基于PLC控制的垂直旋转式立体自行车库的研究与设计
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摘要：近年来，随着城市经济的发展，汽车数量迅速增长造成交通拥挤，自行车作为一种城市短距离通勤工具被大量地使用。单个自行车占用面积大，停放杂乱无章，露天存放的自行车加剧了其自然磨损且容易丢失。对于自行车的存储停放大多为车棚，现重新对自行车库设计方案进行创新，设计出垂直旋转式立体自行车库，可以实现自行车的立体式多层存储，大幅增加存车数量，且不占用地面空间。
关键词：垂直旋转式;立体自行车库;创新设计
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）21-0211-03
一、背景技术
中国是自行车大国，自行车在中国的普及及使用率非常高。对于自行车的存储停放，目前大多采用地上自行车库的形式。较为简易的地上自行车停车库大多为车棚，其自行车停放数量较少，单个自行车占用面积大，停放杂乱无章，且容易丢失。还有一些立体式自行车存储装置，其可实现自行车的多层停放，但是仍需占用大量的地面空间，影响市容美观。
中国专利201210171767.1中公开了一种地下自行车库，包括圆柱体侧壁、位于侧壁内的机械转台及自行车存放架，其中，机械转台包括机械手臂、旋转装置及升降装置。机械手臂、旋转装置及升降装置可实现自行车的取放、旋转及升降，从而实现将自行车放置于圆柱体侧壁内安装的支撑架上。该地下自行车库可以实现自行车的立体式多层存储，大幅增加存车数量，且不占用地面空间。
二、自行车库系统简述
一种地下自行车库自动控制系统，其特征在于：包括地面上的车库亭及地面下的自行车库及控制系统，所述入库门前方的地面上部设置有入库平台及控制台，所述控制系统设置于地面上部的控制台内;自行车库包括支撑单元及中心输送单元，中心输送单元由平行的旋转导轨、同步带式升降机构、轴支撑式旋转机构及输送台构成，在旋转导轨上设置同步带升降机构，输送台由同步带升降机构驱动沿旋转导轨进行升降，旋转导轨底部设置轴支撑式旋转机构，旋转导轨及输送台由轴支撑式旋转机构驱动进行水平旋转，输送台上设置有输送台抓推机构;控制系统包括入库安全检测单元、升降控制单元、旋转控制单元、CPU及报警单元;入库平台设置有入库安全检测单元，同步带升降机构与升降控制单元控制連接，轴支撑式旋转机构与旋转控制单元控制连接，入库安全检测单元、升降控制单元、旋转控制单元与CPU连接，CPU与报警单元连接。
三、机械构造
自行车库机械结构如图1、2所示，其自行车库包括支撑单元及中心输送单元，中心输送单元由平行的旋转导轨、同步带式升降机构、轴支撑式旋转机构及输送台构成，可完成自行车的抓取、升降、旋转及推送，实现将自行车对位放入自行车存放架上，地下多层的自行车存放架，可存放的自行车数量大，节省地面空间;具有入库安全检测单元、升降控制单元、旋转控制单元保障自行车入库、抓取、存放、取出动作的顺畅、安全、可靠。
四、控制系统
自行车库采用SIEMENS S7-1200PLC作为主体的控制系统，其中包括监测机构、执行机构与数据库三大部分。如图5所示。
（一）ID卡身份识别
ID卡身份识别主要用于私人自行车存放，存车时，将自行车停放在操作台中，人离开操作台后，使用城市一卡通、身份证或银行卡等ID在刷卡器上进行刷卡确认，系统将自行车存入车库中。如果取车时，只要对着刷卡器刷一下，系统将自动把自行车送出。对于公用自行车进行标签识别：通过地面入库平台一侧的控制台上所安装的电子标签识别系统，RFID标签识别单元对待存入自行车进行读取，当没有检测到标签时，系统继续检查;当检测到有标签时，则系统开始读标签中的数据身份，然后判别标签数据身份是否合法，当检测的标签身份不合法时，此时系统开始提示错误标签报警，系统不做其他操作。
（二）入库安全检测
1.重量检测：重量检测单元自动检测自行车入库平台上方重量，辨别是否有人站立，检测重量需处于安全区间时入库门方能打开;压力传感器设定一个上限值和一个下限值，当检测到自行车的重量超过压力传感器的上限值时，传感器输出一个过重信号，系统将会检测到这一个过重信号，则系统报警，系统停止操作，然后返回到初始状态;当自行车的重量没有超出压力传感器的称重范围时，系统将进行下一步操作。
2.放偏检测：放偏检测单元自动检测自行车入库平台上方的自行车前轮及后轮是否都放置到车轮限位槽内;用位置感应器来判断自行车是否放偏，当位置感应器没有感应到轮子时，则表明自行车放偏，系统报警，系统无法正常运行，然后继续检测;当位置传感器感应到轮子时，此时自行车位置正确，系统进行下一步操作。
3.锁住检测：锁住检测单元自动检测自行车是否上锁，锁住检测自动检测自行车是否上锁的方法为通过CPU给伺服电机的旋转编码器设定一个位置指令，然后给伺服电机发送位置指令，旋转编码器反馈位置，当反馈位置大于设定值时，说明自行车车轮转动，摩擦力小，此时自行车没有锁住，则系统进行下一步;当反馈位置的值小于设定值时，说明此时自行车的摩擦力大，此时自行车处于锁住状态，系统返回，并进行报警。如图6所示。
（三）自行车抓取
入库安全检测完成，输送台抓推机构中抓手机构的抓手电机动作，抓取自行车前轮，并将其移动至输送台。
（四）库位选择
控制系统的升降控制单元及旋转控制单元控制输送台竖直升降并旋转至一个自行车存放架并对准，抓推机构推送自行车将其送至自行车存放架，记录该库位坐标。
（五）自行车取出
人站在人体安全区域内，使用城市一卡通在人机界面上进行刷卡确认信息，控制系统的升降控制单元及旋转控制单元控制输送台竖直升降并旋转至该存车库位坐标，自行车抓取并取出，稳定放至入库平台区域中。 五、控制系統涉及的算法
（一）数据库算法
根据控制系统的需求分析数据库应拥有以下功能。
预先设置的静态数据：各个存放点相应的上升下降轴与旋转轴数据。
动态数据：相应的IC卡号对应相应的上升下降轴与旋转轴，只需将IC卡号对应。
查询功能：将SIEMENS S7-1200PLC的数组进行遍历。
（二）最优调度算法
根据控制系统的分析最佳调度方案为：缩短入库时间，就近原则，环形存放架受力均匀。
对于自行车库控制系统的执行机构而言，上升下降轴与旋转轴是各个自行车存放点的坐标，是可变，水平的推拉与抓手的夹取，耗时是一定的。
将上升下降轴取为变量H，旋转轴取为变量R，水平推拉取为常量Y，抓手夹取为常量X。
根据上述的量可推算出入口点与各个存放点的路程，由公式S=VT，可算出运行时间。为提高效率，可将入口点的数据与数据库中的存放点遍历一遍取与上升下降轴为变量H，旋转轴为变量R做差值最小的一个存放点，为最优存放点。
六、结束语
本文所做工作对于立体自行车库的模式研究有一定贡献，可满足城市立体车库建设的需要，是对垂直旋转式立体车库设计方案的优化，有利于降低设计成本，提高车库作业效率，进而有利于自行车的推广使用，促进自行车行业的发展，在一定程度上缓解了城市交通拥堵与汽车尾气污染。
参考文献：
[1]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术 第4版[M].北京：机械工业出版社，2016.06.
[2]雷晓燕，刘芳，燕晓红.信息化教材 机械设计应用[M].北京：化学工业出版社，2019.08.
Abstract： In recent years， with the development of urban economy， the rapid growth of the number of cars has caused traffic congestion， and bicycle as a short-distance commuting tool in the city has been widely used. Bicycles often occupy a large area and are parked in disorder. Bicycles put in the open air aggravate their natural wear and easy to lose. Traditionally， bicycles are stored or parked in bicycle shed. Now the design of traditional bicycle shed is innovated， and a vertical rotary three-dimensional bicycle parking equipment is designed， which can realize the three-dimensional multi-l storage of bicycles， greatly increase the number of bicycles stored， and do not occupy the ground space.
Key words： vertical rotary; three-dimensional bicycle parking equipment; innovative design
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