劉萌萌 余彥瓊 苗煒麗 姜羽飛

摘要：針對當(dāng)前停車難、車位緊缺的問題，文中提出一套基于三菱PLC和MCGS的升降橫移式智能車庫的解決方案。系統(tǒng)首先介紹了智能車庫的背景和研究現(xiàn)狀，分析了智能車庫的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出控制系統(tǒng)方案設(shè)計，設(shè)計了基于三菱PLC的硬件控制系統(tǒng)，完成主程序流程圖及存取車流程圖的設(shè)計，組建了基于MCGS的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了與PLC實時通訊和數(shù)據(jù)連接。模擬調(diào)試表明，所設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)存取車功能，運行穩(wěn)定、安全可靠，達(dá)到了智能車庫運行狀態(tài)實時監(jiān)控和人機(jī)交互的目的。

關(guān)鍵詞：升降橫移式;三菱PLC;MCGS;智能車庫

中圖分類號：TP271+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0202-03

0 ?引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，私家車已走進(jìn)普通家庭，不再遙不可及，成為日常代步工具，汽車數(shù)量的急劇增多和有限車位之間矛盾愈演愈烈，“停車難”已成為眾多城市的動態(tài)交通和靜態(tài)交通之間發(fā)展不協(xié)調(diào)的問題[3]。因此，占地少、空間利用率高的新型立體車庫應(yīng)運而生[4]。

機(jī)械式立體車庫根據(jù)原理和結(jié)構(gòu)不同可分為：升降橫移類、垂直循環(huán)類、多層循環(huán)類、水平循環(huán)類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類和簡易升降類等 8種[1]。升降橫移式立體車庫憑借占地面積小、操作便捷、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點在國內(nèi)擁有較高的市場占有率，故針對立體車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計和研究具有重要的意義和較好的市場前景。

文中提出升降橫移式立體智能車庫的總體設(shè)計方案，設(shè)計了基于上位機(jī)MCGS監(jiān)控系統(tǒng)、基于PLC的軟件硬件控制系統(tǒng)。

1 ?智能車庫結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 車庫結(jié)構(gòu)

升降橫移式智能車庫由五部分構(gòu)成，分別是：控制系統(tǒng)、升降橫移傳動裝置、車庫主框架、載車板、安全防護(hù)裝置[8]。

1.1.1 車庫主框架

車庫主框架是智能車庫的重要組成部分，關(guān)系到車庫是否能安全、正常運行。目前立體車庫廣泛采用鋼結(jié)構(gòu)，大多以H型鋼、槽鋼、鋼板為主[10]，此類結(jié)構(gòu)具有較好的可靠性和韌性。

1.1.2 升降橫移傳動裝置

智能車庫的傳動裝置主要實現(xiàn)升降、橫移兩種功能，其主要功能是帶動載車板上、下、左、右移動。

橫移電機(jī)通過帶動同軸鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪的鏈條帶動主動輪轉(zhuǎn)動，從而帶動載車板在導(dǎo)軌上左、右移動。橫移電機(jī)主要安裝在除了高層以外的樓層。升降電機(jī)通過帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，控制載車板上、下移動。主要安裝在除了底層的各個樓層。

1.1.3 載車板

載車板的主要作用是承載到達(dá)智能車庫的車輛[9]。PLC通過傳動系統(tǒng)中的橫移電機(jī)和升降電機(jī)控制載車板左右、上下移動，從而承載車輛到達(dá)預(yù)定位置。

1.1.4 安全防護(hù)裝置

安全防護(hù)裝置是智能車庫系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠運行，設(shè)計以下安全防護(hù)措施：

①急停措施，當(dāng)有任何異常情況出現(xiàn)時，操作人員可按下急停按鈕，強(qiáng)制停止當(dāng)前的控制操作，確保人員、車輛、設(shè)備安全。

②互鎖措施，任一車位在存取車時，其他車位禁止存取車操作，PLC編程時設(shè)計互鎖控制，有效防止誤操作而造成的事故。

③警示措施，系統(tǒng)工作運行時，運行顯示燈閃爍，并伴隨聲音報警以提醒周圍人員注意安全。

④檢測措施，通過車庫安裝的光電開關(guān)檢測車輛長度是否超過限定范圍，如果車輛超過限定長度，立體車庫停止工作并報警;在車庫運行過程中，車庫前后如若有人員誤入，光電開關(guān)會被觸發(fā)，并啟動警報并提醒工作人員。

光電開關(guān)主要用來檢測車輛是否停放到位，當(dāng)車位沒有停放到位，光電開關(guān)上的接收器，收不到來自發(fā)光器發(fā)出的光線。PLC收到車輛未停放到位信號。光電開關(guān)實現(xiàn)準(zhǔn)確停放車輛，以確保存取車輛的安全性;

壓力傳感器主要用來檢測代存車輛是否超重，如果車輛超重，傳感器發(fā)送超重信號至PLC，報警提醒車輛離開;如果車輛不超重，傳感器發(fā)送車輛重量在允許范圍內(nèi)，PLC執(zhí)行下一步操作。

限位開關(guān)主要用來檢測載車板是否升降、橫移到位。當(dāng)載車板上安裝的靜觸頭、通過移動碰到橫梁上安裝的動觸頭時，限位開關(guān)閉合，PLC收到載車板移動到位信號。

⑤防墜落裝置，為防止載車板異常墜落，升降電機(jī)在斷電瞬間要求抱閘制動，確保車庫的安全性和可靠性。二層以上的高層縱梁均安有電磁鐵控制的掛鉤，下方載車板對應(yīng)位置均裝有掛勾環(huán)，載車板運行到相應(yīng)位置，掛鉤自動勾住勾環(huán)，有效減少載車板因斷電墜落的事故發(fā)生。

1.2 存車取車工作原理

本設(shè)計的升降橫移式智能車庫是3層3列7個車位，共需要7個載車板，其中編號8、9號載車板為空。在存取車過程中，為保障每個車位均能順利移動到一層，除頂層外的其余層均需空出一車位，用于車位的移動交換，也為高層車位升降時，提供一空中通道[5][6]。1號、2號車位位于一層，用戶可實現(xiàn)自行存車、取車，可做左、右橫移。3號、4號車位位于二層，可做左右橫移、上下升降。5號、6號、7 號車位位于三層，可做上下升降。車庫結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。7個車位移動方案原理相同，存車/取車結(jié)束后，恢復(fù)至車庫初始化狀態(tài)。

現(xiàn)舉例說明5號車位存車/取車方案。5號車位存車時，1、2、3、4號載車板右移，在5號車位下方形成一垂直空中通道，5號載車板下降兩個車位，等待車輛駛?cè)胼d車板，間隔一段時間，5號載車板上升至原位置，1、2、3、4號載車板左移一個車位，至此5號車位存車結(jié)束。5號車位取車原理與存車相同。

2 ?系統(tǒng)總體方案設(shè)計

智能車庫現(xiàn)場控制要求：控制器通過升降橫移傳動裝置，精準(zhǔn)的將載車板移動到目標(biāo)位置。根據(jù)現(xiàn)場控制要求，智能車庫控制系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控模塊、下位機(jī)控制模塊、輸入信號模塊、輸出信號模塊組成。上位機(jī)和下位機(jī)通過通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。下位機(jī)選擇PLC實現(xiàn)對智能車庫的控制。上位機(jī)向PLC發(fā)送存取車指令，對智能車庫運行狀態(tài)實時監(jiān)控，并存儲車庫運行的數(shù)據(jù)。PLC連接控制按鈕、傳感器，傳動裝置、聲光警示裝置等。接收到上位機(jī)控制指令后，通過檢測光電開關(guān)、限位開關(guān)等傳感器的信號，判斷目標(biāo)載車板的位置，控制升降、橫移電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)存取車的操作。

例如，客戶按下存取車按鈕，PLC檢測到來自傳感器的輸入信號，經(jīng)過內(nèi)部程序?qū)斎胄盘柗治?、運算，將計算結(jié)果傳送至輸出端口，驅(qū)動對應(yīng)車位的電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，執(zhí)行平移、升降動作，完成對載車板的各種控制，實現(xiàn)存取車的功能。其次，下位機(jī)控制運行指示燈、報警顯示燈，蜂鳴器等輔助裝置動作，確保存取車過程可靠性和可控性。

系統(tǒng)總體方案框圖如圖2所示。

3 ?智能車庫硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)組成

車庫在存取車過程中，通過PLC控制升降平臺的升降運動，載車板的橫移運動和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運動，實現(xiàn)智能車庫自動化存取車。

PLC的輸入信號主要包括急停、復(fù)位、存取車按鈕，上、下極限開關(guān)，前、后光電開關(guān)，超重檢測，安全掛鉤等。PLC的輸出信號控制對象多為接觸器，其相應(yīng)外圍設(shè)備包括橫移電機(jī)、升降電機(jī)、防墜落控制、蜂鳴器、報警顯示燈、運行指示燈等。

3.2 I/O口地址分配

通過對車庫控制信號分析，控制對象為小型車庫，輸入輸出量多為開關(guān)量，故選擇三菱公司可編程控制器的FX2N-128MR-001，該系列產(chǎn)品為繼電器輸出，輸入輸出點數(shù)均為64，擴(kuò)展模塊可用點數(shù)為48/64。

光電開關(guān)主要用來檢測車輛停放是否到位，車輛長度是否符合存放要求，安裝在第一層車庫框架上，前后各一個，共需6個。

限位開關(guān)主要用來檢測載車板升降、橫移是否到位。升降限位開關(guān)，檢測升降是否到位，每列需要3個，共需要9個;橫移限位開關(guān)，檢測橫移是否到位，每層共需3個，頂層不做橫移，故共需6個，故限位開關(guān)總共需要15個。

車輛存取采用“車位取車”和“車位存車”的模式，因一層無車位選擇按鈕，如有空位，直接停車，所以共需10個按鈕。有效減少了車位存車、車位取車按鈕的所占的I/O端口數(shù)量。

4 ?智能車庫軟件系統(tǒng)設(shè)計

通過對車庫功能分析，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序和子程序。主程序控制智能車庫的運行，根據(jù)接收到的輸入信號，調(diào)用子程序執(zhí)行對應(yīng)的功能。等待輸入指令并執(zhí)行子程序，子程序執(zhí)行完畢返回主程序等待下次輸入指令。模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅結(jié)構(gòu)簡便，修改方便，也為后續(xù)功能擴(kuò)展提供便利。

4.1 主程序設(shè)計

主程序包括自動程序和手動程序兩部分。其中自動程序和手動程序可在監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行切換。手動程序包括升降控制和左右控制。自動程序包括系統(tǒng)故障自檢、載車板復(fù)位、故障報警、超限檢查、存取車。為確保系統(tǒng)運行安全，每次接到上位機(jī)存取車命令，PLC要先執(zhí)行主程序，再執(zhí)行相應(yīng)存取車子程序，以保證車庫處于正常工作狀態(tài)。主程序如圖3所示。

4.2 自動存/取車子程序設(shè)計

當(dāng)用戶通過觸摸屏，發(fā)送存取車指令時，首先調(diào)用主程序，在系統(tǒng)上電良好，無故障，車輛符合存放標(biāo)準(zhǔn)等條件均正常的情況下，執(zhí)行存取車子程序。一層車位存取直接進(jìn)行。一層以上車位存取需按照存取車流程執(zhí)行，如圖4所示。

存取車程序的流程如下：首先待取車位上有無車輛，若有車輛，則需重新選擇車位，若無車輛，執(zhí)行車輛超限檢查。若待存車輛超限，報警提示離開，若車輛檢測合格，啟動控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)載車板移動到位，存放車輛，之后載車板復(fù)位，至此存車過程結(jié)束。存車程序流程圖如圖4所示。

5 ?上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與仿真

5.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，立體智能車庫需采用上位機(jī)對車庫現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)控。目前市面組態(tài)產(chǎn)品種類繁多，經(jīng)綜合考慮上位機(jī)采用昆侖通態(tài)（MCGS）的觸摸屏，具有操作簡單，功能強(qiáng)大，能與工業(yè)設(shè)備通信，是一款采集、處理生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)過程控制的專業(yè)軟件[7]。上位機(jī)觸摸屏通過以太網(wǎng)與下位機(jī)PLC進(jìn)行通信，實現(xiàn)上位機(jī)、下位機(jī)的數(shù)據(jù)同步，完成存取車命令發(fā)送、車庫動畫顯示等功能，從而實現(xiàn)對智能車庫運行狀況實時控制和管理。

5.2 MCGS與PLC連接與仿真

MCGS與PLC之間的通信和數(shù)據(jù)交換是通過構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的。打開設(shè)備窗口，在“設(shè)備工具箱”中，選擇“通用串口父設(shè)備”和“三菱FX系列編程口”，將其添加到設(shè)備窗口，并分別對這兩個設(shè)備進(jìn)行屬性設(shè)置。

5.2.1 父設(shè)備參數(shù)設(shè)置

串口端口：COM1，波特率：9600，數(shù)據(jù)位數(shù)：7位，停止位：1位，數(shù)據(jù)校驗方式：偶校驗。根據(jù)智能車庫所需I/O端口設(shè)置，屬性為“只讀”輸入通道43個，屬性為“只寫”輸出通道27個。

5.2.2 子設(shè)備參數(shù)設(shè)置

為保證PLC與觸摸屏間通訊，需要依據(jù)三菱PLC的通訊參數(shù)，對子設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使其兩者實現(xiàn)正常通訊和數(shù)據(jù)交換。當(dāng)PLC參數(shù)變化時，父設(shè)備參數(shù)將隨PLC參數(shù)變化而改變，子設(shè)備因需同父設(shè)備保持一致，故驅(qū)動添加及參數(shù)設(shè)置完成后，在“增加通道”中將PLC的I/O地址與觸摸屏的數(shù)據(jù)對象進(jìn)行連接設(shè)置。以上操作完成后，將設(shè)計完成的組態(tài)工程下載到MCGS模擬運行環(huán)境中，進(jìn)行模擬運行。實驗室的模擬運行調(diào)試表明，系統(tǒng)運行正常，設(shè)計合理科學(xué)可行，正常實現(xiàn)了立體智能車庫的存、取車功能，實現(xiàn)了對智能車庫運行過程實時監(jiān)制和人機(jī)交互的目的。

6 ?結(jié)論

文中分析了當(dāng)前智能車庫的研究背景及研究現(xiàn)狀，提出一套基于三菱PLC的控制系統(tǒng)和基于MCGS組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)，模擬實現(xiàn)了智能車庫存取車操作運行。試驗證明，系統(tǒng)可實時監(jiān)控智能車庫的運行狀況，實現(xiàn)存取車功能，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠、操作簡便，在一定程度改善停車難的問題。

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