智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)PLC控制系統(tǒng)的研究

陳冬(河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北 石家莊 050026)

0 引言

中國(guó)大多數(shù)城市停車(chē)場(chǎng)往往是大型的公共停車(chē)場(chǎng)，使用的空間很大，需要更多的資金來(lái)建造。迄今為止，智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)仍然不能解決城市私人停車(chē)場(chǎng)的問(wèn)題。為了解決此問(wèn)題，可以區(qū)域中建立立體車(chē)庫(kù)，這節(jié)省了大量空間，并減少了占地面積和資金。

1 項(xiàng)目研究的意義

1.1 空間的節(jié)省

垂直立體車(chē)庫(kù)所需的空間是普通停車(chē)位的40%，利用率比大型停車(chē)位高70%。它主要用于大型購(gòu)物中心，學(xué)校和其他人流量大的區(qū)域，起了非常重要的作用。

1.2 存取車(chē)方便快捷

車(chē)主不需要進(jìn)入車(chē)庫(kù)，自動(dòng)停車(chē)或自動(dòng)取車(chē)。駕駛員可以通過(guò)刷卡或 在門(mén)口付款然后存車(chē)或領(lǐng)取車(chē)，非常簡(jiǎn)單。減少了時(shí)間的浪費(fèi)和殘留的氣體排放，更加安全環(huán)保。

1.3 成本投資

施工主要與空間的大小以及硬件和軟件的使用有關(guān)。垂直立體車(chē)庫(kù)占用空間小，因此不用占用更多空間，有效降低了投資成本，可以減少能源消耗，降低勞力成本并節(jié)省金錢(qián)。根據(jù)數(shù)據(jù)，與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)車(chē)庫(kù)(10萬(wàn)元或更多)相比，單個(gè)車(chē)庫(kù)需要3萬(wàn)至5萬(wàn)元人民幣，這表明它可以降低使用成本。

1.4 靈活的設(shè)計(jì)

立體車(chē)庫(kù)單獨(dú)設(shè)計(jì)，可以根據(jù)位置設(shè)計(jì)在不同的位置，具有多種類(lèi)型和極大的靈活性。

1.5 改善地區(qū)環(huán)境

立體車(chē)庫(kù)不僅可以有效地節(jié)省停車(chē)面積，而且可以減少排放，噪音，行車(chē)道，增加交通流量，改善人類(lèi)居住環(huán)境，停車(chē)場(chǎng)在不占用土地的情況下增加了綠色空間。

2 智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)的工作原理

智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)是一個(gè)可以垂直旋轉(zhuǎn)的停車(chē)系統(tǒng)。它由鋼架(包括搬運(yùn)器)，變速箱，電氣控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器和防盜警報(bào)系統(tǒng)組成。車(chē)庫(kù)一共有12輛小型汽車(chē)搬運(yùn)器，可容納12輛汽車(chē)。在正常情況下，搬運(yùn)器會(huì)安裝在車(chē)庫(kù)的頂部以及底部位置，其余10個(gè)搬運(yùn)器在車(chē)庫(kù)的兩側(cè)均勻分布。圖1顯示了PC智能12D垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)的一般結(jié)構(gòu)。 智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)通過(guò)驅(qū)動(dòng)變速箱，并在牽引鏈上一定距離安裝搬運(yùn)器，驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，司機(jī)可以通過(guò)刷卡進(jìn)入所需的車(chē)位，進(jìn)行汽車(chē)存放和領(lǐng)取。該設(shè)備通過(guò)PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)終止對(duì)車(chē)輛的存取。

圖1 PC智能12D垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)

3 智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)流程

電氣控制系統(tǒng)由電氣控制柜和HMI(數(shù)字按鍵/刷卡式人機(jī)界面)組成。電源控制柜包含開(kāi)關(guān)，繼電器，三位按鈕和旋鈕，指示器和接線(xiàn)盒，控制器等組成。智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)的工作模式分為自動(dòng)，手動(dòng)和配置模式，可以通過(guò)HMI的3位開(kāi)關(guān)桿進(jìn)行切換。自動(dòng)模式用于保持車(chē)庫(kù)正常工作，發(fā)生硬件需要維修和故障排除時(shí)使用手動(dòng)模式，使用配置模式清除母卡和子卡的數(shù)據(jù)。自動(dòng)模式和手動(dòng)模式由PLC程序控制器控制。PLC是現(xiàn)場(chǎng)操作和控制的重要組成部分，選擇Siemens200CN，它的主要功能是汽車(chē)檢查，停車(chē)使用信息提取，準(zhǔn)確定位搬運(yùn)器與HMI通訊等。智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng) 的操作步驟是：如果管理員進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)，在HMI卡鍵入車(chē)位信息，將已收到提供的數(shù)據(jù)和進(jìn)行分析和識(shí)別。判斷檢測(cè)元件狀態(tài)，并檢查電動(dòng)機(jī)的的旋轉(zhuǎn)方向和車(chē)位數(shù)量，并將每個(gè)停車(chē)位旋轉(zhuǎn)到最低的停車(chē)位置。車(chē)庫(kù)中最低的停車(chē)場(chǎng)有2個(gè)開(kāi)關(guān)。當(dāng)車(chē)位轉(zhuǎn)到位發(fā)動(dòng)機(jī)停止，車(chē)主可以進(jìn)入和駛出車(chē)輛。

4 系統(tǒng)硬件組成

OMRONCP1系列PLC程序靈活，具有很多優(yōu)點(diǎn)，它已它廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化中，選擇OMRONCP1E-E40SDR作為主控制器，系統(tǒng)硬件如圖2所示。它由PLC軟件控制器組成，HMI系統(tǒng)用戶(hù)界面，傳感器，變頻器。選擇北京工博瑞斯AB-C停車(chē)場(chǎng)作為HMI，通過(guò)RS485與OmronPLC-CP1E通信。 PLC直接根據(jù)數(shù)據(jù)控制旋轉(zhuǎn)設(shè)備，并將汽車(chē)存取在該停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位號(hào)，完成車(chē)輛的存取功能。 HMI還具有選擇開(kāi)關(guān)，緊急停止開(kāi)關(guān)和其他適用于設(shè)備維護(hù)和故障排除的按鈕。PLC通過(guò)以低速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)控制變頻器，以使其在旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)回路中進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行并達(dá)到存取車(chē)輛的目標(biāo)。

圖2 控制系統(tǒng)圖

智能垂直車(chē)庫(kù)立體聲PLC控制系統(tǒng)的主要組件的功能如下：(1)在設(shè)備后面安裝2個(gè)位置傳感器和1個(gè)原點(diǎn)傳感器。更改位置傳感器的程序和算法，可以估算出當(dāng)前停車(chē)場(chǎng)其他停車(chē)位的位置，從而可以快速確定每個(gè)停車(chē)位，還提供最短進(jìn)入停車(chē)位的通道。(2)檢查變頻器的正反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的高低速。(3)使用旋轉(zhuǎn)編碼器估算出正確的地圖位置，然后減速并平穩(wěn)停止。

5 控制參數(shù)選擇

5.1 輸入?yún)?shù)選擇

設(shè)備位置傳感器位于固定的支架上，安裝在支架上的每個(gè)停車(chē)位都在三角板上，三角板的最大彎曲距離約為25mm，設(shè)備位置傳感器有必要選擇較長(zhǎng)距離的開(kāi)關(guān)傳感器。由于立體車(chē)庫(kù)位于室外環(huán)境，因此，光電傳感器會(huì)影響光線(xiàn)照明，導(dǎo)致其故障，諸如電燈開(kāi)關(guān)之類(lèi)的斷路并損壞設(shè)備。因此，控制系統(tǒng)選擇歐姆龍感應(yīng)距離為30m的E2EM-智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)30智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)1作為感應(yīng)器。在位置傳感器中，通過(guò)使用傳感器輸入信號(hào)可以提高傳感器輸入的可靠性。

5.2 輸出參數(shù)選擇

控制系統(tǒng)控制的主要對(duì)象是旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于停車(chē)場(chǎng)的垂直循環(huán)，變頻器的功率至少應(yīng)為電機(jī)功率的兩倍。對(duì)于高充電電流，控制模塊要求在60s內(nèi)具有150%過(guò)載或在10s具有160%過(guò)載。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力主要用于克服驅(qū)動(dòng)輪兩側(cè)的負(fù)載差異。如果一側(cè)已滿(mǎn)而另一側(cè)是空的，則會(huì)影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。根據(jù)設(shè)計(jì)特征和設(shè)計(jì)參數(shù)(速度等)，工程師發(fā)現(xiàn)設(shè)備的主要發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格為9.2kW/20A，電機(jī)減速比為150/1，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和變頻器規(guī)格為18.5kW/37A。為更好地控制電動(dòng)機(jī)速度和位置，創(chuàng)建了一個(gè)閉環(huán)控制，在該閉環(huán)控制中，將PG卡添加到了變頻器中。

6 程序設(shè)計(jì)

HMI和外部傳感器的信號(hào)通過(guò)輸入接口發(fā)送到PLC進(jìn)行邏輯處理，而輸出接口則發(fā)送控制命令，該程序旨在啟動(dòng)手動(dòng)控制，自動(dòng)控制和聯(lián)鎖保護(hù)。自動(dòng)車(chē)輛存取程序是執(zhí)行基本立體車(chē)庫(kù)操作程序的核心。

為了正確存取車(chē)輛，必須正確識(shí)別當(dāng)前的停車(chē)位。首先是優(yōu)化程序。每個(gè)停車(chē)編號(hào)對(duì)應(yīng)于寄存器中的D1-D12，D0用于記錄下邊車(chē)位號(hào)。金屬板安裝在一號(hào)載車(chē)板上，如果1號(hào)載車(chē)在下邊時(shí)，則設(shè)備處于初始位置(D0=1)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)將設(shè)備向順時(shí)針移動(dòng)，下邊車(chē)位的數(shù)量就會(huì)增加1(D0=D0+1)。逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)后，每當(dāng)位置傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，都會(huì)從下車(chē)位中減去1(D0=D0-1)。如果小停車(chē)位D0為0，則將12賦予D0。由于停車(chē)位的順序排列是連續(xù)的，因此，如果知道下面的停車(chē)位，那么其他停車(chē)位也就都知道了。將所需的停車(chē)位與下面的實(shí)際停車(chē)位進(jìn)行比較，然后向左或向右旋轉(zhuǎn)設(shè)備，就可以準(zhǔn)確，快速地存取需要的停車(chē)位。

7 安全防護(hù)

7.1 基本防護(hù)

智能循環(huán)立體聲系統(tǒng)是一種自動(dòng)設(shè)備，操作不當(dāng)會(huì)損害汽車(chē)的安全性。因此，需要安裝安全鎖以確保所有設(shè)備都是安全的。將一對(duì)光電開(kāi)關(guān)安裝在載車(chē)板的前，后，左側(cè)和右側(cè)。紅外探測(cè)器確定汽車(chē)是“超長(zhǎng)”還是“超寬”，它與軟件和硬件互鎖，與LED顯示屏集成在一起。當(dāng)汽車(chē)和人進(jìn)入車(chē)庫(kù)時(shí)，該設(shè)備可能無(wú)法工作，設(shè)備會(huì)立即停止工作，并在發(fā)生這種情況報(bào)警，可以在任何地方都看見(jiàn)車(chē)輛存取的注意事項(xiàng)。

7.2 庫(kù)內(nèi)無(wú)人判別

為了提高設(shè)備的安全性，在車(chē)庫(kù)中添加無(wú)人識(shí)別控制系統(tǒng)。搬運(yùn)包括：在車(chē)庫(kù)入口安裝2個(gè)光電傳感器。當(dāng)汽車(chē)和人進(jìn)入車(chē)庫(kù)時(shí)，外側(cè)感應(yīng)器首先會(huì)接收信號(hào)，然后內(nèi)部的傳感器接收信號(hào)。當(dāng)汽車(chē)和人離開(kāi)時(shí)，內(nèi)部傳感器首先接收信號(hào)，然后外部傳感器接收信號(hào)。因?yàn)橛捎谥挥幸幻{駛員可以進(jìn)入車(chē)庫(kù)，因此該原理可用于確定進(jìn)入車(chē)庫(kù)的汽車(chē)和人員是否離開(kāi)了車(chē)庫(kù)。

8 結(jié)語(yǔ)

智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)是一種小型機(jī)械立體車(chē)庫(kù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配置靈活，操作方便，體積小，智能經(jīng)濟(jì)安全性和可靠性，適用于小型城市社區(qū)，以及大型購(gòu)物中心的配置。 智能垂直循環(huán)立體車(chē)庫(kù)中引入新概念和新技術(shù)解決城市停車(chē)問(wèn)題，改善城市環(huán)境，加快智慧城市建設(shè)，積極推動(dòng)智慧城市發(fā)展。

展望未來(lái)，新型電動(dòng)汽車(chē)是政府提倡的無(wú)排放環(huán)保汽車(chē)。但是，由于電池技術(shù)和電池壽命的限制，電動(dòng)汽車(chē)必須配備足夠的充電樁。因此，立體車(chē)庫(kù)安裝充電樁，不僅解決了停車(chē)問(wèn)題，而且減少了車(chē)輛的排放，節(jié)約了能源并保護(hù)了環(huán)境。因此，充電樁和立體車(chē)庫(kù)的結(jié)合是未來(lái)發(fā)展的新趨勢(shì)。