地下捅式机械立体停车库自动控制系统设计与实现.doc

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1、桶式机械立体停车库自动控制系统设计王素英1 , * 刘占阳2, 程柘源3 1.河北交通职业技术学院 石家庄，050081 2.河北省机电一体化中试基地，石家庄，050081， 3.南京航空航天大学，南京市，211100摘要：停车难问题是大多数城市急需解决却又非常难以解决的问题。机械立体停车设备的应用为解决停车难问题提供了很好的方法。桶式机械立体停车技术是近几年出现的新的机械立体停车技术，其存取车动作非常复杂，各个动作之间有着严格的时间与逻辑关系，升降与旋转平台都属于大惯性负载，要实现快速、准确的平层与对位非常困难，并且要有完善的平安保护功能，自动控制难度很大，本文针对桶式机械立体停车自动控制系

2、统设计、选型及程序控制方法进展了较为详细的论述。关键词：立体停车库，自动控制，工业无线以太网通讯Design of automatic control for Barrel type Mechanical parking system WANG Su-ying1 , LIU Zhan-yang 2, CHENG Zhe-yuan 3(1 Hebei Vocational and Technical College, Shijiazhuang, 050081 2. Hebei mechatronics test base, Shijiazhuang, 050081, 3. Nanjing Uni

3、versity of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 211100)Abstract: The parking problem needs to be solved urgently, but its hard to find a way out of such a difficult issue for most cities. The application of mechanical tridimensional parking garage presents an excellent solution to the parking dema

4、nd. The barrel type mechanical spatial parking system as a new technology of mechanical car parking emerges recently. And its action of accessing vehicles is complex. Besides theres strict time and logic relationship between each action. At the same time, the lift and rotary platform are high inerti

5、a loads. Its difficult to achieve fast and accurate leveling and position matching. In view of the perfect security protection function, the automation control task is tough. This article makes a detailed discussion of the automation control system design, selection and control method for barrel typ

6、e mechanical spatial parking system. Key words: three-dimensional garage, automatic control, industrial wireless Ethernet communication1 引言自动控制系统设计是机械立体停车库建立中关键的一环。桶式机械立体停车库采用圆形构造，整个车库建于地下，中间为升降旋转平台，车位分布在升降旋转平台周围，可设三至八个停车层，每层十二个车位。车库存取车动作复杂，各个动作之间有严格的时序关系，并且要有完善的平安保护功能1，自动控制难度大；其升降与旋转平台属于大惯性负载，要实现快速

7、、准确的平层与对位非常困难；分布式子站与主站之间需要采用无线通讯方式，要采取有效技术手段提高通讯可靠性；为了满足无人化管理的要求，要求采用射频IC卡进展车位管理，并实现车辆存取优化调度功能，上述要求能否实现将直接影响整个车库的应用效果。本文对桶式机械立体停车库自动控制系统的设计要求、设计思路、系统组成及软件实现方法等进展了较为详细的论述，主要涉及PLC控制、变频调速、射频IC卡发卡及读写管理、位置检测、平安保护等内容。2 系统组成桶式机械立体停车库控制系统由控制主站、地面子站、升降平台子站、移动操作子站、前小车子站、后小车子站、射频IC卡读卡器及发卡系统、手动无线遥控系统、升降变频器、旋转变频

8、器、 存取车小车行走及夹臂驱动变频器、层位传感器及平安保护系统等组成。其组成框图如下：图1 控制系统原理图主控站：主控制器PLC采用6ES7 315 2DP/PN CPU模块，模块本身带有一个标准DP接口与一个工业以太网接口，DP口用于连接升降变频器、旋转变频器、升降平台子站与地面子站，工业以太网接口通过西门子无线模块W788-1AP 与W744-1与前后小车子站相连，同时，通过无线通讯连接一个移动式无线操作站，主控站同时带有32点开关量输入与16点开关量输出，通过高速计数模块连接一个平台升降脉冲编码器。主控站负责整个系统的协调与控制。地面子站：采用ET200S分布式子站，通过DP方式与主站相

9、连，主要连接车库地面输入输出控制点，包括道闸、出入口卷闸与快速卷帘、出入口平安光栅、用于人员检测的激光扫描传感器、车辆超高、超宽检测光电开关等，同时连接存取车射频IC卡读卡器。升降平台子站：采用ET200S分布式子站，通过DP方式与主站相连，主要连接升降旋转平台上输入输出控制点，包括旋转平台位置传感器、平台水平定位销位置传感器及控制输出、车辆位置矫正机构控制输出及位置传感器，同时通过高速计数模块连接一个平台旋转脉冲编码器。前后小车子站：采用ET200S分布式子站，通过无线以太网与主站相连，主要连接存取车机构输入输出控制点，包括小车行走位置检测与控制、车轮夹持滑板位置检测与控制、车轮夹臂的张开、

10、闭合控制，车轮位置检测等。前后小车所有动作均采用变频驱动，共有14个动力组件。移动操作子站：采用ET200S分布式子站，通过无线以太网与主站相连，为车库安装调试提供手动试验、分段调试及自动联调等调试手段，方便车库机电设备的安装及维修。3 系统原理与关键技术桶式机械立体停车库大局部输入输出点为开关量，控制算法以逻辑运算为主，为了提高存取车速度，各个动作都采用了变频调速技术；为了完成存取车动作，平台的平层与旋转对位精度要求非常高，必须设有过冲检测手段与过冲回调控制机制，为了实现准确定位与过冲回调，我们设计了组合传感器检测方法，结合专用控制算法，实现了升降与旋转平台的快速制停与准确定位；为了满足无人

11、化管理的要求，采用M1 射频卡对车位进展管理，一卡一个车位， IC卡读卡器直接联入PLC的RS485口；为了便于现场安装调试，采用无线遥控方式，通过PLC实现各个动作的手动操作并提供完善的平安保护功能。3.1 平台升降与旋转位置检测与准确定位控制组合传感器布置：根据建立规模不同车库可设38个停车层，为了实现准确平层与过冲检测，升降平台上设一块竖向感应板，感应板上设上下两个平层传感器上平层传感器与下平层传感器，相距30CM左右；每个停车层设一个感应板，感应板中间设一个层传感器，感应板长度设定为恰好能够同时感应升降平台上的上下平层传感器，联同层传感器同时有效时为准确平层位置，并通过层传感器确定平台

12、所在的停车层绝对寻址。位传感器布置与层传感器类似。组合传感器布置见图2。图2 升降与旋转定位检测传感器布置示意图平台过冲检测与回调：平台平层动作停顿后，如果检测到层传感器与下平层传感器有效，上平层传感器无效，说明平台偏上，需要向下微调；检测层传感器与上平层传感器有效，下平层传感器无效时，说明平台偏下，需要向上微调。微调时一般采用爬行速度，防止出现再次过冲，如果微调后仍然未到达平层位置，系统将再次重复上述平层过程，直至到达平层要求为止2。平台旋转对位原理与此类似，不再赘述。3.2 工业无线以太网组网桶式立体车库的旋转平台为360度自由旋转，旋转平台上控制设备与固定设备的传统连接方法是通过集电环，

13、集电环可用于传递各种开关量信号，不能用于传递网络信号，且触点在运行过程中存在磨损，设备维护要求高，可靠性差，所以本系统以无线通讯方式替代了集电环连接。移动操作站为了操作方便也采用了无线通讯方式。无线以太网络主要由西门子无线工业以太网模块SCALANCE W788 接入点模块AP与SCALANCE W744客户端组成。利用SCALANCE W788接入点模块建立无线网络，利用 SCALANCE W 客户端模块将各子站连接到主控制站3。因桶式立体车库为三维立体构造，一个中心点信号很难覆盖车库各个部位，为了保证通讯的高可靠性，在车库顶端设一个固定接入点AP0，在升降平台上设置一个中转接入点模块AP1

14、，AP0与AP1之间采用WDS方式实现连接，前后小车客户端与主站模块AP0通讯全部通过AP1中转。WDS通讯原理见示意图3。图3 WDS通讯原理示意图进展WDS通讯的两个接入点模块AP0、AP1通讯信道要设成一致，但网路ID不能一样，随平台升降接入点模块AP1的网络ID要与前后小车客户端模块设成一致，以保证通讯正常进展4。3.3 主站与子站心跳状态监测 升降旋转平台上的前后小车采用工业无线以太网与主站进展通讯，无线通讯的实时性与稳定性比有线通讯差，而存取车时前后小车动作必须与其它机构动作保持严格的时序与互锁关系，如果出现通讯失败，有可能造成严重的平安事故。为了实时监测主站与前后小车子站的通讯状

15、态，同时也对前后小车PLC的运行状态进展监测，系统设计了主站与前后小车子站的双向心跳监测功能。具体方法是在主站PLC的CPU与前后小车子站PLC的CPU中分别设置一个计数单元，在每次定时中断程序中对这些计数单元加“1”，在每次通讯时，将计数单元的数值作为数据传送给通讯伙伴，每个PLC都保存通讯伙伴上次的计数值，正常情况下，每次通讯得到通讯伙伴的计数值都应该不同，即“心跳，如果两次通讯得到通讯伙伴的计数值一样，即“心跳停顿，那么可疑心双方之间通讯出现了问题或通讯伙伴工作状态不正常，为防止出现误判，一般可对心跳停顿的次数进展计数，到达设定次数的心跳停顿即可认定为故障。任何一方发现通讯异常或通讯伙伴

16、发生故障时将按照确保平安原那么采取紧急停顿动作，有效防止事故的发生。程序流程图见图4.图4 心跳状态监测程序流程图3.4 射频IC卡车位管理 射频IC卡车位管理包括与PLC直接相连的四个射频IC卡读卡器与专用发卡系统。本系统采用非接触式IC卡Mifare One Card对车辆存取进展管理，一个车位对应一张卡，通过划卡启动存取车过程。IC卡中存有车库编号、IC卡编号、IC卡所对应的车位号等信息。PLC通过RS485总线与IC卡读卡器通讯，以命令方式轮询四个读卡器状态。为了减少存取车司机误操作，指定两个读卡器用于存车，另外两个读卡器用于取车，并分别设置于存车入口与取车出口，取车读卡器可连续读卡，

17、并按划卡顺序预约取车。为了方便用户按需制作车库IC卡，系统配有专用发卡系统，发卡系统由计算机、IC卡读写器与发卡软件组成，当用户所持IC卡丧失或损坏时，可随时补卡。3.5 存取车优化调度为了减少存取车等待时间，系统设计了存取车优化调度功能。存车时按车辆排队顺序存车，取车可随时划卡实现预约取车。当既有存车要求，又有取车预约时，特别是有多辆汽车要求存入，同时又多个取车预约时，需要根据当前状态进展优化调度。存取车调度优化的目标是整个车库的存取车效率最高。调度的方法是根据存取车升降平台的位置决定先响应存车请求还是先响应取车请求。当升降旋转平台处于地面位置时，存车优先，当升降旋转平台处于地下时，取车优先

18、。存在多量汽车要求存入并有多辆汽车要求取出时，上述调度原那么仍然有效，存入一辆车后，升降旋转平台必然在地下，这时，取车优先，取出一辆车后，升降旋转平台那么处于地面位置，存车优先，这样存取车交替运行，既照顾到存取车司机的感受，又实现了车库存取效率的最大化。4 完毕语本文针对地下桶式机械立体停车库的控制需求，阐述了实现立体停库自动控制的整体方案与关键技术。实际应用说明，本文给出的设计方案与实现方法能够满足桶式机械立体停车库的控制要求，具有实用性，也可为类似机械立体停车库控制系统的设计提供参考。参考文献：1 刘占阳. 一种机械立体停车库: 中国, 2.8P. 2006-01-25 .2 刘占阳. 带旋转平台的垂直升降机电气控制系统: 中国, 2.8P. 2008-06-11 .3 德Raimond Pigan Mark Metter. 西门子PROFINET工业通信指南 M. 人民邮电出版社, 2007. 4 佚名. SCALANCE W 工业无线移动通讯产品样本M. 西门子中国工业自动化与驱动技术集团, 2021.附：责任作者简介： 刘占阳1964-，男，河北人，河北省机电一体化中试基地总工程师，正高级工程师、硕士生导师，河北省自动化学会常务理事，河北省计算机学会常务理事，主要研究方向为机电一体化技术与自动控制技术。第 10 页