智能堆垛式電動(dòng)自行車(chē)車(chē)庫(kù)

劉 旋，宋廣軍

（浙江海洋大學(xué) 數(shù)理與信息學(xué)院，舟山 316022）

近年來(lái)，隨著綠色低碳出行的提出，電動(dòng)自行車(chē)的出現(xiàn)很好地滿(mǎn)足了市場(chǎng)的需求。由于電動(dòng)自行車(chē)的便捷性、低碳性和低成本，在我國(guó)各大城市掀起了一股熱潮。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)自行車(chē)的樣式越來(lái)越多，故障越來(lái)越少，充電的時(shí)間也越來(lái)越短，所用電池的容量也越來(lái)越大，體積越來(lái)越小，隨之而來(lái)的是電動(dòng)自行車(chē)數(shù)量的快速增加。目前我國(guó)兩輪電動(dòng)自行車(chē)的社會(huì)保有量達(dá)到2.5 億輛[1]。電動(dòng)自行車(chē)的劇增，引起了諸多負(fù)面影響，如停放問(wèn)題、統(tǒng)一管理問(wèn)題、充電問(wèn)題等。這些不利現(xiàn)象使得城市公共空間的治理問(wèn)題變得尤為重要，尤其是中小型的公司、中小型商業(yè)區(qū)、小區(qū)。電動(dòng)自行車(chē)車(chē)庫(kù)的建立在一定程度上能夠緩解電動(dòng)自行車(chē)的停放無(wú)序問(wèn)題、電源線(xiàn)雜亂問(wèn)題，為此電動(dòng)自行車(chē)車(chē)庫(kù)的建立將成為亟待解決的問(wèn)題。在此，提出了基于可編程控制器PLC 控制的智能堆垛式電動(dòng)自行車(chē)車(chē)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)車(chē)庫(kù)的自動(dòng)化和智能化，很好地滿(mǎn)足人們便利出行的需求。

1 智能車(chē)庫(kù)的立體結(jié)構(gòu)

通常，堆垛式立體車(chē)庫(kù)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制和電氣控制系統(tǒng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分即框架以鋼結(jié)構(gòu)為主，其中包括3 個(gè)自由度即升降、縱向、橫向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。而在此所提出的智能堆垛式電動(dòng)自行車(chē)車(chē)庫(kù)的立體結(jié)構(gòu)，以堆垛式立體車(chē)庫(kù)為基礎(chǔ)，其中的機(jī)械結(jié)構(gòu)依然以鋼結(jié)構(gòu)為主，運(yùn)行機(jī)構(gòu)的自由度仍為3 個(gè)即升降、縱向、橫向，主要以堆垛機(jī)的升降進(jìn)行樓層定位，通過(guò)搬運(yùn)機(jī)的存取進(jìn)行空車(chē)位定位，通過(guò)傳感器信息采集、檢測(cè)進(jìn)行存取后車(chē)位信息的實(shí)時(shí)更新。其電氣控制系統(tǒng)以PLC 為核心，以變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效控制，通過(guò)檢測(cè)裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，再通過(guò)觸摸屏將車(chē)庫(kù)的實(shí)時(shí)狀況告知用戶(hù)或工作人員，有效地進(jìn)行人機(jī)交互，保證車(chē)庫(kù)的正常運(yùn)行和保障人身安全。

智能堆垛式電動(dòng)自行車(chē)車(chē)庫(kù)針對(duì)兩輪電動(dòng)自行車(chē)，車(chē)庫(kù)共有3 層，每層2 排，每排20 個(gè)停車(chē)位，共可停放120 輛。車(chē)庫(kù)的主視圖和左視圖如圖1所示，車(chē)庫(kù)共有4 個(gè)出入口，左右兩邊各2 個(gè)，出入口采用混合模式。

圖1 智能堆垛式電動(dòng)自行車(chē)車(chē)庫(kù)的視圖Fig.1 Views of intelligent stacking electric vehicle garage

2 車(chē)庫(kù)的工作流程

初始狀態(tài)時(shí)，一臺(tái)堆垛機(jī)在左側(cè)出入口等待執(zhí)行命令，另一臺(tái)在右側(cè)出入口等待執(zhí)行命令。當(dāng)堆垛機(jī)收到存車(chē)命令時(shí)，堆垛機(jī)將從第1 層開(kāi)始存放車(chē)輛，當(dāng)?shù)? 層存滿(mǎn)時(shí)進(jìn)行第2層存放，第2 層存滿(mǎn)時(shí)進(jìn)行第3 層存放。

為了避免左右側(cè)堆垛機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)沖突，可根據(jù)用戶(hù)選擇的4 個(gè)出入口的指定位置來(lái)確定由哪一臺(tái)堆垛機(jī)進(jìn)行工作，左側(cè)的2 個(gè)出入口由左側(cè)的堆垛機(jī)接收并執(zhí)行命令，右側(cè)的2 個(gè)出入口由右側(cè)的堆垛機(jī)接收和執(zhí)行命令。

車(chē)輛的存取均可由用戶(hù)根據(jù)需要選擇采用人臉掃描或車(chē)牌號(hào)手動(dòng)輸入的方式。存車(chē)時(shí)，根據(jù)人臉掃描或車(chē)牌號(hào)手動(dòng)輸入，確認(rèn)用戶(hù)信息；堆垛機(jī)從指定位置提取車(chē)輛，樓層定位；搬運(yùn)機(jī)執(zhí)行存放功能，完成存車(chē)過(guò)程。

取車(chē)時(shí)，用戶(hù)依舊可以選擇人臉識(shí)別或輸入車(chē)牌號(hào)的方式，確認(rèn)需要取出的電動(dòng)自行車(chē)；車(chē)庫(kù)系統(tǒng)檢測(cè)裝置進(jìn)行電動(dòng)自行車(chē)的識(shí)別定位，通知堆垛機(jī)進(jìn)行樓層定位，同時(shí)搬運(yùn)機(jī)將電動(dòng)自行車(chē)取出等待堆垛機(jī)，堆垛機(jī)接收車(chē)輛后將其放置到指定位置，通知用戶(hù)提取車(chē)輛；用戶(hù)取出電動(dòng)自行車(chē)，取車(chē)過(guò)程結(jié)束。存取電動(dòng)自行車(chē)的具體流程如圖2所示。

圖2 智能車(chē)庫(kù)的工作流程Fig.2 Work flow chart of intelligent garage

3 智能車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及要求

為了便于車(chē)庫(kù)的管理，使系統(tǒng)能夠正常、高效地運(yùn)行，采用了上位機(jī)PC，下位機(jī)PLC，以及PLC與車(chē)庫(kù)之間的通信，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of intelligent garage control system

運(yùn)行過(guò)程需滿(mǎn)足以下要求：①實(shí)時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)存車(chē)和取車(chē)的功能；②堆垛機(jī)、搬運(yùn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，以及現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)，保證運(yùn)行機(jī)制正常運(yùn)行，以及車(chē)主的人身安全，禁止小孩、 寵物等進(jìn)入車(chē)庫(kù)；③手動(dòng)模式與自動(dòng)模式隨時(shí)切換，且手動(dòng)模式優(yōu)于自動(dòng)模式，特別是遇到維修和一些突發(fā)狀況時(shí)；④一旦傳感器檢測(cè)到異常時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，指示燈閃爍，同時(shí)觸摸屏界面顯示報(bào)警原因，并進(jìn)行聲光指示。確認(rèn)故障處理完畢，車(chē)庫(kù)方可運(yùn)行。

3.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)作為整車(chē)車(chē)庫(kù)的運(yùn)行核心，控制器是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。在此選用S7-1200 系列，包括CPU模塊、信號(hào)板、信號(hào)模塊、通信模塊和編程軟件[2]，并且將各種模塊安裝于導(dǎo)軌上。

具體選用S7-1200 的CPU 模塊CPU 1214C DC/DC/DC。該模塊的本機(jī)數(shù)字量I/O 點(diǎn)數(shù)為14/10，模擬量I/O 點(diǎn)數(shù)為2/2；最大本地?cái)?shù)字量I/O 點(diǎn)數(shù)為284，模擬量I/O 點(diǎn)數(shù)為69。其中，電源電壓、輸入回路電壓和輸出回路電壓均為DC 24 V。S7-1200 集成的工藝功能還包括高速計(jì)數(shù)與頻率測(cè)量、高速脈沖輸出、PWM 空控制、運(yùn)動(dòng)控制及PID控制[2]。

S7-1200 具有非常強(qiáng)大的通信功能，ProFiBus 是目前軌跡通用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之一。通過(guò)使用ProFiBus-DP 主站模塊CM 1234-5，S7-1200 可以與其他CPU、編程設(shè)備、人機(jī)界面和通信與通信模塊ProFiBus-DP 從站設(shè)備通信[2]。

4 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)環(huán)境

4.1 系統(tǒng)環(huán)境選擇

系統(tǒng)的PLC 軟件選用西門(mén)子公司TIA 博途編程軟件。S7-1200 的TIA 博途軟件分為STEP 7 Basic 和STEP 7 Professional 兩種。在此選用后一種STEP 7 Professional，它既可以用于S7-1200/1500，S7-300/400，還可以進(jìn)行WinCC 的組態(tài)和編程。WinCC 主要是用于西門(mén)子HMI、工業(yè)PC 和標(biāo)準(zhǔn)PC的組態(tài)軟件。

編程軟件STEP 7 Professional 內(nèi)的WinCC Basic可用于精簡(jiǎn)系列面板的組態(tài)WinCC Basic，簡(jiǎn)單高效，易于上手，功能強(qiáng)大。基于表格的編輯器簡(jiǎn)化了變量、文本和報(bào)警信息等的生成與編輯。通過(guò)圖形化配置，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的組態(tài)任務(wù)。S7-1200 與精簡(jiǎn)系列面板在TIA 博途的同一個(gè)項(xiàng)目中組態(tài)和編程，均采用以太網(wǎng)接口通信。

4.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

用戶(hù)與車(chē)庫(kù)通過(guò)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，這也是人機(jī)交互的發(fā)展方向。所選用KTP700 的觸摸屏，RJ45 以太網(wǎng)接口，其通信速率為10 Mbit/s 或100 Mbit/s，用于同組態(tài)計(jì)算機(jī)或S7-1200 通信。

一個(gè)KTP 面板同時(shí)可以連接多個(gè)S7-1200，最多可連接4 個(gè)；S7-1200 同時(shí)可連接多個(gè)KTP 面板，最多不超過(guò)3 個(gè)面板。在此以一個(gè)KTP 面板與一個(gè)S7-1200 通信為例，具體步驟如下： ①添加PLC 設(shè)備；②設(shè)置PLC 的以太網(wǎng)地址；③添加HMI設(shè)備；④設(shè)置HMI 的以太網(wǎng)地址；⑤建立HMI 到PLC 的連接；⑥定義HMI 的變量；⑦在HMI 屏中定義一個(gè)按鈕和一個(gè)輸入顯示域；⑧分別編譯PLC程序和HMI 程序，并分別將各自的程序下載到PLC和HMI 中；⑨下載完成后，就可以在觸摸屏上監(jiān)控PLC[2]。

用戶(hù)和管理者通過(guò)電子觸摸屏選擇車(chē)庫(kù)的運(yùn)行模式，即存車(chē)模式、取車(chē)模式、管理模式。觸摸屏上同時(shí)還有信息提示如車(chē)位指示，也涉及其他形式的指示如報(bào)警器。對(duì)于存取車(chē)模式，用戶(hù)和管理者均可以進(jìn)入；對(duì)于管理模式，只允許管理人員進(jìn)入，通過(guò)設(shè)置密碼形式或人臉識(shí)別模式進(jìn)入管理系統(tǒng)。至于車(chē)位的有無(wú)，則通過(guò)指示燈顏色變化和文字“有”/“無(wú)”轉(zhuǎn)化，對(duì)用戶(hù)進(jìn)行提示。部分頁(yè)面的交互模式和功能如圖4所示。

圖4 部分頁(yè)面的交互模式及功能Fig.4 Interaction mode and function of some pages

5 結(jié)語(yǔ)

智能堆垛式電動(dòng)自行車(chē)車(chē)庫(kù)采用PLC 進(jìn)行控制，充分利用了PLC 控制的特點(diǎn)，具有高可靠性、抗干擾性、很強(qiáng)的控制功能，且工作量小，便于維護(hù)，編程簡(jiǎn)單，易讀懂，設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試的時(shí)間短。該車(chē)庫(kù)采用雙向存取車(chē)裝置，使存取車(chē)更為高效，尤其是上下班高峰期時(shí)可以大大提高效率。存取車(chē)均可采用人臉識(shí)別或車(chē)牌號(hào)輸入的方式進(jìn)行信息識(shí)別和確認(rèn)。然而，該車(chē)庫(kù)的使用對(duì)象過(guò)于單一，僅限于電動(dòng)自行車(chē)。在中小型的工業(yè)園區(qū)、商業(yè)區(qū)和小區(qū)等，自行車(chē)的使用量在市場(chǎng)上也占據(jù)一定的比例，而文中尚未考慮到自行車(chē)的存放。