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)

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

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 garagePLCControl systemLifting and transferringUGSpeed 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

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

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=kt2t∈(0,t1)

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

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。

表1　各类传感器的数目、位置和作用

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

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

立体车库的动作过程如下。①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。②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、占地少及安全可靠运行的特点，且控制系统易于操作。本立体车库能有效且可行地解决城市停车难的问题。

参考文献

[1] 张桂香,耿长清.基于PLC的升降横移式立体车库自动控制[J].自动化仪表,2013,34(7):35-37.

[2] 陈婧,田怀文.大型垂直循环横向平移立体车库的结构设计及稳定性分析[J].机械设计,2013,30(5):67-70.

[3] 李果,张广明,凌祥.多层升降横移立体停车库控制系统设计与实现[J].机械设计与制造,2011(3):174-175.

[4] 汤平,刘昭琴.PLC控制的立体式车库研究分析[J].制造业自动化,3013,35(8)：154-156.

[5] 姜艳华,张连勇.基于PLC的立体车库自动控制系统[J].计算机系统应用,2011,20(5):21-24.

[6] 周雪松,许立瑾,邵宝福,等.基于DSP芯片和无线收发技术的立体车库电气控制系统[J].机床与液压,2010,38(2):83-84.

[7] 张育斌,王万成,王志琴,等.基于DSP的仓储式立体车库控制系统设计[J].计算机测量与控制,2013,21(3)：648-650.

[8] 李剑锋,段文军,方斌,等.基于改进遗传算法立体车库存取调度优化[J].控制工程，2010,17(9)：658-661.

[9] 顾建凯.基于PLC的低成本机械式立体停车库控制系统研究[D].兰州：兰州交通大学，2013.

[10]马红麟.基于PLC控制的多层立体车库的研究与设计[j].制造业自动化,2009,31(3):97-100.

中图分类号：TH73；TP271

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507007

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。