基于PLC的升降横移车库系统设计研究与实现

曾 鑫,唐樟春,2,卢 军,吴文锋,杨宗承

(1.电子科技大学机械与电气工程学院，四川 成都 611731;2.电子科技大学广东电子信息工程研究院,广东 东莞 523808;3.广东荣禧智能车库有限公司,广东 东莞 523000)

0 引言

升降横移类立体车库采用载车板升降或横移存取车辆。该类车库的层数目前均为多层。以提升方式划分，升降横移类立体车库可分为链条、钢丝绳和液压三种[1-3]。由于其成本较小，且对于场地没有较大要求，这类车库约占立体车库总量的80%以上[4-5]。这类车库基本使用可编程控制器(programmable logic controller，PLC)进行控制。国内也有对同类型车库的研究。陆波等结合变频器和编码器技术，设计了速度可调节的升降横移立体车库[6]。盛强提出冗余PLC系统，即使用2台PLC，其中1台作为备用[7]。但大量的检测信号对于PLC的输入/输出(intput/output,I/O)点的消耗使得成本大幅增加，程序功能的强保护机制使得很多故障发生时只能使用人工方式去排除，极大地消耗了人力成本。

因此，本文从控制程序角度对升降横移类立体车库进行优化，使得所有库位都能够整体联动，并且综合考虑成本和精确控制的优缺点，合理设计I/O点数。本文设计开发4种模式，分别应对正常运行时的自动功能、调试安装时的手动功能，以及故障发生时的检修功能和准确的故障报警功能。该设计使用希福特曼操作盒进行库位操作和可视化展示，通过RS-485协议进行设备间通信。

1 系统结构设计

本文以3层9列链条式升降横移立体车库作为研究对象，共计25个车位。国内同类型车库列数一般为2～4列[8]。列数的增加大大提升了控制难度。在确定了维持设备正常运行所需I/O点的大致情况后，需要对I/O点数进行10%～20%的冗余设计[9]。系统结构如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 System structure

1.1 输入信号

车库的整体布局如图2所示。

图2 库位整体布局Fig.2 Overall layout of parking space

由图2可知，第一层只能左右横移；第二层既可以横移，又可以升降；第三层只能升降。第一层、第二层的各个库位都需要左、右到位行程开关作为信号反馈。而第二层、第三层均需要升降到位行程开关作为信号反馈。同时，由于升降运动可能导致冲顶和掉底，车库还必须增加升降极限开关作为保护信号。

为了防止升降牵引链条/钢丝绳在上升到位的情况下由于某些原因导致其突然断开，需要在升降载车板的4个角加装防坠器挂钩。

正常升降时，挂钩松开，让载车板能够顺畅地进行升降运动。当上升到位之后，防坠器还原为初始状态，即使链条断裂也可以由防坠器提供保护。所以系统还需要检测防坠器反馈信号，以判断防坠器挂钩是否正常工作。在此过程中，还必须考虑因升降时载车板制动距离过长而导致设备冲顶的情况[10]。

系统需要检测车辆的前、后超长和超高。这3种信号均采用对射光电开关作为检测手段。公用的急停、相序保护、接触器粘连、热继保护等信号量以及上述各种检测信号共同构成PLC输入信号。

1.2 输出信号

各升降横移电机的通断控制由220 V交流接触器控制，选用继电器输出的欧姆龙PLC可以直接输出220 V交流电压，使得接触器主触头得电闭合，从而接通电路控制三相异步电机工作。

此外，为了设备使用人员的安全性，系统加装了运行指示灯、报警指示灯和蜂鸣器。当设备正常运行时，运行指示灯闪亮，同时蜂鸣器发出尖锐声音。当出现报警故障时，报警指示灯闪亮并发出尖锐声音。对于每一层电机的统一控制，需要先选定正反转，再选定电机。因此，正反转是公用信号。防坠器的工作原理是当防坠器线圈得电闭合，驱动挂钩微动开关动作，从而达到防坠目的。所以也需要输出220 V电压控制防坠器线圈，进而控制开关动作。

2 电气元件选型计算

2.1 PLC选型

欧姆龙PLC价格相对便宜，功能较为健全，且支持多种通信协议。因此，本文以其作为主控CPU。欧姆龙PLC选择继电器输出型号，可带动较大负载。

欧姆龙PLC的优势在于输出公共组件对象模型(component object model,COM)端可分组，采用继电器输出型号时就可以为不同的Q点接入不同的COM端电压，从而灵活控制输出端的电压大小。PLC公用COM端接线如图3所示。

图3 PLC公用COM端接线图Fig.3 PLC common COM terminal wiring diagram

图3中，COM端接入的是220 V AC电压，那么接触器线圈电压就是220 V AC，直接省去了采用中间继电器进行电压转换的步骤。运行指示灯接入24 V DC,就可以单独给出24 V DC的公用COM端。

2.2 交流接触器选型

接触器主触头的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流。 额定电流指的是触点在额定工作条件下的电流值。铭牌显示的额定电流是指主触点的额定电流[11]。

已知横移电机额定功率为0.4 kW，额定电流为1.44 A。那么对于第一层、第二层的正反转接触器而言，其额定电流为：

I总=I额1N

(1)

式中：I额1为每个横移电机的额定电流；N为横移电机的个数；I总为总的额定电流。

本文系统中：I额1为1.44 A；N为8个；I总为11.52 A。

对于每个电机的热继电器选择，应按照电机的额定电流进行，选择大于其额定电流的最接近型号的原则。

2.3 热继电器选型

通常用热继电器的整定电流调整电动机的额定电流。对过载能力差的电动机，可将热元件整定值调整为电动机额定电流的60%～80%。当电动机起动时间较长、拖动冲击负载或不允许停车时，可将热元件整定电流调节至电动机额定电流的1.1～1.15倍[12]。

由此可知，热继电器的参数范围应遵循：

Imin

(2)

式中:I额为电机正常运作时的额定电流；Imin为热继电器的保护电流下限；Imax为热继电器的保护电流上限。

一般的热继电器是可以在其保护范围内通过旋钮调节其保护电流大小的。其中，Imin可适当放宽，但是必须保证电机额定电流小于热继电器的最大调节电流。

3 RS-485通信

3.1 硬件设置

欧姆龙PLC提供多种通信协议，用于与外部设备进行通信[13]。两线制的RS-485协议与希福特曼人机界面(Chuman machine interface,HMI)进行通信。使用双绞屏蔽线连接PLC和HMI，可防止通信干扰。RS-485模块接线如图4所示。

图4 RS-485模块接线图Fig.4 RS-485 module wiring diagram

本文设计所选用的PLC型号并未集成RS-485模块，需要单独添加；同时，需要对相关引脚进行设置才能够进行RS-485通信。

根据需要，将1#、4#拨动开关设置为OFF，将2#、3#、5#、6#设置为ON,即可实现RS-485通信。

通过四芯双绞屏蔽线与外部设备连接。其中：两芯屏蔽线一端分别接RDA-和RDB+，另一端接A、B端。另外，两芯外接24 V AC为HMI供电。

双例直插式封装(dual inline-pin package,DIP)技术开关设置如表1所示。

表1 DIP开关设置Tab.1 Dip switch settings

3.2 通信收发地址

希福特曼HMI与欧姆龙PLC用数据区D进行交互。数据交互地址如表2所示。

表2 数据交互地址Tab.2 Data interaction address

4 功能模式

系统运行流程如图5所示。

图5 系统运行流程图Fig.5 Flowchart of system operation

4.1 自动模式

在切换自动运行时，需要检测自动运行条件是否满足。如无任何报警，且需要第二层或者第三层有1个车位下行到位，才能触发自动运行模式。

自动运行时又分为自动横移和自动升降。当目标库位需要自动升降时，需判断当前库位是否满足自动升降条件。假设当前需要201上升到位，就需要判断是否有其他库位横移不到位而导致201升降时产生碰撞。升降条件程序如图6所示。

由图6可知，升降条件以横移到位信号作为判定依据，满足升降条件时，才可触发升降动作。自动上升程序如图7所示。

假设此时选中304，那么就需要2层车位全部上升到位。然后204～208、104～108一起自动右移到位后，304自动下降到位，完成整个过程。联动存取效果如图8所示。

自动横移条件需考虑升降状态。任何1个车库在横移时，都需满足除一层以外的所有车库都要上升到位的条件。这样就可以避免在横移的过程中，由于其他库位没有上升到位而发生碰撞的情况。横移条件程序如图9所示。

图6 升降条件程序Fig.6 Lifting conditions program

图7 自动上升程序Fig.7 Automatic rise program

图8 联动存取效果Fig.8 Linkage access effect

图9 横移条件程序Fig.9 Traverse condition propram

4.2 手动模式

手动横移只需满足横移运行条件即可，也就是说第二层、第三层库位需要全部上升到位。以101为例，当101没有左移到位时，第一层的任何库位选择左移都能触发101的横移联动效果。相比于自动横移，其没有考虑第二层、第三层的指令，仅关注第一层的库位选择情况。

手动左移程序如图10所示。

图10 手动左移程序Fig.10 Manual left shift program

针对第二层、第三层库位的手动升降，需要保证目标库位的升降条件得到满足。

手动上升程序触发了电机信号。此时，电机开始进行相应的正反转。当升降指令触发时，防坠器线圈得电，其微动开关打开，使载车板的防坠器挂钩与其微动开关脱离，同时反馈1个脱离接触的信号。这个信号可触发升降电机动作。当链条断裂事故发生时，由于4个角都有防坠器挂钩，那么就可以暂时稳定住载车板，不至于整个车板都倾斜甚至坠落[14]。

手动上升程序如图11所示。

图11 手动上升程序Fig.1 Manual rise program

4.3 检修模式

设备在安装调试时，暂时屏蔽掉一切可阻断设备动作的信号。假设有一个车位升降未到位，另一个车位横移也未到位，那么设备既不能升降也不能横移。如果此时屏蔽升降和横移运行条件，使得升降和横移都能够正常动作，便可通过手动的方式让2个未到位的车位重新恢复到初始状态。101库位屏蔽横移条件程序如图12所示。

图12 屏蔽横移条件程序Fig.12 Shielding traverse condition program

屏蔽信号如表3所示。当设备出现以下故障时，将选定的屏蔽点位信号在PLC输入端短接后，表3所示信号完全屏蔽。此时，设备便可以随意动作。但是这种屏蔽功能只能由专业人员进行操作。当设备故障解除后，必须拆除屏蔽功能点。

表3 屏蔽信号Tab.3 Shielded signal

4.4 故障报警

用户对机械式停车设备的操作性能、自动化程度、运行效能、工作的安全有效性、设备运行安全监控实时诊断的要求越来越高[15]。同时，车库的运行故障报警功能可以快速定位故障点，从而解决设备故障。

从表2可知，D1为故障代码。因此，可以为D1赋不同的故障代码数值，从而在人机界面显示出对应的故障代码。故障代码如表4所示。同时，还可以为D2赋车位号，从而帮助加快定位故障车位。

表4 故障代码Tab.4 Fault code

故障代码表基本涵盖了可能出现的所有故障，程序中只需要为D1和D2的赋值增加逻辑判断。以防坠器报警为例，防坠器故障明细如图13所示。

图13 防坠器故障明细Fig.13 Fault breakdown of fall arresters

当出现防坠器故障时，为D1赋值53，同时为D2赋值201，即表示201车位防坠器电磁铁故障。

5 结论

本文以升降横移类立体车库作为研究对象，开发了4种运行模式，加快了设备安装调试时间和故障检修时间。经实践证明，该系统运行平稳、安全保护性高、系统故障率小。检修模式加快了故障处置效率，简化了故障处置方式，为维修人员避免了很多不必要的安全隐患。程序设计的存取联动效果提升了车库的使用效率，同时也为该类车库系统的设计提供了借鉴。