霍沛，胡勇

（1.四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000；2.過(guò)程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢643000）

基于PLC的立體車庫(kù)自動(dòng)控制算法的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

霍沛1，2，胡勇1，2

（1.四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢643000；2.過(guò)程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢643000）

在分析升降橫移式立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、車庫(kù)運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，采用可編程控制器（PLC）為核心控制單元，對(duì)立體車庫(kù)尋找最優(yōu)路徑自動(dòng)程序算法進(jìn)行剖析，闡述了最優(yōu)路徑自動(dòng)控制算法的原理及算法實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了車庫(kù)自動(dòng)控制方案。該方案具有自動(dòng)控制條件安全可靠、減少存取車時(shí)間、簡(jiǎn)化人工操作、降低能耗等優(yōu)點(diǎn)。

立體車庫(kù)；升降橫移；可編程控制器PLC；最優(yōu)路徑算法；自動(dòng)控制

引言

隨著人們生活質(zhì)量的顯著改善，私家車的擁有量日益增長(zhǎng)，停車擁擠、泊車?yán)щy、車位使用昂貴的問(wèn)題日益尖銳突出。發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)解決停車難的主要辦法是建設(shè)立體車庫(kù)，即在某一層面建筑的單位空間內(nèi)利用高度縱深停放更多的車輛［1］。其采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，每單元可分成兩層至四層不等，每層車位數(shù)從幾個(gè)到上百個(gè)，并且既可建為地上停車場(chǎng)也可建為地下車庫(kù)，節(jié)省占地面積。立體車庫(kù)根據(jù)其機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同可分為升降橫移式、垂直循環(huán)式、巷道堆垛式、垂直升降式、簡(jiǎn)易升降式等。相對(duì)于其他立體車庫(kù)，升降橫移式立體車庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠性高，廣泛應(yīng)用于繁華商業(yè)區(qū)、火車站、住宅小區(qū)等場(chǎng)所［2］。

升降橫移式立體車庫(kù)優(yōu)點(diǎn)很明顯，但控制手段較為單一，目前市面上的成品多是以手動(dòng)控制為主，存在操作復(fù)雜、存取車時(shí)間較長(zhǎng)、容易造成車輛短時(shí)間擁堵等缺點(diǎn)。本文主要研究基于可編程控制器（PLC）設(shè)計(jì)升降橫移立體車庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛存取調(diào)度路徑最優(yōu)化，減少車輛的存取時(shí)間，降低存取車的能耗，實(shí)現(xiàn)車輛存取自動(dòng)控制，升降車位無(wú)需人工操作，提高車庫(kù)的整體效率和利用率。

1 車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)與車位調(diào)度

升降橫移式立體車庫(kù)主體為鋼架構(gòu)，具體可由載車板模塊、動(dòng)力傳動(dòng)模塊、控制系統(tǒng)模塊和安全防護(hù)模塊等模塊組成，一般以二到四層居多［3］，車輛存取依靠載車板位移實(shí)現(xiàn)。在移動(dòng)通道上除頂層外，其他層均有一個(gè)空位來(lái)形成一個(gè)升降通道。頂層可升降但不能橫移，底層能橫移但不能升降，中間若干層既可以升降又可以橫移（圖1）。在存取車過(guò)程中，底層車位可直接進(jìn)入車庫(kù)，其余層車位進(jìn)車需要先判斷所停車位下方車位是否有載車板，如有載車板需要將底層車位載車板橫移到其他空位，之后再將所停車位的載車板移到底層，升降動(dòng)作完成后需要復(fù)原，橫移動(dòng)作完成后不需要復(fù)原。通過(guò)PLC發(fā)出的指令，載車板做出相應(yīng)的升降或橫移的動(dòng)作，載車板到位與否通過(guò)限位開關(guān)和光電傳感器感應(yīng)，并且將數(shù)字量信息0（未到位）或1（到位）傳遞到PLC中，PLC根據(jù)傳感器傳遞的信號(hào)通過(guò)算法做出相應(yīng)的判斷，控制升降／橫移傳動(dòng)系統(tǒng)做出相應(yīng)的動(dòng)作［4］。

圖1車位編號(hào)示意圖

2 控制系統(tǒng)概述

2．1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及控制方案

升降橫移式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、光電傳感器等部件組成，其控制硬件核心是PLC，本文采用德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7－200型PLC，其擁有集成程度高、功能強(qiáng)大、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為立體車庫(kù)的控制器使用。S7－200一共有40個(gè)I／O端口，分別為16個(gè)輸出端口和24個(gè)輸入端口，另外配有RS485通訊端口與上位機(jī)之間通訊。光電傳感器采用歐姆龍公司的霍爾傳感器，通過(guò)傳感器感應(yīng)所選車位載車板是否到位、實(shí)時(shí)空位車位所在位置。上位機(jī)采用MCS51單片機(jī)為核心，由液晶屏、通訊端口等外設(shè)元件組成［5-6］。

具體工作流程（圖2）為：上位機(jī)發(fā)出指令，通過(guò)RS485通訊總線傳輸給PLC，由PLC通過(guò)上位機(jī)傳遞的指令和傳感器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行比較，再通過(guò)控制算法進(jìn)行相應(yīng)處理，之后由輸出信號(hào)控制電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程是通過(guò)操作人員向上位機(jī)發(fā)出需要使用的車庫(kù)號(hào)信息，由上位機(jī)發(fā)送到PLC，再由PLC通過(guò)傳感器顯示的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)指示算法計(jì)算，并向各控制元件發(fā)出指令，控制升降／橫移電機(jī)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到最終控制載車板移動(dòng)到指定車位，并且當(dāng)載車板移動(dòng)到位后，安全掛鉤會(huì)及時(shí)落下，保證安全。

圖2升降橫移式立體車庫(kù)電控方框圖

2．2 算法設(shè)計(jì)

升降橫移式立體車庫(kù)軟件控制部分的核心是控制算法，控制算法的不同可導(dǎo)致控制方式的不同，優(yōu)秀的控制算法可以在安全性和可靠性都有保證的前提下極大地縮短車庫(kù)的存取車時(shí)間，簡(jiǎn)化人工操作流程。根據(jù)立體車庫(kù)的實(shí)際控制要求，有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種控制模式，在上位機(jī)中選擇使用自動(dòng)控制或手動(dòng)控制其中一種，根據(jù)上位機(jī)傳輸?shù)闹噶?，PLC進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的算法選擇（圖3）。

圖3整體程序算法流程圖

2.2.1手動(dòng)控制功能設(shè)計(jì)

手動(dòng)控制功能一般應(yīng)用在外部意外斷開電源后恢復(fù)電源、或出現(xiàn)因電線斷開等不可控情況下的通訊故障，以及車庫(kù)在裝配調(diào)試或檢修操作等狀況。為此，對(duì)每塊載車板都設(shè)計(jì)有手動(dòng)控制功能：頂層手動(dòng)控制升降、底層手動(dòng)控制橫移、中間若干層手動(dòng)控制升降與橫移。在進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，先將自動(dòng)／手動(dòng)開關(guān)撥到手動(dòng)的位置，然后按照動(dòng)作要求，完成既定的操作。

2.2.2自動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制算法根據(jù)最優(yōu)路徑自動(dòng)尋找空位。準(zhǔn)確建立呼叫車位的下行通道，確保載車板高效穩(wěn)定到位，通過(guò)PLC內(nèi)部算法自動(dòng)運(yùn)算，控制載車板升降／橫移運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)完成所需要的操作步驟，這就避免了誤操作的可能［7］。對(duì)于一個(gè)有n層、m列的升降橫移車庫(kù)，令其存取車位為ai，j，對(duì)應(yīng)層數(shù)為i（1≤i≤n）、列數(shù)為j（1≤j≤m），則呼叫的車位號(hào)運(yùn)動(dòng)軌跡要滿足以下兩個(gè)子方程［8-9］：）

其中，hk表示第h行空車位的列數(shù)，m為車庫(kù)列數(shù)。每次存取車后需復(fù)位，以確保存取車的可靠性。復(fù)位約定為：橫移車位移動(dòng)后不需復(fù)位，升降車位除頂層外移動(dòng)后均需復(fù)位?？紤]到車庫(kù)存取車流程的規(guī)范性和可靠性，車庫(kù)正常運(yùn)行時(shí)，在完成一次存取車流程后，產(chǎn)生下降動(dòng)作的車位要恢復(fù)到流程開始前所在的層位，產(chǎn)生橫移的車位不需要還原。當(dāng)所選車位為底層時(shí)，可直接存取車輛。若所選車輛為其他層時(shí)，算法會(huì)將所選車位的列數(shù)與下方所有層的空位所在列數(shù)相減，如為零則不需要移動(dòng)，若大于零則需相關(guān)車位左移，若小于零則需相關(guān)車位右移，最終形成所選車位需要的下降通道［10-11］。

對(duì)于被選車位ai．j（i＞1），需建立其所需的升降通道（圖4）。第y（1≤y＜i）層空位所在列可設(shè)為ky，若ky＝j(luò)，說(shuō)明ai．j車位正下方第y層為空位，其所在層其余車位不需橫移；若ky＞j，說(shuō)明在第y層中，ai．j車位在空位左側(cè)，將第y層j－（ky－1）列車位均右移1位；若ky＜j，說(shuō)明在第y層中，ai．j車位在空位右側(cè)，將第y層（ky＋1）－j列車位均左移1位。其運(yùn)動(dòng)的總原則是：升降復(fù)位，平移不復(fù)位。根據(jù)上述存取車規(guī)則，存車和取車操作的車位升降動(dòng)作一致，可以用同一控制程序?qū)崿F(xiàn)相同車位的存取車控制［12-13］。

圖4自動(dòng)存取控制流程圖

以升降橫移立體車庫(kù)的第三層a3.1號(hào)車位載車板為例來(lái)說(shuō)明算法的實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)呼叫a3.1號(hào)車位時(shí)，若要使a3.1號(hào)車位載車板下降，則必須使a2.1號(hào)車位和a1.1號(hào)車位無(wú)載車板，形成a3.1號(hào)車位載車板的下降通道。若a2.1號(hào)或a1.1號(hào)車位上有載車板，就要將之移開，空出車位。具體算法控制過(guò)程為：若要a3.1號(hào)載車板自動(dòng)下降，則需要使a3.1自動(dòng)下降的繼電線圈通電，但這需要同時(shí)滿足a3.1升降條件的繼電線圈和a3.1橫移條件的繼電線圈通電這兩個(gè)條件。滿足a3.1升降條件就是指二層和三層的載車板都同時(shí)在自己的層位上不能下降到一層，當(dāng)滿足此條件后，約束a3.1升降條件的繼電線圈常開觸點(diǎn)閉合，a3.1升降條件線圈帶電。滿足a3.1橫移條件就是指空出a2.1號(hào)車位和a1.1號(hào)車位，形成a3.1的下降通道，這就需要同時(shí)滿足a2.2橫移限位、2層空限位、a1.2橫移限位和1層空限位的常開觸點(diǎn)閉合并且a2.1橫移限位和a1.1橫移限位常閉觸點(diǎn)斷開，此時(shí)a3.1橫移條件線圈帶電。當(dāng)a3.1升降條件與a3.1橫移條件的常開觸點(diǎn)同時(shí)閉合后，下降激活繼電線圈帶電，自動(dòng)下降輸出繼電線圈帶電，驅(qū)動(dòng)下降電機(jī)通電［14］，如圖5所示。

圖5 a3.1車位自動(dòng)下降梯形圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的算法能夠滿足1到多組的3×3立體車庫(kù)組合自動(dòng)控制。通過(guò)對(duì)不同組數(shù)的多次試驗(yàn)結(jié)果表明：載車板的升降橫移運(yùn)動(dòng)速度可穩(wěn)定在8米／分鐘，平均每次存取車時(shí)間在50秒以內(nèi)，有效地縮短了存取車時(shí)間，保證了車道暢通。并且在電路斷電或機(jī)械部分發(fā)生故障的極端條件下通過(guò)電機(jī)自鎖和防脫落掛鉤等保護(hù)措施有效地防止了車輛損壞，保障人員安全［15］。另外，以a3.1自動(dòng)下降為例，自動(dòng)存取控制步驟為3步，手動(dòng)存取步驟為6步，在自動(dòng)存取控制情況下，存取步驟明顯減少，存取效率明顯提升，能耗也相應(yīng)減少。目前，算法已成功投入實(shí)際應(yīng)用，并且控制穩(wěn)定、性能安全可靠。

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Design and App lication of Automatic Control Algorithm of Stereo Garage Based on PLC

HUO Pei1，2，HU Yong1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Sichuan University of Science＆Engineering，Zigong 643000，China；2.Process Equipment and Control Engineering Key Lab of Colleges in Sichuan Province，Zigong 643000，China）

Based on the analysis of structure characteristics，garage operation principle of the lifting and moving solid carport，and the programmable controller（PLC）is used as the core control unit，the automatic program algorithm to find optimal path of solid carport is analyzed.Then，the principle and algorithm implementation of optimal path automatic control algorithm are stated，and the garage automatic control scheme is designed.The scheme has a safe and reliable automatic control condition and can reduce the access time，simplify themanual operation，reduce energy consumption，and so on.

stereo garage；lifting and moving；programmable controller（PLC）；optimal path algorithm；automatic control

TP273

A

1673-1549（2015）01-0021-04

10．11863／j．suse．2015．01．06

2014-08-26

四川理工學(xué)院創(chuàng)新基金項(xiàng)目（y2014035）

霍沛（1984-），男，河南洛陽(yáng)人，碩士生，主要從事測(cè)量控制方面的研究，（E-mail）hpyxl＠qq.com胡勇（1955-），男，重慶人，教授，主要從事機(jī)械工程方面的研究，（E-mail）1532496175＠qq.com