基于可编程逻辑控制器(PLC)的智能立体停车系统设计

2019-07-17魏立明

吉林建筑大学学报 2019年2期

闫伟，魏立明

吉林建筑大学电气与计算机学院，长春 130118

目前，我国大中型城市正处于快速成长中，汽车的拥有量越来越大，同时也造成停车难的问题.然而，与发达国家相比，我国停车设施的发展较为缓慢，在未来发展中，还有非常大的发展空间[1].智能立体停车系统具有占地少、容量大、利用效率高、存车和取车全自动化等优点，使其成为停车设备发展的趋势.智能立体停车系统的推广，不仅能解决城市面临的停车难问题，而且还能减轻城市道路的交通压力，从而进一步推动智慧城市的发展.本文拟就智能立体停车系统的方案、存取车策略及相关软硬件进行详细阐述.

1 总体方案说明

智能立体停车系统包括两部分，即机械部分和自动控制部分，其中机械部分包括钢架结构骨架部分、载车板装置部分、传动装置部分和安全防护装置，自动控制部分包括现场控制、监控部分和信息管理.按照此设计思路进行了总体方案的设计.运车轨道是系统中非常重要的设备，智能小车的存取都需要通过运车轨道来实现，同时也正是因为有了运车轨道才减少了智能小车在车库内的行驶路程，所以本文中的智能小车为有轨运行.

2 存取车策略分析

对立体停车场存取车的研究，其依据是排队理论.排队理论主要包括顾客、服务机构和排队系统[2].对智能立体停车系统而言，把要存取的智能小车看成是顾客，而把停车场看成是服务机构，由于存车和取车的时间不固定，且服务时间也是据此变化，所以智能小车从停车场外开进停车场内的过程看作一个排队系统，其中智能立体停车系统的运行参数包含：平均到达率λ，即一定时间内平均到达的智能小车数；平均服务率μ，即一定服务时间内平均服务的智能小车数；服务强度ρ；系统中无智能小车的概率P0；系统中恰有n个智能小车的概率Pn；系统中小车必须排队等候的概率Pw.其参数关系为：

ρ=λ/μ=(1/μ)/(1/λ)，P0=1-ρ=1-λ/μ，Pw=λ/μ

智能立体停车系统处于稳态时，其概率方程组为：

同时由于P0+P1+…+PN=1，可求

排队的平均长度：LS=ρ/(1-ρ)-(N+1)ρN+1/(1-ρN+1)

平均排队长：Lq=LS-(1-P0)

有效到达率：λe=λ(1-Pn)=μ(1-P0)

智能小车平均停留时间：WS=LS/μ(1-P0)=LS/λe

智能小车平均等待时间：Wq=WS-1/μ

通过对普通停车场每小时存入的车辆数进行统计，得到每小时存入的车辆在40辆～50辆之间.若智能立体停车系统平均存取车时间为60 s，即μ=60辆/小时,取λ=48辆/小时，则服务强度ρ=λ/μ=48/60=0.8,系统中无智能小车的概率P0=1-λ/μ=1-0.8=0.2=20 %,系统中智能小车必须排队等候的概率Pw=λ/μ=0.8=80 %.通过计算可以得出，系统中智能小车等待的概率达到了80 %，这说明智能小车需要等待的概率较大，根据车主的等待耐心来算，等待2 min～3 min是可以接受的.故本文选取存取车的最短时间为1 min，最长时间为2 min.

3 硬件系统电路设计

智能小车是整个立体停车系统自动控制部分的一个十分重要的组件，其性能的好坏，直接影响整个系统的优劣.机械部分也是整个立体停车系统的组成部分，但本文仅研究自动控制部分，其要实现的功能主要包括前后、左右和上下即整个立体空间的移动，而且还要做到稳定、准确和快速.智能小车的硬件构成如图1所示.

智能小车的硬件构成中，用3台三菱伺服器来驱动3台伺服电机，用来分别控制智能小车前后、左右和上下等3个方向的动作[3].水平运行电机来驱动智能小车在水平方向上运行，左右伸缩电机来驱动智能小车在左右方向上的伸缩以及收放，升降运行电机来驱动智能小车在上下方向上的升降.其水平控制电机原理和垂直控制电机原理分别如图2和图3所示.3个方向分别用西门子的3个定位模块EM 253来控制3台三菱伺服器驱动3台伺服电机,从而达到准确定位和快速响应的目的.同时EM 277通讯模块是PLC S 7-300的专用通讯模块，在此用来组建S 7-300的网络通讯[4].

图1 智能小车硬件构成Fig.1 Hardware composition of smart car

图2 水平控制电机原理Fig.2 Level control principle of the motor

图3 垂直控制电机原理Fig.3 Vertical control principle of the motor

图4 CPU 226主单元接线Fig.4 CPU 226 main unit wiring

智能小车的 PLC 控制信号分布及接线，是利用CPU 226主单元来实现的，其CPU 226主单元接线如图4所示.其中，在PLC的输入部分，用I0.0,I 0.1,I 0.2,I 0.3,I 0.4,I 0.5,I 0.6分别用作定位启动，定位停止，定位急停，手动/自动定位，左右伺服启停，上下伺服启停，前后伺服启停.用I 1.5，I 1.6，I 1.7分别用作左右伺服故障，上下伺服故障，前后伺服故障.在PLC的输出部分，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分别用作运行指示灯，左右伺服运行指示灯，上下伺服运行指示灯，前后伺服运行指示灯，左右伺服故障指示灯，上下伺服故障指示灯，前后伺服故障指示灯，停止指示灯.用Q 1.3，Q 1.4，Q 1.5，Q 1.6分别用作左右伺服运行启动，上下伺服运行启动，前后伺服运行启动，定位蜂鸣器.保障系统的安全运行，首先要保障智能小车的安全，要求在运输过程中拉上手刹，以免在出现加速度时产生移动，造成智能小车之间的碰撞摩擦.驱动电动机、PLC变频调速器的选择是运载轨道驱动和智能小车平移推出和抓取的保障.驱动电动机的稳定性决定了自动化程序所发出的指令能否被执行机构安全可靠的执行[5].同时,用PLC变频调速器来对电机进行调速限位控制并且设定双重限位开关来进行保护.

4 软件系统及组态界面设计

4.1 存车、取车程序流程

在立体停车系统中，小车的自动存取是自动控制部分的重要环节，也是整个系统的关键所在[6].对于存车来说，首先是系统自检，判断是否有故障，如有则报警并处理；如没有则开始存车.存车分为手动和自动两种，如果是手动则输入车位号；如果是自动则计算空车位坐标，确定存车位.然后启动智能小车，确定找到存车位，卸车.最后判断停车是否到位，如果到位则存车结束，如果没到位则报警并处理.智能小车部分存车控制流程图如图5所示.对于取车来说，首先是系统自检，判断是否有故障，如有则报警并处理，如没有则开始取车.输入车位号，启动智能小车，确认车位，然后进行装车并判断是否装车到位，如果到位则取车结束，如果没到位则报警并处理.智能小车部分存车控制流程图如图6所示.

图5 智能小车部分存车控制流程Fig.5 Control flow of partial car storage for smart car

图6 智能小车部分取车控制流程Fig.6 Control flow of partial car picking for smart car

图7 小车存取车控制界面Fig.7 Car storage control interface

4.2 系统组态界面设计

组态软件的任务是实现界面的监控和数据之间的通讯.本设计采用MCGS 嵌入版组态软件，利用该软件可很方便地编辑所需界面[7].利用MCGS 嵌入版组态软件设计的立体车库存车界面如图7所示，其中包括手动存车界面、自动存车界面、传动界面、参数设置和报警记录等.同时与PLC之间进行联网通讯,至此组态界面设计完成，并且与PLC进行连接，然后检查设备和线路连接是否正确[8].