升降橫移式立體車庫(kù)冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盛 強(qiáng)

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

升降橫移式立體車庫(kù)冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盛 強(qiáng)

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

隨著城市化的不斷推進(jìn)及汽車保有量的逐年增加，立體車庫(kù)成為解決城市停車難問題的首要選擇，而其可靠性和安全性關(guān)系到人身及財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的高可靠性和高安全性的要求進(jìn)行了調(diào)查研究，采用三菱FX3U系列PLC和威綸通觸摸屏，設(shè)計(jì)了一種基于4層9車位升降橫移式立體車庫(kù)的PLC冗余控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)能夠人為強(qiáng)制任一PLC進(jìn)行停取車控制，也可在非強(qiáng)制情況下，特別是在停取車過程中系統(tǒng)發(fā)生硬件等故障時(shí)，自動(dòng)切換PLC進(jìn)行停取車的冗余控制。對(duì)控制系統(tǒng)的硬件組成、PLC冗余控制原理和存取車控制流程進(jìn)行了詳細(xì)論述。結(jié)果表明，該升降橫移式立體車庫(kù)冗余控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、硬件成本低及運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，且人機(jī)交互界面易于操作，能夠有效地解決立體車庫(kù)可靠性和安全性較差等問題。

立體車庫(kù)； 升降橫移； PLC； 通信； 冗余控制； 可靠性； 安全性

0 引言

近年來，私家車擁有量的日益增長(zhǎng)，再加上地面、地下停車位數(shù)量的嚴(yán)重不足，造成了占道、占用綠地、甚至占用消防通道停放等非法停放現(xiàn)象[1]，特別是在商業(yè)廣場(chǎng)、政府以及住宅等配套停車場(chǎng)更是“一位難求”[2]。立體車庫(kù)，特別是升降橫移式立體車庫(kù)在解決城市停車難問題上發(fā)揮著重要的作用，但是立體車庫(kù)的可靠性和安全性關(guān)系到人和轎車的安全。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此，提高其可靠性和安全性十分迫切。

目前，升降橫移式立體車庫(kù)主要采用單一PLC進(jìn)行控制，通過控制升降電機(jī)和橫移電機(jī)實(shí)現(xiàn)車輛的停放。為保障立體車庫(kù)運(yùn)行的可靠性和安全性，王虎軍等人對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析研究，其中通信總線子系統(tǒng)平均無故障時(shí)間只有30 h[3]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他子系統(tǒng)；為了提高通信總線的可靠性，費(fèi)明利等人采用雙總線冗余結(jié)構(gòu)[4]，雖然增強(qiáng)了通信總線的可靠性，但是該系統(tǒng)利用2個(gè)PLC分別控制電梯單元和車位橫移單元，一旦其中一個(gè)PLC發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常運(yùn)作。

本文以4層9車位的升降橫移式立體車庫(kù)為控制模型，采用FX3U系列PLC為控制核心，結(jié)合威綸通觸摸屏，設(shè)計(jì)了一種兼具單機(jī)控制和自動(dòng)冗余控制的升降橫移式立體車庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及車位調(diào)度

升降橫移式立體車庫(kù)通過控制各個(gè)載車板的升降和/或橫移運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)車輛的多層停放[5-6]。其中：1層載車板只能進(jìn)行橫移運(yùn)動(dòng)；4層載車板只能進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)；2、3層載車板既可進(jìn)行橫移運(yùn)動(dòng)，又可進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)?shù)讓?01、103號(hào)車位存取車輛時(shí)，可直接存取車輛；當(dāng)中間層、頂層車位存取車輛時(shí)，首先必須把其正下方車位通過載車板的升降運(yùn)動(dòng)和/或橫移運(yùn)動(dòng)騰出1個(gè)下降通道，再將該車位載車板下降至1層，然后再進(jìn)行車輛存取，完成存取車輛后通過升降運(yùn)動(dòng)復(fù)位該載車板。4層9車位立體車庫(kù)的車位結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 車位結(jié)構(gòu)圖示意圖

2 冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

升降橫移式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)由2個(gè)互為備用的FX3U系列PLC、威綸通MT8051iP觸摸屏、光電傳感器、限位開關(guān)等構(gòu)成。冗余控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。由2個(gè)PLC構(gòu)成的冗余控制系統(tǒng)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過利用FX3U-485BD通信板組成N∶N網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PLC之間的信息交互；觸摸屏作為控制系統(tǒng)與外界進(jìn)行人機(jī)交互的控制界面，實(shí)現(xiàn)車位選擇、存取車選擇及報(bào)警顯示等功能，其與PLC編程口之間通過RS-485通信采集信號(hào)。

圖2 冗余控制系統(tǒng)硬件框圖

控制系統(tǒng)可通過外部旋轉(zhuǎn)開關(guān)實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制或冗余控制模式之間的模式切換。在冗余控制情況下，1#PLC與2#PLC之間進(jìn)行N∶N網(wǎng)絡(luò)通信，完成控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。1#PLC默認(rèn)處于控制狀態(tài)，觸摸屏與1#PLC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)操作控制及報(bào)警顯示；而當(dāng)1#PLC發(fā)生硬件故障或通信總線故障時(shí)，2#PLC取代1#PLC取得控制權(quán)，通過切換通信總線通道實(shí)現(xiàn)2#PLC與觸摸屏之間的通信。控制系統(tǒng)相關(guān)器件功能如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)相關(guān)器件(信號(hào))功能

3 控制算法設(shè)計(jì)

3.1 冗余控制算法

三菱FX3U系列PLC之間的N∶N網(wǎng)絡(luò)通信符合RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)，通信波特率固定為38 400 bit/s，2個(gè)站之間的通信鏈接時(shí)間為34 ms，能夠滿足立體車庫(kù)冗余控制通信需求。N∶N網(wǎng)絡(luò)鏈接模式采用模式2實(shí)現(xiàn)2個(gè)PLC之間的通信，即位軟元件為每站64點(diǎn)，字軟元件每站8點(diǎn)[7]。

①通信故障檢測(cè)。利用特殊輔助繼電器M8183、M8184分別檢測(cè)N∶N網(wǎng)絡(luò)通信中1#PLC(0#主站)和2#PLC(1#從站)的通信狀態(tài)是否正常，通信發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)為ON。

②PLC硬件故障檢測(cè)。利用特殊輔助繼電器M8061檢測(cè)PLC硬件是否正常，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)為ON。

③PLC冗余切換控制。在默認(rèn)冗余切換控制模式下，1#PLC利用N∶N網(wǎng)絡(luò)通信把M8183、M8061和M8013的信號(hào)狀態(tài)傳送至2#PLC。2#PLC接收到信號(hào)后判斷1#PLC通信、硬件是否出錯(cuò)，如檢測(cè)有故障，2#PLC取代1#PLC取得控制權(quán)并切換與觸摸屏之間的通信線路，實(shí)現(xiàn)PLC冗余切換控制。2#PLC通信、硬件故障檢測(cè)同理。

④PLC輸出點(diǎn)冗余控制。在默認(rèn)冗余切換控制模式下，1#PLC取得控制權(quán)，完成對(duì)立體車庫(kù)的控制。在無故障發(fā)生的情況下，1#PLC通過N∶N通信實(shí)時(shí)發(fā)送PLC各個(gè)輸出點(diǎn)狀態(tài)至2#PLC，如將載車板A橫移電機(jī)左移、右移和停止?fàn)顟B(tài)利用M1003～M1005傳送至2#PLC，其他載車板狀態(tài)同理，同時(shí)1#PLC實(shí)時(shí)接收2#PLC的輸出點(diǎn)狀態(tài)并保持，用于當(dāng)PLC發(fā)生切換時(shí)的輸出點(diǎn)狀態(tài)保持；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，2#PLC取得控制權(quán)，1#PLC延時(shí)復(fù)位所有輸出點(diǎn)。2#PLC取得控制權(quán)時(shí)，控制方式同1#PLC。冗余控制算法流程圖如圖3所示。

圖3 冗余控制算法流程圖

3.2 存取車控制算法

在升降橫移式立體車庫(kù)存取車輛過程中，需根據(jù)空位位置及存取車輛需求自動(dòng)計(jì)算最優(yōu)的下行通道[8-9]。當(dāng)載車板光電檢測(cè)開關(guān)未接通，表明載車板上沒有車輛停放，只能進(jìn)行存車操作；反之，只能進(jìn)行取車操作。

存車流程如下：當(dāng)?shù)讓虞d車板A、B未停放車輛時(shí)，則可直接進(jìn)行存車操作；若底層沒有空閑載車板，則需要自行選取載車板并存車，控制系統(tǒng)根據(jù)所選載車板自動(dòng)判斷其下方是否有空位，如有空位則建立下行通道，載車板下降；如其下方有載車板，則需要通過橫移電機(jī)對(duì)其進(jìn)行左移或右移，重新建立下行通道，然后載車板下降，完成存車操作，最后在存車操作完成后，手動(dòng)復(fù)位該載車板。

取車流程如下：當(dāng)車輛停放于底層載車板A、B時(shí)，則可直接進(jìn)行取車操作；否則，需選取相應(yīng)的載車板進(jìn)行取車操作，具體流程同存車流程，取車操作完成后，載車板上升復(fù)位。

3.3 觸摸屏操作界面

為了使立體車庫(kù)的存取車操作更為方便、直觀，控制系統(tǒng)采用威綸通MT8051iP觸摸屏，其帶有RS-485接口，通過中繼器可實(shí)現(xiàn)與1#PLC、2#PLC之間通信線路的切換，能夠滿足控制系統(tǒng)冗余控制要求。

觸摸屏操作界面實(shí)現(xiàn)功能如下。

(1)在手動(dòng)控制模式下，手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)載車板升降、橫移等控制功能。

(2)在自動(dòng)控制模式下，配合單機(jī)/冗余切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制/冗余控制之間的切換。①單機(jī)控制模式：通過切換開關(guān)強(qiáng)制1#PLC或2#PLC參與控制，觸摸屏與取得控制權(quán)的PLC之間建立通信，并實(shí)現(xiàn)存取車控制；②冗余控制模式：在未強(qiáng)制任何PLC的情況下，觸摸屏默認(rèn)與1#PLC通信并參與控制，當(dāng)1#PLC發(fā)生故障后，觸摸屏在切換通道后與2#PLC通信，并實(shí)現(xiàn)存取車控制。

(3)報(bào)警功能。配合聲光報(bào)警器實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的實(shí)時(shí)顯示，如運(yùn)行超時(shí)報(bào)警、松鏈報(bào)警、超限報(bào)警等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種規(guī)模小、硬件成本低、安全性和可靠性高的升降橫移式立體車庫(kù)冗余控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以2個(gè)三菱FX3U系列PLC為核心，利用N∶N網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)2個(gè)PLC之間的冗余控制。該系統(tǒng)具有手/自動(dòng)控制功能，且在自動(dòng)控制功能下，能夠單獨(dú)強(qiáng)制任一PLC進(jìn)行控制，也可實(shí)現(xiàn)冗余控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，在冗余控制模式下，本系統(tǒng)能夠在故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)切換PLC控制器，實(shí)現(xiàn)存取車流程的無縫切換控制，能夠有效且可行地解決現(xiàn)有立體車庫(kù)控制系統(tǒng)安全性和可靠性較差的問題。

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DesignoftheRedundantControlSystemfor3DLiftandTransverseParkingGarage

SHENG Qiang

(School of Faculty of Electromechanical & Automobile Engineering,Huzhou Vocational & Technical College,Huzhou 313000,China)

With the continuous advance of urbanization and the car ownership increased year by year,the 3D parking garage has become the primary choice to solve the difficult problem of city parking,and its reliability and safety are related to personal and property safety.The requirements of the high reliability and high safety for the control system of 3D parking garage are investigated,and a redundancy PLC control system is designed by adopting Mitsubishi FX3U series PLC and Weinview touch panel,for the 4-storey 9-parking position 3D lifting and reversing garage.The control system can manually force any of the PLCs for car parking and car collecting,and in non-force condition,especially when hardware failure occurs,the system also can automatically switchover the PLCs for redundant control of car parking and car collecting.The hardware composition of the control system,the PLC redundant control principle,and car parking/collecting process are described in detail.The results show that the redundant control system features simple structure,low hardware cost,and safety and reliable operation.The HMI is easy to operate and can effectively and feasibly solve the problems such as the poor reliability and safety of the three-dimensional parking garage.

3D parking garage； Lift and transverse； PLC； Communication； Redundant control； Reliability； Safety

TH73;TP23

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709007

修改稿收到日期:2017-03-30

湖州市公益性技術(shù)應(yīng)用研究基金資助項(xiàng)目(2015GZ02)

盛強(qiáng)(1981—)，男，碩士，講師，主要從事工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信及智能控制方向的研究。E-mail：437162485@qq.com。