桶式機(jī)械立體停車庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李天智　劉占陽　程柘源

摘 要： 停車難問題是大多數(shù)城市急需解決卻又非常難以解決的問題。機(jī)械立體停車設(shè)備的應(yīng)用為解決停車難問題提供了很好的方法。桶式機(jī)械立體停車技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的新的機(jī)械立體停車技術(shù)，其存取車動(dòng)作非常復(fù)雜，各個(gè)動(dòng)作之間有著嚴(yán)格的時(shí)間和邏輯關(guān)系，升降和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)都屬于大慣性負(fù)載，要實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的平層和對(duì)位非常困難，并且要有完善的安全保護(hù)功能，自動(dòng)控制難度很大。針對(duì)桶式機(jī)械立體停車自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型及程序控制方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述。

關(guān)鍵詞： 立體停車庫(kù)； 自動(dòng)控制； 工業(yè)無線以太網(wǎng)通信； 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）19?0136?03

Design of automatic control system for barrel type mechanical parking lot

LI Tian?zhi1， LIU Zhan?yang1， CHENG Zhe?yuan3

（1. Hebei Mechatronics Test Base， Shijiazhuang 050081， China； 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211100， China）

Abstract： The parking problem needs to be solved urgently， but its hard to find a way out of such a difficult issue for most cities. The application of mechanical tridimensional parking garage reveals an excellent solution to meet the parking demand. The barrel type mechanical spatial parking system as a new technology of mechanical parking emerges recently， but its action of accessing vehicles is complex. Besides theres a strict time and logic relationship between actions. At the same time， the lift and rotary platforms have high inertia loads. Its difficult to achieve fast and accurate leveling and position matching. In view of the perfect security protection function， the automation control task is tough. The automation control system design， selection and program control method for barrel type mechanical spatial parking system are discussed in detail.

Keywords： three?dimensional parking garage； automatic control； industrial wireless Ethernet communication； condition monitoring

0 引 言

自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)械立體停車庫(kù)建設(shè)中關(guān)鍵的一環(huán)。桶式機(jī)械立體停車庫(kù)采用圓形結(jié)構(gòu)，整個(gè)車庫(kù)建于地下，中間為升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，車位分布在升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)周圍，可設(shè)3～8個(gè)停車層，每層12個(gè)車位。車庫(kù)存取車動(dòng)作復(fù)雜，各個(gè)動(dòng)作之間有嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，并且要有完善的安全保護(hù)功能[1]，自動(dòng)控制難度大；其升降和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)屬于大慣性負(fù)載，要實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的平層和對(duì)位非常困難；分布式子站與主站之間需要采用無線通信方式，要采取有效技術(shù)手段提高通信可靠性；為了滿足無人化管理的要求，采用射頻IC卡進(jìn)行車位管理，并實(shí)現(xiàn)車輛存取優(yōu)化調(diào)度功能，上述要求能否實(shí)現(xiàn)將直接影響整個(gè)車庫(kù)的應(yīng)用效果。本文對(duì)桶式機(jī)械立體停車庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)組成及軟件實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，主要涉及PLC控制、變頻調(diào)速、射頻IC卡發(fā)卡及讀寫管理、位置檢測(cè)、安全保護(hù)等內(nèi)容。

1 系統(tǒng)組成

桶式機(jī)械立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)由控制主站、地面子站、升降平臺(tái)子站、移動(dòng)操作子站、前小車子站、后小車子站、射頻IC卡讀卡器及發(fā)卡系統(tǒng)、手動(dòng)無線遙控系統(tǒng)、升降變頻器、旋轉(zhuǎn)變頻器、 存取車小車行走及夾臂驅(qū)動(dòng)變頻器、層位傳感器及安全保護(hù)系統(tǒng)等組成。其組成框圖如圖1所示。

主控站：主控制器PLC采用6ES7 315 2DP/PN CPU模塊，模塊本身帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DP接口和一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)接口，DP口用于連接升降變頻器、旋轉(zhuǎn)變頻器、升降平臺(tái)子站和地面子站，工業(yè)以太網(wǎng)接口通過西門子無線模塊W788?1（AP） 和W744?1與前后小車子站相連，同時(shí)，通過無線通信連接一個(gè)移動(dòng)式無線操作站，主控站同時(shí)帶有32點(diǎn)開關(guān)量輸入和16點(diǎn)開關(guān)量輸出，通過高速計(jì)數(shù)模塊連接一個(gè)平臺(tái)升降脈沖編碼器。主控站負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制。

地面子站：采用ET200S分布式子站，通過DP方式與主站相連，主要連接車庫(kù)地面輸入輸出控制點(diǎn)，包括道閘、出入口卷閘和快速卷簾、出入口安全光柵、用于人員檢測(cè)的激光掃描傳感器、車輛超高、超寬檢測(cè)光電開關(guān)等，同時(shí)連接存取車射頻IC卡讀卡器。

升降平臺(tái)子站：采用ET200S分布式子站，通過DP方式與主站相連，主要連接升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上輸入輸出控制點(diǎn)，包括旋轉(zhuǎn)平臺(tái)位置傳感器、平臺(tái)水平定位銷位置傳感器及控制輸出、車輛位置矯正機(jī)構(gòu)控制輸出及位置傳感器，同時(shí)通過高速計(jì)數(shù)模塊連接一個(gè)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器。

前后小車子站：采用ET200S分布式子站，通過無線以太網(wǎng)與主站相連，主要連接存取車機(jī)構(gòu)輸入輸出控制點(diǎn)，包括小車行走位置檢測(cè)與控制、車輪夾持滑板位置檢測(cè)與控制、車輪夾臂的張開、閉合控制，車輪位置檢測(cè)等。前后小車所有動(dòng)作均采用變頻驅(qū)動(dòng)，共有14個(gè)動(dòng)力組件。

移動(dòng)操作子站：采用ET200S分布式子站，通過無線以太網(wǎng)與主站相連，為車庫(kù)安裝調(diào)試提供手動(dòng)試驗(yàn)、分段調(diào)試及自動(dòng)聯(lián)調(diào)等調(diào)試手段，方便車庫(kù)機(jī)電設(shè)備的安裝及維修。

2 系統(tǒng)原理與關(guān)鍵技術(shù)

桶式機(jī)械立體停車庫(kù)大部分輸入輸出點(diǎn)為開關(guān)量，控制算法以邏輯運(yùn)算為主，為了提高存取車速度，各個(gè)動(dòng)作都采用了變頻調(diào)速技術(shù)；為了完成存取車動(dòng)作，平臺(tái)的平層和旋轉(zhuǎn)對(duì)位精度要求非常高，必須設(shè)有過沖檢測(cè)手段和過沖回調(diào)控制機(jī)制，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位和過沖回調(diào)，設(shè)計(jì)了組合傳感器檢測(cè)方法，結(jié)合專用控制算法，實(shí)現(xiàn)了升降和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的快速制停和準(zhǔn)確定位；為了滿足無人化管理的要求，采用M1射頻卡對(duì)車位進(jìn)行管理，一卡一個(gè)車位， IC卡讀卡器直接聯(lián)入PLC的RS 485口；為了便于現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，采用無線遙控方式，通過PLC實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作的手動(dòng)操作并提供完善的安全保護(hù)功能。

2.1 平臺(tái)升降和旋轉(zhuǎn)位置檢測(cè)與精確定位控制

組合傳感器布置：根據(jù)建設(shè)規(guī)模不同車庫(kù)可設(shè)3～8個(gè)停車層，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確平層和過沖檢測(cè)，升降平臺(tái)上設(shè)一塊豎向感應(yīng)板，感應(yīng)板上設(shè)上下兩個(gè)平層傳感器（上平層傳感器和下平層傳感器），相距30 cm左右；每個(gè)停車層設(shè)一個(gè)感應(yīng)板，感應(yīng)板中間設(shè)一個(gè)層傳感器，感應(yīng)板長(zhǎng)度設(shè)定為恰好能夠同時(shí)感應(yīng)升降平臺(tái)上的上下平層傳感器，聯(lián)同層傳感器同時(shí)有效時(shí)為準(zhǔn)確平層位置，并通過層傳感器確定平臺(tái)所在的停車層（絕對(duì)尋址）。位傳感器布置與層傳感器類似。組合傳感器布置見圖2。

平臺(tái)過沖檢測(cè)與回調(diào)：平臺(tái)平層動(dòng)作停止后，如果檢測(cè)到層傳感器和下平層傳感器有效、上平層傳感器無效，表明平臺(tái)偏上，需要向下微調(diào)；檢測(cè)層傳感器和上平層傳感器有效、下平層傳感器無效時(shí)，表明平臺(tái)偏下，需要向上微調(diào)。微調(diào)時(shí)一般采用爬行速度，避免出現(xiàn)再次過沖，如果微調(diào)后仍然未達(dá)到平層位置，系統(tǒng)將再次重復(fù)上述平層過程，直至達(dá)到平層要求為止[2]。平臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)位原理與此類似，不再贅述。

2.2 工業(yè)無線以太網(wǎng)組網(wǎng)

桶式立體車庫(kù)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)為360°自由旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上控制設(shè)備與固定設(shè)備的傳統(tǒng)連接方法是通過集電環(huán)，集電環(huán)可用于傳遞各種開關(guān)量信號(hào)，不能用于傳遞網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，且觸點(diǎn)在運(yùn)行過程中存在磨損，設(shè)備維護(hù)要求高，可靠性差，所以本系統(tǒng)以無線通信方式替代了集電環(huán)連接。移動(dòng)操作站為了操作方便也采用了無線通信方式。無線以太網(wǎng)絡(luò)主要由西門子無線工業(yè)以太網(wǎng)模塊SCALANCE W788接入點(diǎn)模塊（AP）和SCALANCE W744客戶端組成。利用SCALANCE W788接入點(diǎn)模塊建立無線網(wǎng)絡(luò)，利用 SCALANCE W客戶端模塊將各子站連接到主控制站[3]。因桶式立體車庫(kù)為三維立體結(jié)構(gòu)，一個(gè)中心點(diǎn)信號(hào)很難覆蓋車庫(kù)各個(gè)部位，為了保證通信的高可靠性，在車庫(kù)頂端設(shè)一個(gè)固定接入點(diǎn)（AP0），在升降平臺(tái)上設(shè)置一個(gè)中轉(zhuǎn)接入點(diǎn)模塊（AP1），AP0與AP1之間采用WDS方式實(shí)現(xiàn)連接，前后小車客戶端與主站模塊（AP0）通信全部通過（AP1）中轉(zhuǎn)。WDS通信原理示意如圖3所示。

進(jìn)行WDS通信的兩個(gè)接入點(diǎn)模塊AP0，AP1通信信道要設(shè)成一致，但網(wǎng)路ID不能相同，隨平臺(tái)升降接入點(diǎn)模塊（AP1）的網(wǎng)絡(luò)ID要與前后小車客戶端模塊設(shè)成一致，以保證通信正常進(jìn)行[4]。

2.3 主站與子站心跳狀態(tài)監(jiān)測(cè)

升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的前后小車采用工業(yè)無線以太網(wǎng)與主站進(jìn)行通信，無線通信的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性比有線通信差，而存取車時(shí)前后小車動(dòng)作必須與其他機(jī)構(gòu)動(dòng)作保持嚴(yán)格的時(shí)序和互鎖關(guān)系，如果出現(xiàn)通信失敗，有可能造成嚴(yán)重的安全事故。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主站與前后小車子站的通信狀態(tài)，同時(shí)也對(duì)前后小車PLC的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主站與前后小車子站的雙向心跳監(jiān)測(cè)功能。具體方法是在主站PLC的CPU和前后小車子站PLC的CPU中分別設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)單元，在每次定時(shí)中斷程序中對(duì)這些計(jì)數(shù)單元加“1”，在每次通信時(shí)，將計(jì)數(shù)單元的數(shù)值作為數(shù)據(jù)傳送給通信伙伴，每個(gè)PLC都保存通信伙伴上次的計(jì)數(shù)值，正常情況下，每次通信得到通信伙伴的計(jì)數(shù)值都應(yīng)該不同，即“心跳”，如果兩次通信得到通信伙伴的計(jì)數(shù)值相同，即“心跳”停止，則可懷疑雙方之間通信出現(xiàn)了問題或通信伙伴工作狀態(tài)不正常，為避免出現(xiàn)誤判，一般可對(duì)心跳停止的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，達(dá)到設(shè)定次數(shù)的心跳停止即可認(rèn)定為故障。任何一方發(fā)現(xiàn)通信異?；蛲ㄐ呕锇榘l(fā)生故障時(shí)將按照確保安全原則采取緊急停止動(dòng)作，有效避免事故的發(fā)生。程序流程圖見圖4。

2.4 射頻IC卡車位管理

射頻IC卡車位管理包括與PLC直接相連的四個(gè)射頻IC卡讀卡器和專用發(fā)卡系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用非接觸式IC卡（Mifare One Card）對(duì)車輛存取進(jìn)行管理，一個(gè)車位對(duì)應(yīng)一張卡，通過劃卡啟動(dòng)存取車過程。IC卡中存有車庫(kù)編號(hào)、IC卡編號(hào)、IC卡所對(duì)應(yīng)的車位號(hào)等信息。PLC通過RS 485總線與IC卡讀卡器通信，以命令方式輪詢四個(gè)讀卡器狀態(tài)。為了減少存取車司機(jī)誤操作，指定兩個(gè)讀卡器用于存車，另外兩個(gè)讀卡器用于取車，并分別設(shè)置于存車入口和取車出口，取車讀卡器可連續(xù)讀卡，并按劃卡順序預(yù)約取車。為了方便用戶按需制作車庫(kù)IC卡，系統(tǒng)配有專用發(fā)卡系統(tǒng)，發(fā)卡系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、IC卡讀寫器和發(fā)卡軟件組成，當(dāng)用戶所持IC卡丟失或損壞時(shí)，可隨時(shí)補(bǔ)卡。

2.5 存取車優(yōu)化調(diào)度

為了減少存取車等待時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了存取車優(yōu)化調(diào)度功能。存車時(shí)按車輛排隊(duì)順序存車，取車可隨時(shí)劃卡實(shí)現(xiàn)預(yù)約取車。當(dāng)既有存車要求，又有取車預(yù)約時(shí)，特別是有多輛汽車要求存入，同時(shí)又有多個(gè)取車預(yù)約時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。存取車調(diào)度優(yōu)化的目標(biāo)是使整個(gè)車庫(kù)的存取車效率最高。調(diào)度的方法是根據(jù)存取車升降平臺(tái)的位置決定先響應(yīng)存車請(qǐng)求還是先響應(yīng)取車請(qǐng)求。當(dāng)升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)處于地面位置時(shí)，存車優(yōu)先；當(dāng)升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)處于地下時(shí)，取車優(yōu)先。存在多量汽車要求存入并有多輛汽車要求取出時(shí)，上述調(diào)度原則仍然有效，存入一輛車后，升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)必然在地下，這時(shí)，取車優(yōu)先；取出一輛車后，升降旋轉(zhuǎn)平臺(tái)則處于地面位置，存車優(yōu)先，這樣存取車交替運(yùn)行，既照顧到存取車司機(jī)的感受，又實(shí)現(xiàn)了車庫(kù)存取效率的最大化。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)地下桶式機(jī)械立體停車庫(kù)的控制需求，闡述了實(shí)現(xiàn)立體停車庫(kù)自動(dòng)控制的整體方案和關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用表明，本文給出的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法能夠滿足桶式機(jī)械立體停車庫(kù)的控制要求，具有實(shí)用性，也可為類似機(jī)械立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

注：本文通訊作者為劉占陽。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉占陽.一種機(jī)械立體停車庫(kù)：中國(guó)，200420117135.8[P].2006?01?25.

[2] 劉占陽.帶旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的垂直升降機(jī)電氣控制系統(tǒng)：中國(guó)，200710062490.8[P].2008?06?11.

[3] [德] METTER Raimond Pigan Mark.西門子PROFINET工業(yè)通信指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4] 佚名.SCALANCE W工業(yè)無線移動(dòng)通信產(chǎn)品樣本[M].西門子（中國(guó)）有限公司工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán)，2008.

[5] 黃訓(xùn)磊，王麗靜，王興宇，等.基于ARM的停車場(chǎng)車輛管理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（2）：100?104.

[6] 袁靜，陸超.基于物聯(lián)網(wǎng)的停車誘導(dǎo)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（24）：41?42.