立体车库控制系统

1多层升降横移式立体车库控制系统的设计武汉大学动力与机械学院程怀舟巫世晶陈东摘要:描述了多层升降横移式立体停车库的运行原理和结构特点，介绍了其控制系统的组成、PLC控制的实现和控制软件的设计，实现了立体车库的自动控制。关健词:多层升降横移式立体停车库;PLC控制系统;设计目前常见的机械式立体停车库有升降横移式、垂直循环式、多层循环式、水平循环式、平面移动式、巷道堆垛式、垂直升降类和简易升降式8种，其中升降横移类以其结构简单、操作方便、安全可靠、造价低等优点，在国内车库市场占有83%的市场份额。可编程控制器(PLC)集微机技术、自动化技术、通讯技术为一体，可靠性强、性价比高、设计紧凑、扩展性好、操作方便，因此在自动停车系统中通常作为电控核心。对于规模较大的系统，还可使用工业现场总线(Profibus或Devicenet)构成PLC网络，实现自动控制。结构特点是:底层只能平移，顶层只能升降，中间层既可平移又可升降。除顶层外，中间层和底层都必须预留一个空车位，供进出车升降之用。当底层车位进出车时，无需移动其他托盘就可直接进出车;中间层、顶层进出车时，先要判断其对应的下方位置是否为空，不为空时要进行相应的平移处理，直到下方为空才可进行下降和进出车动作，进出车后再上升回到原位置。其运动总原则是:升降复位，平移不复位。图1为3x3升降横移立体车库运动原理图。地下布置、半地上半地下布置车库的结构与此类似。1升降横移车库运行原理升降横移立体停车库车位结构为2维矩阵形式，可设计为多层、多列。由于受收链装置及进出车时间的限制，一般为2一4层(国家规定最高为4层)，以2,3层者居多，可根据泊车的多少决定停车库的规模。车库可设在地上，也可设在地下，或一半设在地下一半设在地上。其钢结构框架按一定规格的分格单元进行组合，可纵向延伸、分段集中控制，也可横向并列，分排单独控制。车库组合布置的不同形式可适应不同场地条件的需要，配置非常灵活。现以典型的地上3x3升降横移式车库为例，说明车库的运行原理。升降横移停车库利用托盘移位产生垂直通道，实现高层车位升降存取车辆，全部逻辑过程均由PLC进行控制。地面以上布置的升降横移立体车库结构特点：底层只能平移，顶层只能升降，中间层既可平移又可升降。除顶层外，中间层和底层必须预留一个空车位，供进出车升降之用。当底层车位进出车时，无需移动其他托盘就可直接进出车；中间层、顶层进出车时，先要判断其对应的下方位置是否为空，不为空时要进行相应的平移处理，直到下方为空才可进行下降和进出车动作，进出车后再上升回到原位置。其运动总原则是：升降复位，平移不复位。图1地上3x3升降横移立体车库运动原理图。地下布置、半地上半地下布置车库的结构与此类似。2立体车库控制系统设计2.1控制系统的组成立体车库控制系统由上位机监控系统和下位机PLC控制系统组成，图2为该系统结构框图。监控系统由“上级总线机或网络(可选)+上位机+PLC十现场操作机构”构成，以PC机为2核心，配备有打印机、音效设备、收款机、显示器等。上级总线控制机或网络、操作器、触摸屏、IC卡磁卡机都是可选部分，为进一步开发内容，可根据车库规模以及实际情况合理选用。例如多个3x3单元组合车库，我们可以用一个PLC控制一个车库单元，多个PLC共同构成多点结构的局域网。如果车库的规模足够大，还可以考虑配备操作器、触摸屏和IC卡磁卡机实现智能化自动控制。图2控制系统结构图车库控制方式分为3级—手动、半自动和全自动。手动是在现场用手操作器对每个托板进行点动控制;半自动为操作PLC控制面板上的按钮由PLC实现自动逻辑控制;全自动是由计算机给出存取命令由PLC执行(要求配备“操作器”)。手动方式主要用于维修调试或异常情况处理，为最高优先级;半自动或全自动方式用于正常进出车处理，其中半自动方式优先级高于全自动。在计算机脱机情况下，PLC控制面板可以完成所有存取车操作。手动、半自动、全自动之间必须能够互锁。2.2PLC控制系统设计PLC是车库控制系统的核心，其操作大致分为3类:(1)以故障诊断和处理为主的操作;(2)联系现场状况的数据vo操作;(3)执行用户程序和服务及外部设备的命令操作。当进行存取操作时，PLC接收和分析操作人员在控制面板按钮(或上位机)输人的指令，做出合理的工控安排:判断检测元件的状态，读取车库机械驱动部分的信息，反馈信息到执行元件，拖动车位板，实现其位置移动，完成车辆的存取操作和信号显示(指示灯)。整个动作区域配有光、电检测及多重安全系统，以防异常情况发生。通过光电检测、软硬件信号联锁、限位、防坠保护、过载保护等装置，来确保整个系统的安全、平稳运行。其控制原理见图3。图3PLC控制原理图该系统中PLC主要完成对托盘、托板位置及运行状态的检测和存取车的操作。用各种光3电开关、行程开关检测位置状态，用接触器、继电器控制拖动电机的起停。对车位的操作即控制横移小电机和升降大电机，使它们在不同时间实现正反转。而且上层升降动作和以下各层的横移动作必须是互锁的，即当上层泊位在升降时，下面各层泊位不能移动，反之亦然。并且上层泊位每次只能有一个泊位进行上下升降运动。为了保证存取车可靠安全，系统要精确定位。行程开关的设置保证了托板能平移到预定位置以及托盘能上升或下降到准确位置，但行程开关逻辑要严格互锁。例如1,2水平限位开关在静态情况下只能有一个是断开的，如果2个以上开关闭合即表示托板不到位。在车库静止时，所有固定托板的挂钩信号均应断开(负逻辑)，2层上限位开关断开，3层上限位开关闭合。为了保证载车板运行过程的安全性，必须采取传动系统自锁保险设计和安全挂钩保险设计:链传动采用制动电机，无论发生什么情况，都处于自我保护状态;控制安全挂钩动作的电磁铁上必须有一反馈信号，可用于指示挂钩是否已把托盘挂好。光电开关布置在不同的位置有不同的功能:安装在托盘底层左右2边的光电开关，可以检测托盘上汽车停放是否到位;在托盘对角线上安放的光电开关可以检测托盘上有无车;装设于停车库车辆人口处左右2侧的光电开关还可以用于检测外界的错误动作和车位移动时出现的异常情况等。若遇车辆未停妥、动作区域有人或物、运行过程中有车想开进等意外情况，光电开关光线被遮，会给PLC一个电平变化信号，从而改变PLC的输人，蜂鸣器发出长音并报警，设备不运行或停止运行。在车库中还运用了一些传感器，如烟温传感器、检测断绳松绳或断链报警的位移传感器，以及警示装置、紧急停车开关、手动按钮、复位开关等。2.3PLC控制系统程序设计(1)控制程序流程图该系统存取车控制只针对上层(2,3,4层)车位，而对于下层车位，存取车直接开进开出即可。控制软件采用梯形图语言编写。程序流程见图4，需要说明的是，托盘用钢丝绳或链条依靠托盘上的吊点悬吊在托架上，在静止状态时，防坠(安全)挂钩挂住托盘，托盘要下降时，必须先上升到最高点，移开安全挂钩，才能下降。在设计不同层进出车程序时运用了“并行分支与汇合”的技巧，所谓并行分支指的是各分支流程可同时执行，待各流程动作全部结束后，根据相应执行条件，汇合状态动作。即如果选择第3层托盘进出车，可以使一层二层同时平移(左移或右移)，这样，控制系统能自动处理设备动作顺序之间的联锁或双重输出，而且控制系统的试运行及故障检查非常方便，可节约大量时间，提高工作效率。(2)控制程序优化由于上层托盘的升降必须使其下层车位为空车位之后才能进行，以地上3层车位运动为例，1层空车位位置有N种，2层托盘升降涉及的运动方式有N2种，3层托盘可能的运动方式有N3种，随着车位和层数的增加，程序会出现剧烈膨胀，因此，如何寻求简便方法，使程序得到优化将是该系统程序设计的难点。以第2层为例，在变量刀阴中存放第2层需要存取的车位号1一N，如进行上层X(1≤X≤N)号车位存取，则Dm=X;在Dn中存放下层空车位号，如空车位号为Y，则Dn=Y;在进行存取车时，把Dm和Dn中的数值进行比较，其结果为零，则上层车位的托盘可以直接下移;如果结果大于零，则先把空车位右边第1个托盘左移到空位上，之后重复上述过程，直到空车位在上层需要存取的车位正下方时，上层车位上的托盘才能进行升降运动。程序优化结构图如图5。3层和4层存取车的处理方法和第2层类似。4图4上层控制程序流程图图5控制程序优化结构框图(3)模块化程序设计PLC控制程序采用模块化编程形式，车位运行过程中只需调用子程序模块，这样大大降低了程序的复杂程度，方便了程序的修改，而且为车位的拓展提供了便利条件。整个程序包括主程序模块、手动按键子程序模块、紧急停车按键子程序模块、初始化程序模块、存取车位号赋值程序模块、空车位号与移动车位号赋值程序模块、托盘平移运动程序模块、光电开关子程序模块、托盘升降运动程序模块和故障报警子程序模块。(4)软件设计中几个关键问题的处理程序所用状态元件、定时器及数据存储器均选用具有掉电保护功能的元件，当系统掉电时元件保持掉电前的状态，以保存现场信息，待上电后继续完成被中断的动作;当发生意外情况时，按下急停按钮中止系统的运行并保存现场断点信息;当出现电气或机械故障时，如电机过载、过热时自动中止系统运行，并发出声光报警，同时系统转人手动方式进行故障处理。3结束语升降横移式立体车库的控制系统采用PLC控制，使整个控制系统的可靠性大大提高，尤其是当串联车位较多时，可实现车位的自动调配，满足了车库的控制功能与使用性能要求，完全实现了进出车的自动控制。软件设计上的优化处理，使得本系统车位的扩展较为简便;同时，软件设计采用了“并行分支与汇合”技巧，大大缩短了进出车时间，提高了工作效率。如果进行二次开发，只需增加通讯模块就可实现与上位机的通讯，实现计算机现代化管理。参考文献：[1]苗深.PLC在立体停车装置控制中的应用[J].机电工程，2000,17(1):34-35[2]徐世许.可编程序控制器原理·应用·网络[M].合肥:中国科学技术大学出版社，2002[3]张寿明等多层升降横移式立体停车库及其控制仁77.电气自动化，2003,25(1):56-585[4]杜桂荣等多层升降横移式立体停车库的结构和控制系统[J].甘肃工业大学学报，2003,29(1):64-66[5]王芳卿.立体停车库及其控制[J].电器传动，1998,(6):45-51作者：程怀舟地址：武汉大学动力与机械学院研02级(1)班