)合當前的運行距離,根據(jù)軟件內(nèi)部設(shè)定的加速度、最小運行速度、最大運行速度等參數(shù)動態(tài)生成的。圖2理想的速度給定曲線升降臺和橫移機構(gòu)的定位均采用反射式光電開關(guān)傳感器,每層的平層位置安裝有專用反射鏡,光電開關(guān)隨升降臺運動,每經(jīng)過一層時,PLC檢測到輸入信號的變化,從而更新當前所在層的值,若已經(jīng)到達目標層,則停止供電并且關(guān)閉抱閘;就橫移機構(gòu)而言,光電開關(guān)隨橫移機構(gòu)運動,專用反射鏡安裝在升降臺表面,考慮到實際的若干種動作可能,需要設(shè)計4個定位點,從左至右分別為:為取左邊的載車板所要運動到的點,取出右邊的載車板后所運動到的點,取出左邊的載車板后所運動到的點,為取右邊的載車板所要運動到的點。2立體車庫控制系統(tǒng)的硬件組成為達到較高的自動化程度并且能夠安全可靠地運行,控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。S7—300PLC作為整個控圖3立體車庫控制系統(tǒng)框圖萬方數(shù)據(jù)第4期易倩穎,等:基于PLC的新型垂直提升式立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計?411-制系統(tǒng)的核心,擔(dān)負與上位機通信、各種開關(guān)量信號的接入、利用開關(guān)量輸出控制外圍繼電器的通斷、控制變頻器的運行、通過與s7—200PLC的通信獲取旋轉(zhuǎn)編碼器的信號變化以及實現(xiàn)與外圍串口設(shè)備的數(shù)據(jù)交換等任務(wù)。PLC是由微處理器、輸入/輸出設(shè)備、保護及抗干擾隔離電路等構(gòu)成的可編程控制器n…,具有可靠性高、體積小、通用性好、使用方便等優(yōu)點,很適合立體車庫這種對設(shè)備可靠性要求很高的應(yīng)用場合。西門子的S7—300系列PLC能滿足中等性能要求的應(yīng)用,尤其適用于極其快速的過程或?qū)?shù)據(jù)處理能力有特別要求的中小型自動化控制系統(tǒng)。為了節(jié)省成本,該系統(tǒng)的串口通信和高速計數(shù)器功能由s7—200PLC分擔(dān),所以S7—300PLC的模塊構(gòu)成比較簡單,由電源模塊、CPU模塊、數(shù)字量輸入擴展模塊、數(shù)字量輸出擴展模塊組成,CPU型號選用313C一2DP,自帶數(shù)字量輸人和數(shù)字量輸出各16點,處理速度和運算能力均滿足該系統(tǒng)要求。由于控制系統(tǒng)無模擬量輸入,信號模塊只需選用數(shù)字量的輸入/輸出,在確定輸入/輸出點數(shù)時,應(yīng)根據(jù)實際需要并且預(yù)留一定的點數(shù)作為備用,車庫設(shè)計的層數(shù)不同,需要的輸人/輸出點數(shù)也不同,利用點數(shù)的擴展可方便地實現(xiàn)立體車庫系統(tǒng)的橫向或縱向擴展。2層4車位的車庫控制系統(tǒng)的輸入輸出分配表如表1、表2所示。表1S7—300PLC的輸入信號分配表表2S7—300PLC的輸出信號分配表變頻器采用的是西門子SINAMICSG120,它采用模塊化結(jié)構(gòu),集成安全保護功能、通訊能力和能量回饋功能等,可提供V/f、FCC、矢量控制等多種驅(qū)動方案“”。該控制系統(tǒng)中,G120與S7—300PLC通過PROFI.BUS—DP方式通訊,G120為從站,S7—300PLC為主站,主站通過發(fā)送控制字和給定頻率,可控制變頻器的運行、停止、正(反轉(zhuǎn)、輸出頻率等。S7—200PLC與S7—300PLC之間的通訊是通過EM277模塊實現(xiàn)的,同樣采用PROFIBUS—DP方式。在該控制系統(tǒng)中,s7—200PLC主要有兩個功能:①利用內(nèi)部的高速計數(shù)器采集旋轉(zhuǎn)編碼器的信號,將計數(shù)值傳遞給s7—300PLC,獲取位置和速度信息;②利用其串口通訊功能,完全作為消息收發(fā)的中轉(zhuǎn)站,將IC卡讀卡器輸入的卡號、鍵盤輸入的密碼傳遞給s7—300PLC,同時將s7—300PLC發(fā)送的提示消息傳遞給LED顯示屏、語音設(shè)備。當然,S7—200PLC與這些外圍設(shè)備并非直接相連,而是通過多級通訊接口板實現(xiàn),為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性,s7—200PLC與通訊接口板之間的通訊協(xié)議比較復(fù)雜。3立體車庫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計該控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用西門子STEP一7編程軟件,該軟件能夠監(jiān)視PLC內(nèi)部變量,可操作性強。根據(jù)車庫的控制要求,本研究采用模塊化編程,程序由初始化組織塊、主程序以及多個子程序組成,子程序包括復(fù)位子程序、存車子程序、取車子程序、取消功能、傳感器故障自診斷和報警子程序、升降動作控制、橫移動作控制、接收消息處理、發(fā)送消息、讀取時間日期等,PLC上電后,總是順序地、循環(huán)地執(zhí)行主程序,主程序又不斷地調(diào)用相關(guān)的子程序,如此周而復(fù)始。車庫開始運行時,初始狀態(tài)未知,必須調(diào)用復(fù)位子程序建立新的初始狀態(tài),程序流程圖如圖4所示。圖4復(fù)位子程序流程圖萬方數(shù)據(jù)機電工程第29卷存車和取車操作不能同時進行,升降機構(gòu)和橫移機“1一一羔J構(gòu)也不允許同時運行,存車的程序流程圖如圖5所示。圖5存車子程序流程圖立體車庫涉及人身和車輛的安全,因此在軟件設(shè)計方面,除了實現(xiàn)要求的功能,還必須要有相應(yīng)的安保措施,該控制系統(tǒng)主要設(shè)有以下幾種安全保護:傳感器故障自診斷和報警子程序通過掃描所有車位上的光電傳感器和霍爾傳感器,可以檢測車庫的初始狀態(tài),并且在發(fā)現(xiàn)故障情況下提供報警和故障提示;零層設(shè)有超長、超寬、超高檢測裝置,用于檢測車輛是否符合停車標準以及是否停放到位;運動控制方面,本研究采用光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器相互校驗的方法預(yù)防因其中一種傳感器故障所造成的沖撞、到達目標位置仍繼續(xù)運動等錯誤,因為一旦這種錯誤發(fā)生,將對車庫造成極大的沖擊;此外,該系統(tǒng)還設(shè)有時間保護、各種校驗等措施。4運行試驗經(jīng)調(diào)試.車庫已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)任意車位的停取、取消、傳感器故障自診斷和處理以及多種安全保護等功能,并且能與上位機、Ic卡讀卡器、鍵盤、LED提示屏等設(shè)備相互配合,車庫系統(tǒng)的人機界面圖如圖6所示。經(jīng)測試.升降機構(gòu)的最大運行速度可以達到1.0m/s,橫移機構(gòu)為0.8m/s;正常運行時,可設(shè)定系統(tǒng)升降運行的最高速度0.6m/s、爬行速度0.02m/s、加速度0.2m/s2,橫移運行的最高速度0.5m/s、爬行速度O.04m/s、加速度O.2lTI,s2,S7—200PLC每5ms讀取一次高速計數(shù)器值,S7—300PLC每50ms運算一次PI,實際運行效果良好。嗣矧疊姓證l奉ltt膏l(xiāng)矗瞻取■I目取I■赫爵I’p號赴l(fā)I墨劇三圖6人機界面圖(管理員操作界面5結(jié)束語本研究就一種采用直線電機直接驅(qū)動作為橫移裝置的垂直提升式立體車庫的控制系統(tǒng)展開相應(yīng)的分析和設(shè)計。試驗證明,基于PLC的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)不僅滿足控制的實時性要求,還具有自動化程度高、可靠性高和擴展性好等特點。立體車庫是未來車庫發(fā)展的趨勢,而研究結(jié)果表明,本研究中的車庫系統(tǒng)能為此提供一種新型的設(shè)計方案。參考文獻(References:[1]文繼華,梁萍.劉強,等.PLC在立體車庫中的應(yīng)用[J]徽計算機信息,2008,24(9—1:88—90.[2]姚小明,范多旺,馬國欣,等.基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的自動化立體車庫監(jiān)控系統(tǒng)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2005.24(3:102—105.[3]馬紅麟