浅析智能立体车库的应用和控制系统设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 23 日 作者简介：吴昊（1983），男，汉族，深圳福田人，研究生，深圳怡丰自动化科技有限公司，研究方向为机械自动化、智能机器人。-1-浅析智能立体车库的应用和控制系统设计 吴 昊 深圳怡丰自动化科技有限公司，广东 深圳 518116 摘要：摘要：随着社会经济发展水平的不断提高，人们的生活水平也随之提升，城市汽车数量的高速增长导致停车难问题日渐凸显，而且目前城市用地紧张，停车难问题难以解决。立体车库可以很好的解决停车难问题，在利用最少土地面积的基础上，发挥最大的空间优势，设置最多的车位，这是目前解决停车难问题最有效的措施之一。本文主要对智能立体车库的结构和工作原理进行详细介绍，基于 PLC 的控制方式研究泊车位的算法，为其制定相应的控制方案和存取汽车的控制流程。关键词：关键词：智能立体车库；定位控制；位置算法；PLC 中图分类号：中图分类号：TP273 相关部门统计数据显示，中国汽车保有量呈现持续增长趋势，截至 2020 年，全国新登记汽车达 2424万辆1。早期人们对停车需求的认识带有一定局限性，规划城市停车设施考虑不足，大多为平面式停车场。但随着汽车数量的不断增加，停车泊位的现状和规模远不能满足当下需求，停车位供不应求而且停车费高昂，导致停车问题日渐严峻。对于城市地区来说，土地资源比较紧张，需要规划居住用地、商业用地等，加剧了停车困难的局面。立体车库的出现，将平面式停车方式转为立体式停车方式，为停车难问题提供了一个全新的方向。立体车库又被称为机械式停车设备，主要框架是机械结构搭建，配备电气控制系统可以实现车库取车的自动控制。较传统平面式停车相比，立体车库优势显著，例如占地面积小、土地利用率高、自动化智能程度高、可停多个车辆等。但是，立体车库作为一种新型停车技术存在许多不足。尤其是随着社会停车需求的不断增长。立体车库规模在不断扩大，但是在高需求背景下，立体车库运行控制出现弊端，例如不够快速灵活，导致用户取车耗时较长，引发市场争议。科学技术的进步发展为立体车库提供了更大的发展空间，基于目前立体车库的问题，本文借助 PLC 技术对其进行改进和完善，提高了车库的智能控制水平，满足了人们对品质生活的需求。1 立体车库国内外研究及应用现状 1.1 国内研究及应用现状 较日本、美国等发达国家相比，我国立体车库产业的起步较晚，到目前为止有 40 多年的发展历程。自20 世纪 80 年代开始，我国开始引进立体停车技术和相关设备；90 年代，改革开放打开国内外市场，外国先进技术涌入国内，这为立体车库的发展提供坚实的技术支持，其发展规模逐渐扩大；进入 21 世纪，停车难问题促使立体车库的自主创新和研发，直至今天，立体车库各方面都处于稳定发展的阶段2。下图 1 为我国自主建造的立体停车设施，集住宅和停车于一体，较好的解决了居民停车难问题。图 1 住宅一体化立体车库 1.2 国外研究及应用现状 国外立体车库发展较早，到目前为止已有 80 多年的历史，其种类齐全、规则完善，监管体制比较健全。在立体车库领域，日本、德国和美国等发达国家处于世界领先水平。美国是世界上第一个建造立体车库的国家，结构为简易的升降式，但因为操作复杂且耗费大量人力，中国科技期刊数据库 工业 A-2-表 1 不同类型汽车的轴距（m）汽车类型 轴距 高级汽车 2.8m 中级轿车 2.5m2.8m 小型轿车 2.2m2.5m 微型汽车 2.2m 表 2 泊车位的分区编号与电机运行位置对应关系 层数 位置编号 升降电机运行频率（Hz）升降电机运行时间（s）5 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 30 40 4 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 30 32 3 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 24 2 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 30 16 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 8 电机对应旋转角度（）0 36 72 108 144 180 216 252 280 324 步进电机旋转圈数 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 所以制约了其后续发展。直至二战结束后，立体车库迎来了黄金发展时期。20 世纪 50 年代，美国率先采用堆垛桥式的机械式立体车库；60 年代引入计算机控制技术，建成世界上第一个智能化的自动控制立体车库，其成本低、占地面积小、操作快速便捷等优点让其快速占据西欧、东南亚和日本等市场3。下图 2 为国外立体车库最具代表的德国沃尔夫斯堡全自动停车塔。图 2 德国沃尔夫斯堡全自动停车塔 2 智能立体车库系统的结构 立体车库系统由泊车位、转盘换位装置、汽车定位装置和升降电梯组成。本文所研究的智能立体车库有 5 层，每层共有 10 个泊车位。因为汽车类型的不同，所以汽车轴距不同，下表 1 为不同类型汽车的轴距。为了保障所有类型的汽车都可以顺利完成停车操作，必须尤为重视汽车的轴距问题。此外，对汽车的定位同样重要，要设立汽车定位装置，汽车定位装置主要包括载车架、支架夹紧、支架定位和轴距检测装置，这能够保证对汽车进行移动、定位和检测。立体车库结构示意图如下图 3。图 3 立体车库系统结构示意图 支架定位装置由伺服电机 M3 来拖动，每个伺服电机轴都有其专属编码，编码器 PG 可以测定支架行程，在接通传感器（SQ1）后开始对车辆进行定位，但因为不同类型的车辆轴距不同，所以支架定位装置依照车辆轴距的不同行走相应的距离，传感器 SQ2 的作用主要是用于超程保护，接通后车辆便无法移动4。在定位完成后支架会夹紧电机 M4 将汽车固定在载车架上，电机低速正向运转时是夹紧，高速反向运转时是松开。通过载车架的水平伸缩实现车辆的存取，载车架由交流电机 M6 驱动，正向为伸出，反向是缩回；升降电梯通过变频电机 M2 牵引；SQ3 和 SQ4 两个极端位置是为了防止电梯超出范围值；M5 驱动旋转实现转盘换位。汽车停放在泊车位，每个泊车位有其特定编号，泊车位的分区编号与电机运行位置的对应关系如下表 2。举例说明，如果汽车要停放在 25 号泊车位，电机旋转圈中国科技期刊数据库 工业 A-3-数是 10 转，电机对应旋转角度为 180 度，升降电机需要运行 24 秒才能到达三层。3 存取汽车控制过程和算法 3.1 存取汽车控制过程 存取汽车的刷卡程序内容：存放汽车时，车牌号和车辆信息数据会在后台数据采集模块生成。系统会相应生成泊车号，或者用户可以自己选择，点击屏幕“存车”按钮后，车辆对应的信息会显示在泊车位状态，这些信息是不可修改的。例如“高级轿车，48”，那么 48 号泊车位的状态会显示红色的圆点。随之电梯门会打开，进入存汽车的过程。存汽车的过程：存车标识-电梯门开启-汽车开到转盘换位-车内人员离开-电梯门关闭-根据车型分类，支架定位装置伸到相应位置-支架夹紧-电梯将车辆运输到指定层数-转盘将车辆运输到指定位置-载车架伸出-支架放松-支架定位装置收缩-载车架缩回（完成泊车操作）-电梯返回到 0 层，转盘旋转到 0 位置。系统完成一次存车并恢复到原始状态的过程。取汽车的过程：取车标识-电梯到达车辆所在楼层，转盘旋转到车辆所在位置-载车架伸出-依照车型，支架定位装置伸到相应位置-支架夹紧-载车架缩回-电梯返回至 0 层，转盘旋转到 0 位置-支架放松-支架定位装置收缩-电梯门打开-司乘人员进入车辆-汽车开离转盘-电梯门关闭。取车过程完成。如果取车时，信息输入错误或无效信息，那么会提示“无该车、请重新输入”的提示框，此时点击关闭按钮，重新输入信息，输入正确的信息会运行上述取车过程。存取汽车的数据信息在刷卡完成后，会自动存入 PLC 的存取车数据列表中。程序设定一次最多允许传送 1 条存车数据和 6 条取车数据给 PLC。如果PLC 中仅存有车辆的存车数据，那么允许接收一次取车数据；相反仅存有取车数据也是一样的。3.2 存取汽车控制算法 唯一车牌号和泊车号对应，这是存取车顺利完成的必要条件。所以，在 PLC 控制部分，只需要上位机传送泊车号、车型和存取三个信息。PLC 反馈给上位机的信号有可存取车数量 D200、取车指示、存车指示等。3.2.1 存汽车控制算法 假设存汽车的目标泊车号是 D350，存汽车的车型为 D300，电梯运行的目标层数为 D250，转盘目标是D251。存汽车的目标地址算法：D250=INT（D350/10）1 D251=MOD（D350/10）即，存汽车的泊车号除以 10 的商是电梯运行的目标层数；存汽车的泊车号除以 10 的余数是转盘旋转的目标位置，一次允许处理 1 条存汽车数据。通过表 1 得知，电梯每上升 1 层需要 8s，那么电梯上升的时间 D260 与层数之间存在以下关系：D260=D250 8 同理，转盘旋转的绝对圈数 D262 与转盘旋转的目标位置 D251 存在以下关系：D262=D251 2 3.2.2 取汽车控制算法 假设取汽车的目标泊车号首地址是 D450，所存汽车的车型首地址为D400，电梯运行的目标层数是D252，转盘目标位置地址是 D253，取车数量是 D204。取汽车目标地址的算法：D252=INT（D450ZI/10）1 D253=MOD（D450ZI/10）即，取汽车的泊车号除以 10 的商是电梯运行的目标层数；取汽车的泊车号除以 10 的余数代表转盘旋转的目标位置。变址寄存器 ZI 的取值范围为 0D204，这表明最多能够处理 D204 条取汽车数据。通过表 1 可知，电梯上升的时间 D264 与层数之间的关系如下：D264=（D252 D250）8 如果结果是正数，代表电梯是上行的；如果结果是负数，代表电梯是下行的；如果结果是 0，代表电梯处于停止状态，即在原位置。同理，转盘旋转的绝对圈数 D262 与转盘旋转的目标位置 D253 存在以下关系：D262=D253 2 注：PLC 使用绝对定位指令对步行电机行控制，操作其驱动转盘旋转，所以转盘旋转的圈数不用考虑正负号。4 智能立体车库的控制方案 在这一方案中，电气控制是极为重要的一部分，电气控制的性能对整个系统的运行起到核心作用，系统对控制的要求是非常高的，控制部分稳定、安全和方便是实现车辆顺利存取的关键。本控制方案采用 PLC中国科技期刊数据库 工业 A-4-控制单元与工控机相结合的方式，这简化了整个控制部分，操作更加便捷。4.1 控制系统整体结构设计 智能立体车库控制系统如下图 4，由上位工控机、PLC 控制单元、车辆轴距检测装置、汽车刷卡模块、视觉检测模块、声光输出模块、各种传感检测装置及驱动和执行电机组成。图 4 智能立体车库控制系统整体结构框图 车辆的轴距检测装置主要是为了识别车型并匹配合适的车位，它包括四个称重平台，分布在全自动立体车库的载车平台上，每个称重平台的上表面与载车平台的上表面齐平5。四个称重平台对应车辆的四个车轮，用来支撑待取车辆的车轮。称重平台的矩形平板的底面四角对称设置 4 个称重传感器，主要是用来采集待存取车辆的重量信息。上位机利用转矩平衡原理可以准确计算每个车轮着力的中心位置，然后依照四个车轮的着力中心点来计算待存取车辆的轴距。汽车刷卡模块、视觉检测模块、声光输出模块和PLC 控制单元是通过 RS485 信号线与工控机交换信息。支架夹紧装置可以很好的固定车架，避免车架晃动导致车辆不稳定出现意外情况，定位主要是通过伺服驱动系统来实现，转盘定位需要精准掌握车辆的位置并将其与相对应的泊车位匹配，这样才能实现精准自动泊车和取车，因此，转盘定位由步进驱动系统实现6。车架导轨上安装非接触式霍尔传感器，这样可以保证电机驱动的载车架伸缩准确定位。4.2 存取车 PLC 控制流程 智能立体车库存取车 PLC 控制流程主要包括存车和取车两大部分。存车的流程如下：系统初始化，读取存车标识，系统快速读取存车数据列表，目标泊车号存在 D350 地址中，车型存在 D300 地址中，电梯开门置位存车指示，系统自动记录车位数量 D200，判断车型D300；泊车层数由D250=INT（D350/10）1确定，泊车位置由D251=MOD（350/10）确定，确定位置后，步进电机通过 D250*8s，转盘旋转 D251*2 圈，到达D250层位置，载车架伸出然后将汽车拉入泊车位，存车过程完成。取车流程：系统初始化，读取取车命令，读取取车数据列表，泊车号首地址是 D450，车型首选地址是D400，存车数是 D204，判断泊车位主要是根据层数和位置决定的，层数由D252=INT（D450ZI/10）1确定，位置由D253=MOD（D450ZI/10）确定；确定取车位置后，步行电机旋转 D253*2 圈，转盘旋转 D262，通过（D252-D250）*8s 到达 D252 层；转盘定位后，载车架伸出到取车位置，判断车型 D400ZI，支架夹紧车辆，步行电机通过（D252-D250）*8s 下降到 0 层，汽车返回地面。取车完成。5 结论 升降横移式立体车库的控制系统采用 PLC 控制，可以提高整个系统的可靠性，尤其是串联车位较多时，能够实现车位的自动调配，这能够最大程度满足车库的控制功能和使用性能，完全实现了进出车的自动控制7。软件设计上的优化处理，可以使得系统车位的操作步骤更加便捷，与此同时，本立体车库各泊车位之间无需传感检测信号和动力驱动装置，这极大的缩减了进出车时间，大大提高了工作效率，更适用于大型多层立体车库。参考文献 1吴濛涛,胡志强,黄传辉,等.基于 PLC 智能立体车库控制系统设计J.科技视界,2019(8):38-40.2程黎.基于 PLC 的智能立体车库车辆搬运机器人模型及控制系统设计J.南方农机,2023,54(11):19-21.3王学洋,刘鹏,赵帅,等.智能循环式立体车库 PLC 控制系统研究与设计J.建筑工程技术与设计,2019(31).4于国健,陶丽萍.基于 PLC 多协议智能立体车库控制系统的设计J.现代信息科技,2020,4(8):63-66.中国科技期刊数据库 工业 A-5-5黄丽丽,王金龙,吴迪,等.基于PLC的电动自行车智能立体车库控制系统研究J.汽车博览,2023(4):113-115.6窦岩,刘伟,杨磊,等.基于 PLC 的智能立体车库控制系统设计J.科技创新导报,报,2018,15(25):3-5.7李德福.基于 PLC 的智能立体车库控制系统研究与设计D.江西:江西理工大学,2017.8刘佳强.基于 PLC 控制的智能化巷道堆垛式立体车库控制系统的研究与设计D.山东:青岛理工大学,2016.