基于PLC的立體汽車停車裝置設計

吳迎春，徐連強，何 壯

(無錫工藝職業技術學院機電工程系，江蘇 宜興 214206)

隨著人們生活水平的提高，越來越多車輛的停放已成為一個嚴重的社會問題。立體車庫占地面積小、自動化程度高，能有效解決城市中日益嚴重的汽車停放問題。國內的立體車庫主要有升降橫移類、垂直和水平循環類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類等。具有亞洲特色的停車設備技術起源于日本[1]，以升降橫移式停車設備為主，以德國為代表的歐洲國家的技術優勢體現在巷道堆垛式產品上。我國的機械式立體車庫行業起步較晚，在自動化程度方面與日本和歐洲等國家和地區的產品相比尚有差距[1]。

巷道堆垛式立體停車庫投資大，設計原理源自于歐洲的自動化倉庫，集成光、機電、控制等技術于一體，適用于大型密集式場合，在我國應用不多。國內立體停車設備以升降橫移類為主，每層需有一個空位實施升降，系統的存取控制一般采用可編程邏輯控制器(PLC)實現[2]。

堆垛機的動力源一般為交流變頻調速電機，當傳送車運行時，需要結合光電開關進行快速、中速、慢速等多次速度調節，才能由PLC控制變頻器完成剎車定位[3]。有文獻采用直線電機作為車庫橫移裝置，此方式雖然響應快但是定位偏差較大[4]。也有文獻以巷道堆垛式立體車庫為研究對象，設計了基于西門子PLC、結合WINCC組態軟件監控的實驗平臺控制系統[5]。

本文設計的智能立體汽車停車裝置類似巷道堆垛式立體車庫，采用三菱PLC控制步進電機實現三軸輸送運動，操作方便、定位準確、適應性強，可以為城市小區中家庭用車停車難問題提供新的解決方法。

1 停車裝置機械結構

智能立體停車裝置結構如圖1所示，停車裝置輸送機構由三軸滾動導軌滑臺實現，其中X軸實現輸送機構左右運動，Y軸實現前后運動，Z軸實現上下運動。輸送機構采用步進電機通過聯軸器帶動型號為1605的絲杠螺母副實現輸送運動，螺母副公稱直徑為16mm、導程為5mm。立體車庫采用2020型鋁型材建造，使用標準角接件、螺釘連接，結構靈活、制作方便，在保證車庫承載能力的同時還能進行尺寸調整。文中停車裝置僅供驗證停車動作及控制原理，實際停車應用還需要根據負荷選用尺寸和強度更大的型鋼材料。

圖1 停車裝置結構

停車裝置輸送架結構兩側有定位塊1，如圖2所示，與載車板定位塊3相互配合，確保在輸送過程中載車板不會發生相對運動。當載車板放置在立體車庫車位上時，每個車位也有相應定位塊2，與載車板定位塊3一起限制載車板自由度，保證載車板在立體車庫的準確位置，使汽車在車庫中能安全穩定停車。輸送機構存載車板時，輸送架攜帶載車板從空車位上方沿Z軸下降，至載車板被車位固定后輸送架再沿Y軸退出；取載車板則是從滿車位下方沿Z軸上升至載車板被輸送機構定位塊固定后，輸送架再沿Y軸退出。

圖2 載車板定位

2 停車裝置電氣控制系統

停車裝置電氣控制系統選用三菱FX3U-48MT型PLC作為控制核心，MT屬于晶體管型，能實現三軸定位控制，其中Y0～Y2作為高速脈沖輸出，Y4～Y6作為方向輸出，Y10～Y12作為使能輸出，用于控制三軸步進電機動作。電機采用雷塞公司的DM542步進電機驅動器進行驅動，步進電機驅動器采用共陽極接法。

在每根坐標軸滑臺都配置了接近傳感器，與滑塊一起作用，作為步進電機回參考點信號和行程限位，以保證輸送機構的運動定位精度。在進出車位配置光電傳感器，以檢測車位狀態，并配置停止、啟動按鈕和指示燈，主要操作和參數的監控均由昆侖通態TPC7062KS觸摸屏實現。停車裝置電氣原理如圖3所示。

圖3 停車裝置電氣原理圖

3 PLC控制程序

停車裝置控制系統PLC程序包括主程序和子程序。主程序主要有電機脈沖頻率調整、手動控制、自動控制順序功能圖(SFC)程序等。子程序的功能是實現三軸步進電機歸零操作，主要采用FX3UPLC定位控制指令中的原點回歸指令[6]來實現。

停車裝置控制系統設有手動和自動兩種工作方式。手動控制方式主要用于輸送架位置調試，通過PLC實現點動操作，采用定位控制指令中的相對位置控制指令來定位。

自動控制方式是停車裝置正常的工作方式，圖4是順序功能圖中車位1和2的進車流程分支，車位3和4進車流程及出車流程均為步驟類似的選擇分支，車位5和6分別為進車位和出車位，編號規定如圖1所示。當表示三軸回零完成的觸點M30～M32閉合后，按下啟動按鈕M24置位狀態S0，通過設置車燈輔助觸點M105、M106及進車M90，采用定位控制指令中的絕對位置控制指令實現不同車位的定位，圖4中未標注的狀態轉移條件是脈沖發送結束標志M8029。1X表示車位1的X坐標，1Z下表示取載車板時需從車位1的Z坐標下方定位，1Z上表示放載車板時需從車位1的Z坐標上方定位，Y到位、Y復位表示輸送架Y向進入車位和退出車位，T50為出車檢測延時，與M8029組成狀態S17的轉移條件。系統根據圖4所示路徑移動載車板自動完成進車動作，并改變車位顯示狀態信息，表明進車指令執行結束。

圖4 車位1和2進車自動控制順序功能圖

自動控制順序功能圖程序放在主控指令中執行，如有緊急情況，可通過復位主控指令實現急停功能。

當步進驅動器開關設置為3 200脈沖/轉，1605螺母副導程為5mm時，D8340～D8360為Y0～Y2脈沖當前值寄存器，則脈沖數值與距離的關系為3 200/5=640脈沖/mm，X,Y,Z三軸脈沖及轉化為距離值的PLC程序如圖5所示，為輸送機構手動調試確定車位位置提供了基準。在PLC程序中可通過位置控制指令設置步進電機的工作頻率和脈沖數，實現輸送速度和位置的調整。

圖5 輸送機構位置顯示

在停車裝置進車過程中，當空載車板放在進車位后，車輛進入，光電開關檢測到后延時5s，由輸送機構將載車板送至選定車位；在出車過程中，當滿載車板放在出車位后，光電開關檢測到車輛后定時器計時，當車輛駛出后定時器下降沿觸發延時5s后，輸送機構將空載車板放至原車位，對應的PLC程序如圖6所示。

圖6 進出車跳轉

4 觸摸屏界面設計

停車裝置控制系統采用MCGS組態軟件設計觸摸屏界面，包括首頁、手動控制界面和自動控制界面，如圖7、圖8所示，觸摸屏與PLC連接的設備通道見表1。

圖7 停車裝置手動控制界面

圖8 停車裝置自動控制界面

序號連接變量通道名稱序號連接變量通道名稱1啟動M2418車燈1M1052停止M2519車燈2M1063X回零M6020車燈3M1074Y回零M6121車燈4M1085Z回零M6222車1顯示M1116X正向M8023車2顯示M1127X反向M8124車3顯示M1138Y正向M8225車4顯示M1149Y反向M8326急停M20110Z正向M8427頻率D011Z反向M8528X位置D200012進車M9029X脈沖D200513出車M9130Y位置D201014車位1M10131Y脈沖D201515車位2M10232Z位置D202016車位3M10333Z脈沖D202517車位4M104

首頁主要顯示控制系統名稱、單位，以及當前日期、時間等。手動控制界面主要設置X,Y,Z回零按鈕，以建立坐標基準。當需要手動測試或定位操作時，可以按相應坐標軸正負方向點動按鈕，并有指示燈顯示工作運行狀態。正向點動時指示燈變綠，反向則指示燈閃爍。

自動控制界面包括輸送頻率設置、車位選擇、車位狀態信息展示及進出車動作選擇等，通過頻率設置可調節輸送機構運動速度。

立體停車驗證裝置實物如圖9所示，操作時，首先需要進行復位，調用歸零子程序，以確定運動起點和基準。

圖9 立體停車驗證裝置

在手動控制頁面(圖7)，按X,Y,Z回零按鈕進行復位，建立坐標軸基準。調試時按點動按鈕示教每個車位、進出動作的位置及脈沖，確定PLC自動控制程序中步進指令的絕對脈沖數值。

在自動控制頁面(圖8)，進車時，選擇車位并點進車選項，對應車位工作指示燈變綠，按電氣柜或觸摸屏上的啟動按鈕，電氣柜面板指示燈點亮，輸送機構按編程路徑將載車板放在進車位，待車輛駛入并按設定延時5s后，輸送機構將滿載車板放入對應車位，在控制界面相應車位顯示有車信息，復位車位指示燈。取車時，選擇車位并點出車選項，按啟動按鈕，輸送機構將載車板放入出車位，待光電傳感器測得車輛駛出并延時5s后，輸送機構將空車板放回原來的車位，并顯示車位無車信息。

運行中出現異常時可按急停按鈕讓設備停止運行，當輸送機構完成某車位進、出車動作后，按停止按鈕使設備停止工作。

5 結束語

本文提出的立體汽車停車裝置，其立體輸送機構采用三軸滾動導軌組，由PLC控制步進電機實現精確運動，適應性強；通過觸摸屏控制輸送機構行程、速度并監控立體車位狀態，具有調整方便、監控直觀、操作簡單等優點。該停車裝置的機械結構及控制系統可為機械式立體車庫的改進提供新思路，具有一定的參考價值。