基于PLC控制的垂直旋轉(zhuǎn)式立體自行車庫的研究與設計

方強 林祥樂 趙玖成

摘要：近年來，隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，汽車數(shù)量迅速增長造成交通擁擠，自行車作為一種城市短距離通勤工具被大量地使用。單個自行車占用面積大，停放雜亂無章，露天存放的自行車加劇了其自然磨損且容易丟失。對于自行車的存儲停放大多為車棚，現(xiàn)重新對自行車庫設計方案進行創(chuàng)新，設計出垂直旋轉(zhuǎn)式立體自行車庫，可以實現(xiàn)自行車的立體式多層存儲，大幅增加存車數(shù)量，且不占用地面空間。

關鍵詞：垂直旋轉(zhuǎn)式;立體自行車庫;創(chuàng)新設計

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）21-0211-03

一、背景技術

中國是自行車大國，自行車在中國的普及及使用率非常高。對于自行車的存儲停放，目前大多采用地上自行車庫的形式。較為簡易的地上自行車停車庫大多為車棚，其自行車停放數(shù)量較少，單個自行車占用面積大，停放雜亂無章，且容易丟失。還有一些立體式自行車存儲裝置，其可實現(xiàn)自行車的多層停放，但是仍需占用大量的地面空間，影響市容美觀。

中國專利201210171767.1中公開了一種地下自行車庫，包括圓柱體側(cè)壁、位于側(cè)壁內(nèi)的機械轉(zhuǎn)臺及自行車存放架，其中，機械轉(zhuǎn)臺包括機械手臂、旋轉(zhuǎn)裝置及升降裝置。機械手臂、旋轉(zhuǎn)裝置及升降裝置可實現(xiàn)自行車的取放、旋轉(zhuǎn)及升降，從而實現(xiàn)將自行車放置于圓柱體側(cè)壁內(nèi)安裝的支撐架上。該地下自行車庫可以實現(xiàn)自行車的立體式多層存儲，大幅增加存車數(shù)量，且不占用地面空間。

二、自行車庫系統(tǒng)簡述

一種地下自行車庫自動控制系統(tǒng)，其特征在于：包括地面上的車庫亭及地面下的自行車庫及控制系統(tǒng)，所述入庫門前方的地面上部設置有入庫平臺及控制臺，所述控制系統(tǒng)設置于地面上部的控制臺內(nèi);自行車庫包括支撐單元及中心輸送單元，中心輸送單元由平行的旋轉(zhuǎn)導軌、同步帶式升降機構、軸支撐式旋轉(zhuǎn)機構及輸送臺構成，在旋轉(zhuǎn)導軌上設置同步帶升降機構，輸送臺由同步帶升降機構驅(qū)動沿旋轉(zhuǎn)導軌進行升降，旋轉(zhuǎn)導軌底部設置軸支撐式旋轉(zhuǎn)機構，旋轉(zhuǎn)導軌及輸送臺由軸支撐式旋轉(zhuǎn)機構驅(qū)動進行水平旋轉(zhuǎn)，輸送臺上設置有輸送臺抓推機構;控制系統(tǒng)包括入庫安全檢測單元、升降控制單元、旋轉(zhuǎn)控制單元、CPU及報警單元;入庫平臺設置有入庫安全檢測單元，同步帶升降機構與升降控制單元控制連接，軸支撐式旋轉(zhuǎn)機構與旋轉(zhuǎn)控制單元控制連接，入庫安全檢測單元、升降控制單元、旋轉(zhuǎn)控制單元與CPU連接，CPU與報警單元連接。

三、機械構造

自行車庫機械結(jié)構如圖1、2所示，其自行車庫包括支撐單元及中心輸送單元，中心輸送單元由平行的旋轉(zhuǎn)導軌、同步帶式升降機構、軸支撐式旋轉(zhuǎn)機構及輸送臺構成，可完成自行車的抓取、升降、旋轉(zhuǎn)及推送，實現(xiàn)將自行車對位放入自行車存放架上，地下多層的自行車存放架，可存放的自行車數(shù)量大，節(jié)省地面空間;具有入庫安全檢測單元、升降控制單元、旋轉(zhuǎn)控制單元保障自行車入庫、抓取、存放、取出動作的順暢、安全、可靠。

四、控制系統(tǒng)

自行車庫采用SIEMENS S7-1200PLC作為主體的控制系統(tǒng)，其中包括監(jiān)測機構、執(zhí)行機構與數(shù)據(jù)庫三大部分。如圖5所示。

（一）ID卡身份識別

ID卡身份識別主要用于私人自行車存放，存車時，將自行車停放在操作臺中，人離開操作臺后，使用城市一卡通、身份證或銀行卡等ID在刷卡器上進行刷卡確認，系統(tǒng)將自行車存入車庫中。如果取車時，只要對著刷卡器刷一下，系統(tǒng)將自動把自行車送出。對于公用自行車進行標簽識別：通過地面入庫平臺一側(cè)的控制臺上所安裝的電子標簽識別系統(tǒng)，RFID標簽識別單元對待存入自行車進行讀取，當沒有檢測到標簽時，系統(tǒng)繼續(xù)檢查;當檢測到有標簽時，則系統(tǒng)開始讀標簽中的數(shù)據(jù)身份，然后判別標簽數(shù)據(jù)身份是否合法，當檢測的標簽身份不合法時，此時系統(tǒng)開始提示錯誤標簽報警，系統(tǒng)不做其他操作。

（二）入庫安全檢測

1.重量檢測：重量檢測單元自動檢測自行車入庫平臺上方重量，辨別是否有人站立，檢測重量需處于安全區(qū)間時入庫門方能打開;壓力傳感器設定一個上限值和一個下限值，當檢測到自行車的重量超過壓力傳感器的上限值時，傳感器輸出一個過重信號，系統(tǒng)將會檢測到這一個過重信號，則系統(tǒng)報警，系統(tǒng)停止操作，然后返回到初始狀態(tài);當自行車的重量沒有超出壓力傳感器的稱重范圍時，系統(tǒng)將進行下一步操作。

2.放偏檢測：放偏檢測單元自動檢測自行車入庫平臺上方的自行車前輪及后輪是否都放置到車輪限位槽內(nèi);用位置感應器來判斷自行車是否放偏，當位置感應器沒有感應到輪子時，則表明自行車放偏，系統(tǒng)報警，系統(tǒng)無法正常運行，然后繼續(xù)檢測;當位置傳感器感應到輪子時，此時自行車位置正確，系統(tǒng)進行下一步操作。

3.鎖住檢測：鎖住檢測單元自動檢測自行車是否上鎖，鎖住檢測自動檢測自行車是否上鎖的方法為通過CPU給伺服電機的旋轉(zhuǎn)編碼器設定一個位置指令，然后給伺服電機發(fā)送位置指令，旋轉(zhuǎn)編碼器反饋位置，當反饋位置大于設定值時，說明自行車車輪轉(zhuǎn)動，摩擦力小，此時自行車沒有鎖住，則系統(tǒng)進行下一步;當反饋位置的值小于設定值時，說明此時自行車的摩擦力大，此時自行車處于鎖住狀態(tài)，系統(tǒng)返回，并進行報警。如圖6所示。

（三）自行車抓取

入庫安全檢測完成，輸送臺抓推機構中抓手機構的抓手電機動作，抓取自行車前輪，并將其移動至輸送臺。

（四）庫位選擇

控制系統(tǒng)的升降控制單元及旋轉(zhuǎn)控制單元控制輸送臺豎直升降并旋轉(zhuǎn)至一個自行車存放架并對準，抓推機構推送自行車將其送至自行車存放架，記錄該庫位坐標。

（五）自行車取出

人站在人體安全區(qū)域內(nèi)，使用城市一卡通在人機界面上進行刷卡確認信息，控制系統(tǒng)的升降控制單元及旋轉(zhuǎn)控制單元控制輸送臺豎直升降并旋轉(zhuǎn)至該存車庫位坐標，自行車抓取并取出，穩(wěn)定放至入庫平臺區(qū)域中。

五、控制系統(tǒng)涉及的算法

（一）數(shù)據(jù)庫算法

根據(jù)控制系統(tǒng)的需求分析數(shù)據(jù)庫應擁有以下功能。

預先設置的靜態(tài)數(shù)據(jù)：各個存放點相應的上升下降軸與旋轉(zhuǎn)軸數(shù)據(jù)。

動態(tài)數(shù)據(jù)：相應的IC卡號對應相應的上升下降軸與旋轉(zhuǎn)軸，只需將IC卡號對應。

查詢功能：將SIEMENS S7-1200PLC的數(shù)組進行遍歷。

（二）最優(yōu)調(diào)度算法

根據(jù)控制系統(tǒng)的分析最佳調(diào)度方案為：縮短入庫時間，就近原則，環(huán)形存放架受力均勻。

對于自行車庫控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構而言，上升下降軸與旋轉(zhuǎn)軸是各個自行車存放點的坐標，是可變，水平的推拉與抓手的夾取，耗時是一定的。

將上升下降軸取為變量H，旋轉(zhuǎn)軸取為變量R，水平推拉取為常量Y，抓手夾取為常量X。

根據(jù)上述的量可推算出入口點與各個存放點的路程，由公式S=VT，可算出運行時間。為提高效率，可將入口點的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的存放點遍歷一遍取與上升下降軸為變量H，旋轉(zhuǎn)軸為變量R做差值最小的一個存放點，為最優(yōu)存放點。

六、結(jié)束語

本文所做工作對于立體自行車庫的模式研究有一定貢獻，可滿足城市立體車庫建設的需要，是對垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫設計方案的優(yōu)化，有利于降低設計成本，提高車庫作業(yè)效率，進而有利于自行車的推廣使用，促進自行車行業(yè)的發(fā)展，在一定程度上緩解了城市交通擁堵與汽車尾氣污染。

參考文獻：

[1]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術 第4版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.06.

[2]雷曉燕，劉芳，燕曉紅.信息化教材 機械設計應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2019.08.

Abstract： In recent years， with the development of urban economy， the rapid growth of the number of cars has caused traffic congestion， and bicycle as a short-distance commuting tool in the city has been widely used. Bicycles often occupy a large area and are parked in disorder. Bicycles put in the open air aggravate their natural wear and easy to lose. Traditionally， bicycles are stored or parked in bicycle shed. Now the design of traditional bicycle shed is innovated， and a vertical rotary three-dimensional bicycle parking equipment is designed， which can realize the three-dimensional multi-l storage of bicycles， greatly increase the number of bicycles stored， and do not occupy the ground space.

Key words： vertical rotary; three-dimensional bicycle parking equipment; innovative design