基于PLC的模塊化九宮格立體車庫設(shè)計

謝啊奮，王建生，陳奕仕

基于PLC的模塊化九宮格立體車庫設(shè)計

謝啊奮，王建生*，陳奕仕

（五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020）

為了解決城市停車難的嚴(yán)重問題，提出了一種基于PLC的模塊化九宮格立體車庫。該裝置包括總體機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動及傳動系統(tǒng)，三菱PLC控制系統(tǒng)，人機交互界面及安全及防護(hù)裝置等。總體機械結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，主要由一個模塊化的停車位為單位，然后通過單個模塊化停車位拼裝組成可拆卸的車庫。這種立體車庫以PLC控制為基礎(chǔ)，設(shè)計存取車方案，通過模塊化的存車或取車子軟件程序和硬件設(shè)備組成九宮格立體車庫的控制系統(tǒng)。該車庫可以在原來9個車位占地面積上同時容納28輛汽車，可以有效解決城市停車難現(xiàn)象。

停車難；PLC；模塊化；九宮格；立體車庫

根據(jù)國家統(tǒng)計局“2018年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報”數(shù)據(jù)顯示，2018年末我國民用汽車保有量達(dá)到24028萬輛，比2017年末增長10.5%[1]。未來幾年的汽車保有量預(yù)計將繼續(xù)以約10%的速度增長。我國城市中停車位數(shù)量遠(yuǎn)低于汽車總數(shù)量，導(dǎo)致出現(xiàn)十分嚴(yán)峻的停車難問題[2]。為解決停車難問題，國內(nèi)外都有對立體車庫常用類型[3]的研究，如類似摩天輪的循環(huán)立體車庫、平面移動類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類、升降橫移類和巷道式堆垛類等[5-6]，然而這些立體車庫大多存在土地利用率不高或者運行效率低等缺點[7]。

本文以鋼結(jié)構(gòu)和PLC控制為基礎(chǔ)[8-10]，通過模塊化的思想，設(shè)計了一種5層9位的模塊化九宮格立體車庫。該種新型立體車庫可以在原來9個車位占地面積上同時容納28輛汽車，大大提高占地面積使用率，可以有效解決城市停車壓力。

1 設(shè)計目標(biāo)

我國常用車的外型尺寸及質(zhì)量如表1所示，分為6個類型[11]。

表1 我國常用汽車外型參數(shù)及質(zhì)量

設(shè)計每個車位大小可以在標(biāo)準(zhǔn)車型尺寸的基礎(chǔ)上預(yù)留安全距離200～400 mm，以避免一些不必要的碰撞。根據(jù)我國市面上的常見車型，本文以中型車輛T型車作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，則該車庫適用于外型尺寸為T型或者小于T型車輛。車庫的首層停車人是需要進(jìn)入走動的，所以首層的凈空高度也需預(yù)留高度。該車庫要求現(xiàn)場取車時間不超過120 s，根據(jù)這個要求來設(shè)計升降、橫縱移、液壓舉升的額定速度。在取車的人發(fā)出取車信號時，升降電梯還沒有到達(dá)指定取車層數(shù)，運載小車就已經(jīng)把需要取的車放到指定位置，升降電梯到達(dá)指定層數(shù)時，運載小車直接把目標(biāo)車輛送入升降電梯，所以取車的時間主要由升降的時間來控制。根據(jù)車庫高度11.3 m計算，可以得知曳引的額定速度不得低于0.188 m/s，考慮到未知因素和一定的取車效率，暫定曳引的額定速度為1 m/s。為保證在升降電梯到達(dá)指定層數(shù)時，需要取車的車輛能夠挪到指定位置，則設(shè)計橫向移動和縱向移動的額定速度為0.5 m/s。液壓缸舉升的速度不能過快，否則會有比較大的沖擊，研究暫定舉升的額定速度為0.1 m/s。綜合考慮各種要求，設(shè)計的立體車庫相關(guān)目標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表2 立體車庫相關(guān)目標(biāo)參數(shù)

2 立體車庫機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體方案

九宮格立體車庫的基本組成如圖1所示。

圖1 九宮格立體車庫基本組成

2.2 車庫機械結(jié)構(gòu)

九宮格立體車庫的整體框架結(jié)構(gòu)如圖2所示，車位布置類似九宮格。最底一層不設(shè)置車位，只有電梯升降位，方便用戶存取車輛。每層預(yù)留1個車位方便挪車，挪車位位于車庫的中心位置。同時每層電梯位占用一個車位，實現(xiàn)存取車輛的升降功能，其余7個車位為停車位。橫梁與立柱通過固定鋼板拼裝和螺栓連接在一起，行車軌道鋪設(shè)在橫梁之上，這構(gòu)成了單個模塊化的停車位。以單個模塊化停車位為基礎(chǔ)通過螺栓連接組成可拆卸的九宮格立體車庫的機械結(jié)構(gòu)。

2.3 車庫升降方案

該車庫升降方案采用曳引機升降，其主要結(jié)構(gòu)有鋼絲繩、曳引機、滑輪組。車輛位于轎廂內(nèi)，轎廂通過鋼絲繩連接到曳引機，曳引機一端出來的鋼絲繩通過滑輪組改向連接對重，以減少電機的功率。其原理如圖3所示。

圖2 九宮格立體車庫整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 電梯升降示意圖

2.3.1 垂直升降電梯系統(tǒng)的對重選擇計算

對重的作用是為了減少升降使用電機的功率，減少車庫的使用成本，同時它也是大多數(shù)曳引升降系統(tǒng)不可缺少的一部分。對重的總重量與電梯轎廂的重量和電梯的載荷的關(guān)系為：

P＝0＋QK

式中：P為對重的總重量，kg；0為轎廂的凈重，初步設(shè)計重量為1800 kg；為電梯的額定載重量、載車板和車輛的總重量，為2300 kg；K為平衡系數(shù)，一般取0.5。

計算得：P＝2950 kg

故取電梯配重為3000 kg。

2.3.2 升降電機的選擇計算

在空載時，曳引機需要提升的總重量為空＝3000－1800＝1200 kg；在重載時，曳引機需要提升的總重量為重＝2300＋1800－3000＝1100 kg。由表2知道電梯升降額定速度。空載時提升承受最大載荷，故按空載設(shè)計計算曳引機：

式中：min為提升電機工作的最小理論功率，kW；0為減速器的效率，通常為0.95；0為工作時載荷，N；0為電梯升降額定速度，m·s-1；空為空載時的總重量，kg。

由電梯設(shè)計手冊可知，鋼絲繩牽引輪的直徑通常是鋼絲繩直徑的40倍。這次電梯使用直徑為10 mm的鋼絲繩，牽引輪直徑0＝400 mm。若使設(shè)備提升速度0＝15 m/min，可知：

式中：0為電機輸出軸轉(zhuǎn)速，r/min；0為曳引輪輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

根據(jù)減速電機所需要的最小理論功率、輸出轉(zhuǎn)速及輸出轉(zhuǎn)矩，選用SEW-R系列帶制動器的減速電機型號R137DRE180M4，其主要參數(shù)如表3所示。

所選減速電機的功率15 kW＞12.378 kW、輸出轉(zhuǎn)矩3210 N·m＞240N·m，因此車庫電梯升降系統(tǒng)的曳引電選用型號R137DRE180M4符合要求。根據(jù)所選電機基本參數(shù)，則實際電梯移動速度為0.942 m/s。

表3 曳引機型號R137DRE180M4主要參數(shù)

2.4 車庫橫移縱移方案

車庫的橫縱向移動主要由帶有四個驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪的運載小車完成。每層車庫停放1輛運載小車，而且運載小車在非工作狀態(tài)置于挪車位。車輛通過載車板停放于運載小車之上，運載小車通過轎廂和車位上的凹槽軌道實現(xiàn)平移。當(dāng)小車需要變向移動時，位于轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動，使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動90°，實現(xiàn)橫縱變向的功能。如圖4、圖5所示。

圖4 橫縱向移動原理示意圖

圖5 驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪圖

2.4.1 驅(qū)動電機的選型與計算

本次設(shè)計運載小車質(zhì)量約為500 kg，載車板和汽車重量約為2300 kg，初設(shè)計行走滾輪的直徑1＝100 mm，則橫縱移動的總負(fù)重4＝500 kg＋2300 kg＝2800 kg，重力加速度＝9.8 N/kg，軌道選用鋼材料，則滾動摩擦系數(shù)＝0.05，電機傳動總效率1＝0.95，由前面參數(shù)可得知，運載小車橫縱移動的速度1＝30 m/min，根據(jù)以上數(shù)據(jù)來設(shè)計計算驅(qū)動電機。

式中：4為運載小車移動時所需的牽引力，N；1為四個驅(qū)動輪的運載小車其每個輪子所需的牽引力，N；1為每個輪子驅(qū)動電機所需的功率，kW；1為每個轉(zhuǎn)向輪輸出的轉(zhuǎn)矩；N·m。

當(dāng)橫移速度1＝30 m/min時，有：

式中：1為電機經(jīng)過減速器后的輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)驅(qū)動電機運行時所需功率，經(jīng)過減速器后的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速，選用我國自主品牌電機松崗減速電機6IK200RGN-CF和減速器型號6GN-15K，其主要參數(shù)如表4所示。

表4 電機6IK200RGN-CF主要參數(shù)

所選減速電機的功率0.2 kW＞0.18 kW、輸出轉(zhuǎn)矩24 N·m＞3.43 N·m，因此車庫橫縱移動驅(qū)動電機選用電機型號6IK200RGN-CF符合要求。根據(jù)所選電機基本參數(shù)，則實際移動速度為0.471 m/s。

2.4.2 轉(zhuǎn)向電機的選型與計算

轉(zhuǎn)向電機主要用于在運載小車需要橫縱方向變換時，使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動90°，電機只需每次轉(zhuǎn)動1/4圈，因此應(yīng)選擇步進(jìn)電機。根據(jù)所選步進(jìn)電機的步距角，計算出轉(zhuǎn)動90°所需的脈沖數(shù)量，即可控制步進(jìn)電機按要求每次轉(zhuǎn)動90°。由于使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動90°所需的扭矩很難直接計算出來，按經(jīng)驗猜測所需的扭矩為10 N·m。轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)動90°是需要非常準(zhǔn)確的，哪怕電機轉(zhuǎn)動位置偏差一點都會導(dǎo)致運載小車偏離軌道或與軌道側(cè)面產(chǎn)生較大的摩擦力，減小運載小車的使用壽命，因此該電機必須要有制動裝置，防止由于慣性電機輸出軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動，所以選用帶剎車抱閘步進(jìn)電機型號為86FY151，其主要參數(shù)如表5所示。

表5 電機86FY151主要參數(shù)

2.5 車輛出入庫原理

車輛的入庫和出庫主要靠運載小車的液壓系統(tǒng)控制，入庫時運載小車上的液壓缸回程縮回，裝有車輛的載車板停放在車位的庫架上。出庫時運載小車上的液壓缸進(jìn)程伸出，載車板離開庫架，運載小車再移走車輛，如圖6所示。

圖6 車輛出入庫原理

對液壓缸進(jìn)行選型與計算。

缸體和柱塞通常由厚壁鋼管制成，缸體內(nèi)壁主要承受液體的壓力，柱塞主要承受車輛和載車板的總重量。本次設(shè)計車輛出入庫液壓系統(tǒng)其提升高度為0.15 m，額定速度為0.1 m/s，

載車板和汽車重量≈2300 kg，載重由四個相同的液壓缸承受，則每個液壓缸承載重量1＝575 kg，柱塞質(zhì)量相比承載太小，可忽略不計。則有：

F＝1＝5635

式中：F為油缸的靜載荷，N；

確定柱塞直徑時，設(shè)系統(tǒng)的最大靜壓力Pmax＝4.5 MPa，則：

Pmax＝12Pmax

式中：Pmax為計算的最大額動態(tài)壓力，MPa；1為壓力損失系數(shù)，取1.1；2為抬升加速度過程中附加動載荷系數(shù)，一般系數(shù)取1.1。

計算得：Pmax＝5.445 MPa

按最大靜壓力選擇柱塞直徑：

實際取柱塞直徑為40 mm，則實際的靜壓力為4.47 MPa，實際的最大動壓力為5.41 MPa，如圖7所示。

圖7 單級油缸的行程L和柱塞外徑dmax的示意圖

缸筒壁厚按薄壁筒的計算方法進(jìn)行選擇：

式中：為壁厚，mm；2.3為摩擦損耗系數(shù)與壓力峰值系數(shù)的積；1.7為彈性極限應(yīng)力額安全系數(shù)；0為滿載時工作壓力，MPa；σ為筒壁材料的彈性極限，MN/m2；3為缸筒的外徑，mm；0為附加壁厚，一般為1 mm。

現(xiàn)選擇無縫鋼管，3＝60 mm、σ＝350 MN/m2，計算得：≥2.5 mm。

2.6 整體結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計和校核

2.6.1 立柱的設(shè)計和校核

該車庫外形結(jié)構(gòu)框架材料為Q235鋼，其組成為立柱、橫梁、載車板和行車軌道等。采用建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的工字形鋼，車庫全部重量由8根立柱承受，立柱的截面形狀為工字形，如圖8所示，1＝200 mm，1＝40 mm，1＝1600 mm，1/2＝20 mm，立柱總長為11300 mm。將一塊正方形鐵板焊接在立柱的底部，其邊長為400 mm、厚度為20 mm，并通過地腳螺栓將其固定在地面上。立柱底部四個側(cè)面的肋板用來增加立柱的剛度。

圖8 立柱截面圖

車庫全部重量由8根相同的立柱承受，故需校核這8根立柱，每根立柱可當(dāng)作一端固定一端自由的壓桿，進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性計算。則有：

式中：F為壓桿臨界壓力，kg；為彈性模量，Q235材料＝206 GPa；1為工字形的截面慣性矩，m4；1為長度系數(shù)，一端固定一端自由壓桿長度系數(shù)取2；1為立柱的長度。

計算得：F＝151.63 kN

車庫的自重5≈30 t；車輛與載車板的重量6＝2300 kg，滿載時車庫停車數(shù)量為28輛；運載小車的質(zhì)量7＝500 kg，車庫共計有4輛。共有8根支撐立柱，則：

式中：為每根立柱承受的壓力，kN。

8＜F故該立柱符合強度要求。

2.6.2 橫梁的設(shè)計和校核

橫梁也采用工字形Q235，每排車位有4根長橫梁和6根短橫梁，但只有長橫梁會受到載荷引起彎曲變形，邊緣長橫梁主要承受載車板和車輛重量的1/2，中間的長橫梁主要承受小車和載車板的全部重量，因此要對中間長橫梁的強度和剛度進(jìn)行校核，長橫梁截面形狀如圖9所示，2＝150 mm，2＝120 mm，2＝150 mm，2/2＝60 mm。

圖9 橫梁截面及尺寸

根據(jù)受力分析，其最大彎曲力矩出現(xiàn)在跨中點處，為：

式中：max為跨中點最大力矩，N·m；6為中間長橫梁所受壓力，其值為載車板和車輛的重力，即6＝6；2為橫梁長度，2＝5.5 m。

計算得：max＝30992.5 N·m

則有：

Q235鋼的許用彎應(yīng)力為158 MPa＞112.3 MPa，所以橫梁強度符合要求。

最大的撓度在跨中點處，有：

式中：max為最大撓度，m；2為槽鋼的截面慣性矩，m4。

計算得：max＝0.0076 m

鋼結(jié)構(gòu)的橫梁結(jié)構(gòu)許用撓跨比[/2]＞[max/2]，所以橫梁的剛度符合設(shè)計要求。

3 立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 立體車庫的工作流程

如圖10（a）所示，當(dāng)需要進(jìn)行停車時，駕駛員可以先用手機APP預(yù)約停車，運載小車會把對應(yīng)層空車位的載車板轉(zhuǎn)移到首層電梯位上。駕駛者將車停到電梯位上的載車板，載車板設(shè)有四處凹形梳叉，可以與汽車輪子貼合，并且裝有光電傳感器。在檢測到有車輛信號后，提醒駕駛員將車停入指定位置，駕駛員停好車后關(guān)閉汽車發(fā)動機并拉好手剎。駕駛者下車后在確定安全無誤的情況下，按下啟動按鈕，車庫開始自動運行，通過升降電梯到指定層數(shù)后，運載小車將車輛停放到空位處。

如圖10（b）所示，在需要取車時，駕駛員可以先用手機APP預(yù)約取車，這時候運載小車開始工作，在升降電梯還沒到達(dá)指定層數(shù)時，位于每層車庫上的運載小車已經(jīng)把車輛挪位到可以直接放入升降電梯的位置上。在電梯到位后，運載小車將車輛挪入電梯內(nèi)。在運載小車駛出電梯后，電梯開始降至首層，駕駛者再把車輛開走。

3.2 車庫存取車方案

如圖11所示，每層車庫的8號位作為電梯升降位，5號位作為挪車位，其余為停車位。停車位分為兩個批次，優(yōu)先批次是1、3、4、6、7、9號車位，當(dāng)該層優(yōu)先批次車位已停滿時，該層2號車位才能進(jìn)行停車。為方便程序的編程，設(shè)定了一定的取車方案和存車方案。在該種方案中取車1位需要考慮2、4、7車位是否停發(fā)車輛；取車3位需要考慮2、6、9位是否有車。具體如表5所示。例如，當(dāng)2或者2、7位有車時取車1位，取車方案為5→4→1取→4→5→8放→5。表示運載小車由5位先移動至4位再移至1位取車，然后移至5位接著移至8位放下車輛，最后運載小車移至5位。

圖10 存車流程與取車流程

圖11 每層車庫車位布置圖

3.3 立體車庫控制系統(tǒng)的功能分析

本次控制系統(tǒng)核心元件采用三菱FX-2N可編程控制器，主要分為四個控制方向，如圖12所示。

表5 取車與取車方案

圖12 車庫控制系統(tǒng)功能分析

3.4 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

電梯升降程序是公共部分，任何一層的存取車都需要，這是必須的。每層車庫的停車位布置相同，停車和取車的方案確定且相同，不同層車庫的相同車位存取車程序相同，故只需設(shè)計某一層車庫的存取車程序即可。

下面對第三層車庫存車軟硬件進(jìn)行設(shè)計。存車過程按照一定步驟進(jìn)行，且控制的對象是幾個電機和液壓缸，設(shè)計使用步進(jìn)順序命令中的選擇順序，選擇的條件是各位車位的存車呼叫信號，即可執(zhí)行將車輛停入指定車位的分支步進(jìn)順序命令，如圖13、表6和圖14所示。取車的設(shè)計原理類似存車設(shè)計思路。

3.5 存取車人機交互界面

該車輛一層設(shè)有九宮格立體車庫存取車系統(tǒng)人機交互界面系統(tǒng)，用戶也可在手機上安裝APP客戶端。如圖15所示，用戶可以進(jìn)行存車或者取車，也可以提前預(yù)約存取車。例如，某用戶進(jìn)行存車，首先輸入車牌號，然后選擇層數(shù)和車位號，最后點擊確定即可。取車只需點擊取車，然后輸入車牌號，再點擊確認(rèn)即可。

圖13 第三層存車控制思路圖

圖14 第三層PLC的I/O電氣接線圖

表6 第三層存車控制系統(tǒng)I/O地址表

圖15 存取車界面

4 結(jié)束語

針對當(dāng)下城市停車難的問題，本文提出了一種主要以單個模塊化的停車位為基礎(chǔ)，通過固定鋼板拼裝和螺栓連接組成可拆卸的模塊化九宮格立體車庫。該種立體車庫以PLC控制為基礎(chǔ)，通過模塊化的存車或取車子程序組成九宮格立體車庫的控制系統(tǒng)。該車庫可以在原來9個車位占地面積上同時容納28輛汽車，大大提高了土地利用率。

[1]國家統(tǒng)計局官網(wǎng). 2018年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[DB/OL]，http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201902/t20190228_ 1651265.html，2019-2-28.

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Design of Modular Nine Grid Stereo Garage Based on PLC

XIE Afen，WANG Jiansheng，CHEN Yishi

( Faculty of Intelligent Manufacturing, Wuyi University, Jiangmen 529020, China )

In order to solve the serious problem of urban parking, a modular nine-grid stereo garage based on PLC is proposed. The equipment includes the overall mechanical structure, drive and transmission system, Mitsubishi PLC control system, man-machine interface and safety and protection devices, etc.. This kind of stereo garage is based on steel structure, mainly composed of a modular parking space as a unit, and assembled by several single modular parking spaces to form a detachable garage. The vehicle access scheme of the stereo garage is designed on the basis of PLC control, and the control system of the nine-grid stereo garage is formed by the modular vehicle access software program and hardware equipment. The garage has a capacity of 28 vehicles at the same time in 9 parking spaces, which can effectively solve the problem of urban parking.

parking difficulty；PLC；modularization；nine-grid；stereo garage

U491.71

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.007

1006－0316 (2020) 12－0044－09

2020－06－01

謝啊奮（1996－），男，廣東湛江人，碩士研究生，主要研究方向為智能化檢測與自動化控制技術(shù)。*通訊作者：王建生（1963－），男，河南焦作人，博士、博士后，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為CAD/CAM/CAE和智能裝備及機器人技術(shù)等，E-mail：jians_wang@126.com。