基于PLC的立體車庫自動控制算法的設計及應用

霍沛，胡勇

（1.四川理工學院機械工程學院，四川自貢643000；2.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川自貢643000）

基于PLC的立體車庫自動控制算法的設計及應用

霍沛1，2，胡勇1，2

（1.四川理工學院機械工程學院，四川自貢643000；2.過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室，四川自貢643000）

在分析升降橫移式立體車庫的結構特點、車庫運行原理的基礎上，采用可編程控制器（PLC）為核心控制單元，對立體車庫尋找最優(yōu)路徑自動程序算法進行剖析，闡述了最優(yōu)路徑自動控制算法的原理及算法實現(xiàn)，設計了車庫自動控制方案。該方案具有自動控制條件安全可靠、減少存取車時間、簡化人工操作、降低能耗等優(yōu)點。

立體車庫；升降橫移；可編程控制器PLC；最優(yōu)路徑算法；自動控制

引言

隨著人們生活質量的顯著改善，私家車的擁有量日益增長，停車擁擠、泊車困難、車位使用昂貴的問題日益尖銳突出。發(fā)達國家和地區(qū)解決停車難的主要辦法是建設立體車庫，即在某一層面建筑的單位空間內利用高度縱深停放更多的車輛［1］。其采用結構化設計，每單元可分成兩層至四層不等，每層車位數(shù)從幾個到上百個，并且既可建為地上停車場也可建為地下車庫，節(jié)省占地面積。立體車庫根據其機械結構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、簡易升降式等。相對于其他立體車庫，升降橫移式立體車庫機械結構簡單，安全可靠性高，廣泛應用于繁華商業(yè)區(qū)、火車站、住宅小區(qū)等場所［2］。

升降橫移式立體車庫優(yōu)點很明顯，但控制手段較為單一，目前市面上的成品多是以手動控制為主，存在操作復雜、存取車時間較長、容易造成車輛短時間擁堵等缺點。本文主要研究基于可編程控制器（PLC）設計升降橫移立體車庫自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛存取調度路徑最優(yōu)化，減少車輛的存取時間，降低存取車的能耗，實現(xiàn)車輛存取自動控制，升降車位無需人工操作，提高車庫的整體效率和利用率。

1 車庫整體結構與車位調度

升降橫移式立體車庫主體為鋼架構，具體可由載車板模塊、動力傳動模塊、控制系統(tǒng)模塊和安全防護模塊等模塊組成，一般以二到四層居多［3］，車輛存取依靠載車板位移實現(xiàn)。在移動通道上除頂層外，其他層均有一個空位來形成一個升降通道。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）。在存取車過程中，底層車位可直接進入車庫，其余層車位進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，升降動作完成后需要復原，橫移動作完成后不需要復原。通過PLC發(fā)出的指令，載車板做出相應的升降或橫移的動作，載車板到位與否通過限位開關和光電傳感器感應，并且將數(shù)字量信息0（未到位）或1（到位）傳遞到PLC中，PLC根據傳感器傳遞的信號通過算法做出相應的判斷，控制升降／橫移傳動系統(tǒng)做出相應的動作［4］。

圖1車位編號示意圖

2 控制系統(tǒng)概述

2．1 控制系統(tǒng)的硬件結構及控制方案

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

具體工作流程（圖2）為：上位機發(fā)出指令，通過RS485通訊總線傳輸給PLC，由PLC通過上位機傳遞的指令和傳感器傳來的信號進行比較，再通過控制算法進行相應處理，之后由輸出信號控制電機進行相應的運動，其運動過程是通過操作人員向上位機發(fā)出需要使用的車庫號信息，由上位機發(fā)送到PLC，再由PLC通過傳感器顯示的當前狀態(tài)來指示算法計算，并向各控制元件發(fā)出指令，控制升降／橫移電機運動，以達到最終控制載車板移動到指定車位，并且當載車板移動到位后，安全掛鉤會及時落下，保證安全。

圖2升降橫移式立體車庫電控方框圖

2．2 算法設計

升降橫移式立體車庫軟件控制部分的核心是控制算法，控制算法的不同可導致控制方式的不同，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的存取車時間，簡化人工操作流程。根據立體車庫的實際控制要求，有手動模式和自動模式兩種控制模式，在上位機中選擇使用自動控制或手動控制其中一種，根據上位機傳輸?shù)闹噶睿琍LC進行相對應的算法選擇（圖3）。

圖3整體程序算法流程圖

2.2.1手動控制功能設計

手動控制功能一般應用在外部意外斷開電源后恢復電源、或出現(xiàn)因電線斷開等不可控情況下的通訊故障，以及車庫在裝配調試或檢修操作等狀況。為此，對每塊載車板都設計有手動控制功能：頂層手動控制升降、底層手動控制橫移、中間若干層手動控制升降與橫移。在進行手動操作時，先將自動／手動開關撥到手動的位置，然后按照動作要求，完成既定的操作。

2.2.2自動控制算法設計

自動控制算法根據最優(yōu)路徑自動尋找空位。準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PLC內部算法自動運算，控制載車板升降／橫移運動，自動完成所需要的操作步驟，這就避免了誤操作的可能［7］。對于一個有n層、m列的升降橫移車庫，令其存取車位為ai，j，對應層數(shù)為i（1≤i≤n）、列數(shù)為j（1≤j≤m），則呼叫的車位號運動軌跡要滿足以下兩個子方程［8-9］：）

其中，hk表示第h行空車位的列數(shù)，m為車庫列數(shù)。每次存取車后需復位，以確保存取車的可靠性。復位約定為：橫移車位移動后不需復位，升降車位除頂層外移動后均需復位?？紤]到車庫存取車流程的規(guī)范性和可靠性，車庫正常運行時，在完成一次存取車流程后，產生下降動作的車位要恢復到流程開始前所在的層位，產生橫移的車位不需要還原。當所選車位為底層時，可直接存取車輛。若所選車輛為其他層時，算法會將所選車位的列數(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，若大于零則需相關車位左移，若小于零則需相關車位右移，最終形成所選車位需要的下降通道［10-11］。

對于被選車位ai．j（i＞1），需建立其所需的升降通道（圖4）。第y（1≤y＜i）層空位所在列可設為ky，若ky＝j，說明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，說明在第y層中，ai．j車位在空位左側，將第y層j－（ky－1）列車位均右移1位；若ky＜j，說明在第y層中，ai．j車位在空位右側，將第y層（ky＋1）－j列車位均左移1位。其運動的總原則是：升降復位，平移不復位。根據上述存取車規(guī)則，存車和取車操作的車位升降動作一致，可以用同一控制程序實現(xiàn)相同車位的存取車控制［12-13］。

圖4自動存取控制流程圖

以升降橫移立體車庫的第三層a3.1號車位載車板為例來說明算法的實際應用。當呼叫a3.1號車位時，若要使a3.1號車位載車板下降，則必須使a2.1號車位和a1.1號車位無載車板，形成a3.1號車位載車板的下降通道。若a2.1號或a1.1號車位上有載車板，就要將之移開，空出車位。具體算法控制過程為：若要a3.1號載車板自動下降，則需要使a3.1自動下降的繼電線圈通電，但這需要同時滿足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在自己的層位上不能下降到一層，當滿足此條件后，約束a3.1升降條件的繼電線圈常開觸點閉合，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號車位和a1.1號車位，形成a3.1的下降通道，這就需要同時滿足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閉合并且a2.1橫移限位和a1.1橫移限位常閉觸點斷開，此時a3.1橫移條件線圈帶電。當a3.1升降條件與a3.1橫移條件的常開觸點同時閉合后，下降激活繼電線圈帶電，自動下降輸出繼電線圈帶電，驅動下降電機通電［14］，如圖5所示。

圖5 a3.1車位自動下降梯形圖

3 結束語

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

［1］馬幼捷，張海濤，邵保福，等.電子智能化立體庫的研究現(xiàn)狀與走向［J］.電氣自動化，2008，30（5）：3-6.

［2］湯平，劉昭琴.PLC控制的立體車庫研究分析［J］.制造業(yè)自動化，2013，8（1）：154-156.

［3］錢愿君，趙宇龍.常見立體機械車庫類型［J］.中國電梯，2008，19（1）：63-67.

［4］程懷舟.基于PLC的多層升降橫移立體停車庫控制系統(tǒng)設計［J］.電子設計應用，2005，4（2）：100-102.

［5］李瑞琴，鄒慧君.可控機構的分類及應用［J］.機械設計與研究，2002（4）：17-19.

［6］吳宇紅.三層立體車庫監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.科技與創(chuàng)新，2014（7）：41-42.

［7］楊叔子，楊克沖，吳波.機械工程控制基礎［M］.4版.武漢：華中科技大學出版社，2000.

［8］沈金龍.升降橫移式立體車庫的監(jiān)控調度及管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.南京：南京航空航天大學，2013.

［9］李辰寅.一種升降橫移式立體車庫調度算法的設計與實現(xiàn)［D］.蘇州：蘇州大學，2008.

［10］楊永剛.PLC技術在自動傳輸系統(tǒng)中的應用［J］.機電一體化，2004，10（5）：72-73.

［11］廖京盛，陳重霖，李楨.PLC在自動貨物提升機中的設計與應用［J］.微計算機信息，2004，20（9）：1-3.

［12］廖玲玲，肖素梅，肖湘菲.基于SRD的升降橫移式立體車庫運行可行性分析［J］.西南科技大學學報，2014（3）：74-78.

［13］Spragins J，Hammond J，Paw likow ski K.Telecommunications：protocols and design［M］.New Jersey：Addison Wesley Publishing Company，1991.

［14］Yao Hongliang，Yao Guangshun.Summarizes question which in the PLC application and the use should pay attention［J］.Journal of Anhui Vocational College of Electronics&Information Technology，2006，5（2）：74-76.

［15］歐陽圣，胡望宇.幾種經典搜索算法研究與應用［J］.計算機系統(tǒng)應用，2011，20（5）：243-247.

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

四川理工學院創(chuàng)新基金項目（y2014035）

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