一種智能立體車庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)

付立華， 白靖宇， 龐展翔

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院, 鄭州 451191)

0 引 言

目前，汽車已成為很多家庭的必需品。我國(guó)人口眾多，越來(lái)越多的汽車需要大量的停車位，而土地資源又十分緊張，因此，常規(guī)平面式停車場(chǎng)無(wú)法滿足現(xiàn)階段社會(huì)的需求。設(shè)計(jì)一款智能立體停車庫(kù)具有重要意義。21世紀(jì)初期，自動(dòng)化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了以自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)的立體式停車場(chǎng)，在一定程度上緩解了停車難的問題[1-4]。我國(guó)智能立體停車場(chǎng)起步較晚，與國(guó)外相比還存在一定的差距，有待提高。

本文設(shè)計(jì)了立體車庫(kù)的實(shí)物模型；硬件設(shè)計(jì)以及主要元器件選型；軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC主控制程序設(shè)計(jì)、觸摸屏控制界面設(shè)計(jì)和GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)主要功能與整體框圖

1.1 立體車庫(kù)主要功能

(1) 存車時(shí)，用戶進(jìn)入車庫(kù)把車停到指定位置的車架上，點(diǎn)擊觸摸屏界面上的‘停車’按鈕，系統(tǒng)顯示取車號(hào)碼并自動(dòng)將車存入車庫(kù)。取車時(shí)，用戶支付停車費(fèi)并輸入取車碼，系統(tǒng)自動(dòng)完成取車。

(2) 車庫(kù)內(nèi)無(wú)人時(shí)，車庫(kù)照明燈滅。有人時(shí)，車庫(kù)照明聞聲亮。

(3) 顯示當(dāng)前空車位數(shù)量。

(4) 實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(5) 機(jī)械臂存車時(shí)間不超過3 min。

1.2 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。PLC接收到觸摸屏或移動(dòng)終端的指令后，控制三軸步進(jìn)定位裝置移動(dòng)車架托盤完成車輛的存?。煌瑫r(shí)啟動(dòng)減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)升降架上下運(yùn)動(dòng)，完成車輛托盤的添加；聲光傳感器檢測(cè)到有車駛?cè)胲噹?kù)同時(shí)光線不足時(shí)，通過聲控打開LED燈進(jìn)行照明；接近開關(guān)檢測(cè)車位是否有車，通過數(shù)碼管顯示空車位數(shù)量。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 三軸定位裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的三軸定位機(jī)械裝置由4條5 mm×45 mm、導(dǎo)程為75 mm的滑軌組成，如圖2所示。X軸控制托盤左右移動(dòng)；Y軸控制托盤前后移動(dòng)；Z軸控制托盤上下運(yùn)動(dòng)。X軸的導(dǎo)軌比其他的導(dǎo)軌長(zhǎng)10 cm，以確保有足夠的空間放置車庫(kù)模型；Y軸有2條導(dǎo)軌，在兩導(dǎo)軌之間添加連接桿以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制雙導(dǎo)軌。

圖2 三軸定位機(jī)械裝置

2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

57型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為1.8°，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接收200個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)1圈，精度難以滿足要求。為了提高控制精度，使用TB6600步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行細(xì)分，控制后可達(dá)到6 400個(gè)脈沖1周[5-7]。同時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)價(jià)格便宜，還可節(jié)約成本。3臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接線原理如圖3所示。

圖3 3臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接線原理圖

2.3 車架升降電路

車架升降裝置可以避免人工添加運(yùn)送車輛的托盤，實(shí)現(xiàn)多次存取。減速電動(dòng)機(jī)和絲桿組成車架升降裝置，減速電動(dòng)機(jī)控制原理接線如圖4所示。

圖4 減速電動(dòng)機(jī)控制原理接線圖

2.4 自動(dòng)照明電路

光照不足，有車輛或人進(jìn)入車庫(kù)時(shí)，可利用聲控自動(dòng)打開照明燈，聲光傳感器和LED燈接線原理如圖5所示。

圖5 聲光傳感器和LED燈接線原理圖

2.5 接近開關(guān)

光電接近開關(guān)用于檢測(cè)車位上是否有車[8-10]。OMRON TL-Q5MC型光電接近開關(guān)有兩根電源線，一根信號(hào)輸出線，接線比較簡(jiǎn)單，只需把信號(hào)輸出線接到PLC即可。

2.6 車庫(kù)狀態(tài)指示燈電路

當(dāng)車庫(kù)有空車位時(shí)，綠燈亮起，代表可以進(jìn)入；車庫(kù)滿車時(shí)，綠燈熄滅紅燈亮起。工作原理：使用PLC控制一個(gè)繼電器，利用繼電器的工作特性，實(shí)現(xiàn)PLC間接控制紅綠指示燈交替工作的功能，車庫(kù)指示燈接線原理如圖6所示。

圖6 車庫(kù)指示燈接線原理圖

2.7 空車位數(shù)量顯示數(shù)碼管

常規(guī)的數(shù)碼管控制需要7個(gè)輸出點(diǎn)，為節(jié)約輸出點(diǎn)，系統(tǒng)選用帶位選鎖存的BCD碼2位數(shù)碼管模塊。該模塊只有6個(gè)輸出點(diǎn)，可控制2位數(shù)碼管顯示。

2.8 PLC整體原理接線圖

三菱FX3U-32M屬于第3代可編程控制器，性能在FX2N的基礎(chǔ)上有了較大的提高，它含有3個(gè)高速脈沖輸出口，非常適合本文的三軸轉(zhuǎn)運(yùn)車輛裝置。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求和對(duì)I/O輸出輸入點(diǎn)的分析，PLC整體原理接線如圖7所示。

圖7 PLC原理接線圖

2.9 GPRS遠(yuǎn)程通信模塊

智能工業(yè)控制器又稱GPRS模塊，它可把PLC中的各種數(shù)字量、開關(guān)量發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)云端，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，智能工業(yè)控制器與三菱RS-485-BD接線如圖8所示。兩者連接后，智能工業(yè)控制器可讀取設(shè)備的數(shù)據(jù)庫(kù)并以GPRS模式將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。用戶就可以通過使用手機(jī)APP或者電腦網(wǎng)頁(yè)登錄云端查看系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；當(dāng)用戶通過網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)發(fā)出命令時(shí)，控制信號(hào)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳到智能工業(yè)控制器模塊，然后再通過RS-485傳給設(shè)備，即可使設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)發(fā)生改變。

圖8 智能工業(yè)控制器與RS-485-BD接線圖

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序分為停車和取車兩部分，主程序流程圖如圖9所示。存車時(shí)，系統(tǒng)先判斷當(dāng)前所有空車位中哪個(gè)距離停車點(diǎn)最近，系統(tǒng)將會(huì)把該空車位的位置參數(shù)寫入執(zhí)行程序[11-13]。然后，保存取車碼，在存車的同時(shí)，數(shù)碼管的顯示數(shù)字減1，存車完畢。取車時(shí)，系統(tǒng)收到取車指令，判斷輸入的取車碼是否正確，若錯(cuò)誤則返回系統(tǒng)等待。取車碼正確，計(jì)算停車費(fèi)用，如果已支付停車費(fèi)用，系統(tǒng)將車取出，數(shù)碼管的顯示數(shù)字增1，取車完畢。如果不支付，返回系統(tǒng)等待。

圖9 主程序流程圖

存車過程中，離開車架位置、入庫(kù)、出庫(kù)和回車架位置的動(dòng)作是相同而且固定的，只是車位位置不同。因此，上述動(dòng)作程序參數(shù)保持不變，僅有車位位置參數(shù)變化。

3.1.1 停車動(dòng)作程序

每個(gè)位置的停車動(dòng)作程序只有位置參數(shù)不一樣，因此可共用一個(gè)動(dòng)作程序，需要停到哪個(gè)位置就把哪個(gè)位置的參數(shù)寫入程序中。存車動(dòng)作程序包括離開車架位置程序、入庫(kù)和出庫(kù)程序、回車架位置程序和車位位置參數(shù)程序。

3.1.2 取車動(dòng)作程序

取車動(dòng)作程序與存車動(dòng)作程序相似，主要是把離開車架位置和入庫(kù)出庫(kù)程序邏輯改變一下。在存車時(shí)，動(dòng)作是先抬起，再后退；取車是先后退再抬起。存車是入庫(kù)后放置汽車后離庫(kù)，取車是入庫(kù)后抬起，再離庫(kù)，車庫(kù)位置參數(shù)程序不變。唯一不同的是回初始車架位置的程序不同，存車完成后，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置先回到Z軸和X軸原點(diǎn)，再回到Y(jié)軸原點(diǎn)；取車時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置先下降到一定高度后先回到X軸原點(diǎn)，再回到Y(jié)軸原點(diǎn)，最后回到Z軸原點(diǎn)。

3.1.3 生成取車碼程序

系統(tǒng)根據(jù)停車時(shí)間生成3組共12位取車碼，以確保號(hào)碼的唯一性。

3.1.4 寫入取車碼程序

輸入取車碼之后，系統(tǒng)先對(duì)取車碼一一判斷是否與程序內(nèi)部存儲(chǔ)的取車碼相同，再判斷與該取車碼相對(duì)應(yīng)的車位是否有車。如果取車碼相同且車位有車，則將車取出；如果取車碼不相同或者對(duì)應(yīng)車位無(wú)車，則提示錯(cuò)誤。

3.1.5 計(jì)費(fèi)程序

系統(tǒng)根據(jù)停車時(shí)間總長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)費(fèi)，≤2 h，費(fèi)用是10元；>2 h≤4 h，費(fèi)用為15元；>4 h，費(fèi)用20元。

3.1.6 車架升降程序

存車時(shí)，車架升降裝置升起，停車托盤出現(xiàn)在車架上后停止升起；取車時(shí)，停車托盤離開車位后延時(shí)4 s，車架開始下降，下降一個(gè)托盤空位之后停止。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

智能工業(yè)控制器的程序設(shè)計(jì)與組態(tài)設(shè)計(jì)相似。首先，打開軟件新建一個(gè)工程，設(shè)置通信參數(shù)。三菱FX3U使用RS-458通信協(xié)議，因此，選擇485通信協(xié)議[14-15]。通信參數(shù)與三菱PLC的通信參數(shù)必須保持一致。工程建立完成后，在變量界面點(diǎn)擊右鍵，打開操作菜單，點(diǎn)擊新建變量，添加變量。它有一個(gè)“擴(kuò)展Web屬性”的編輯界面，可以對(duì)變量在網(wǎng)頁(yè)顯示的狀態(tài)進(jìn)行編輯。最后，編譯下載程序到智能工業(yè)控制器，安裝開通流量的SIM卡，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)。通過上網(wǎng)設(shè)備登錄云網(wǎng)頁(yè)，可監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。圖10和圖11分別為智能立體車庫(kù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視界面和網(wǎng)絡(luò)控制界面。

圖10 智能立體車庫(kù)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視界面

圖11 智能立體車庫(kù)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制界面

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

(1) 功能選擇界面。在該界面，停車和取車的按鈕與PLC中M15和M17變量相連接，當(dāng)按下對(duì)應(yīng)按鈕時(shí)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)作程序初始化，同時(shí)進(jìn)入到下一界面。功能選擇界面如圖12所示。

(2) 取車碼輸入界面。取車碼可以直接從觸摸屏上直接寫入PLC對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器，系統(tǒng)將會(huì)自行判斷取車碼，如果正確則進(jìn)入到下個(gè)界面，錯(cuò)誤即彈出錯(cuò)窗口，提示重新輸入。取車碼輸入界面如圖13所示。

圖12 功能選擇界面圖13 取車碼輸入界面

(3) 參數(shù)設(shè)置界面。在界面內(nèi)可以實(shí)時(shí)更改PLC內(nèi)部車位的位置參數(shù)，方便調(diào)試，參數(shù)設(shè)置界面如圖14所示。

圖14 參數(shù)設(shè)置界面

4 智能立體車庫(kù)調(diào)試

車庫(kù)模型設(shè)計(jì)成一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體上表面代表地面，設(shè)備走線都從長(zhǎng)方體內(nèi)部走。立體車庫(kù)共有3×5=15個(gè)存車位，入口區(qū)設(shè)有車庫(kù)狀態(tài)指示燈及車庫(kù)空車位數(shù)量顯示數(shù)碼管，車庫(kù)內(nèi)部設(shè)有照明，車庫(kù)模型如圖15所示。

圖15 車庫(kù)模型

分別向PLC、觸摸屏、智能工業(yè)控制器導(dǎo)入智能立體車庫(kù)程序，等待各個(gè)設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后開始調(diào)試。存車時(shí)車輛轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械裝置能準(zhǔn)確快速將車存入到車庫(kù)內(nèi)空車位；取車時(shí)不僅可以準(zhǔn)確將車從車位上取下，還可以判斷取車驗(yàn)證碼是否正確。數(shù)碼管、LED指示燈都能正常工作；登錄www.plcyun.com網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視界面，首先查看所有車輛進(jìn)出的信息是否有記錄，然后查看監(jiān)視停車場(chǎng)當(dāng)前狀態(tài)是否與實(shí)際一致，最后通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控界面任意取出1輛車。經(jīng)驗(yàn)證，以上所有操作均能實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文運(yùn)用PLC、觸摸屏和智能工業(yè)控制器，設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)單，使用方便的存取車服務(wù)系統(tǒng)。① 結(jié)合設(shè)計(jì)需求，選定合適的硬件，進(jìn)行合理的電氣設(shè)計(jì)。② 研究了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定位控制的方法。采用PLC作為控制中心，實(shí)現(xiàn)了比較精確的運(yùn)動(dòng)控制。③ 通過GPRS技術(shù)，完成了在移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)的智能立體車庫(kù)實(shí)物模型已經(jīng)成功地作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模型使用，學(xué)生對(duì)此興趣很大。經(jīng)過學(xué)習(xí)和操作后，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的學(xué)生對(duì)PLC控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)有了質(zhì)的飛躍，取得了非常好的實(shí)用效果。