桶式机械立体停车库自动控制系统设计

李天智　刘占阳　程柘源

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和逻辑关系，升降和旋转平台都属于大惯性负载，要实现快速、准确的平层和对位非常困难，并且要有完善的安全保护功能，自动控制难度很大。针对桶式机械立体停车自动控制系统设计、选型及程序控制方法进行了较为详细的论述。

关键词： 立体停车库； 自动控制； 工业无线以太网通信； 状态监测

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）19?0136?03

Design of automatic control system for barrel type mechanical parking lot

LI Tian?zhi1， LIU Zhan?yang1， CHENG Zhe?yuan3

（1. Hebei Mechatronics Test Base， Shijiazhuang 050081， China； 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211100， China）

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 reveals an excellent solution to meet the parking demand. The barrel type mechanical spatial parking system as a new technology of mechanical parking emerges recently， but its action of accessing vehicles is complex. Besides theres a strict time and logic relationship between actions. At the same time， the lift and rotary platforms have high inertia 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. The automation control system design， selection and program control method for barrel type mechanical spatial parking system are discussed in detail.

Keywords： three?dimensional parking garage； automatic control； industrial wireless Ethernet communication； condition monitoring

0 引 言

自动控制系统设计是机械立体停车库建设中关键的一环。桶式机械立体停车库采用圆形结构，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3～8个停车层，每层12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，并且要有完善的安全保护功能[1]，自动控制难度大；其升降和旋转平台属于大惯性负载，要实现快速、准确的平层和对位非常困难；分布式子站与主站之间需要采用无线通信方式，要采取有效技术手段提高通信可靠性；为了满足无人化管理的要求，采用射频IC卡进行车位管理，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行了较为详细的论述，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、安全保护等内容。

1 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、旋转变频器、 存取车小车行走及夹臂驱动变频器、层位传感器及安全保护系统等组成。其组成框图如图1所示。

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接口和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、升降平台子站和地面子站，工业以太网接口通过西门子无线模块W788?1（AP） 和W744?1与前后小车子站相连，同时，通过无线通信连接一个移动式无线操作站，主控站同时带有32点开关量输入和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、出入口卷闸和快速卷帘、出入口安全光栅、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、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。

2 系统原理与关键技术

桶式机械立体停车库大部分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，平台的平层和旋转对位精度要求非常高，必须设有过冲检测手段和过冲回调控制机制，为了实现准确定位和过冲回调，设计了组合传感器检测方法，结合专用控制算法，实现了升降和旋转平台的快速制停和准确定位；为了满足无人化管理的要求，采用M1射频卡对车位进行管理，一卡一个车位， IC卡读卡器直接联入PLC的RS 485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安全保护功能。

2.1 平台升降和旋转位置检测与精确定位控制

组合传感器布置：根据建设规模不同车库可设3～8个停车层，为了实现准确平层和过冲检测，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（上平层传感器和下平层传感器），相距30 cm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。

平台过冲检测与回调：平台平层动作停止后，如果检测到层传感器和下平层传感器有效、上平层传感器无效，表明平台偏上，需要向下微调；检测层传感器和上平层传感器有效、下平层传感器无效时，表明平台偏下，需要向上微调。微调时一般采用爬行速度，避免出现再次过冲，如果微调后仍然未达到平层位置，系统将再次重复上述平层过程，直至达到平层要求为止[2]。平台旋转对位原理与此类似，不再赘述。

2.2 工业无线以太网组网

桶式立体车库的旋转平台为360°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，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信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信方式。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）和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结构，一个中心点信号很难覆盖车库各个部位，为了保证通信的高可靠性，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），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）通信全部通过（AP1）中转。WDS通信原理示意如图3所示。

进行WDS通信的两个接入点模块AP0，AP1通信信道要设成一致，但网路ID不能相同，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，以保证通信正常进行[4]。

2.3 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行通信，无线通信的实时性和稳定性比有线通信差，而存取车时前后小车动作必须与其他机构动作保持严格的时序和互锁关系，如果出现通信失败，有可能造成严重的安全事故。为了实时监测主站与前后小车子站的通信状态，同时也对前后小车PLC的运行状态进行监测，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和前后小车子站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”，在每次通信时，将计数单元的数值作为数据传送给通信伙伴，每个PLC都保存通信伙伴上次的计数值，正常情况下，每次通信得到通信伙伴的计数值都应该不同，即“心跳”，如果两次通信得到通信伙伴的计数值相同，即“心跳”停止，则可怀疑双方之间通信出现了问题或通信伙伴工作状态不正常，为避免出现误判，一般可对心跳停止的次数进行计数，达到设定次数的心跳停止即可认定为故障。任何一方发现通信异常或通信伙伴发生故障时将按照确保安全原则采取紧急停止动作，有效避免事故的发生。程序流程图见图4。

2.4 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卡读卡器和专用发卡系统。本系统采用非接触式IC卡（Mifare One Card）对车辆存取进行管理，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RS 485总线与IC卡读卡器通信，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和取车出口，取车读卡器可连续读卡，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卡读写器和发卡软件组成，当用户所持IC卡丢失或损坏时，可随时补卡。

2.5 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，同时又有多个取车预约时，需要根据当前状态进行优化调度。存取车调度优化的目标是使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。存在多量汽车要求存入并有多辆汽车要求取出时，上述调度原则仍然有效，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，升降旋转平台则处于地面位置，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。

3 结 语

本文针对地下桶式机械立体停车库的控制需求，阐述了实现立体停车库自动控制的整体方案和关键技术。实际应用表明，本文给出的设计方案和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。

注：本文通讯作者为刘占阳。

参考文献

[1] 刘占阳.一种机械立体停车库：中国，200420117135.8[P].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，200710062490.8[P].2008?06?11.

[3] [德] METTER Raimond Pigan Mark.西门子PROFINET工业通信指南[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4] 佚名.SCALANCE W工业无线移动通信产品样本[M].西门子（中国）有限公司工业自动化与驱动技术集团，2008.

[5] 黄训磊，王丽静，王兴宇，等.基于ARM的停车场车辆管理系统[J].现代电子技术，2014，37（2）：100?104.

[6] 袁静，陆超.基于物联网的停车诱导系统[J].现代电子技术，2012，35（24）：41?42.