基于PLC的模塊化九宮格立體車庫設計

謝啊奮，王建生，陳奕仕

基于PLC的模塊化九宮格立體車庫設計

謝啊奮，王建生*，陳奕仕

（五邑大學 智能制造學部，廣東 江門 529020）

為了解決城市停車難的嚴重問題，提出了一種基于PLC的模塊化九宮格立體車庫。該裝置包括總體機械結構、驅動及傳動系統(tǒng)，三菱PLC控制系統(tǒng)，人機交互界面及安全及防護裝置等?？傮w機械結構以鋼結構為基礎，主要由一個模塊化的停車位為單位，然后通過單個模塊化停車位拼裝組成可拆卸的車庫。這種立體車庫以PLC控制為基礎，設計存取車方案，通過模塊化的存車或取車子軟件程序和硬件設備組成九宮格立體車庫的控制系統(tǒng)。該車庫可以在原來9個車位占地面積上同時容納28輛汽車，可以有效解決城市停車難現(xiàn)象。

停車難；PLC；模塊化；九宮格；立體車庫

根據國家統(tǒng)計局“2018年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報”數據顯示，2018年末我國民用汽車保有量達到24028萬輛，比2017年末增長10.5%[1]。未來幾年的汽車保有量預計將繼續(xù)以約10%的速度增長。我國城市中停車位數量遠低于汽車總數量，導致出現(xiàn)十分嚴峻的停車難問題[2]。為解決停車難問題，國內外都有對立體車庫常用類型[3]的研究，如類似摩天輪的循環(huán)立體車庫、平面移動類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類、升降橫移類和巷道式堆垛類等[5-6]，然而這些立體車庫大多存在土地利用率不高或者運行效率低等缺點[7]。

本文以鋼結構和PLC控制為基礎[8-10]，通過模塊化的思想，設計了一種5層9位的模塊化九宮格立體車庫。該種新型立體車庫可以在原來9個車位占地面積上同時容納28輛汽車，大大提高占地面積使用率，可以有效解決城市停車壓力。

1 設計目標

我國常用車的外型尺寸及質量如表1所示，分為6個類型[11]。

表1 我國常用汽車外型參數及質量

設計每個車位大小可以在標準車型尺寸的基礎上預留安全距離200～400 mm，以避免一些不必要的碰撞。根據我國市面上的常見車型，本文以中型車輛T型車作為設計的標準，則該車庫適用于外型尺寸為T型或者小于T型車輛。車庫的首層停車人是需要進入走動的，所以首層的凈空高度也需預留高度。該車庫要求現(xiàn)場取車時間不超過120 s，根據這個要求來設計升降、橫縱移、液壓舉升的額定速度。在取車的人發(fā)出取車信號時，升降電梯還沒有到達指定取車層數，運載小車就已經把需要取的車放到指定位置，升降電梯到達指定層數時，運載小車直接把目標車輛送入升降電梯，所以取車的時間主要由升降的時間來控制。根據車庫高度11.3 m計算，可以得知曳引的額定速度不得低于0.188 m/s，考慮到未知因素和一定的取車效率，暫定曳引的額定速度為1 m/s。為保證在升降電梯到達指定層數時，需要取車的車輛能夠挪到指定位置，則設計橫向移動和縱向移動的額定速度為0.5 m/s。液壓缸舉升的速度不能過快，否則會有比較大的沖擊，研究暫定舉升的額定速度為0.1 m/s。綜合考慮各種要求，設計的立體車庫相關目標參數如表2所示。

表2 立體車庫相關目標參數

2 立體車庫機械結構設計

2.1 總體方案

九宮格立體車庫的基本組成如圖1所示。

圖1 九宮格立體車庫基本組成

2.2 車庫機械結構

九宮格立體車庫的整體框架結構如圖2所示，車位布置類似九宮格。最底一層不設置車位，只有電梯升降位，方便用戶存取車輛。每層預留1個車位方便挪車，挪車位位于車庫的中心位置。同時每層電梯位占用一個車位，實現(xiàn)存取車輛的升降功能，其余7個車位為停車位。橫梁與立柱通過固定鋼板拼裝和螺栓連接在一起，行車軌道鋪設在橫梁之上，這構成了單個模塊化的停車位。以單個模塊化停車位為基礎通過螺栓連接組成可拆卸的九宮格立體車庫的機械結構。

2.3 車庫升降方案

該車庫升降方案采用曳引機升降，其主要結構有鋼絲繩、曳引機、滑輪組。車輛位于轎廂內，轎廂通過鋼絲繩連接到曳引機，曳引機一端出來的鋼絲繩通過滑輪組改向連接對重，以減少電機的功率。其原理如圖3所示。

圖2 九宮格立體車庫整體結構圖

圖3 電梯升降示意圖

2.3.1 垂直升降電梯系統(tǒng)的對重選擇計算

對重的作用是為了減少升降使用電機的功率，減少車庫的使用成本，同時它也是大多數曳引升降系統(tǒng)不可缺少的一部分。對重的總重量與電梯轎廂的重量和電梯的載荷的關系為：

P＝0＋QK

式中：P為對重的總重量，kg；0為轎廂的凈重，初步設計重量為1800 kg；為電梯的額定載重量、載車板和車輛的總重量，為2300 kg；K為平衡系數，一般取0.5。

計算得：P＝2950 kg

故取電梯配重為3000 kg。

2.3.2 升降電機的選擇計算

在空載時，曳引機需要提升的總重量為空＝3000－1800＝1200 kg；在重載時，曳引機需要提升的總重量為重＝2300＋1800－3000＝1100 kg。由表2知道電梯升降額定速度?？蛰d時提升承受最大載荷，故按空載設計計算曳引機：

式中：min為提升電機工作的最小理論功率，kW；0為減速器的效率，通常為0.95；0為工作時載荷，N；0為電梯升降額定速度，m·s-1；空為空載時的總重量，kg。

由電梯設計手冊可知，鋼絲繩牽引輪的直徑通常是鋼絲繩直徑的40倍。這次電梯使用直徑為10 mm的鋼絲繩，牽引輪直徑0＝400 mm。若使設備提升速度0＝15 m/min，可知：

式中：0為電機輸出軸轉速，r/min；0為曳引輪輸出轉矩，N·m。

根據減速電機所需要的最小理論功率、輸出轉速及輸出轉矩，選用SEW-R系列帶制動器的減速電機型號R137DRE180M4，其主要參數如表3所示。

所選減速電機的功率15 kW＞12.378 kW、輸出轉矩3210 N·m＞240N·m，因此車庫電梯升降系統(tǒng)的曳引電選用型號R137DRE180M4符合要求。根據所選電機基本參數，則實際電梯移動速度為0.942 m/s。

表3 曳引機型號R137DRE180M4主要參數

2.4 車庫橫移縱移方案

車庫的橫縱向移動主要由帶有四個驅動轉向輪的運載小車完成。每層車庫停放1輛運載小車，而且運載小車在非工作狀態(tài)置于挪車位。車輛通過載車板停放于運載小車之上，運載小車通過轎廂和車位上的凹槽軌道實現(xiàn)平移。當小車需要變向移動時，位于轉向輪上的轉向電機驅動，使轉向輪轉動90°，實現(xiàn)橫縱變向的功能。如圖4、圖5所示。

圖4 橫縱向移動原理示意圖

圖5 驅動轉向輪圖

2.4.1 驅動電機的選型與計算

本次設計運載小車質量約為500 kg，載車板和汽車重量約為2300 kg，初設計行走滾輪的直徑1＝100 mm，則橫縱移動的總負重4＝500 kg＋2300 kg＝2800 kg，重力加速度＝9.8 N/kg，軌道選用鋼材料，則滾動摩擦系數＝0.05，電機傳動總效率1＝0.95，由前面參數可得知，運載小車橫縱移動的速度1＝30 m/min，根據以上數據來設計計算驅動電機。

式中：4為運載小車移動時所需的牽引力，N；1為四個驅動輪的運載小車其每個輪子所需的牽引力，N；1為每個輪子驅動電機所需的功率，kW；1為每個轉向輪輸出的轉矩；N·m。

當橫移速度1＝30 m/min時，有：

式中：1為電機經過減速器后的輸出轉速，r/min。

根據驅動電機運行時所需功率，經過減速器后的輸出轉矩和輸出轉速，選用我國自主品牌電機松崗減速電機6IK200RGN-CF和減速器型號6GN-15K，其主要參數如表4所示。

表4 電機6IK200RGN-CF主要參數

所選減速電機的功率0.2 kW＞0.18 kW、輸出轉矩24 N·m＞3.43 N·m，因此車庫橫縱移動驅動電機選用電機型號6IK200RGN-CF符合要求。根據所選電機基本參數，則實際移動速度為0.471 m/s。

2.4.2 轉向電機的選型與計算

轉向電機主要用于在運載小車需要橫縱方向變換時，使轉向輪轉動90°，電機只需每次轉動1/4圈，因此應選擇步進電機。根據所選步進電機的步距角，計算出轉動90°所需的脈沖數量，即可控制步進電機按要求每次轉動90°。由于使轉向輪轉動90°所需的扭矩很難直接計算出來，按經驗猜測所需的扭矩為10 N·m。轉向電機轉動90°是需要非常準確的，哪怕電機轉動位置偏差一點都會導致運載小車偏離軌道或與軌道側面產生較大的摩擦力，減小運載小車的使用壽命，因此該電機必須要有制動裝置，防止由于慣性電機輸出軸繼續(xù)轉動，所以選用帶剎車抱閘步進電機型號為86FY151，其主要參數如表5所示。

表5 電機86FY151主要參數

2.5 車輛出入庫原理

車輛的入庫和出庫主要靠運載小車的液壓系統(tǒng)控制，入庫時運載小車上的液壓缸回程縮回，裝有車輛的載車板停放在車位的庫架上。出庫時運載小車上的液壓缸進程伸出，載車板離開庫架，運載小車再移走車輛，如圖6所示。

圖6 車輛出入庫原理

對液壓缸進行選型與計算。

缸體和柱塞通常由厚壁鋼管制成，缸體內壁主要承受液體的壓力，柱塞主要承受車輛和載車板的總重量。本次設計車輛出入庫液壓系統(tǒng)其提升高度為0.15 m，額定速度為0.1 m/s，

載車板和汽車重量≈2300 kg，載重由四個相同的液壓缸承受，則每個液壓缸承載重量1＝575 kg，柱塞質量相比承載太小，可忽略不計。則有：

F＝1＝5635

式中：F為油缸的靜載荷，N；

確定柱塞直徑時，設系統(tǒng)的最大靜壓力Pmax＝4.5 MPa，則：

Pmax＝12Pmax

式中：Pmax為計算的最大額動態(tài)壓力，MPa；1為壓力損失系數，取1.1；2為抬升加速度過程中附加動載荷系數，一般系數取1.1。

計算得：Pmax＝5.445 MPa

按最大靜壓力選擇柱塞直徑：

實際取柱塞直徑為40 mm，則實際的靜壓力為4.47 MPa，實際的最大動壓力為5.41 MPa，如圖7所示。

圖7 單級油缸的行程L和柱塞外徑dmax的示意圖

缸筒壁厚按薄壁筒的計算方法進行選擇：

式中：為壁厚，mm；2.3為摩擦損耗系數與壓力峰值系數的積；1.7為彈性極限應力額安全系數；0為滿載時工作壓力，MPa；σ為筒壁材料的彈性極限，MN/m2；3為缸筒的外徑，mm；0為附加壁厚，一般為1 mm。

現(xiàn)選擇無縫鋼管，3＝60 mm、σ＝350 MN/m2，計算得：≥2.5 mm。

2.6 整體結構框架的設計和校核

2.6.1 立柱的設計和校核

該車庫外形結構框架材料為Q235鋼，其組成為立柱、橫梁、載車板和行車軌道等。采用建筑鋼結構常用的工字形鋼，車庫全部重量由8根立柱承受，立柱的截面形狀為工字形，如圖8所示，1＝200 mm，1＝40 mm，1＝1600 mm，1/2＝20 mm，立柱總長為11300 mm。將一塊正方形鐵板焊接在立柱的底部，其邊長為400 mm、厚度為20 mm，并通過地腳螺栓將其固定在地面上。立柱底部四個側面的肋板用來增加立柱的剛度。

圖8 立柱截面圖

車庫全部重量由8根相同的立柱承受，故需校核這8根立柱，每根立柱可當作一端固定一端自由的壓桿，進行壓桿穩(wěn)定性計算。則有：

式中：F為壓桿臨界壓力，kg；為彈性模量，Q235材料＝206 GPa；1為工字形的截面慣性矩，m4；1為長度系數，一端固定一端自由壓桿長度系數取2；1為立柱的長度。

計算得：F＝151.63 kN

車庫的自重5≈30 t；車輛與載車板的重量6＝2300 kg，滿載時車庫停車數量為28輛；運載小車的質量7＝500 kg，車庫共計有4輛。共有8根支撐立柱，則：

式中：為每根立柱承受的壓力，kN。

8＜F故該立柱符合強度要求。

2.6.2 橫梁的設計和校核

橫梁也采用工字形Q235，每排車位有4根長橫梁和6根短橫梁，但只有長橫梁會受到載荷引起彎曲變形，邊緣長橫梁主要承受載車板和車輛重量的1/2，中間的長橫梁主要承受小車和載車板的全部重量，因此要對中間長橫梁的強度和剛度進行校核，長橫梁截面形狀如圖9所示，2＝150 mm，2＝120 mm，2＝150 mm，2/2＝60 mm。

圖9 橫梁截面及尺寸

根據受力分析，其最大彎曲力矩出現(xiàn)在跨中點處，為：

式中：max為跨中點最大力矩，N·m；6為中間長橫梁所受壓力，其值為載車板和車輛的重力，即6＝6；2為橫梁長度，2＝5.5 m。

計算得：max＝30992.5 N·m

則有：

Q235鋼的許用彎應力為158 MPa＞112.3 MPa，所以橫梁強度符合要求。

最大的撓度在跨中點處，有：

式中：max為最大撓度，m；2為槽鋼的截面慣性矩，m4。

計算得：max＝0.0076 m

鋼結構的橫梁結構許用撓跨比[/2]＞[max/2]，所以橫梁的剛度符合設計要求。

3 立體車庫控制系統(tǒng)設計

3.1 立體車庫的工作流程

如圖10（a）所示，當需要進行停車時，駕駛員可以先用手機APP預約停車，運載小車會把對應層空車位的載車板轉移到首層電梯位上。駕駛者將車停到電梯位上的載車板，載車板設有四處凹形梳叉，可以與汽車輪子貼合，并且裝有光電傳感器。在檢測到有車輛信號后，提醒駕駛員將車停入指定位置，駕駛員停好車后關閉汽車發(fā)動機并拉好手剎。駕駛者下車后在確定安全無誤的情況下，按下啟動按鈕，車庫開始自動運行，通過升降電梯到指定層數后，運載小車將車輛停放到空位處。

如圖10（b）所示，在需要取車時，駕駛員可以先用手機APP預約取車，這時候運載小車開始工作，在升降電梯還沒到達指定層數時，位于每層車庫上的運載小車已經把車輛挪位到可以直接放入升降電梯的位置上。在電梯到位后，運載小車將車輛挪入電梯內。在運載小車駛出電梯后，電梯開始降至首層，駕駛者再把車輛開走。

3.2 車庫存取車方案

如圖11所示，每層車庫的8號位作為電梯升降位，5號位作為挪車位，其余為停車位。停車位分為兩個批次，優(yōu)先批次是1、3、4、6、7、9號車位，當該層優(yōu)先批次車位已停滿時，該層2號車位才能進行停車。為方便程序的編程，設定了一定的取車方案和存車方案。在該種方案中取車1位需要考慮2、4、7車位是否停發(fā)車輛；取車3位需要考慮2、6、9位是否有車。具體如表5所示。例如，當2或者2、7位有車時取車1位，取車方案為5→4→1取→4→5→8放→5。表示運載小車由5位先移動至4位再移至1位取車，然后移至5位接著移至8位放下車輛，最后運載小車移至5位。

圖10 存車流程與取車流程

圖11 每層車庫車位布置圖

3.3 立體車庫控制系統(tǒng)的功能分析

本次控制系統(tǒng)核心元件采用三菱FX-2N可編程控制器，主要分為四個控制方向，如圖12所示。

表5 取車與取車方案

圖12 車庫控制系統(tǒng)功能分析

3.4 控制系統(tǒng)的軟硬件設計

電梯升降程序是公共部分，任何一層的存取車都需要，這是必須的。每層車庫的停車位布置相同，停車和取車的方案確定且相同，不同層車庫的相同車位存取車程序相同，故只需設計某一層車庫的存取車程序即可。

下面對第三層車庫存車軟硬件進行設計。存車過程按照一定步驟進行，且控制的對象是幾個電機和液壓缸，設計使用步進順序命令中的選擇順序，選擇的條件是各位車位的存車呼叫信號，即可執(zhí)行將車輛停入指定車位的分支步進順序命令，如圖13、表6和圖14所示。取車的設計原理類似存車設計思路。

3.5 存取車人機交互界面

該車輛一層設有九宮格立體車庫存取車系統(tǒng)人機交互界面系統(tǒng)，用戶也可在手機上安裝APP客戶端。如圖15所示，用戶可以進行存車或者取車，也可以提前預約存取車。例如，某用戶進行存車，首先輸入車牌號，然后選擇層數和車位號，最后點擊確定即可。取車只需點擊取車，然后輸入車牌號，再點擊確認即可。

圖13 第三層存車控制思路圖

圖14 第三層PLC的I/O電氣接線圖

表6 第三層存車控制系統(tǒng)I/O地址表

圖15 存取車界面

4 結束語

針對當下城市停車難的問題，本文提出了一種主要以單個模塊化的停車位為基礎，通過固定鋼板拼裝和螺栓連接組成可拆卸的模塊化九宮格立體車庫。該種立體車庫以PLC控制為基礎，通過模塊化的存車或取車子程序組成九宮格立體車庫的控制系統(tǒng)。該車庫可以在原來9個車位占地面積上同時容納28輛汽車，大大提高了土地利用率。

[1]國家統(tǒng)計局官網. 2018年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[DB/OL]，http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201902/t20190228_ 1651265.html，2019-2-28.

[2]張剛剛，張接信，於永強. 基于排隊論的垂直升降式立體車庫存取策略研究[J]. 信息技術與信息化，2019（4）：165-169.

[3]宋運動，張接信，何斌. 立體車庫概述與發(fā)展前景分析[J]. 起重運輸機械，2017（12）：63-66.

[4]劉銘祥，王文濤，李瑩. 一種新型立體車庫的研究[J]. 科技風，2019（13）：1.

[5]胡增榮. 立體車庫的種類及其應用[J]. 科技經濟市場，2011（4）：24-26.

[6]秦洪浪. 我國立體車庫的類型及發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 價值工程，2019，38（36）：227-228.

[7]張為璽. 田字立體車庫結構設計與控制[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2015.

[8]鄭建全. 基于PLC的垂直循環(huán)式立體車庫控制系統(tǒng)設計[J]. 機電信息，2019（21）：128-129，131.

[9]徐春艷. 基于上機位與PLC的垂直升降式立體車庫控制系統(tǒng)實現(xiàn)[J]. 機械，2011，38（7）：72-76.

[10]曲藝，田海鋒，周傳喜，等. 一種垂直循環(huán)立體車庫的設計[J]. 機械，2020，47（4）：64-69.

[11]中國重型機械工業(yè)協(xié)會停車設備管理委員會. 機械式立體停車庫[M]. 北京：海洋出版社，2005.

Design of Modular Nine Grid Stereo Garage Based on PLC

XIE Afen，WANG Jiansheng，CHEN Yishi

( Faculty of Intelligent Manufacturing, Wuyi University, Jiangmen 529020, China )

In order to solve the serious problem of urban parking, a modular nine-grid stereo garage based on PLC is proposed. The equipment includes the overall mechanical structure, drive and transmission system, Mitsubishi PLC control system, man-machine interface and safety and protection devices, etc.. This kind of stereo garage is based on steel structure, mainly composed of a modular parking space as a unit, and assembled by several single modular parking spaces to form a detachable garage. The vehicle access scheme of the stereo garage is designed on the basis of PLC control, and the control system of the nine-grid stereo garage is formed by the modular vehicle access software program and hardware equipment. The garage has a capacity of 28 vehicles at the same time in 9 parking spaces, which can effectively solve the problem of urban parking.

parking difficulty；PLC；modularization；nine-grid；stereo garage

U491.71

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.007

1006－0316 (2020) 12－0044－09

2020－06－01

謝啊奮（1996－），男，廣東湛江人，碩士研究生，主要研究方向為智能化檢測與自動化控制技術。*通訊作者：王建生（1963－），男，河南焦作人，博士、博士后，教授、碩士生導師，主要研究方向為CAD/CAM/CAE和智能裝備及機器人技術等，E-mail：jians_wang@126.com。