基于可編程邏輯控制器(PLC)的智能立體停車系統(tǒng)設(shè)計

閆 偉，魏立明

吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機(jī)學(xué)院，長春 130118

目前，我國大中型城市正處于快速成長中，汽車的擁有量越來越大，同時也造成停車難的問題.然而，與發(fā)達(dá)國家相比，我國停車設(shè)施的發(fā)展較為緩慢，在未來發(fā)展中，還有非常大的發(fā)展空間[1].智能立體停車系統(tǒng)具有占地少、容量大、利用效率高、存車和取車全自動化等優(yōu)點，使其成為停車設(shè)備發(fā)展的趨勢.智能立體停車系統(tǒng)的推廣，不僅能解決城市面臨的停車難問題，而且還能減輕城市道路的交通壓力，從而進(jìn)一步推動智慧城市的發(fā)展.本文擬就智能立體停車系統(tǒng)的方案、存取車策略及相關(guān)軟硬件進(jìn)行詳細(xì)闡述.

1 總體方案說明

智能立體停車系統(tǒng)包括兩部分，即機(jī)械部分和自動控制部分，其中機(jī)械部分包括鋼架結(jié)構(gòu)骨架部分、載車板裝置部分、傳動裝置部分和安全防護(hù)裝置，自動控制部分包括現(xiàn)場控制、監(jiān)控部分和信息管理.按照此設(shè)計思路進(jìn)行了總體方案的設(shè)計.運車軌道是系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備，智能小車的存取都需要通過運車軌道來實現(xiàn)，同時也正是因為有了運車軌道才減少了智能小車在車庫內(nèi)的行駛路程，所以本文中的智能小車為有軌運行.

2 存取車策略分析

對立體停車場存取車的研究，其依據(jù)是排隊理論.排隊理論主要包括顧客、服務(wù)機(jī)構(gòu)和排隊系統(tǒng)[2].對智能立體停車系統(tǒng)而言，把要存取的智能小車看成是顧客，而把停車場看成是服務(wù)機(jī)構(gòu)，由于存車和取車的時間不固定，且服務(wù)時間也是據(jù)此變化，所以智能小車從停車場外開進(jìn)停車場內(nèi)的過程看作一個排隊系統(tǒng)，其中智能立體停車系統(tǒng)的運行參數(shù)包含：平均到達(dá)率λ，即一定時間內(nèi)平均到達(dá)的智能小車數(shù)；平均服務(wù)率μ，即一定服務(wù)時間內(nèi)平均服務(wù)的智能小車數(shù)；服務(wù)強(qiáng)度ρ；系統(tǒng)中無智能小車的概率P0；系統(tǒng)中恰有n個智能小車的概率Pn；系統(tǒng)中小車必須排隊等候的概率Pw.其參數(shù)關(guān)系為：

ρ=λ/μ=(1/μ)/(1/λ)，P0=1-ρ=1-λ/μ，Pw=λ/μ

智能立體停車系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，其概率方程組為：

同時由于P0+P1+…+PN=1，可求

排隊的平均長度：LS=ρ/(1-ρ)-(N+1)ρN+1/(1-ρN+1)

平均排隊長：Lq=LS-(1-P0)

有效到達(dá)率：λe=λ(1-Pn)=μ(1-P0)

智能小車平均停留時間：WS=LS/μ(1-P0)=LS/λe

智能小車平均等待時間：Wq=WS-1/μ

通過對普通停車場每小時存入的車輛數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到每小時存入的車輛在40輛～50輛之間.若智能立體停車系統(tǒng)平均存取車時間為60 s，即μ=60輛/小時,取λ=48輛/小時，則服務(wù)強(qiáng)度ρ=λ/μ=48/60=0.8,系統(tǒng)中無智能小車的概率P0=1-λ/μ=1-0.8=0.2=20 %,系統(tǒng)中智能小車必須排隊等候的概率Pw=λ/μ=0.8=80 %.通過計算可以得出，系統(tǒng)中智能小車等待的概率達(dá)到了80 %，這說明智能小車需要等待的概率較大，根據(jù)車主的等待耐心來算，等待2 min～3 min是可以接受的.故本文選取存取車的最短時間為1 min，最長時間為2 min.

3 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計

智能小車是整個立體停車系統(tǒng)自動控制部分的一個十分重要的組件，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的優(yōu)劣.機(jī)械部分也是整個立體停車系統(tǒng)的組成部分，但本文僅研究自動控制部分，其要實現(xiàn)的功能主要包括前后、左右和上下即整個立體空間的移動，而且還要做到穩(wěn)定、準(zhǔn)確和快速.智能小車的硬件構(gòu)成如圖1所示.

智能小車的硬件構(gòu)成中，用3臺三菱伺服器來驅(qū)動3臺伺服電機(jī)，用來分別控制智能小車前后、左右和上下等3個方向的動作[3].水平運行電機(jī)來驅(qū)動智能小車在水平方向上運行，左右伸縮電機(jī)來驅(qū)動智能小車在左右方向上的伸縮以及收放，升降運行電機(jī)來驅(qū)動智能小車在上下方向上的升降.其水平控制電機(jī)原理和垂直控制電機(jī)原理分別如圖2和圖3所示.3個方向分別用西門子的3個定位模塊EM 253來控制3臺三菱伺服器驅(qū)動3臺伺服電機(jī),從而達(dá)到準(zhǔn)確定位和快速響應(yīng)的目的.同時EM 277通訊模塊是PLC S 7-300的專用通訊模塊，在此用來組建S 7-300的網(wǎng)絡(luò)通訊[4].

圖1 智能小車硬件構(gòu)成Fig.1 Hardware composition of smart car

圖2 水平控制電機(jī)原理Fig.2 Level control principle of the motor

圖3 垂直控制電機(jī)原理Fig.3 Vertical control principle of the motor

圖4 CPU 226主單元接線Fig.4 CPU 226 main unit wiring

智能小車的 PLC 控制信號分布及接線，是利用CPU 226主單元來實現(xiàn)的，其CPU 226主單元接線如圖4所示.其中，在PLC的輸入部分，用I0.0,I 0.1,I 0.2,I 0.3,I 0.4,I 0.5,I 0.6分別用作定位啟動，定位停止，定位急停，手動/自動定位，左右伺服啟停，上下伺服啟停，前后伺服啟停.用I 1.5，I 1.6，I 1.7分別用作左右伺服故障，上下伺服故障，前后伺服故障.在PLC的輸出部分，用Q 0.0，Q 0.1，Q 0.2，Q 0.3，Q 0.4，Q 0.5，Q 0.6，Q 0.7分別用作運行指示燈，左右伺服運行指示燈，上下伺服運行指示燈，前后伺服運行指示燈，左右伺服故障指示燈，上下伺服故障指示燈，前后伺服故障指示燈，停止指示燈.用Q 1.3，Q 1.4，Q 1.5，Q 1.6分別用作左右伺服運行啟動，上下伺服運行啟動，前后伺服運行啟動，定位蜂鳴器.保障系統(tǒng)的安全運行，首先要保障智能小車的安全，要求在運輸過程中拉上手剎，以免在出現(xiàn)加速度時產(chǎn)生移動，造成智能小車之間的碰撞摩擦.驅(qū)動電動機(jī)、PLC變頻調(diào)速器的選擇是運載軌道驅(qū)動和智能小車平移推出和抓取的保障.驅(qū)動電動機(jī)的穩(wěn)定性決定了自動化程序所發(fā)出的指令能否被執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全可靠的執(zhí)行[5].同時,用PLC變頻調(diào)速器來對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速限位控制并且設(shè)定雙重限位開關(guān)來進(jìn)行保護(hù).

4 軟件系統(tǒng)及組態(tài)界面設(shè)計

4.1 存車、取車程序流程

在立體停車系統(tǒng)中，小車的自動存取是自動控制部分的重要環(huán)節(jié)，也是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在[6].對于存車來說，首先是系統(tǒng)自檢，判斷是否有故障，如有則報警并處理；如沒有則開始存車.存車分為手動和自動兩種，如果是手動則輸入車位號；如果是自動則計算空車位坐標(biāo)，確定存車位.然后啟動智能小車，確定找到存車位，卸車.最后判斷停車是否到位，如果到位則存車結(jié)束，如果沒到位則報警并處理.智能小車部分存車控制流程圖如圖5所示.對于取車來說，首先是系統(tǒng)自檢，判斷是否有故障，如有則報警并處理，如沒有則開始取車.輸入車位號，啟動智能小車，確認(rèn)車位，然后進(jìn)行裝車并判斷是否裝車到位，如果到位則取車結(jié)束，如果沒到位則報警并處理.智能小車部分存車控制流程圖如圖6所示.

圖5 智能小車部分存車控制流程Fig.5 Control flow of partial car storage for smart car

圖6 智能小車部分取車控制流程Fig.6 Control flow of partial car picking for smart car

圖7 小車存取車控制界面Fig.7 Car storage control interface

4.2 系統(tǒng)組態(tài)界面設(shè)計

組態(tài)軟件的任務(wù)是實現(xiàn)界面的監(jiān)控和數(shù)據(jù)之間的通訊.本設(shè)計采用MCGS 嵌入版組態(tài)軟件，利用該軟件可很方便地編輯所需界面[7].利用MCGS 嵌入版組態(tài)軟件設(shè)計的立體車庫存車界面如圖7所示，其中包括手動存車界面、自動存車界面、傳動界面、參數(shù)設(shè)置和報警記錄等.同時與PLC之間進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊,至此組態(tài)界面設(shè)計完成，并且與PLC進(jìn)行連接，然后檢查設(shè)備和線路連接是否正確[8].

5 結(jié)語

本文以智能立體停車系統(tǒng)高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，運用PLC作為下位機(jī)進(jìn)行自動控制，在存取車策略上采用排隊理論，提升了操作速率及運行效率，可取得理想的經(jīng)濟(jì)效益.系統(tǒng)上位機(jī)采用組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)對停車場的監(jiān)控功能.