機(jī)電一體化的立體停車庫(kù)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉永

摘要：由于傳統(tǒng)的立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較差且準(zhǔn)確程度較低，文章設(shè)計(jì)了機(jī)電一體化的立體停車庫(kù)PLC控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上以升降橫移式多層立體結(jié)構(gòu)為主，采用單模塊與多模塊結(jié)合的方式，通過(guò)控制載車臺(tái)完成存、取車及升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件上，基于PLC系統(tǒng)增加智能PID算法，減少振蕩與控制不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生；利用A/D相互轉(zhuǎn)換與傳感信息采集，完成控制輸出指令模塊的增加，使載車裝置自動(dòng)準(zhǔn)確到達(dá)對(duì)應(yīng)泊位。測(cè)試結(jié)果表明：立體停車庫(kù)系統(tǒng)優(yōu)化后，當(dāng)存入車輛從100輛增加到500輛時(shí)，停車入位的平均準(zhǔn)確率可以達(dá)到98.8%。通過(guò)測(cè)試可以看出，文章設(shè)計(jì)滿足了對(duì)立體停車庫(kù)PLC智能控制的需求。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；立體停車庫(kù)；PLC；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著城市國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和社會(huì)物質(zhì)文化多樣化，讓汽車適應(yīng)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，立體停車庫(kù)是當(dāng)今汽車PLC管理系統(tǒng)的組成部分。新型PLC技術(shù)可以自動(dòng)監(jiān)控和管理存放多層汽車。由于車輛保有量快速增加，“停車?yán)щy”已成為影響當(dāng)今城市交通規(guī)劃較重要的問(wèn)題，因此需要發(fā)展庫(kù)存容量大占地面積小的立體停車庫(kù)，以有效解決“停車?yán)щy”的問(wèn)題。然而，當(dāng)前我國(guó)的絕大多數(shù)立體停車庫(kù)并沒有跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效連接，這就導(dǎo)致無(wú)法對(duì)車位實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的預(yù)約與管理，智能化的水平會(huì)相對(duì)較低，甚至部分車庫(kù)因自身存取策略，導(dǎo)致存取車輛效率較低的情況發(fā)生^［1］。面對(duì)這種的狀況，就必須使用可以多層停車的立體停車庫(kù)來(lái)克服“停車?yán)щy”的問(wèn)題。立體停車庫(kù)的種類相對(duì)較多，不同類型的停車庫(kù)，控制的方法也不同。本次研究的系統(tǒng)，以升降橫移式的立體停車庫(kù)為主要控制對(duì)象，研究一種通用的多層立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是以機(jī)電一體化下的PLC控制為基礎(chǔ)完成實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

停車庫(kù)采用升降橫移式多層立體構(gòu)件結(jié)構(gòu)方式，其標(biāo)準(zhǔn)型式下斷面為工字形狀的長(zhǎng)條鋼材、上斷面為凹槽狀的長(zhǎng)條鋼材以及二端互相垂直呈角狀的長(zhǎng)條鋼材等由型材所構(gòu)成的基本零結(jié)構(gòu)，而在連接的時(shí)候，主要通過(guò)螺栓連接來(lái)完成，也有局部采用焊接。為有效減重，停車位底板使用質(zhì)地較輕、強(qiáng)度較高的復(fù)合型板材制成，且停車庫(kù)外部使用相對(duì)美觀的彩鋼來(lái)裝飾。立體停車庫(kù)通常由一個(gè)模塊（可設(shè)計(jì)為8層，每層停10輛車，大約由80個(gè)車位）組合而成，如家屬居住的地方可將一個(gè)模塊設(shè)計(jì)在90°轉(zhuǎn)彎的位置上。如停車場(chǎng)設(shè)在商業(yè)街甚至是醫(yī)院的旁邊，則需要按照不同的需求而將它設(shè)計(jì)成單、雙層模塊結(jié)合的形式。值得注意的是，由于模塊組合數(shù)量增加，停車庫(kù)容量將以倍數(shù)增長(zhǎng)的方式增大^［2］。

若汽車已進(jìn)入停車庫(kù)中的道路上，此時(shí)光電傳感器開關(guān)的控制門就會(huì)自行打開，只需將汽車停到旋轉(zhuǎn)臺(tái)上即可。司機(jī)可沿人行通道直接從車房出來(lái)，在進(jìn)行刷卡并記錄好個(gè)人信息以后，就能夠直接從服務(wù)臺(tái)領(lǐng)取到停車卡。完成后出入庫(kù)的大門將封閉，而系統(tǒng)也將控制并轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)車，使之轉(zhuǎn)動(dòng)至180°并把車輛情況進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，而停車庫(kù)載車臺(tái)則在系統(tǒng)的操控下，將運(yùn)行至旋轉(zhuǎn)臺(tái)的最高位置^［3］。停車庫(kù)載車臺(tái)結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。

載車臺(tái)上方的托板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可將托板從載車臺(tái)上內(nèi)滑出，并一直延伸到汽車的下方，將汽車靜止后，托板隨同汽車一起返回到載車臺(tái)上后方，并隨著在載車臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)使汽車翻轉(zhuǎn)以進(jìn)行停放。托板上的驅(qū)動(dòng)器會(huì)引導(dǎo)托板移動(dòng)到停車位上，而此時(shí)將托板退回后載車臺(tái)的工作也開始進(jìn)行。當(dāng)取回車的時(shí)候，用戶只需在服務(wù)臺(tái)處進(jìn)行插卡或輸入密鑰后，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)存取車時(shí)的信息，把車輛從車位上取出并送回取車處^［4］。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 增加智能PID算法

控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)持續(xù)出現(xiàn)振蕩與控制不穩(wěn)的現(xiàn)象，這是由于控制過(guò)程中誤差超過(guò)設(shè)定范圍造成的。為了讓其在設(shè)定的范圍內(nèi)運(yùn)行得更加平穩(wěn)，需要對(duì)控制系統(tǒng)增加比例調(diào)節(jié)的功能。PLC（即可編程邏輯控制器）系統(tǒng)是由PID控制器及被控制的對(duì)象組成。假設(shè)，e（r）為給定的數(shù)值，t（r）為通過(guò)系統(tǒng)實(shí)際輸出的數(shù)值，那么給定的數(shù)值與實(shí)際輸出數(shù)值所構(gòu)成的控制偏差數(shù)值w（r）就如式（1）所示。

w（r）=e（r）-t（r）（1）

w（r）作為PLC控制系統(tǒng)中由PID來(lái)進(jìn)行控制的輸入量，也就是將得到的w（r）準(zhǔn)確量，進(jìn)行模糊量化的處理過(guò)程，并最終形成模糊語(yǔ)言的一種表達(dá)形式，通過(guò)多次的數(shù)據(jù)對(duì)比就可以得到一個(gè)關(guān)于模糊語(yǔ)言的子集合^［5］。y（r）作為由PID控制的輸出量和被控制對(duì)象的輸入量，因此，智能PID控制的規(guī)律就如式（2）所示。

其中：Jq代表著PLC系統(tǒng)中，PID的比例系數(shù)；R_u代表著PLC系統(tǒng)中，PID的積分系數(shù)；Rs代表著PLC系統(tǒng)中，PID的微分系數(shù)。進(jìn)行智能PID控制過(guò)程中，為了可以得到更加精準(zhǔn)的控制，就需要將y（r）進(jìn)行非模擬化處理，并進(jìn)行精準(zhǔn)量化的過(guò)程，得到的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)量再進(jìn)行后續(xù)的處理。

2.2 增加控制輸出指令模塊

立體車庫(kù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是讓汽車快速精確地對(duì)號(hào)進(jìn)位。要讓載車系統(tǒng)自動(dòng)安全地抵達(dá)對(duì)應(yīng)泊位，可通過(guò)步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)載車系統(tǒng)，使載車臺(tái)旋轉(zhuǎn)；也可通過(guò)異步電機(jī)推動(dòng)機(jī)械裝置，使載車臺(tái)移動(dòng)。為提高存取效能和載車控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電動(dòng)機(jī)采用了變頻器調(diào)速。在各個(gè)層次包括近行程開關(guān)和接近控制器，當(dāng)升降機(jī)構(gòu)接觸靠近控制器后，電機(jī)也進(jìn)行了下降；當(dāng)觸及近行程繼電器時(shí)，電動(dòng)機(jī)終止了工作。當(dāng)小車進(jìn)入泊位時(shí)，將安裝在承載小車上的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)托板平移。電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，將平動(dòng)操作臺(tái)向前平移，送小車入號(hào)；反之，送車系統(tǒng)出號(hào)。當(dāng)一個(gè)存取任務(wù)完成后，升降載車系統(tǒng)等待下一次存取命令。在這個(gè)過(guò)程中，就需要利用A/D進(jìn)行相互的轉(zhuǎn)換，并且將與停車庫(kù)PLC控制相關(guān)的傳感信息采集，作為其穩(wěn)定運(yùn)行的測(cè)試因子。其表達(dá)可如式（3）所示。

然后，與其電路相關(guān)的各項(xiàng)檢測(cè)監(jiān)控的信息，主要是需要傳感器來(lái)進(jìn)行輸出，并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中的信息單元進(jìn)行處理。而其與檢修相關(guān)的負(fù)載功率可以表現(xiàn)為公式（4）和公式（5）。

最后，可以得到其控制輸出指令如公式（6）所示。

其中：β=4π×10^-7H/m，e，c，d分別代表著為停車庫(kù)PLC控制信息采集所需要統(tǒng)計(jì)的特征量；U代表著停車庫(kù)在進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的時(shí)候，其內(nèi)部產(chǎn)生的主要輸出值^［6］。而經(jīng)過(guò)以上調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)PLC控制器的設(shè)置，至此關(guān)于機(jī)電一體化的立體停車庫(kù)PLC控制器全部設(shè)置完畢。

3 應(yīng)用測(cè)試與分析

把此次設(shè)計(jì)的立體停車庫(kù)PLC控制系統(tǒng)作為檢查目標(biāo)，查找系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，出現(xiàn)問(wèn)題沖突的地方，再根據(jù)這些情況做出后續(xù)調(diào)整，保證系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工作中的正確運(yùn)行。因此需要對(duì)PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部的性能進(jìn)行測(cè)試，最后通過(guò)將該系統(tǒng)環(huán)境運(yùn)用在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行場(chǎng)景中，找到此次應(yīng)用的系統(tǒng)環(huán)境與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間存在的差異。具體測(cè)試環(huán)境如表1所示。

為了測(cè)試此次設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)的工作性能，將此次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，將基于DCS的控制系統(tǒng)與基于FluidSIM的控制系統(tǒng)分別作為對(duì)照組1和對(duì)照組2，從而分析3種方法在相對(duì)穩(wěn)定的前提下，哪種方法可以更加有效地對(duì)立體停車庫(kù)進(jìn)行智能控制。此次測(cè)試在相同環(huán)境下進(jìn)行，具體測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：基于FluidSIM的控制系統(tǒng)運(yùn)行后，當(dāng)存入車輛從100輛增加到500輛時(shí)，車輛停止后進(jìn)入車位的準(zhǔn)確率從100%降到60%左右；而使用此系統(tǒng)后，停車入位的平均準(zhǔn)確率為79.2%?；贒CS的控制系統(tǒng)運(yùn)行后，當(dāng)存入車輛從100輛增加到500輛時(shí)，車輛停止后進(jìn)入車位的準(zhǔn)確率從100%降到72%左右；而使用此系統(tǒng)后，停車入位的平均準(zhǔn)確率為87.2%。而機(jī)電一體化的PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行后，當(dāng)存入車輛從100輛增加到500輛時(shí)，車輛停止后進(jìn)入車位的準(zhǔn)確率從100%只降到97%左右；那么使用此系統(tǒng)后，停車入位的平均準(zhǔn)確率可以達(dá)到98.8%。由此可見，系統(tǒng)在智能控制的前提下，通過(guò)對(duì)內(nèi)部設(shè)施的不斷改善，則可以通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)下的PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制的效果，并且比兩種傳統(tǒng)方法控制的效果都要好。

4 結(jié)語(yǔ)

把可編程控制器作為升降橫移的立體停車庫(kù)中，控制系統(tǒng)的最基礎(chǔ)部分，是根據(jù)對(duì)各種客觀條件加以綜合性分析后所得出的結(jié)論。由于可編程控制器從某種意義上，有著優(yōu)秀的控制特性、尺寸比較小、性能也較為強(qiáng)大，以及抗干擾的效果比較好，所以上述特性也使它被廣泛應(yīng)用于停車庫(kù)的控制器中。立體停車庫(kù)在當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)下，一個(gè)新型的行業(yè)也正蓬勃發(fā)展的成長(zhǎng)中。本文所研究機(jī)電一體化的立體停車庫(kù)PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)其整體的設(shè)計(jì)與控制程序的設(shè)計(jì)，以提升立體停車庫(kù)自動(dòng)化與智能化的水平，來(lái)建造出更加智能的立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)，滿足當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)。

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（編輯 姚 鑫）

Design of PLC control system for mechatronics stereoscopic parking garage

Liu Yong

（Shandong Demeng Inspection and Testing Co.， Ltd.， Dezhou 253000， China）

Abstract： Due to the poor stability and low accuracy of the traditional three-dimensional parking garage control system， the article designs an electromechanical integrated PLC control system for the three-dimensional parking garage. The system mainly adopts a multi-layer three-dimensional structure with lifting and horizontal movement， and adopts a combination of single module and multiple modules to complete the design of storage， pick-up， and lifting systems by controlling the vehicle loading platform. In terms of system software， an intelligent PID algorithm is added based on the PLC system to reduce oscillation and control instability; By utilizing A/D mutual conversion and sensing information collection， the addition of control output command modules is completed， enabling the vehicle carrying device to automatically and accurately reach the corresponding parking space. The test results show that after the optimization of the three-dimensional parking garage system， the average accuracy of parking placement can reach 98.8% when the number of stored vehicles increases from 100 to 500. Through testing， it can be seen that the article design meets the demand for PLC intelligent control of three-dimensional parking garages.

Key words： mechatronics; three-dimensional parking garage; PLC; control system