一种新型立体停车设备电气控制系统的研发
一种新型立体停车设备电气控制系统的研发
张宋文
[摘要]：针对一种新型无避让立体停车设备在研发过程中所遇到的技术难题，提供了实用有效的解决方案，实践证明，该方案取得了很好的效益。
[关键词]：停车设备；电控系统；PLC
1.引言
据工信部预计，2020年我国汽车保有量将超过两亿辆。随着汽车保有量的高速增长，城市配套停车位建设的严重滞后，停车问题已成为各个城市共同面临的一大难题。立体停车设备既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下停车库和停车楼组合实施。是解决城市停车难最有效的手段，是停车产业发展的必经之路。
作为停车设备，必须要解决停车设备的机械结构安全和电控系统的安全，以及停车设备的安全、可靠等问题，为此，针对一种新型无避让立体停车设备（如图1所示）研发过程电控系统中所遇到的问题进行了的研讨，实践后取得了很好的效益。
2.新型立体停车设备需要解决的问题
新型立体停车设备的研发，首先要解决的是停车设备必须具备的的安全、可靠性（分为机械与电气控制两个部分）；长寿命（10～15年）；抗干扰（在各种环境下运行）；简单易用、易维护等功能。对电气控制部分的技术及方案探讨：
（1）电控系统的安全可靠性问题：PLC可靠性高，当前载人载货电梯的电控系统主要采用PLC为电控系统的主控手段，这种高度安全及可靠的控制系统是经过实践证明和行业的一致认可的、实用的方案。
（2）电控系统的寿命问题：电气系统的主控元件PLC，其寿命理论上都达到10年以上了（相当于无穷寿命），符合设计要求。
（3）电控系统抗干扰性的问题：PLC采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施，其抗干扰功能是比较完善的。
（4）电控系统要简单易用、易维护的问题：由于公司的产品分布较广，简单易用维护成本低，也是一项必需的要求。PLC在维修方面由于故障率极低，维修工作量很小。
3.新型立体停车设备电气控制系统的方案确定
经过以上的分析与考察，确定新型立体停车设备电气控制系统的方案。
（1）主控系统为采用日本三菱公司的FX2N-48MR。
（2）电机控制方式为经过PLC控制下的日本三菱公司S540(0.75KW/380V)的变频器和接触器式的电气控制系统。
（3）转动与移动的功能中，电动机的缓启动和缓停止由通过PLC控制的变频器来实现。
（4）过载系统仍采用传统的热过载继电器方案以及变频器的过电流保护、过电压保护方案。
（5）客户使用的控制为微型手持式遥控器，控制停车设备上/下运动及急停功能；以及维修人员专用的控制台控制功能，带触摸屏功能用以显示：功能、注释、故障指示以及功能按钮等功能。
（6）停车设备的功能运行过程包括发生故障的时候有语音提示的方案。
（7）具有升降锁、转动锁以及故障判断和故障锁定、故障语音提示的功能。
（8）整机载重量的核定和限制，软件部分的超重故障锁定，设备停止，故障语音提示的功能。
4.新型立体停车设备控制系统的硬件设计
新型立体停车设备电控系统硬件主要分为一次线主电路结构、二次线控制电路、人机界面互动三个部分。
4.1一次线主电路结构部分
图2 电路原理图
图2为电路原理图，一次线主电路结构部分主要有：电源从带漏电保护的空气开关进入,电源缺相断相相序保护器，带正、反转机械互锁控制的接触器，带过载保护的热继电器输出至升降电机输入端。转动与移动电机由漏电保护空气开关输出至变频器，再输出至相应的接触器、带过载保护的热继电器，直接供给转动与移动电机，形成一次线的直接供电系统。
4.2二次线控制电路部分
作为二次线控制总电流比较小（最大的控制电流只有500mA。）所以，控制器件几乎都可以考虑采用微型元件，如图3所示。
图3 二次线控制电路
（1）保护电路及防误动作的互锁电路、急停、过载、缺/断相保护。
（2）用PLC组成的输入控制电路主要由接近开关、红外传感器、称重传感器[2]等组成信号输入电路。
（3）PLC输出电路主要控制是：升降、转动、移动继电器、变频器的控制端子[3]、语音板控制用继电器、以及相应功能的应用电器：如夜间照明灯、上升/下降锁电磁铁、转动锁电磁铁，安全警示灯等。
4.3人机界面互动部分
由于我们研发的停车设备结构主要由停车设备主机与控制台组合成一个小系统。有故障及问题可以通过系统网络输出到主控台触摸屏进行控制。用户也可通过带独立控制码的遥控器对停车设备进行控制，也可通过在控制台触摸屏输入密码进入系统，对停车设备进行手动控制和测试。
5.新型立体停车设备控制系统的软件设计
新型立体停车设备系统软件设计为下降、上升、超高运行三个过程。
5.1下降过程控制
首先，要求与启动设备有干涉的设备处于停止状态，对本车位左右的车辆是否超长、超高进行检测，如果是不正常，则运行程序锁定，输出故障语音提示“两侧、对面车位运动，停车位暂不能开机”，并停止运行。如果信号正常，然后按停车设备机械系统的功能和电控逻辑图的要求进行以下动作。
（1）按下启动按钮，在没有故障程序锁定情况下，先启动语音提示“停车位下降，请注意”，程序开始运行。先将设备移出到位，再转出到位，最后开始下降。由于转动锁要求有开锁判断，如开锁正常，则程序继续向下运行，下降到位后语音提示“停车位下降到位，请上/下车！”，如不能开锁，则输出故障语音提示“转动锁故障，请排除故障后重新启动”，程序锁定，设备暂停。
（2）升降锁也要求有开锁判断，这主要考虑到停车设备在北方冬天结冰，或停车设备处于长期闲置的情况下，升降锁可能会处于卡死不能开锁的状态，所以程序运行过程需有判断的请求，如果升降锁处于卡死不能开锁的状态时，停车设备程序指令升降电机上升，使升降锁开锁功能得以实现的恢复动作过程。如仍不能开锁，则作为故障处理，输出故障语音提示，程序锁定。
（3）当程序运行完成，停车设备语音提示：“停车位下降到位，请上/下车！”的语音提示，停车设备处于停止状态。
5.2上升过程控制
与下降程序相似，对进入停车设备的车都要进行检测，并要求对面有干涉的设备处于停止状态，本车位的停车是否超长、超高进行判断，如果是不正常，则程序锁定，输出故障语音提示 “两侧、对面车位运动，停车位暂不能开机”，并停止运行。如果信号正常，然后按停车设备机械系统的功能和电控逻辑图的要求继续完成动作。
（1）启动按钮按下后，在没有故障程序锁定情况下，先启动语音提示“停车位上升，请注意”，程序开始运行。
（2）当称重传感器传来超重的信号后，程序自动执行超重判断过程，超重判断成立后，语音提示“车辆超重，不能使用本停车位”，程序执行超重程序转移，“上升”操作将无效，此时可操作“下降”，放出车辆。
（3）当程序判断停车设备正常，程序则顺序执行，上升—转动—移动程序过程。
（4）移动程序过程完成后，执行返回程序，并输出语音提示 “停车设备已收回到位”，程序结束。
5.3超高运行过程控制
在设备上升过程中，当车辆超高时，将触发“车辆超高”警报，系统会立即暂停设备并发出“车辆超高，不能使用本停车位”语音警报，同时系统状态指示灯会亮起。如果超高信号持续，“上升”操作将无效，此时可操作“下降”，放出车辆。
6.调试运行
经过反复的修改与完善，新型立体无避让停车设备从原来比较简单的实验样机1#，到成品机3#。我们完成了机样评价、功能调试、环境测试等过程试验。新型立体无避让停车设备具有安全可靠、智能判断、小网络等优越性。
6.1安全可靠性
在停车设备的位置控制限位上，我们采用了以霍尔效应为基础的非接触式的接近开关来作为位置限位开关，既保证了开关信号的稳定可靠性，又使停车设备看起来更美观。由于这种非接触，也减少了以后的机械磨损所带来停车设备的使用故障，为设备增加了一份基本安全要素[4]。
在重要的升降阶段，我们采用了双重限位开关的方案，在X4和X5的位置上，不但装上了非接触式的接近限位开关，而且在相同的位置上，再装上一个机械式的限位开关，以保证在非接触式的接近限位开关损坏后，停车设备上升或下降超过了限位后，马上碰到了机械限位开关，从而保证了停车设备设备的运行功能以及它的正常和安全，“双保险”以增加停车设备的功能可靠性，为设备增加了第二份基本安全要素。
停车设备具有运行功能语音提示和故障语音提示，在设备启动运行以及故障时对周围的人起到提示作用。新型无避让立体停车设备采用的高保真的女声语音提示功能，采用了美国ISD公司生产的数码录音/放音芯片ISD1110,利用其单段播放的功能来实现。语音提示功能，也为设备增加了第三份基本安全要素。
6.2智能判断
通过PLC来处理停车设备在运动中遇到的各种情况，如移动程序阶段，由于设置了条件判断，使移动程序段增设了防误动作的功能，如开始程序监测阶段，当检测到车辆属超长、超高，则程序锁定，并输出语音报警！再如车辆超重状态，当主程序监测到车辆超重，则程序转到超重程序运行，先做超重判定，然后运行返回到起始位，并输出：“车辆超重，不能使用本停车设备”的语音提示。还有如升降锁和转动锁的启动程序与判断程序，当程序判断不正常后，程序自锁，并输出“转动锁故障！排除故障后重新启动”“升降锁故障！排除故障后重新启动”的语音提示。
6.3小网络
在停车区域防碰报警，具有显示屏及语音同时报警提示。两侧/对面开机互锁，主控台通过触摸屏对停车设备进行控制的功能。
由于整体试验比较严谨，方案比较到位，措施比较得力，所以，大失误在试验过程中避免了。试验的材料消耗和经费消耗都比较低。
7.前景分析
行路难、停车难是我国城市面临的巨大顽疾。我国汽车保有量近几年一直处在高速增长阶段，不用数字，我们只用体会我们日常生活中所碰到的与行路和停车有关的问题，就有明确答案。而现在的城市管理者面对两难，却显得束手无策，主要是：行车和停车属于城市规划部门的权限范畴，而交通问题有属于交通部门来面对，两难的影响对象是广大民众，在现有城市基础建设之上要解决这些问题又涉及众多利益相关方。较之我国当前城市基础建设现状，立体停车是最行之有效、利益相关方涉及面最小、资源节约最大化的解决停车难的模式。
汽车工业已经成为持续拉动我国经济秩序增长的三驾马车之一，在解决绿色环保节能等技术问题之后，仍将具有长久的发展潜力，作为汽车产业的配套体系，立体停车产业将随着汽车工业一起获得长久发展潜力。本文的停车设备产品，以其无避让特点，能适应及符合市场和客户的各种不同的需要，能适应各种不同的环境要求。
8.结束语
这次研发生产的新型停车设备产品是成功的，操作系统简单易用、整套程序控制准确，设备的稳定性极高，可编程序控制器的使用，大大地减少了设备的故障率，PLC具有强大的软、硬件的功能，适合客户需求的多样化、智能化，后来该设备产品投入市场也证明这次研发是成功的。
参考文献
[1]阮友德.电气控制与PLC[J]．北京：人民邮电出版社，2009．
[2]王廷才.变频器原理及应用[J]．北京：机械工业出版社，2011．
[3]胡向东.传感器与检测技术[J]．北京：机械工业出版社，2013．
[4]中国重型机械工业协会停车设备管理委员会．机械式立体停车库[J]．北京：海洋出版社 2001．
作者简介：张宋文，男，汉（1979--）广东紫金人，高级技师、一级实习指导教师，现任单位：广东省岭南工商第一技师学院，研究方向：电气自动化。
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