基于PLC的升降横移立体车库控制系统设计.pdf

PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 36 No 7 July 2016 修改稿收到日期 2014 12 22 第一作者陆波 1978 女 2001 年毕业于浙江科技学院工业自动 化专业 获学士学位 讲师 主要从事工业自动化的研究 基于 PLC 的升降横移立体车库控制系统设计 Design of the PLC based Control System for 3 D Lifting and Transferring Parking Garage 陆 波 王荣扬 湖州职业技术学院机电与汽车工程学院 浙江 湖州 313000 摘 要 随着汽车保有量的上升 立体车库成为解决城市停车问题的首要选择 采用 UG 软件设计了一种 4 层 9 车位升降横移立体 车库 开发了一种基于 PLC 及变频器的自动控制系统 对控制系统的工作原理和硬件组成进行了研究 阐述了系统控制流程和执行 保护策略 结果表明 该升降横移立体车库具有结构简单 运行成本低 占地少及运行安全可靠等优点 且控制系统易于操作 能有效 且可行地解决城市停车难问题 关键词 立体车库 可编程控制器 控制系统 升降横移 UG 速度曲线 中图分类号 TH73 TP271 文献标志码 A DOI 10 16086 j cnki issn1000 0380 201507007 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 garage PLC Control system Lifting and transferring UG Speed curve 0 引言 近年来 越来越多的家庭购买汽车 有很多家庭拥 有 2 辆以上汽车 且绝大部分汽车集中在大 中城市 由于机动车 90 以上的时间处于停泊状态 这导致城 市商业广场 居民小区及企业工厂等越来越难停车 因 此立体车库广受欢迎 经过几十年的发展 现在市面 上有近 10 种不同的立体车库 大致可以分为以下几 类 升降横移式 多层循环式 水平循环式 垂直循环式 及巷道堆垛式等 1 2 其中升降横移立体车库因其结 构简单 规模可变 对场地适应性好且具有较便宜的价 格和优良的投资回报率等优点 3 在商业广场 政府以 及住宅等区域占有大部分市场 4 目前 升降横移立体车库主要采用 PLC 控制电动 机恒速运行 速度过低导致效率低 速度过快导致车位 在移动过程中晃动 且启动和停车带有很大的冲击力 使用过程中将降低设备稳定性 5 考虑到有线通信具 有布线多且复杂等问题 周雪松等人提出了一种基于 DSP 芯片和无线收发技术的立体车库电气控制系统 但该系统还处于实验室阶段 6 因 PLC 控制器价格 昂贵且 I O 口少 利用 DSP 控制器价格便宜且 I O 多 的特点 张育斌等人提出了一种基于 DSP 和 PLC 技术 的智能仓储式立体车库控制系统 7 近年来 许多学 者在立体车库控制算法方面展开了很多研究 提出了 改进遗传算法对立体车库进行调度策略的优化 建立 了以总存取时间为目标函数的数学模型 仿真结果取 得了较为理想的效果 8 虽然近年来涌现了多种新型 的控制方法 但是这些新型控制方法还不成熟 难以用 于实际立体车库中 鉴于此 本文旨在设计一款规模小 价格便宜的升 降横移式立体车库 本文采用 UG 软件设计了一种 4 层9 车位的升降横移立体车库 以 PLC 技术为控制 核心 结合变频器技术和编码器 设计了一种速度可调 的升降横移立体车库自动控制系统 1 升降横移立体车库设计 升降横移立体车库是一种通过载车板的升降或横 移运动及横移框架的升降运动来实现轿车多层停放的 停车设备 具有结构简单 规模可变 对场地适应性好 价格便宜和投资回报率优良等优点 作为车库的支撑 部件 立柱采用 H 型钢及 L 型角钢制作 主要承担轿 车的质量 载车板作为停放轿车的载体 主要由波浪 22 基于 PLC 的升降横移立体车库控制系统设计 陆 波 等 自动化仪表 第 36 卷第 7 期 2015 年 7 月 板 电机 变频器 链轮 导轮及钢丝绳等组成 底层载 车板完成横移运动 2 3 4 层载车板完成升降运动 横 移框架主要由 H 型钢 电机 变频器 链轮 链条等组 成 完成车辆的横移移动 本文设计的立体车库采用 2 2 2 3 车位结构 共 4 层 9 个车位 如图 1 所示 图 1 车位结构图示意图 Fig 1 Schematics of the layout of parking spaces 图1 中 阿拉伯数字表示载车板编号 用于选择存 取汽车 英文字母表示车位号 用于编程 在立体车 库工作过程中 除 K 车位有 8 号载车板外 其余 H E B 车位均没有载车板 为两侧横移框架横移运动提供了空 间 底层1 号 2 号载车板与地面平齐 可以直接存放轿 车 当3 号 4 号 5 号 6 号 7 号及9 号载车板升降时 底 层1 号 2 号载车板需作横移运动 完成腾空车位动作 3 号 4 号 5 号及 6 号载车板既需完成升降运动 又要完 成横移运动 顶层 7 号 8 号 9 号车位需要完成升降运 动 根据以上原理 通过分析计算 利用 UG 软件设计 了一种4 层9 车位升降横移立体车库 2 载车板运行速度曲线 电机运行速度曲线主要有梯形型 抛物线型和抛物 线 直线型3 种 因直线型的机械冲击力大 容易造成设 备的损坏 抛物线型虽然机械冲击力小于直线型 但在运 行过程中电机一直处于加减速过程中 缺少稳定的运行 阶段 使得设备运行不平稳 虽然抛物线 直线型具有机械 冲击力较小 运行稳定性也比抛物线型好 但是也避免不 了加速度处于变化过程中 9 为减小加速度对电机运行 的影响 本文设计了如图2 所示的速度曲线 图 2 电机运行速度曲线 Fig 2 The motor speed curve 运行速度曲线主要由抛物线加速阶段 AB 段 匀加速阶段 BC 段 抛物线加速阶段 CD 段 匀速 运行阶段 DE 段 抛物线减速阶段 EF 段 匀减速 阶段 FG 段 抛物线减速阶段 GH 段 组成 本文选 取旋转编码器和变频器控制电机运行 图 2 中 A B C D E F G H 作为换速点 其中 A D E H 四个换速点的加速度变化率为 0 由此可以计 算出各运行阶段对应的速度函数 如下所示 AB 段 V kt2 t 0 t1 BC 段 V VB a t t1 t t1 t2 CD 段 V VC kt t2 2t t2 t3 EF 段 V VE kt t4 2t t5 t4 FG 段 V VF a t t5 t t6 t5 GH 段 V VG kt t6 2t t7 t6 根据速度函数可以计算出换速点的相对距离 经 过计算 编码器可以精确地测得换速点对应的位置信 息 然后编码器将换速点信息反馈给 PLC 再由 PLC 根 据反馈的换速点信息控制变频器控制电机的转速 经 过分析 本速度曲线在保证一定运行效率的前提下 改 善了机械冲击力 3 控制系统硬件设计 如图 3 所示 升降横移立体车库硬件系统主要由 PLC 控制系统 传感器检测系统 电机控制系统 人机 交互系统及上位机等部分组成 PLC 控制系统作为整 个系统的核心 通过接收传感检测系统的输入信号 判 断立体车库的运行状态 结合人机交互系统数字按键 输入 根据旋转编码器获取的换速点信息 完成对变频 器的控制以及外围设备的数据交换 图 3 升降横移立体车库控制系统框图 Fig 3 Block diagram of the control system for 3 D lifting and transferring parking garage 3 1 升降横移立体车库传感检测系统 为了保证立体车库正常运行和提高系统运行安全 性 需要使用光电开关 限位开关 防坠挂钩 压力传感 器 烟雾传感器等来检测车库的工作状态 表 1 所示 为本立体车库中所使用的各类传感器信息 32 基于 PLC 的升降横移立体车库控制系统设计 陆 波 等 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 36 No 7 July 2016 表 1 各类传感器的数目 位置和作用 Tab 1 The number position and role of various sensors 传感器名称数量作用安装位置 光电开关4检测车辆大小是否符合要求入口及车库尾部 横移限位开关9检测横移运动运行情况 是否到位水平位置 升降限位开关14检测升降运动情况车位上下两侧 防坠挂钩7防止载车板突然坠落横移框架下方 压力传感器9防止汽车过重 超过载车板载荷载车板正上方 烟雾传感器1检测立体车库内是否有烟雾车库内角落 3 2 升降横移立体车库电机控制系统 在第 2 部分中分析了电机运行速度曲线 对于本 设计来说 底层两个载车板各自安装一个电动机 控制 载车板的横移运动 第 2 3 层的载车板各自安装 2 个 电动机 分别控制载车板的升降运动和横移框架的左 右移动 顶层的 3 个载车板安装 3 个电机 完成载车板 的升降运动 本设计均采用变频器 编码器的方式完 成电机的控制 电机采用专用横移电机和升降电机 此类电机具有自动抱闸功能 可实现自锁保护 电机 接线图如图 4 所示 图 4 电机控制原理图 Fig 4 The control principle of motor 三相工频电源通过断路器 QS1和熔断器 FU1接入 交流接触器 KM1用于将电源接至变频器的输入端 R S T 交流接触器 KM2用于将变频器的输出端 U V W 接 至电动机 热继电器 FR1用于工频运行时的过载保护 3 3 升降横移立体车库人机交互系统 人机交互系统由PLC 控制单片机完成 主要实现语 音提示 数字按脚 LCD 显示 急停 报警 存车 取车级 确认等功能 当存车时 按存车键 车位号 确认 4 控制系统软件设计 图 5 所示为控制系统 9 号载车板存车流程图 图 5 9 号载车板存车流程图 Fig 5 Storing flowchart of the 9th carrying plate of car 42 基于 PLC 的升降横移立体车库控制系统设计 陆 波 等 自动化仪表 第 36 卷第 7 期 2015 年 7 月 立体车库的动作过程如下 存车时 当底层车 位处于空位时 可直接存车 减少载车板横移电机的运 动 若底层没有空车位 则需要选取欲存车车位 然后 判断下方是否有载车板 若有载车板 则需要通过横移 电机对下方载车板进行移位 最后进行升降运动 取车时 当车子存放在底层时 可以直接取车 否则 需要选择欲取车车位 之后与存车流程一样 本车库的控制程序采用模块式 主要包括主程序 存车子程序 取车子程序 保护子程序及报警子程序 本文以 9 号载车板存车为例说明 PLC 工作的过程 PLC 接收到人机交互界面 存车 按钮命令后 系统开 始自检 完成各种限位开关和检测元件的初始化 按下 人机交互界面的 9 号载车板按键和确认按键后 PLC 控制程序判断所选载车板下方是否有载车板 完成载 车板的横向移动 为 9 号载车板的下降腾空位置 PLC 控制变频器为电动机提供不同频率的电压 控制电动 机运行速度 旋转编码器准确控制载车板下降距离 根 据编码器的反馈信号和下限位开关反馈信号 判断 9 号载车板是否达到终点 PLC 控制电动机断电 同时制 动器抱闸 当司机停车完成后 9 号载车板完成复位 任务 此时存车任务结束 5 执行结构运行保护 立体停车库涉及到人身和车辆安全 因此除保证 基本功能外 还需额外考虑安全措施 本设计中主要 采用了过限保护 时间保护以及防坠落装置等 10 1 过限保护 过限保护属于载车板或横移框架 运动系统的辅助系统 当编码器 变频器和 PLC 组成 的主控制器失效的情况下 过限保护装置开始工作 2 时间保护 在控制系统中 预先设置每个动作 的最大允许执行时间 当执行元器件在最大执行时间 没有动作时 强制执行保护子程序 3 防坠落装置 防止升降用钢丝绳断裂 传动系 统零件失效 卷扬筒驱动钢丝绳乱绳 固定端或焊接端 断裂或者脱焊等引起的载车板突然下坠 6 结束语 本研究旨在设计一款规模小 价格便宜的升降横 移式立体车库 通过相应分析计算 采用 UG 三维建 模软件设计了一种 4 层 9 车位的升降横移立体车库 开发了一种基于 PLC 技术和变频器技术的电机运行 速度可调的立体车库控制系统 该系统能完成立体车 库的升降和横移运动的精确定位控制 最后分析了立 体车库运行中会遇到的安全问题 并给出了相应的解 决办法 结果表明 本升降横移立体车库具有结构简单 运 行成本低 占地少及