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本文介紹了基于可編程控制器(PLC)和Profibus總線(xiàn)的車(chē)庫控制系統,簡(jiǎn)述了多層升降橫移立體停車(chē)庫工作原理、結構特點(diǎn),通過(guò)PLC軟件設計及其優(yōu)化,實(shí)現了立體車(chē)庫的自動(dòng)控制。 隨著(zhù)汽車(chē)的急增致使城市停車(chē)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(chē)設備,以其占地面積少、停車(chē)率高、布置靈活、高效低耗、性?xún)r(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)的機械式立體停車(chē)庫有：升降橫移類(lèi)、垂直循環(huán)類(lèi)、多層循環(huán)類(lèi)、水平循環(huán)類(lèi)、平面移動(dòng)類(lèi)、巷道堆垛類(lèi)、垂直升降類(lèi)和簡(jiǎn)易升降類(lèi)等8種,其中升降橫移類(lèi)以其結構簡(jiǎn)單、操作方便、安全可靠、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),在國內車(chē)庫市場(chǎng)占有絕對優(yōu)勢的市場(chǎng)份額。 升降橫移立體車(chē)庫運行原理 升降橫移類(lèi)機械停車(chē)庫利用托盤(pán)移位產(chǎn)生垂直通道,實(shí)現高層車(chē)位升降存取車(chē)輛。其車(chē)位結構為2維矩陣形式,可設計為多層和多列。由于受收鏈裝置及進(jìn)出車(chē)時(shí)間的限制,一般為2"4層(國家規定最高為4層),2層、3層者居多,現以典型的地上3×3升降橫移式為例,說(shuō)明停車(chē)庫的運行原理。 立體車(chē)庫結構特點(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留一個(gè)空車(chē)位,供進(jìn)出車(chē)升降之用。當底層車(chē)位進(jìn)出車(chē)時(shí),無(wú)需移動(dòng)其他托盤(pán)就可直接進(jìn)出車(chē);中間層、頂層進(jìn)出車(chē)時(shí),先要判斷其對應的下方位置是否為空,不為空時(shí)要進(jìn)行相應的平移處理,直到下方為空才可進(jìn)行下降動(dòng)作,進(jìn)出車(chē)完成后再上升回到原位置。其運動(dòng)的總原則是：升降復位,平移不復位。 圖1 控制系統結構圖 圖2 上層控制程序流程圖 控制系統方案的確定 升降橫移立體停車(chē)庫以停放轎車(chē)為主,其代價(jià)較昂貴,而且立體停車(chē)庫使用時(shí)涉及到人身和車(chē)輛的安全,所以對設備的安全性和可靠性要求非常高。PLC采用了以計算機為核心的通用自動(dòng)控制裝置,集微機技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通訊技術(shù)為一體,可靠性強、性?xún)r(jià)比高、設計緊湊、擴展性好、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(chē)庫控制系統中通常采用PLC作為電控系統的核心。 作為網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)以其簡(jiǎn)單的結構,在控制系統的設計、安裝、運行、維護上體現出極大的優(yōu)越性,因此本文采用Profibus-FMS和Profibus-DP構成兩層控制網(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,這主要因為Profibus-DP是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速通信聯(lián)接,用于設備級分散I/O之間的通信,構成獲得最短總體循環(huán)時(shí)間的單主站系統。本系統運用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現了現場(chǎng)智能設備和自動(dòng)化控制設備之間的開(kāi)放式、數字化、多節點(diǎn)通信,并提高了系統工作的可靠性和靈活性。 同時(shí),本系統以上位機作為監控機,利用上位機的數據通信手段,數據處理能力和圖形顯示、多媒體技術(shù),通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn),實(shí)時(shí)接收和處理下位機PLC從現場(chǎng)采集的各種狀態(tài)、控制、報警信號,并利用這些信號驅動(dòng)PC控制界面中的各種圖形,實(shí)時(shí)顯示現場(chǎng)的各種狀況,在操作員和停車(chē)庫之間構造出形象、直觀(guān)的界面,對操作運行和故障給出提示、報警等。 立體車(chē)庫控制系統設計 控制系統的組成 立體車(chē)庫控制系統由上位機監控系統和下位機PLC控制系統組成,圖1為該系統結構框圖。其中,監控系統由“上位機+Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)+PLC+現場(chǎng)操作機構”構成,以PC機為核心,配備有打印機、音效設備、收款機、顯示器等。如果車(chē)庫是由多個(gè)3×3單元的組合,可以用一個(gè)PLC控制一個(gè)車(chē)庫單元,多個(gè)PLC共同構成多點(diǎn)結構的局域網(wǎng)。如果車(chē)庫的規模足夠大,還可以考慮配備操作器、觸摸屏和IC卡磁卡機等來(lái)實(shí)現智能化自動(dòng)控制。 車(chē)庫控制方式分為3級——手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)。手動(dòng)是在現場(chǎng)用手操作器對每個(gè)托板進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制,應用于車(chē)庫檢修、突然停電、緊急停機和車(chē)庫故障4種情況;半自動(dòng)為操作PLC控制面板上的按鈕由PLC實(shí)現自動(dòng)邏輯控制;全自動(dòng)是由計算機給出存取命令由PLC來(lái)執行任務(wù)(要求配備“操作器”)。其中,手動(dòng)方式為最高優(yōu)先級,而半自動(dòng)或全自動(dòng)方式用于正常進(jìn)出車(chē)處理,其中半自動(dòng)方式優(yōu)先級高于全自動(dòng)。在計算機脫機情況下,PLC控制面板可以完成所有存取車(chē)操作,而且本設計要求手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)之間必須能夠互鎖。 PLC控制系統設計 PLC是車(chē)庫控制系統的核心,其操作大致分為三類(lèi)：以故障診斷和處理為主的操作;聯(lián)系現場(chǎng)狀況的數據I/O操作;執行用戶(hù)程序以及響應與PLC相連的外部設備的命令操作。當有存取操作時(shí),PLC會(huì )接收和分析操作人員在控制面板按鈕或上位機輸入的指令,做出合理的工控安排：判斷檢測元件的狀態(tài),讀取車(chē)庫機械驅動(dòng)部分的信息;然后,將信息反饋到執行元件,拖動(dòng)車(chē)位板,實(shí)現其位置移動(dòng),完成車(chē)輛的存取操作和信號的顯示(指示燈)。整個(gè)動(dòng)作區域配有光電檢測及多重安全系統,以防異常情況發(fā)生。 該系統中PLC主要完成對托盤(pán)、托板位置及運行狀態(tài)的檢測和存取車(chē)的操作。用各種光電開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)檢測位置狀態(tài),用接觸器、繼電器執行對拖動(dòng)電機的起�？刂�。 對車(chē)位的操作就是控制橫移小電機和升降大電機,使它們在不同時(shí)間實(shí)現正反轉。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)行上下升降運動(dòng)。 為了保證存取車(chē)可靠安全,系統要精確定位。行程開(kāi)關(guān)的設置保證了托板能平移到預定位置以及托盤(pán)能上升或下降到準確位置,但同時(shí),行程開(kāi)關(guān)邏輯要嚴格互鎖。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(chē)庫靜止時(shí), 2、3層所有掛鉤信號均應斷開(kāi)(負邏輯),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(chē)板運行過(guò)程的安全性,必須采取傳動(dòng)系統自鎖保險設計和安全掛鉤保險設計：如鏈傳動(dòng)采用制動(dòng)電機,無(wú)論發(fā)生什么情況,都處于自我保護狀態(tài);控制安全掛鉤運動(dòng)的電磁鐵上必須有一反饋信號,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),可以檢測托盤(pán)上汽車(chē)停放是否到位;在托盤(pán)對角線(xiàn)上安放的光電開(kāi)關(guān)可以檢測托盤(pán)上有無(wú)車(chē);裝設于停車(chē)庫車(chē)輛入口處左右兩側的光電開(kāi)關(guān)還可以用于檢測外界的錯誤動(dòng)作和車(chē)位移動(dòng)時(shí)出現的異常情況等,如車(chē)輛未停妥、動(dòng)作區域有人或物、運行過(guò)程中有車(chē)想開(kāi)進(jìn)等意外情況,光電開(kāi)關(guān)光線(xiàn)被遮,會(huì )給PLC一個(gè)電平變化信號,從而改變PLC的輸入,蜂鳴器發(fā)音報警,設備不作運行或停止運行。 同時(shí)在車(chē)庫中還運用了一些傳感器,如煙溫傳感器、檢測斷繩松繩或斷鏈報警的位移傳感器,以及警示裝置、緊急停車(chē)開(kāi)關(guān)、手動(dòng)按鈕、復位開(kāi)關(guān)等。 PLC控制系統程序設計 控制程序流程圖 該系統存取車(chē)控制只針對上層(二、三、四層)車(chē)位,而對于下層車(chē)位,存取車(chē)只需直接開(kāi)進(jìn)開(kāi)出即可�？刂栖浖捎锰菪螆D語(yǔ)言編寫(xiě)。程序流程圖如圖2所示。 軟件在設計不同層進(jìn)出車(chē)程序時(shí)運用了“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)執行,待各流程動(dòng)作全部結束后,根據相應執行條件,匯合狀態(tài)動(dòng)作。即如果選擇第三層托盤(pán)進(jìn)出車(chē),可以使一層二層同時(shí)平移(左移或右移),這樣,設備動(dòng)作順序之間聯(lián)鎖或雙重輸出時(shí),控制系統均能自動(dòng)處理,而且控制系統的試運行及故障檢查非常方便,可節約大量時(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(chē)位為空車(chē)位之后才能進(jìn)行,以地上三層車(chē)位運動(dòng)為例,一層空車(chē)位位置有N種,二層托盤(pán)升降涉及的運動(dòng)方式有N2種,三層托盤(pán)可能的運動(dòng)方式有N3種,隨著(zhù)車(chē)位和層數的增加,程序會(huì )出現劇烈膨脹,因此,如何尋求簡(jiǎn)便方法,使程序得到優(yōu)化將是該系統程序設計的難點(diǎn)。以第二層為例,在變量Dm中存放第二層需要存取的車(chē)位號,該車(chē)位號為1"N,如進(jìn)行上層X(jué)(1≤X≤N)號車(chē)位存取,則Dm＝X;在Dn中存放下層空車(chē)位號,設空車(chē)位為Y號車(chē)位,則Dn＝Y;在進(jìn)行存取車(chē)時(shí),把Dm和Dn中的數值進(jìn)行比較,其結果為零,則上層車(chē)位的托盤(pán)可以直接下移;如果結果大于零,則表示空車(chē)位在左邊,這樣先把空車(chē)位右邊第一個(gè)托盤(pán)左移到空位上,之后重復上述過(guò)程,直到空車(chē)位在上層需要存取的車(chē)位正下方時(shí),上層車(chē)位的托盤(pán)才能進(jìn)行升降運動(dòng)。三層和四層存取車(chē)的處理方法和第二層類(lèi)似。 模塊化程序設計 PLC控制程序采用模塊化編程形式,車(chē)位運行過(guò)程中只需調用子程序模塊,這樣大大降低了程序的復雜程度,方便了程序的修改,而且為車(chē)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(chē)按鍵子程序模塊、初始化程序模塊、存取車(chē)位號賦值程序模塊、空車(chē)位號與移動(dòng)車(chē)位號賦值程序模塊、托盤(pán)平移運動(dòng)程序模塊、光電開(kāi)關(guān)子程序模塊、托盤(pán)升降運動(dòng)程序模塊和故障報警子程序模塊。 軟件設計中關(guān)鍵問(wèn)題的處理 程序所用狀態(tài)元件、定時(shí)器及數據存儲器均選用具有掉電保護功能的元件,當系統掉電時(shí)元件保持掉電前的狀態(tài),以保存現場(chǎng)信息,待上電后繼續完成被中斷的動(dòng)作;當發(fā)生意外情況時(shí),按下急停按鈕中止系統的運行并保存現場(chǎng)斷點(diǎn)信息;當出現如電機過(guò)載、過(guò)熱電氣或機械故障時(shí),自動(dòng)中止系統的運行,并發(fā)出聲光報警,同時(shí)系統轉入手動(dòng)方式進(jìn)行故障處理。 結語(yǔ) 升降橫移類(lèi)立體車(chē)庫的控制系統通過(guò)采用PLC和Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)控制,使整個(gè)控制系統的可靠性大大提高,滿(mǎn)足了車(chē)庫的控制功能與使用性能的要求,完全實(shí)現了進(jìn)出車(chē)的智能控制。系統還在硬件設計上采用了手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)多級冗余控制方式,配合軟件/硬件連鎖保護,大大提高了系統的可靠性;同時(shí),由于PLC軟件設計上的優(yōu)化處理,使得本系統對于車(chē)位的擴展實(shí)現較為簡(jiǎn)便;此外,軟件設計還采用了“并行分支與匯合”的技巧,從而大大縮短了進(jìn)出車(chē)時(shí)間,提高了工作效率。 |
