桶式機械立體停車庫自動控制系統設計

李天智　劉占陽　程柘源

摘 要： 停車難問題是大多數城市急需解決卻又非常難以解決的問題。機械立體停車設備的應用為解決停車難問題提供了很好的方法。桶式機械立體停車技術是近幾年出現的新的機械立體停車技術，其存取車動作非常復雜，各個動作之間有著嚴格的時間和邏輯關系，升降和旋轉平臺都屬于大慣性負載，要實現快速、準確的平層和對位非常困難，并且要有完善的安全保護功能，自動控制難度很大。針對桶式機械立體停車自動控制系統設計、選型及程序控制方法進行了較為詳細的論述。

關鍵詞： 立體停車庫； 自動控制； 工業無線以太網通信； 狀態監測

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0136?03

Design of automatic control system for barrel type mechanical parking lot

LI Tian?zhi1， LIU Zhan?yang1， CHENG Zhe?yuan3

（1. Hebei Mechatronics Test Base， Shijiazhuang 050081， China； 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211100， China）

Abstract： The parking problem needs to be solved urgently， but its hard to find a way out of such a difficult issue for most cities. The application of mechanical tridimensional parking garage reveals an excellent solution to meet the parking demand. The barrel type mechanical spatial parking system as a new technology of mechanical parking emerges recently， but its action of accessing vehicles is complex. Besides theres a strict time and logic relationship between actions. At the same time， the lift and rotary platforms have high inertia loads. Its difficult to achieve fast and accurate leveling and position matching. In view of the perfect security protection function， the automation control task is tough. The automation control system design， selection and program control method for barrel type mechanical spatial parking system are discussed in detail.

Keywords： three?dimensional parking garage； automatic control； industrial wireless Ethernet communication； condition monitoring

0 引 言

自動控制系統設計是機械立體停車庫建設中關鍵的一環。桶式機械立體停車庫采用圓形結構，整個車庫建于地下，中間為升降旋轉平臺，車位分布在升降旋轉平臺周圍，可設3～8個停車層，每層12個車位。車庫存取車動作復雜，各個動作之間有嚴格的時序關系，并且要有完善的安全保護功能[1]，自動控制難度大；其升降和旋轉平臺屬于大慣性負載，要實現快速、準確的平層和對位非常困難；分布式子站與主站之間需要采用無線通信方式，要采取有效技術手段提高通信可靠性；為了滿足無人化管理的要求，采用射頻IC卡進行車位管理，并實現車輛存取優化調度功能，上述要求能否實現將直接影響整個車庫的應用效果。本文對桶式機械立體停車庫自動控制系統的設計要求、設計思路、系統組成及軟件實現方法等進行了較為詳細的論述，主要涉及PLC控制、變頻調速、射頻IC卡發卡及讀寫管理、位置檢測、安全保護等內容。

1 系統組成

桶式機械立體停車庫控制系統由控制主站、地面子站、升降平臺子站、移動操作子站、前小車子站、后小車子站、射頻IC卡讀卡器及發卡系統、手動無線遙控系統、升降變頻器、旋轉變頻器、 存取車小車行走及夾臂驅動變頻器、層位傳感器及安全保護系統等組成。其組成框圖如圖1所示。

主控站：主控制器PLC采用6ES7 315 2DP/PN CPU模塊，模塊本身帶有一個標準DP接口和一個工業以太網接口，DP口用于連接升降變頻器、旋轉變頻器、升降平臺子站和地面子站，工業以太網接口通過西門子無線模塊W788?1（AP） 和W744?1與前后小車子站相連，同時，通過無線通信連接一個移動式無線操作站，主控站同時帶有32點開關量輸入和16點開關量輸出，通過高速計數模塊連接一個平臺升降脈沖編碼器。主控站負責整個系統的協調與控制。

地面子站：采用ET200S分布式子站，通過DP方式與主站相連，主要連接車庫地面輸入輸出控制點，包括道閘、出入口卷閘和快速卷簾、出入口安全光柵、用于人員檢測的激光掃描傳感器、車輛超高、超寬檢測光電開關等，同時連接存取車射頻IC卡讀卡器。

升降平臺子站：采用ET200S分布式子站，通過DP方式與主站相連，主要連接升降旋轉平臺上輸入輸出控制點，包括旋轉平臺位置傳感器、平臺水平定位銷位置傳感器及控制輸出、車輛位置矯正機構控制輸出及位置傳感器，同時通過高速計數模塊連接一個平臺旋轉脈沖編碼器。

前后小車子站：采用ET200S分布式子站，通過無線以太網與主站相連，主要連接存取車機構輸入輸出控制點，包括小車行走位置檢測與控制、車輪夾持滑板位置檢測與控制、車輪夾臂的張開、閉合控制，車輪位置檢測等。前后小車所有動作均采用變頻驅動，共有14個動力組件。

移動操作子站：采用ET200S分布式子站，通過無線以太網與主站相連，為車庫安裝調試提供手動試驗、分段調試及自動聯調等調試手段，方便車庫機電設備的安裝及維修。

2 系統原理與關鍵技術

桶式機械立體停車庫大部分輸入輸出點為開關量，控制算法以邏輯運算為主，為了提高存取車速度，各個動作都采用了變頻調速技術；為了完成存取車動作，平臺的平層和旋轉對位精度要求非常高，必須設有過沖檢測手段和過沖回調控制機制，為了實現準確定位和過沖回調，設計了組合傳感器檢測方法，結合專用控制算法，實現了升降和旋轉平臺的快速制停和準確定位；為了滿足無人化管理的要求，采用M1射頻卡對車位進行管理，一卡一個車位， IC卡讀卡器直接聯入PLC的RS 485口；為了便于現場安裝調試，采用無線遙控方式，通過PLC實現各個動作的手動操作并提供完善的安全保護功能。

2.1 平臺升降和旋轉位置檢測與精確定位控制

組合傳感器布置：根據建設規模不同車庫可設3～8個停車層，為了實現準確平層和過沖檢測，升降平臺上設一塊豎向感應板，感應板上設上下兩個平層傳感器（上平層傳感器和下平層傳感器），相距30 cm左右；每個停車層設一個感應板，感應板中間設一個層傳感器，感應板長度設定為恰好能夠同時感應升降平臺上的上下平層傳感器，聯同層傳感器同時有效時為準確平層位置，并通過層傳感器確定平臺所在的停車層（絕對尋址）。位傳感器布置與層傳感器類似。組合傳感器布置見圖2。

平臺過沖檢測與回調：平臺平層動作停止后，如果檢測到層傳感器和下平層傳感器有效、上平層傳感器無效，表明平臺偏上，需要向下微調；檢測層傳感器和上平層傳感器有效、下平層傳感器無效時，表明平臺偏下，需要向上微調。微調時一般采用爬行速度，避免出現再次過沖，如果微調后仍然未達到平層位置，系統將再次重復上述平層過程，直至達到平層要求為止[2]。平臺旋轉對位原理與此類似，不再贅述。

2.2 工業無線以太網組網

桶式立體車庫的旋轉平臺為360°自由旋轉，旋轉平臺上控制設備與固定設備的傳統連接方法是通過集電環，集電環可用于傳遞各種開關量信號，不能用于傳遞網絡信號，且觸點在運行過程中存在磨損，設備維護要求高，可靠性差，所以本系統以無線通信方式替代了集電環連接。移動操作站為了操作方便也采用了無線通信方式。無線以太網絡主要由西門子無線工業以太網模塊SCALANCE W788接入點模塊（AP）和SCALANCE W744客戶端組成。利用SCALANCE W788接入點模塊建立無線網絡，利用 SCALANCE W客戶端模塊將各子站連接到主控制站[3]。因桶式立體車庫為三維立體結構，一個中心點信號很難覆蓋車庫各個部位，為了保證通信的高可靠性，在車庫頂端設一個固定接入點（AP0），在升降平臺上設置一個中轉接入點模塊（AP1），AP0與AP1之間采用WDS方式實現連接，前后小車客戶端與主站模塊（AP0）通信全部通過（AP1）中轉。WDS通信原理示意如圖3所示。

進行WDS通信的兩個接入點模塊AP0，AP1通信信道要設成一致，但網路ID不能相同，隨平臺升降接入點模塊（AP1）的網絡ID要與前后小車客戶端模塊設成一致，以保證通信正常進行[4]。

2.3 主站與子站心跳狀態監測

升降旋轉平臺上的前后小車采用工業無線以太網與主站進行通信，無線通信的實時性和穩定性比有線通信差，而存取車時前后小車動作必須與其他機構動作保持嚴格的時序和互鎖關系，如果出現通信失敗，有可能造成嚴重的安全事故。為了實時監測主站與前后小車子站的通信狀態，同時也對前后小車PLC的運行狀態進行監測，系統設計了主站與前后小車子站的雙向心跳監測功能。具體方法是在主站PLC的CPU和前后小車子站PLC的CPU中分別設置一個計數單元，在每次定時中斷程序中對這些計數單元加“1”，在每次通信時，將計數單元的數值作為數據傳送給通信伙伴，每個PLC都保存通信伙伴上次的計數值，正常情況下，每次通信得到通信伙伴的計數值都應該不同，即“心跳”，如果兩次通信得到通信伙伴的計數值相同，即“心跳”停止，則可懷疑雙方之間通信出現了問題或通信伙伴工作狀態不正常，為避免出現誤判，一般可對心跳停止的次數進行計數，達到設定次數的心跳停止即可認定為故障。任何一方發現通信異常或通信伙伴發生故障時將按照確保安全原則采取緊急停止動作，有效避免事故的發生。程序流程圖見圖4。

2.4 射頻IC卡車位管理

射頻IC卡車位管理包括與PLC直接相連的四個射頻IC卡讀卡器和專用發卡系統。本系統采用非接觸式IC卡（Mifare One Card）對車輛存取進行管理，一個車位對應一張卡，通過劃卡啟動存取車過程。IC卡中存有車庫編號、IC卡編號、IC卡所對應的車位號等信息。PLC通過RS 485總線與IC卡讀卡器通信，以命令方式輪詢四個讀卡器狀態。為了減少存取車司機誤操作，指定兩個讀卡器用于存車，另外兩個讀卡器用于取車，并分別設置于存車入口和取車出口，取車讀卡器可連續讀卡，并按劃卡順序預約取車。為了方便用戶按需制作車庫IC卡，系統配有專用發卡系統，發卡系統由計算機、IC卡讀寫器和發卡軟件組成，當用戶所持IC卡丟失或損壞時，可隨時補卡。

2.5 存取車優化調度

為了減少存取車等待時間，系統設計了存取車優化調度功能。存車時按車輛排隊順序存車，取車可隨時劃卡實現預約取車。當既有存車要求，又有取車預約時，特別是有多輛汽車要求存入，同時又有多個取車預約時，需要根據當前狀態進行優化調度。存取車調度優化的目標是使整個車庫的存取車效率最高。調度的方法是根據存取車升降平臺的位置決定先響應存車請求還是先響應取車請求。當升降旋轉平臺處于地面位置時，存車優先；當升降旋轉平臺處于地下時，取車優先。存在多量汽車要求存入并有多輛汽車要求取出時，上述調度原則仍然有效，存入一輛車后，升降旋轉平臺必然在地下，這時，取車優先；取出一輛車后，升降旋轉平臺則處于地面位置，存車優先，這樣存取車交替運行，既照顧到存取車司機的感受，又實現了車庫存取效率的最大化。

3 結 語

本文針對地下桶式機械立體停車庫的控制需求，闡述了實現立體停車庫自動控制的整體方案和關鍵技術。實際應用表明，本文給出的設計方案和實現方法能夠滿足桶式機械立體停車庫的控制要求，具有實用性，也可為類似機械立體停車庫控制系統的設計提供參考。

注：本文通訊作者為劉占陽。

參考文獻

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