基于三菱PLC的升降橫移式智能車庫(kù)設(shè)計(jì)

劉萌萌 余彥瓊 苗煒麗 姜羽飛

摘要：針對(duì)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(kù)的解決方案。系統(tǒng)首先介紹了智能車庫(kù)的背景和研究現(xiàn)狀，分析了智能車庫(kù)的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(jì)，組建了基于MCGS的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與PLC實(shí)時(shí)通訊和數(shù)據(jù)連接。模擬調(diào)試表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)存取車功能，運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，達(dá)到了智能車庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)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(kù)

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

0 ?引言

隨著中國(guó)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(dòng)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(kù)應(yīng)運(yùn)而生[4]。

機(jī)械式立體車庫(kù)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(dòng)類、巷道堆垛類、垂直升降類和簡(jiǎn)易升降類等 8種[1]。升降橫移式立體車庫(kù)憑借占地面積小、操作便捷、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)擁有較高的市場(chǎng)占有率，故針對(duì)立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究具有重要的意義和較好的市場(chǎng)前景。

文中提出升降橫移式立體智能車庫(kù)的總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)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(kù)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 車庫(kù)結(jié)構(gòu)

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

1.1.1 車庫(kù)主框架

車庫(kù)主框架是智能車庫(kù)的重要組成部分，關(guān)系到車庫(kù)是否能安全、正常運(yùn)行。目前立體車庫(kù)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(dòng)裝置

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

橫移電機(jī)通過帶動(dòng)同軸鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪的鏈條帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)載車板在導(dǎo)軌上左、右移動(dòng)。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(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，控制載車板上、下移動(dòng)。主要安裝在除了底層的各個(gè)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(kù)的車輛[9]。PLC通過傳動(dòng)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(dòng)，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(kù)系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，其他車位禁止存取車操作，PLC編程時(shí)設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)，運(yùn)行顯示燈閃爍，并伴隨聲音報(bào)警以提醒周圍人員注意安全。

④檢測(cè)措施，通過車庫(kù)安裝的光電開關(guān)檢測(cè)車輛長(zhǎng)度是否超過限定范圍，如果車輛超過限定長(zhǎng)度，立體車庫(kù)停止工作并報(bào)警;在車庫(kù)運(yùn)行過程中，車庫(kù)前后如若有人員誤入，光電開關(guān)會(huì)被觸發(fā)，并啟動(dòng)警報(bào)并提醒工作人員。

光電開關(guān)主要用來檢測(cè)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(hào)。光電開關(guān)實(shí)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(cè)代存車輛是否超重，如果車輛超重，傳感器發(fā)送超重信號(hào)至PLC，報(bào)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(cè)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(dòng)碰到橫梁上安裝的動(dòng)觸頭時(shí)，限位開關(guān)閉合，PLC收到載車板移動(dòng)到位信號(hào)。

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(dòng)，確保車庫(kù)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(duì)應(yīng)位置均裝有掛勾環(huán)，載車板運(yùn)行到相應(yīng)位置，掛鉤自動(dòng)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(jì)的升降橫移式智能車庫(kù)是3層3列7個(gè)車位，共需要7個(gè)載車板，其中編號(hào)8、9號(hào)載車板為空。在存取車過程中，為保障每個(gè)車位均能順利移動(dòng)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(dòng)交換，也為高層車位升降時(shí)，提供一空中通道[5][6]。1號(hào)、2號(hào)車位位于一層，用戶可實(shí)現(xiàn)自行存車、取車，可做左、右橫移。3號(hào)、4號(hào)車位位于二層，可做左右橫移、上下升降。5號(hào)、6號(hào)、7 號(hào)車位位于三層，可做上下升降。車庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。7個(gè)車位移動(dòng)方案原理相同，存車/取車結(jié)束后，恢復(fù)至車庫(kù)初始化狀態(tài)。

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

2 ?系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能車庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)控制要求：控制器通過升降橫移傳動(dòng)裝置，精準(zhǔn)的將載車板移動(dòng)到目標(biāo)位置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制要求，智能車庫(kù)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(hào)模塊、輸出信號(hào)模塊組成。上位機(jī)和下位機(jī)通過通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。下位機(jī)選擇PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車庫(kù)的控制。上位機(jī)向PLC發(fā)送存取車指令，對(duì)智能車庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并存儲(chǔ)車庫(kù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)。PLC連接控制按鈕、傳感器，傳動(dòng)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(cè)光電開關(guān)、限位開關(guān)等傳感器的信號(hào)，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(shí)現(xiàn)存取車的操作。

例如，客戶按下存取車按鈕，PLC檢測(cè)到來自傳感器的輸入信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部程序?qū)斎胄盘?hào)分析、運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果傳送至輸出端口，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)車位的電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，執(zhí)行平移、升降動(dòng)作，完成對(duì)載車板的各種控制，實(shí)現(xiàn)存取車的功能。其次，下位機(jī)控制運(yùn)行指示燈、報(bào)警顯示燈，蜂鳴器等輔助裝置動(dòng)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(kù)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)組成

車庫(kù)在存取車過程中，通過PLC控制升降平臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)，載車板的橫移運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能車庫(kù)自動(dòng)化存取車。

PLC的輸入信號(hào)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(cè)，安全掛鉤等。PLC的輸出信號(hào)控制對(duì)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(bào)警顯示燈、運(yùn)行指示燈等。

3.2 I/O口地址分配

通過對(duì)車庫(kù)控制信號(hào)分析，控制對(duì)象為小型車庫(kù)，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(diǎn)數(shù)均為64，擴(kuò)展模塊可用點(diǎn)數(shù)為48/64。

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

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

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(gè)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(kù)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)車庫(kù)功能分析，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序和子程序。主程序控制智能車庫(kù)的運(yùn)行，根據(jù)接收到的輸入信號(hào)，調(diào)用子程序執(zhí)行對(duì)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(jì)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)

主程序包括自動(dòng)程序和手動(dòng)程序兩部分。其中自動(dòng)程序和手動(dòng)程序可在監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行切換。手動(dòng)程序包括升降控制和左右控制。自動(dòng)程序包括系統(tǒng)故障自檢、載車板復(fù)位、故障報(bào)警、超限檢查、存取車。為確保系統(tǒng)運(yùn)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(kù)處于正常工作狀態(tài)。主程序如圖3所示。

4.2 自動(dòng)存/取車子程序設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶通過觸摸屏，發(fā)送存取車指令時(shí)，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(bào)警提示離開，若車輛檢測(cè)合格，啟動(dòng)控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)載車板移動(dòng)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(jì)與仿真

5.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，立體智能車庫(kù)需采用上位機(jī)對(duì)車庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jiǎn)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(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)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(shí)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(kù)動(dòng)畫顯示等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車庫(kù)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)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(duì)這兩個(gè)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(yàn)方式：偶校驗(yàn)。根據(jù)智能車庫(kù)所需I/O端口設(shè)置，屬性為“只讀”輸入通道43個(gè)，屬性為“只寫”輸出通道27個(gè)。

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(duì)子設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使其兩者實(shí)現(xiàn)正常通訊和數(shù)據(jù)交換。當(dāng)PLC參數(shù)變化時(shí)，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(dòng)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(duì)象進(jìn)行連接設(shè)置。以上操作完成后，將設(shè)計(jì)完成的組態(tài)工程下載到MCGS模擬運(yùn)行環(huán)境中，進(jìn)行模擬運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室的模擬運(yùn)行調(diào)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，設(shè)計(jì)合理科學(xué)可行，正常實(shí)現(xiàn)了立體智能車庫(kù)的存、取車功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能車庫(kù)運(yùn)行過程實(shí)時(shí)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(kù)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(shí)現(xiàn)了智能車庫(kù)存取車操作運(yùn)行。試驗(yàn)證明，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控智能車庫(kù)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)存取車功能，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、操作簡(jiǎn)便，在一定程度改善停車難的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]凌永成.汽車工程概論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]周金寶，汪鑄.汽車試驗(yàn)場(chǎng)總論[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[3]劉三帥，張蕾.基于 PLC 的立體車庫(kù)及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2018，37（7）：76-78.

[4]李湘?zhèn)?一種基于PLC控制的雙層升降橫移式立體停車庫(kù)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2019，47（10）：64-66.

[5]張貴香，耿長(zhǎng)清.基于PLC的升降橫移式立體車庫(kù)自動(dòng)控制[J].自動(dòng)化儀表，2013，4（7）：35-37.

[6]劉偉.基于PLC控制的升降橫移式立體車庫(kù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[7]李寧.基于MCGS組態(tài)軟件的生產(chǎn)線分揀監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014（5）：53-58.

[8]黃敏，花有清.基于PLC的立體車庫(kù)控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2019，26（10）：105-108.

[9]李國(guó)銀.多層升降橫移式智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].安徽工業(yè)大學(xué)，2018.

[10]于坤鵬.升降橫移式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及路徑優(yōu)化研究[D].河北科技大學(xué)，2018.