升降横移式立体车库冗余控制系统设计

白动化仪表

PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION

Vol.38 No. 9

Sep. 2017

升降横移式立体车库冗余控制系统设计

盛强

(湖州职业技术学院机电与汽车工程学院，浙江湖州313000)

摘要：随着城市化的不断推进及汽车保有量的逐年增加，立体车库成为解决城市停车难问题的首要选择，而其可靠性和安全性 关系到人身及财产安全。对立体车库控制系统的高可靠性和高安全性的要求进行了调查研究，采用三菱FX3U系列PLC和威纶通 触摸屏，设计了一种基于4层9车位升降横移式立体车库的PLC冗余控制系统。控制系统能够人为强制任一 PLC进行停取车控 制，也可在非强制情况下，特别是在停取车过程中系统发生硬件等故障时，自动切换PLC进行停取车的冗余控制。对控制系统的 硬件组成、PLC冗余控制原理和存取车控制流程进行了详细论述。结果表明，该升降横移式立体车库冗余控制系统具有结构 简单、硬件成本低及运行安全可靠等优点，且人机交互界面易于操作，能够有效地解决立体车库可靠性和安全性较差等问题。 关键词：立体车库；升降横移；PLC;通信；冗余控制；可靠性；安全性中图分类号：TH73 ;TP23

文献标志码：A

DOI：10.16086/j. cnki. issnlOOO -0380.201709007

Design of the Redundant Control System

for 3D Lift and Transverse Parking Garage

SHENG Qiang

(School of Faculty of Electromechanical & Automobile Engineering,Huzhou Vocational & Technical College,Huzhou 313000,China)

Abstract： With the continuous advance of urbanization and the car ownership increased year by year,the 3D parking garage has

become the primary choice to solve the difficult problem of city parking,and its reliability and safety are related to personal and property safety. The requirements of the high reliability and high safety for the control system of 3D parking garage are investigated, and a redundancy PLC control system is designed by adopting Mitsubishi FX3U series PLC and Weinview touch panel,for the 4 - storey 9 - parking position 3D lifting and reversing garage. The control system can manually force any of the PLCs for car parking and car collecting, and in non - force condition, especially when hardware failure occurs, the system also can automatically switchover the PLCs for redundant control of car parking and car collecting. The hardware composition of the control system,the PLC redundant control principle,and car parking/collecting process are described in detail. The results show that the redundant control system features simple structure, low hardware cost, and safety and reliable operation. The HMI is easy to operate and can effectively and feasibly solve the problems such as the poor reliability and safety of the three - dimensional parking garage.

Keywords： 3D parking garage； Lift and transverse； PLC； Communication； Redundant control； Reliability； Safety

系统发生故障可能会造成严重的后果，因此，提高其可 靠性和安全性十分迫切。

目前，升降横移式立体车库主要采用单一 PLC进 行控制，通过控制升降电机和横移电机实现车辆的停 放。为保障立体车库运行的可靠性和安全性，王虎军 等人对控制系统进行了可靠性分析研究，其中通信总 线子系统平均无故障时间只有30 h[3]，远远低于其他 子系统;为了提高通信总线的可靠性，费明利等人采用 双总线冗余结构[4]，虽然增强了通信总线的可靠性，但

〇引言

近年来，私家车拥有量的日益增长，再加上地面、 地下停车位数量的严重不足，造成了占道、占用绿地、 甚至占用消防通道停放等非法停放现象[1]，特别是在 商业广场、政府以及住宅等配套停车场更是“一位难 求”[2]。立体车库，特别是升降横移式立体车库在解 决城市停车难问题上发挥着重要的作用，但是立体车 库的可靠性和安全性关系到人和轿车的安全。当控制

修改稿收到日期:2017 - 03 - 30

基金项目：湖州市公益性技术应用研究基金资助项目（2015GZ02)作者简介:盛强（1981—)，男，硕士，讲师，主要从事工业网络通信及智能控制方向的研究。E - mail:437162485@ qq. com。

•

30 •

自 动化仪表第38卷

是该系统利用2个PLC分别控制电梯单元和车位横 移单元，一旦其中一个PLC发生故障，会导致整个系 统不能正常运作。

本文以4层9车位的升降横移式立体车库为控制 模型，采用FX3U系列PLC为控制核心，结合威纶通触 摸屏，设计了一种兼具单机控制和自动冗余控制的升 降横移式立体车库自动控制系统。

1系统结构及车位调度

升降横移式立体车库通过控制各个载车板的升降

和/或横移运动来实现车辆的多层停放[5_6]。其中：1 层载车板只能进行横移运动;4层载车板只能进行升 降运动;2、3层载车板既可进行横移运动，又可进行升 降运动。

当底层1〇1、1〇3号车位存取车辆时，可直接存取 车辆;当中间层、顶层车位存取车辆时，首先必须把其 正下方车位通过载车板的升降运动和/或横移运动腾 出1个下降通道，再将该车位载车板下降至1层，然后 再进行车辆存取，完成存取车辆后通过升降运动复位

该载车板。4层9车位立体车库的车位结构图如图1 所示。

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图1车位结构图示意图

Fig. 1 Layout of parking spaces

2冗余控制系统设计

升降横移式立体车库控制系统由2个互为备用

的FX3U系列PLC、威纶通MT8051iP触摸屏、光电传 感器、限位开关等构成。冗余控制系统硬件框图如 图2所示。由2个PLC构成的冗余控制系统作为整 个控制系统的核心，通过利用FX3U -485BD通信板 组成W : /V网络通信系统，实现PLC之间的信息交 互;触摸屏作为控制系统与外界进行人机交互的控 制界面，实现车位选择、存取车选择及报警显示等功

能，其与PLC编程口之间通过RS - 485通信采集 信号。

图2 冗余控制系统硬件框图

Fig. 2 System hardware of redundant control system

控制系统可通过外部旋转开关实现单机控制或 冗余控制模式之间的模式切换。在冗余控制情况

下，1 #PLC与2#PLC之间进行/V : /V网络通信，完成控 制数据的实时交换。1#PLC默认处于控制状态，触摸 屏与1#PLC进行通信，实现操作控制及报警显示；而 当1#PLC发生硬件故障或通信总线故障时，2#PLC取 代1#PLC取得控制权，通过切换通信总线通道实现 2#PLC与触摸屏之间的通信。控制系统相关器件功 能如表1所示。

表1控制系统相关器件（信号）功能

Tab.l Functions of the related devices (signal) in control system

器件(信号)名称作用

光电传感器人车误入检测、车髙检测等

限位开关

载车板升降、横移到位检测、松链检测等防坠挂钩防坠挂钩是否开启检测车位检测信号检测载车板上是否有车辆

其他检测信号电源检测、单机/冗余控制模式切换开关等其他控制设备

触摸屏通信线路切换等控制设备

3控制算法设计

3.1冗余控制算法

三菱FX3U系列PLC之间的W : W网络通信符合 RS -485通信标准，通信波特率固定为38 400 bit/s，2

个站之间的通信链接时间为34 ms，能够满足立体车 库冗余控制通信需求。网络链接模式采用模

式2实现2个PLC之间的通信，即位软元件为每站64

点，字软元件每站8点[7]。

①

通信故障检测。利用特殊辅助继电器M8183、M8I84分别检测/V : /V网络通信中1#PLC(0#主站）和 2#PLC(1#从站）的通信状态是否正常，通信发生错误 时为ON。

②

PLC硬件故障检测。利用特殊辅助继M8061检测PLC硬件是否正常，发生错误时为ON。

电器

第9期升降横移式立体车库冗余控制系统设计盛强

• 31 •

③ PLC冗余切换控制。在默认冗余切换控制模式 下，1#PLC利用/V : /V网络通信把M8183、M8061和 M8013的信号状态传送至2#PLC。2#PLC接收到信号 后判断1#PLC通信、硬件是否出错，如检测有故障，2# PLC取代1#PLC取得控制权并切换与触摸屏之间的通 信线路，实现PLC冗余切换控制。2#PLC通信、硬件故 障检测同理。

④

PLC输出点冗余控制。在默认冗余切换控制模 式下，1#PLC取得控制权，完成对立体车库的控制。在 无故障发生的情况下，1#PLC通过/V : /V通信实时发送 PLC各个输出点状态至2#PLC，如将载车板A横移电 机左移、右移和停止状态利用M1003〜M1005传送至 2#PLC，其他载车板状态同理，同时1#PLC实时接收2# PLC的输出点状态并保持，用于当PLC发生切换时的 输出点状态保持；当发生故障时，2#PLC取得控制权， 1#PLC延时复位所有输出点。2#PLC取得控制权时， 控制方式同1#PLC。冗余控制算法流程图如图3 所示。

1#PLC

2#PLC

图3

冗余控制算法流程图

Fig. 3 Flowchart of redundant control algorithm

3.2存取车控制算法

在升降横移式立体车库存取车辆过程中，需根据 空位位置及存取车辆需求自动计算最优的下行通 道[^9]。当载车板光电检测开关未接通，表明载车板

上没有车辆停放，只能进行存车操作;反之，只能进行

取车操作。

存车流程如下：当底层载车板A、B未停放车辆 时，则可直接进行存车操作;若底层没有空闲载车板， 则需要自行选取载车板并存车，控制系统根据所选载 车板自动判断其下方是否有空位，如有空位则建立下 行通道，载车板下降;如其下方有载车板，则需要通过 横移电机对其进行左移或右移，重新建立下行通道，然 后载车板下降，完成存车操作，最后在存车操作完成

后，手动复位该载车板。取车流程如下：当车辆停放于底层载车板A、B 时，则可直接进行取车操作;否则，需选取相应的载车 板进行取车操作，具体流程同存车流程，取车操作完成 后，载车板上升复位。3.3触摸屏操作界面

为了使立体车库的存取车操作更为方便、直观，控 制系统采用威纶通MT8051iP触摸屏，其带有RS -485 接口，通过中继器可实现与1#PLC、2#PLC之间通信线 路的切换，能够满足控制系统冗余控制要求。

触摸屏操作界面实现功能如下。(1)

在手动控制模式下，手动操作实现载车板升

降、横移等控制功能。(2) 在自动控制模式下，配合单机/冗余切换开 关，实现单机控制/冗余控制之间的切换。①单机控制 模式:通过切换开关强制1#PLC或2#PLC参与控制，触 摸屏与取得控制权的PLC之间建立通信，并实现存取 车控制;②冗余控制模式:在未强制任何PLC的情况 下，触摸屏默认与1#PLC通信并参与控制，当1#PLC发 生故障后，触摸屏在切换通道后与2#PLC通信，并实现 存取车控制。

(3)

报警功能。配合声光报警器实现报警信息的

实时显示，如运行超时报警、松链报警、超限报警等。

4结束语

本文设计了一种规模小、硬件成本低、安全性和可

靠性高的升降横移式立体车库冗余控制系统，系统以 2个三菱FX3U系列PLC为核心，利用/V : /V网络通信

实现2个PLC之间的冗余控制。该系统具有手/自动 控制功能，且在自动控制功能下，能够单独强制任一 PLC进行控制，也可实现冗余控制。试验结果表明，在 冗余控制模式下，本系统能够在故障发生时自动切换 PLC控制器，实现存取车流程的无缝切换控制，能够有 效且可行地解决现有立体车库控制系统安全性和可靠 性较差的问题。

(下转第35页）

第9期WPDM中降低PAPR的联合算法研究凡倩，等• 35 •

图3中'4P/?。为给定峰均功率比的参考阀值;& 为实际峰均功率比大于iMP/?。的概率。

从图3 (a)可以看出，在相同的信道环境下，优选 小波包调制的树形结构与满树形结构相比，在抑制 PAPR的性能方面，优选的树形结构具有较好的表现， 且不再均勻划分宽带，为信道分配带宽提高了灵活性。

由图3 (b)可知，改进峰值加窗处理比传统方法效 果更佳。

对比图如图4所示。窗限幅法具有更好

的抑制PAPR效果。

从图4可知，峰值加窗限幅法处理后的最 大。经改进的峰值限幅法处理后，在信噪比（signal noise ratio，SNR) <8 dB的情况下，在一定程度上提高 了系统的误码率性能。

中产生的干扰问题，联合综合干扰功率和误码率的角 度对小波包分复用系统的小波包调制树形结构进行 优选，再加入改进峰值加窗限幅法。从仿真结果看 到，优选的树形结构无论抑制峰均功率比性能，还是 误码性能，都具有较好的表现，带来了分配信道带宽 的灵活性;改进峰值加窗限幅法相比传统的峰值加 窗限幅法有了相应的性能提升。而经小波包调制树 形结构优选和改进峰值加窗限幅法的联合处理，能 在尽量不影响原系统误码性能的前提下，更好地减 小系统PAPR值和计算复杂度。

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图4 对比图[4] NING X U,TAN G W. Improved LMS channel estimation algorithm

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[6] 余志卫，唐向宏，申传朋，等.基于消减PAPR的小波包调制结

Fig. 4 Comparison of BER

综上所述，相比单独使用小波包调制树形结构 优化或改进的峰值加窗限幅法，提出了一种基于小 波包树结构优选与峰值加窗限幅法的联合降低 PAPR的算法。该算法能够在尽可能不影响原始系 统的的前提下，更加有效地提高发送端抑制 PAPR的性能。

构的研究[J].杭州电子科技大学学报，2014,30(2) :32-36.

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小波包调制对信道的任意划分导致了小波包结构

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的多样性，如何在众多树结构中快速挑选出性能较好 的树形结构显得十分重要。本文先针对信号经历信道

学，2014.

(上接第31页）

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