王海周，李仁旺，宋圣濤，王維維，楊　震

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于PLC的升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海周，李仁旺，宋圣濤，王維維，楊震

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：作為一種有效解決停車位緊張問題的途徑，立體車庫得到了越來越廣泛的研究和應(yīng)用，而對(duì)其控制系統(tǒng)的研究是其中的重點(diǎn).以三層十車位的升降橫移式立體車庫為例，設(shè)計(jì)了基于PLC的立體車庫控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)立體車庫的智能、安全、高效運(yùn)行.首先介紹了立體車庫的結(jié)構(gòu)和工作原理，接著介紹了車庫控制系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)模塊及其軟硬件組成，重點(diǎn)闡述了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和存取車的優(yōu)化算法，對(duì)立體車庫的安全性設(shè)計(jì)也進(jìn)行了相關(guān)的探討.

關(guān)鍵詞：立體車庫；PLC；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的日益提高，汽車保有量迅速增長.早期的城市規(guī)劃對(duì)停車設(shè)施考慮不夠，停車場(chǎng)的設(shè)計(jì)多采用平面式，而這顯然不能滿足人們的停車需要，造成了目前車位嚴(yán)重缺失的局面[1].為解決這一難題，機(jī)械式立體車庫應(yīng)運(yùn)而生.其集機(jī)械、智能自動(dòng)化、驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)技術(shù)等于一體，具有占地面積小、自動(dòng)化程度高、使用方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來車庫發(fā)展的必然趨勢(shì)[2].

立體車庫可主要分為垂直提升式、升降橫移式、巷道堆垛式、垂直循環(huán)式、圓形水平循環(huán)式、箱型水平循環(huán)式等[2].從我國立體車庫實(shí)際安裝情況看，升降橫移式占絕大多數(shù).因此，本研究以升降橫移式立體車庫為例來說明立體車庫控制系統(tǒng)的組成.

升降橫移式立體車庫將載運(yùn)和存放汽車的載車板與升降裝置組合在一起，利用載車板的升降或橫移來實(shí)現(xiàn)車輛存取.該立體車庫主要由主框架、載車板、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)措施等5部分組成[3].這里以三層十車位的升降橫移式立體車庫為例來說明其工作原理(圖1).底層載車板只能做平移運(yùn)動(dòng)，中間層既能夠平移又能夠升降，頂層只能做升降運(yùn)動(dòng).在三層立體車庫中，除了頂層以外，中間層和底層都必須留有一個(gè)空位，為上面一層車輛的升降預(yù)留空間.這樣，當(dāng)?shù)讓虞d車板要存取車輛時(shí)，可以直接進(jìn)出；而中間層和頂層的載車板要存取車輛時(shí)，需要先判斷它對(duì)應(yīng)的下方位置是否為空，若不為空，要對(duì)相應(yīng)的載車板進(jìn)行平移處理，直到下方位置為空時(shí)才可以將載車板移動(dòng)至底層，進(jìn)行相應(yīng)的存取車操作，并在完成操作后控制載車板返回到原來的位置.載車板的總體運(yùn)行思路為：升降復(fù)位，平移不復(fù)位.

1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

升降橫移式立體車庫的控制系統(tǒng)應(yīng)符合以下特點(diǎn)[4]：

(1)自動(dòng)化程度高.當(dāng)立體車庫處于自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，用戶只通過按鍵面板或電腦屏幕就能進(jìn)行車輛的存取.

(2)安全可靠.由于轎車價(jià)值普遍比較高，因此立體車庫的安全性是重中之重.在保證主框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，應(yīng)設(shè)置車輛防墜裝置、車輛超長超高檢測(cè)、人員誤入檢測(cè)、緊急停止開關(guān)以及電氣系統(tǒng)保護(hù)裝置，還應(yīng)設(shè)置手動(dòng)取車系統(tǒng)， 以便在用戶必要時(shí)手動(dòng)操作將車輛取出.

圖1　升降橫移式立體車庫工作原理示意圖

(3)高效便捷.本系統(tǒng)在保證安全的前提下，能夠快速高效地為用戶提供存取車服務(wù).

1.2系統(tǒng)硬件組成

以系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為指導(dǎo)，立體車庫控制系統(tǒng)的硬件主要由上位機(jī)、PLC及輸入輸出裝置組成(圖2).

圖2　升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)硬件組成

(1)上位機(jī)主要用于數(shù)據(jù)處理、圖形顯示和多媒體處理[4].其配備了鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器、語音提示設(shè)備、收款機(jī)、打印機(jī)、IC卡讀卡器等外圍輸入輸出設(shè)備.

(2)PLC是整個(gè)系統(tǒng)中承上啟下的關(guān)鍵一環(huán)，兩端分別連接著上位機(jī)和輸入輸出裝置.對(duì)PLC編程，使它可以智能地與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，并根據(jù)上位機(jī)和輸入裝置傳來的相關(guān)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出裝置完成預(yù)定的操作指令，從而保證立體車庫的安全有序運(yùn)行.因此，PLC應(yīng)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，能在各種復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行.

(3)輸入輸出裝置主要由檢測(cè)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成.檢測(cè)機(jī)構(gòu)的主要作用是將檢測(cè)到的信號(hào)作為輸入信號(hào)傳遞給PLC.其中光電傳感器用來檢測(cè)車輛尺寸是否符合停車要求，霍爾壓力傳感器用來判斷載車板上面是否有車，限位開關(guān)用來確定車位上有無載車板以及保證載車板到位后升降電機(jī)或橫移電機(jī)立即制動(dòng).執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要作用是接收PLC的輸出信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)做出相應(yīng)動(dòng)作.其中升降電機(jī)和橫移電機(jī)通過正反轉(zhuǎn)來完成載車板的上下運(yùn)動(dòng)和左右移動(dòng)，防墜電磁閥和安全掛鉤組成的防墜落系統(tǒng)主要用于保證車庫的安全性.得電時(shí)，電磁閥控制安全掛鉤打開，載車板可以升降平移;失電后，電磁閥斷電，安全掛鉤鎖定，載車板無法運(yùn)動(dòng).

1.3硬件間的連接和通信

在立體車庫運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)通過PROFIBUS-DP通信協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊.PLC將檢測(cè)機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)到的信息傳遞給上位機(jī)，如存取車信息、車庫異常信息等.上位機(jī)根據(jù)這些信息對(duì)車庫的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將相應(yīng)的操作指令傳遞給PLC，通過PLC控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu).PLC的工作流程如圖3所示.

圖3　PLC工作流程

為了PLC的正常工作，需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，確定PLC的輸入輸出點(diǎn)個(gè)數(shù)，并與相應(yīng)的傳感器或執(zhí)行器件連接起來.本系統(tǒng)共計(jì)73個(gè)輸入，46個(gè)輸出，PLC選用西門子S7-200系列CPU226(加擴(kuò)展模塊)，共24個(gè)輸入，16個(gè)輸出.擴(kuò)展模塊選用4個(gè)EM223，每塊有16個(gè)輸入，16個(gè)輸出，能滿足系統(tǒng)要求.在圖1中，底層從左到右為1～3號(hào)車位，中間層從左到右為4～6號(hào)車位，頂層從左到右為7～10號(hào)車位，底層的空車位為N1車位，中間層的空車位為N2車位.系統(tǒng)的I/O地址分配表如表1、表2所示：

表1　輸入地址分配表

表2　輸出地址分配表

2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是為了高效安全地完成車庫自動(dòng)存取車操作.根據(jù)升降橫移式立體車庫的運(yùn)行特點(diǎn)，可將程序分為兩大部分來編制：主程序塊和子程序塊.

主程序用來監(jiān)控整個(gè)車庫的運(yùn)行情況，并通過調(diào)用子程序來完成各種操作.主程序的功能主要包括：切換自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行模式；自動(dòng)運(yùn)行模式下存取車輛；車庫正常運(yùn)行、存取車輛及出現(xiàn)故障時(shí)，點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈；通過各種傳感器檢測(cè)車位上是否有載車板以及載車板是否可用；車庫運(yùn)行的安全監(jiān)控[5-6].手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行模式一般通過相應(yīng)的開關(guān)進(jìn)行切換.在手動(dòng)運(yùn)行模式下，無論存車或是取車，如果所需載車板不在底層，則可以通過“點(diǎn)動(dòng)”的方式，將攔在存取車路徑上的其他載車板移走.其具體操作方法為：首先選擇需要移動(dòng)的車位號(hào)，然后按動(dòng)“上”、“下”、“左”、“右”按鈕，將選中的載車板移到指定位置，直至所需載車板的下方為空，最后將所需載車板移到底層.完成存取車操作后，再將該載車板移回原位.

自動(dòng)運(yùn)行是立體車庫的正常運(yùn)行模式，主要包括復(fù)位子程序、存車子程序和取車子程序等.其中復(fù)位子程序主要用于車庫剛開始運(yùn)行時(shí)建立初始狀態(tài)；而存取車子程序則需根據(jù)收到的存取車指令，規(guī)劃一條最優(yōu)的存取車路徑，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作.復(fù)位子程序流程如圖4所示.自動(dòng)模式下存取車流程如圖5所示.

圖4　復(fù)位子程序流程圖

關(guān)于最優(yōu)存取車路徑，是指以最少的存取車時(shí)間和最小的能源消耗，完成車輛的存取.這里以圖6所示狀態(tài)為例進(jìn)行詳細(xì)說明：(1)存車時(shí)，如果底層有空閑載車板，則優(yōu)先停在底層空閑載車板上；如果底層三個(gè)載車板已停滿且此時(shí)沒有用戶從底層取車，則選取中間層和頂層中需要橫移次數(shù)最少的載車板.在圖6中，用戶存車時(shí)，要將車存到車位5的載車板上面，需要車位2和3上的載車板右移，而如果存到車位9或10的載車板上，則只需車位3上的載車板右移或車位N2上的載車板左移.為避免混亂，本系統(tǒng)采用右移優(yōu)先策略，即在相同橫移次數(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇右移.因此，本次存車過程如下：先將車位3上的載車板右移，再將車位9上的載車板降到底層，待車停好之后，載車板再次升到車位9，完成本次存車.(2)取車時(shí)，如果車輛在底層載車板

圖5　自動(dòng)模式下存取車流程圖

上，則確認(rèn)周圍安全后，直接駛出即可；如果在中間層或頂層載車板上，則選取需要橫移載車板次數(shù)最少的路徑，完成取車操作.在圖6中，如果要取停在8號(hào)車位上的車輛，則需先把5號(hào)車位上的載車板右移，然后把2號(hào)和3號(hào)車位上的載車板右移，最后把8號(hào)車位上的載車板降到底層，并在用戶完成取車后，再次將載車板升到車位8，完成本次取車操作.

圖6　立體車庫運(yùn)行狀態(tài)示意圖

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，可利用梯形圖實(shí)現(xiàn)軟件的編寫，完成對(duì)立體車庫的控制.

3結(jié)束語

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是立體車庫設(shè)計(jì)工作的核心，文中以一個(gè)三層十車位升降橫移式立體車庫為對(duì)象，研究了立體車庫控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)以及應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能.利用上位機(jī)和PLC相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性和車庫的自動(dòng)化程度，而且操作簡(jiǎn)單，容易學(xué)習(xí).在自動(dòng)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前的車位使用情況，自動(dòng)規(guī)劃出最為合理的存取車路線，而當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能切換到手動(dòng)運(yùn)行模式，不影響用戶存取車輛.

參考文獻(xiàn):

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收稿日期：2015-11-16

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475434)

作者簡(jiǎn)介：王海周(1987-)，男，河南許昌人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化.

文章編號(hào)：1006-3269(2016)02-0001-05

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1006-3269.2016.02.001

Control System Design of Lift-sliding Stereo Garage Based on PLC

WANG Hai-zhou, LI Ren-wang,SONG Sheng-tao, WANG Wei-wei,YANG Zhen

(Mechanical Engineering & Automati Control College, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Abstract：As an effective method to solve the parking problem, stereo garage is being studied and applied more and more widely, especially on the control system. This paper chooses three-layer and ten-carports lift sliding stereo garage as the research model and designs a control system based on PLC to assure the garage run intelligently, safely and effectively. Firstly, the structure and operating principle are introduced, and then the modules of control system and the hardware & software components are deeply discussed, besides, the discussion focused on design proposal of control system and optimization algorithm of parking. In addition, the security design of stereo garage is considered.

Key words:stereo garage; PLC; control system; design