巷道堆垛式立體車庫智能系統的設計與實現*

郭藝丹,孟江波

(1.安徽國防科技職業學院,安徽 六安 237011;2.河南工學院 車輛與交通工程學院,河南 新鄉 453003)

0 引言

近些年,家用汽車數量連續增長,停車日益困難[1]。傳統車庫占地空間大,入庫存取車費時,這促使了最大限度利用空間的智能立體車庫市場迅速發展,智能立體車庫是將存車、取車、監控、管理融為一體的綜合性自動化系統,具有使用方便、管理智能的優勢,智能立體車庫的應用能有效緩解城市停車泊位不足、交通擁堵等問題[2]。

射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)是一種非接觸、近距離無線通信技術,可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據,實現物與網絡之間雙向數據交互和動態管理,在制造業領域,RFID與可編程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的融合有助于實現生產數據的在線監控管理[3]。目前,以單片機作為主控制器的建設的立體車庫一般是小型車庫,而且單片機的穩定性和抗干擾能力不如PLC[4];一些使用PLC的立體車庫主要將其應用于結構[5]、存取車策略[6]和控制系統[7]上。本文基于PLC和RFID進行巷道堆垛式立體車庫系統的設計,以RFID自動識別帶有電子標簽的車輛,以三菱PLC FX-5U-64MR為主控制器,以MCGS(Monitor and Control Generated System)組態軟件為上位機監控,實現車牌信息的自動識別與車輛智能存取,以期為智能立體車庫提供切實可行的解決方案。

1 系統總體方案設計

1.1 巷道堆垛式立體車庫結構設計

巷道堆垛式立體車庫設置成AB兩棟,每棟為3層3列,兩棟一共18個車位。每個車位都裝設有光電傳感器,檢測車位是否已停車。車庫分布示意圖如圖1所示。

圖1 車位分布示意圖

立體車庫是狹窄的三維空間,堆垛機需要在三維空間內做行走、升降、旋轉、伸縮的準確移動。系統采用伺服電機控制升降和旋轉運動,采用步進電機控制伸縮和行走移動。通過PLC輸入脈沖的頻率和方向控制伺服和步進電機的轉速、旋轉位置和方向。為了保障步進電機在斷電情況下不會倒轉運行,要求步進電機具有抱閘功能[7],電機在通電無脈沖情況下自動抱死當前位置。初始狀態,堆垛機位于車庫一層,車輛開至堆垛機存車平臺上,平臺上有車輛停放檢測傳感器和車輛調整設備,堆垛機啟動存車程序之前應檢測車庫門是否關閉、車輛是否停至規定范圍內。在巷道內進行存車或取車操作可分解為行走運動用來選擇車位所在的列數,伸縮運動用來將車輛推入或取出車位,升降運動用來選擇存車或取車層數,旋轉軸用來調整車頭的方向[8]。

1.2 巷道堆垛式立體車庫功能設計

巷道堆垛式立體車庫立足于自動化,采用射頻技術識別車輛身份信息,如果與預先建立的車輛信息數據庫中的信息匹配,主控制器三菱PLC FX-5U-64MR就授權堆垛機實現車輛智能存取。無RFID標簽或與數據庫中車輛信息不匹配,系統就自動分配一個空車位,啟動堆垛機的存車程序。當車主取車時,輸入車位號后,PLC根據停車時間計算停車費用,車主掃碼繳費,系統確認繳費成功后才允許取車。MCGS組態軟件能夠監控和計算RFID讀寫、車庫空余情況、存放時長及停車費用。系統可分為手動模式控制和自動模式控制。自動模式下系統進行自動存取車;手動模式是在異常或需調試情況下,技術人員在觸摸屏界面登錄用戶密碼并獲得權限后,可以控制電機運動。立體車庫控制系統整體框架如圖2所示。

圖2 立體車庫控制系統整體框架

2 立體車庫硬件設計

2.1 PLC選型與I/O設計

基于巷道堆垛式立體車庫的控制要求,選擇三菱PLC FX-5U-64MR為整個控制系統的核心,FX-5U-64MR為內置32入/32出的繼電器輸出,選擇 FX-5U-8EX/ES擴展模塊為 8點輸入,輸入擴展為40個點,能夠滿足車庫I/O點數[9]。PLC給各檢測開關分配X20-X47,手動模式和自動模式開關在觸摸屏上設置,不占用PLC輸入,緊急停車硬件接入電路。為了避免堆垛機工作時人員進入車庫中,設置紅外感應器來辨別[10],確保車庫內無人才能啟動車門關閉子程序,本系統實物搭建時采用光纖傳感器來代替紅外感應器。

2.2 RFID選型

RFID選擇晨控科技的CK-FR08-E00。這是一款高頻RFID標簽讀卡器,工作頻率為13.56MHz,支持標準工業通信協議,可方便集成到PLC控制系統中,而且讀卡器內部集成了射頻部分通信協議,用戶只需要通過以太網接收數據便能完成對標簽的讀取操作。車主持有的車庫停車卡內置有電子標簽,將卡貼近讀卡器,RFID讀取電子標簽信息并將信息通過TCP/IP傳遞給PLC。

2.3 堆垛機硬件選型

立體車庫的堆垛機是實現智能存取車的關鍵設備。它是在負載較大的情況下運行,要求電機需要較大負載能力。系統采用2個電機573J09 實現行走、伸縮的加減速運動;2個伺服電機HF-KN-13J-S100實現堆垛機的升降、旋轉運動。堆垛機在運動過程中利用光電傳感器實現高精度定位,依靠PLC實現運動的精準控制。

圖3 堆垛機示意圖

堆垛機的控制方法分為手動模式和自動模式。手動模式即調試模式,通過觸摸屏按鈕可對步進電機和伺服電機實現單獨控制的調試運動,該模式主要用于前期安裝及故障調試[11]。自動模式依賴FX-5U-64MR程序設定的運動指令,實現存取車的高精度多軸運動控制。

2.4 信號檢測開關選型

信號檢測開關可以實時感知智能車庫運行狀態:車庫門口和車庫內裝有2個紅外感應器開關E18-D80NK用來檢測車輛;自動升降門裝有4個上下限開關SK7120;18個車位和車輛入庫檢測采用的是反射型光電傳感器ZL-B05,用來檢測車位是否有車輛。行走、旋轉和伸縮電機上下限各采用2個歐姆龍微動開關D2MV,行走和旋轉的原點采用的是2個歐姆龍接近開關TL-W5MC2,升降上下限和原點采用的是3個U型限位感應開關LU672-5NA。

3 控制系統軟件配置

3.1 設備組態

立體車庫控制系統的讀寫器通過TCP與PLC通信,組態軟件通過UDP與PLC通信。PLC 高速I/O配置參 數如圖4所示:軸1為行走,軸2為升降,軸3為伸縮,軸4為旋轉,4個軸原點回歸均采用負邏輯。

圖4 高速I/O配置參數

3.2 控制系統流程圖設計

巷道堆垛式立體車庫存車流程圖如圖5所示。初始狀態堆垛機停放在一樓存車處,用戶將車至車庫前,自動感應車庫門打開,車入庫停放至堆垛機存取車處,系統會語音提示車輛是否存放在要求范圍內。停放好車輛,車上人員走出車庫,紅外感應器無輸出表明車庫內沒人,車庫門關閉。用戶需要在觸摸屏界面按存車按鈕確認存車,當購置過停車卡的用戶刷卡存車時,系統自動顯示停車卡綁定的車牌號和手機號,無卡用戶需要在系統里輸入車牌號或手機號,系統自動分配空車位,觸發存車子程序,完成后堆垛機自動復位。

（3）當A組的金屬砂裝配調整為：20～30目 （15 g）+40～60目 （35 g）+20～30目（20 g）；B組的金屬砂裝配調整為 20～30目（15 g）+60～80 目 （40 g） +20～30 目 （25 g）時，PE組分與PA6組分在組件中熔體壓力差在1 MPa內，且A、B組的組件壓力均在11 MPa左右，紡出纖維截面如圖3所示，從圖3可見初生絲截面皮層PE厚度均勻，芯層PA6圓形較為規整，截面形狀良好。噴絲板面無飄絲、粘板等現象發生，紡絲狀況穩定。說明組件內兩組分熔體壓力較為平衡，兩組分熔體流動穩定，初生絲截面正常，對后續生產環節無不良影響。

圖5 存車控制流程圖

取車控制流程圖6所示。有卡用戶取車時,在讀卡器上刷卡后,需要在觸摸屏上點擊取車按鈕,觸發取車子程序,有卡和無卡用戶堆垛機取車過程相同,詳見無卡堆垛機取車過程;無卡用戶取車時,需輸入車牌號或車位號,點擊取車按鈕,系統顯示停車時長和停車費用。用戶掃碼繳費,支付成功后系統啟動取車子程序。取車過程中紅燈亮,表明系統正在工作中,堆垛機通過行走、升降、伸縮和旋轉,將車取出并停放至一層存取車處,紅外感應開關檢測到車輛后閉合,此時綠燈亮,車庫門打開,用戶取車出庫,車庫門關閉,取車結束。

圖6 取車控制流程圖

3.3 控制系統的程序設計

立體車庫自動模式控制系統PLC程序由主程序如圖7(a)、感應門開關子程序如圖7(b)、存車子程序如圖7(c)和取車子程序如圖7(d)等組成。

(a)主程序

3.4 組態軟件設計與仿真運行

作為上位機的MCGS型號為TPC7062Ti,是一套32位工控組態軟件,可以直觀、準確地監控車庫狀況,人機操作界面見圖8。

(a)車位監控界面

(1)后臺車位監控界面如圖8(a)所示。該界面顯示日期時間、車位監控情況、自動模式開關和手動模式開關。已存車位顯示紅色,空車位為綠色。點擊自動模式開關進入圖(b),點擊手動模式開關進入圖(c)。

(2)自動模式為存、取車系統界面如圖8(b)所示。界面的存車模式顯示存車車牌號和手機號、存車和取車按鈕,取車模式顯示車牌號、車位號、車輛入庫出庫停放時長及費用及收費二維碼等停放信息。

(3)手動模式為調試系統,如圖8(c)所示,可通過操作1#—8#按鈕控制堆垛機的行走、伸縮、升降和旋轉的正轉和反轉。

3.5 半實物立體車庫功能測試

3.5.1 模型功能驗證

圖9 立體車庫模型圖

圖10 立體車庫電氣柜圖

以取車為例,用戶在RFID上刷卡取車,PLC系統接到取車指令后,啟動堆垛機取車程序,定時器開始計時,堆垛機從一層初始位置出發,完成行走、旋轉、上升、伸縮取車動作,堆垛機完成不同車位取車耗時如表1所示。

表1 A、B棟車位取車耗時

A棟和B棟的車位設計排序均是從左至右排列,每個車位長度為16cm,寬度為15cm,高度為13 cm,表1按照同層對向車位進行排列,從實驗數據可以得出,單個車位取車耗時為 18.7—38.6s。

3.5.2 存取車策略分析

實驗對不同時間段的存取車策略做了分析:

策略一:在非高峰期時,無論是存車還是取車,要求堆垛機在一樓存取車處“原地待命”,存車或取車所花費時間為單次存取車時間,單次存取車時間參考表1。

策略二:在存車高峰期,優先采用“存車優先的交叉存取策略”。該策略為“存車優先+交叉存取”,堆垛機將車輛送入空位后,去待取車位取車,存取車交叉進行,省去堆垛機電機回程動作以節省時間。

目前車庫的A4、A9、B1和B7有車輛停放。假定同一時間段有6輛車排隊,其中4輛存、2輛取,取車的車位固定為A4、B1,存車分為兩種情況:

一是按照從左至右的原則,從A棟一層開始到B棟第一層,逐層存放,最后是B棟第三層,所以4輛車的存車順序為A7、A8、B8、B9。按照“存車優先+交叉存取”原則,存取車順序為:A7→A8→A4(取)→B8→B1(取)→B9,所花費時間為165.5s,6輛車的單次存取車總時間197.4s,堆垛機節省的時間為31.9s,效率提高了16.2%。

二是按照從下至上的原則,從A棟第一列開始到B棟第一列,逐列存放,最后是B棟第三列,所以4輛車的存車順序為A7、A1、B4、B8。存取車順序為:A7→A1→A4(取)→B4→B1(取)→B8,所花費時間為154.8s,6輛車的單次存取車總時間185.4s,堆垛機節省的時間為30.6s,效率提高了16.5%。

由以上分析可知,存放車位從第一列開始的存放耗時比從第一層開始的存放耗時減少了10.7s。

策略三:在取車高峰期,優先采用“取車優先的交叉存取策略”。該策略為“取車優先+交叉存取”,系統根據存取車排隊情況,優先取車,取車完成后等待車輛入庫啟動存車程序,存取車交叉進行,該方法和策略2相似。

假定同一時間段有6輛車排隊,其中4輛取、2輛存。取車固定為B1、A4、B5、B8,存車位為A7、A8,則交叉存取車順序為:B1→A7(存)→A4→A8(存)→B5→B8,所花費時間為156.9s,6輛車的單次存取車總時間為184.8s,堆垛機節省的時間為27.9s,效率提高了15.1%。

經過測試對比,發現采用交叉存取策略比單次存取車更節約時間,其中,按列比按層尋找空車位的存放耗時減少了10.7s。后面將繼續研究存取車交叉進行策略,以減少車主等待時間和車庫耗能。

4 結語

智能立體車庫占地面積少,可以不依附于建筑,獨立安裝在狹窄區域,能有效緩解城市停車泊位不足的問題。本文提出的以MCGS組態軟件為上位機監控平臺,基于FRID技術和PLC的巷道堆垛式智能車庫控制系統,可以實現電子標簽車牌信息的自動識別與車輛存取,也可以自動分配空余車位給無卡的存車用戶,實現了智能存取、自動計時及收費。實驗表明,該系統可監視立體車庫實際運行工況,有效實現存車、取車的智能控制,單個車位取車耗時為 18.7—38.6s。交叉存取車策略不僅能降低車庫能耗還節約用戶存取車時間,模型在測試中運行安全平穩可靠,值得推廣應用。