基于PLC的立体汽车停车装置设计

2018-12-03吴迎春徐连强

机械设计与制造工程 2018年11期

吴迎春，徐连强，何壮

(无锡工艺职业技术学院机电工程系，江苏宜兴 214206)

随着人们生活水平的提高，越来越多车辆的停放已成为一个严重的社会问题。立体车库占地面积小、自动化程度高，能有效解决城市中日益严重的汽车停放问题。国内的立体车库主要有升降横移类、垂直和水平循环类、平面移动类、巷道堆垛类、垂直升降类等。具有亚洲特色的停车设备技术起源于日本[1]，以升降横移式停车设备为主，以德国为代表的欧洲国家的技术优势体现在巷道堆垛式产品上。我国的机械式立体车库行业起步较晚，在自动化程度方面与日本和欧洲等国家和地区的产品相比尚有差距[1]。

巷道堆垛式立体停车库投资大，设计原理源自于欧洲的自动化仓库，集成光、机电、控制等技术于一体，适用于大型密集式场合，在我国应用不多。国内立体停车设备以升降横移类为主，每层需有一个空位实施升降，系统的存取控制一般采用可编程逻辑控制器(PLC)实现[2]。

堆垛机的动力源一般为交流变频调速电机，当传送车运行时，需要结合光电开关进行快速、中速、慢速等多次速度调节，才能由PLC控制变频器完成刹车定位[3]。有文献采用直线电机作为车库横移装置，此方式虽然响应快但是定位偏差较大[4]。也有文献以巷道堆垛式立体车库为研究对象，设计了基于西门子PLC、结合WINCC组态软件监控的实验平台控制系统[5]。

本文设计的智能立体汽车停车装置类似巷道堆垛式立体车库，采用三菱PLC控制步进电机实现三轴输送运动，操作方便、定位准确、适应性强，可以为城市小区中家庭用车停车难问题提供新的解决方法。

1 停车装置机械结构

智能立体停车装置结构如图1所示，停车装置输送机构由三轴滚动导轨滑台实现，其中X轴实现输送机构左右运动，Y轴实现前后运动，Z轴实现上下运动。输送机构采用步进电机通过联轴器带动型号为1605的丝杠螺母副实现输送运动，螺母副公称直径为16mm、导程为5mm。立体车库采用2020型铝型材建造，使用标准角接件、螺钉连接，结构灵活、制作方便，在保证车库承载能力的同时还能进行尺寸调整。文中停车装置仅供验证停车动作及控制原理，实际停车应用还需要根据负荷选用尺寸和强度更大的型钢材料。

图1 停车装置结构

停车装置输送架结构两侧有定位块1，如图2所示，与载车板定位块3相互配合，确保在输送过程中载车板不会发生相对运动。当载车板放置在立体车库车位上时，每个车位也有相应定位块2，与载车板定位块3一起限制载车板自由度，保证载车板在立体车库的准确位置，使汽车在车库中能安全稳定停车。输送机构存载车板时，输送架携带载车板从空车位上方沿Z轴下降，至载车板被车位固定后输送架再沿Y轴退出；取载车板则是从满车位下方沿Z轴上升至载车板被输送机构定位块固定后，输送架再沿Y轴退出。

图2 载车板定位

2 停车装置电气控制系统

停车装置电气控制系统选用三菱FX3U-48MT型PLC作为控制核心，MT属于晶体管型，能实现三轴定位控制，其中Y0～Y2作为高速脉冲输出，Y4～Y6作为方向输出，Y10～Y12作为使能输出，用于控制三轴步进电机动作。电机采用雷塞公司的DM542步进电机驱动器进行驱动，步进电机驱动器采用共阳极接法。

在每根坐标轴滑台都配置了接近传感器，与滑块一起作用，作为步进电机回参考点信号和行程限位，以保证输送机构的运动定位精度。在进出车位配置光电传感器，以检测车位状态，并配置停止、启动按钮和指示灯，主要操作和参数的监控均由昆仑通态TPC7062KS触摸屏实现。停车装置电气原理如图3所示。

图3 停车装置电气原理图

3 PLC控制程序

停车装置控制系统PLC程序包括主程序和子程序。主程序主要有电机脉冲频率调整、手动控制、自动控制顺序功能图(SFC)程序等。子程序的功能是实现三轴步进电机归零操作，主要采用FX3UPLC定位控制指令中的原点回归指令[6]来实现。

停车装置控制系统设有手动和自动两种工作方式。手动控制方式主要用于输送架位置调试，通过PLC实现点动操作，采用定位控制指令中的相对位置控制指令来定位。

自动控制方式是停车装置正常的工作方式，图4是顺序功能图中车位1和2的进车流程分支，车位3和4进车流程及出车流程均为步骤类似的选择分支，车位5和6分别为进车位和出车位，编号规定如图1所示。当表示三轴回零完成的触点M30～M32闭合后，按下启动按钮M24置位状态S0，通过设置车灯辅助触点M105、M106及进车M90，采用定位控制指令中的绝对位置控制指令实现不同车位的定位，图4中未标注的状态转移条件是脉冲发送结束标志M8029。1X表示车位1的X坐标，1Z下表示取载车板时需从车位1的Z坐标下方定位，1Z上表示放载车板时需从车位1的Z坐标上方定位，Y到位、Y复位表示输送架Y向进入车位和退出车位，T50为出车检测延时，与M8029组成状态S17的转移条件。系统根据图4所示路径移动载车板自动完成进车动作，并改变车位显示状态信息，表明进车指令执行结束。

图4 车位1和2进车自动控制顺序功能图

自动控制顺序功能图程序放在主控指令中执行，如有紧急情况，可通过复位主控指令实现急停功能。

当步进驱动器开关设置为3 200脉冲/转，1605螺母副导程为5mm时，D8340～D8360为Y0～Y2脉冲当前值寄存器，则脉冲数值与距离的关系为3 200/5=640脉冲/mm，X,Y,Z三轴脉冲及转化为距离值的PLC程序如图5所示，为输送机构手动调试确定车位位置提供了基准。在PLC程序中可通过位置控制指令设置步进电机的工作频率和脉冲数，实现输送速度和位置的调整。

图5 输送机构位置显示

在停车装置进车过程中，当空载车板放在进车位后，车辆进入，光电开关检测到后延时5s，由输送机构将载车板送至选定车位；在出车过程中，当满载车板放在出车位后，光电开关检测到车辆后定时器计时，当车辆驶出后定时器下降沿触发延时5s后，输送机构将空载车板放至原车位，对应的PLC程序如图6所示。

图6 进出车跳转

4 触摸屏界面设计

停车装置控制系统采用MCGS组态软件设计触摸屏界面，包括首页、手动控制界面和自动控制界面，如图7、图8所示，触摸屏与PLC连接的设备通道见表1。

图7 停车装置手动控制界面

图8 停车装置自动控制界面

序号连接变量通道名称序号连接变量通道名称1启动M2418车灯1M1052停止M2519车灯2M1063X回零M6020车灯3M1074Y回零M6121车灯4M1085Z回零M6222车1显示M1116X正向M8023车2显示M1127X反向M8124车3显示M1138Y正向M8225车4显示M1149Y反向M8326急停M20110Z正向M8427频率D011Z反向M8528X位置D200012进车M9029X脉冲D200513出车M9130Y位置D201014车位1M10131Y脉冲D201515车位2M10232Z位置D202016车位3M10333Z脉冲D202517车位4M104

首页主要显示控制系统名称、单位，以及当前日期、时间等。手动控制界面主要设置X,Y,Z回零按钮，以建立坐标基准。当需要手动测试或定位操作时，可以按相应坐标轴正负方向点动按钮，并有指示灯显示工作运行状态。正向点动时指示灯变绿，反向则指示灯闪烁。

自动控制界面包括输送频率设置、车位选择、车位状态信息展示及进出车动作选择等，通过频率设置可调节输送机构运动速度。

立体停车验证装置实物如图9所示，操作时，首先需要进行复位，调用归零子程序，以确定运动起点和基准。

图9 立体停车验证装置

在手动控制页面(图7)，按X,Y,Z回零按钮进行复位，建立坐标轴基准。调试时按点动按钮示教每个车位、进出动作的位置及脉冲，确定PLC自动控制程序中步进指令的绝对脉冲数值。

在自动控制页面(图8)，进车时，选择车位并点进车选项，对应车位工作指示灯变绿，按电气柜或触摸屏上的启动按钮，电气柜面板指示灯点亮，输送机构按编程路径将载车板放在进车位，待车辆驶入并按设定延时5s后，输送机构将满载车板放入对应车位，在控制界面相应车位显示有车信息，复位车位指示灯。取车时，选择车位并点出车选项，按启动按钮，输送机构将载车板放入出车位，待光电传感器测得车辆驶出并延时5s后，输送机构将空车板放回原来的车位，并显示车位无车信息。

运行中出现异常时可按急停按钮让设备停止运行，当输送机构完成某车位进、出车动作后，按停止按钮使设备停止工作。