一種升降橫移式立體車(chē)庫(kù)的布局及控制方法研究

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(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

一種升降橫移式立體車(chē)庫(kù)的布局及控制方法研究

謝志宴，馬訓(xùn)鳴，肖亮

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

介紹了一種基于PLC控制的智能立體車(chē)庫(kù)，研究了立體車(chē)庫(kù)的布局情況，通過(guò)對(duì)比分析找出了一種最優(yōu)布局方案。討論了立體車(chē)庫(kù)的總體控制方案及PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)踐證明，此立體車(chē)庫(kù)通過(guò)智能控制，能方便地實(shí)現(xiàn)存取車(chē)操作。

立體車(chē)庫(kù);布局;智能控制;存取車(chē)

0 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，汽車(chē)的制造成本越來(lái)越低，國(guó)內(nèi)汽車(chē)數(shù)量急劇增多，許多城市出現(xiàn)了停車(chē)難問(wèn)題，傳統(tǒng)平面停車(chē)場(chǎng)的空間利用率和管理系統(tǒng)的運(yùn)用效率都無(wú)法滿足需求。這樣隨之而來(lái)的出現(xiàn)了立體車(chē)庫(kù)，立體車(chē)庫(kù)以其占地面積少、停車(chē)率高、布置靈活、高效低耗、性價(jià)比高和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞。目前市面上常用的智能立體車(chē)庫(kù)大概有8種：升降橫移式、垂直循環(huán)式、多層循環(huán)式、水平循環(huán)式、平面移動(dòng)式、巷道堆剁式、垂直升降式和簡(jiǎn)易升降式等[1]。其中升降橫移式立體車(chē)庫(kù)的規(guī)模可大可小，對(duì)場(chǎng)地的適應(yīng)性強(qiáng)，并且操作簡(jiǎn)單，安全可靠，造價(jià)低[2-3]。基于這些優(yōu)點(diǎn)，升降橫移式立體車(chē)庫(kù)是目前市場(chǎng)上占有率最高的一種形式[4]。

因此，以升降橫移式立體車(chē)庫(kù)為例，分析了車(chē)庫(kù)的調(diào)度算法及布局方案的選擇，并進(jìn)一步研究了車(chē)庫(kù)的PLC控制系統(tǒng),從而為設(shè)計(jì)人員提升車(chē)庫(kù)的性能及降低成本作參考。

1 立體車(chē)庫(kù)的調(diào)度算法研究及布局方案選擇

1.1 立體車(chē)庫(kù)調(diào)度算法研究

升降橫移式機(jī)械停車(chē)庫(kù)利用托盤(pán)移位產(chǎn)生垂直通道，實(shí)現(xiàn)多層車(chē)位升降存取車(chē)輛。

升降橫移式立體車(chē)庫(kù)車(chē)位結(jié)構(gòu)為A×B二維矩陣形式，可設(shè)計(jì)為多層、多列，車(chē)庫(kù)提供的總車(chē)位容量為[5]:

Q=A×B-A+1

(1)

A為二維矩陣的行，即車(chē)庫(kù)的層數(shù)；B為二維矩陣的列，即車(chē)庫(kù)的列數(shù)。

升降橫移立體車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:底層只能平移，頂層只能升降。車(chē)庫(kù)中必須預(yù)留一定的空位，供進(jìn)出車(chē)升降之用。當(dāng)?shù)讓榆?chē)位要存取車(chē)時(shí)，無(wú)需移動(dòng)其他托盤(pán)就可直接進(jìn)出車(chē)；頂層進(jìn)出車(chē)時(shí)，先要判斷其對(duì)應(yīng)的下方位置是否為空，不為空時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)的平移處理，直到下方為空才可進(jìn)行下降和進(jìn)出車(chē)動(dòng)作。

按照車(chē)庫(kù)的這些限制條件，要對(duì)載車(chē)板進(jìn)行存取車(chē)的操作，必須要使該載車(chē)板位于地面層。這樣，該種車(chē)庫(kù)的調(diào)度算法就變?yōu)槿绾我苿?dòng)載車(chē)板，以最少的動(dòng)作步數(shù)，來(lái)完成使目標(biāo)載車(chē)板下降到地面層的空的通道[6]。

通過(guò)分析，可把車(chē)庫(kù)位置定義成數(shù)組的形式，該數(shù)組中的元素值即為車(chē)庫(kù)當(dāng)前的排布車(chē)位的車(chē)位號(hào)，從而得到下面的立體車(chē)庫(kù)調(diào)度算法：

圖2 布局方案選擇

a.目標(biāo)載車(chē)板如果在車(chē)庫(kù)底層，可以直接存取車(chē)，車(chē)庫(kù)不用運(yùn)行。

b.其他情況下，都要把底層對(duì)應(yīng)的空位騰出來(lái)，供目標(biāo)載車(chē)板停放使用。

c.把在底層但不屬于底層的載車(chē)板送回原位置，為下面的其他動(dòng)作騰出空位。

d.找出空的位置，與目標(biāo)載車(chē)板下方的車(chē)位號(hào)比較，決定左移、右移還是靜止不動(dòng)，直至把在目標(biāo)載車(chē)板下方的車(chē)位移空為止。

e.最后一步是把目標(biāo)載車(chē)板下降到地面層，供用戶存取車(chē)使用。

1.2 立體車(chē)庫(kù)布局方案選擇

由于受收鏈裝置及進(jìn)出車(chē)時(shí)間的限制，立體車(chē)庫(kù)一般為2～4層(國(guó)家規(guī)定最高為4層)，以2, 3層者居多。下面以2×3升降橫移式立體車(chē)庫(kù)為例來(lái)說(shuō)明其布局方案的選擇。

由式(1)可知,2×3的立體車(chē)庫(kù)的總車(chē)位容量為5個(gè)，說(shuō)明有一個(gè)空位，這個(gè)空位置是不停車(chē)的，那么這個(gè)空位應(yīng)該放在哪個(gè)位置？如果不考慮其他因素，這個(gè)空位可以是6個(gè)停車(chē)位的任意一個(gè)。 根據(jù)上面的調(diào)度算法，要把車(chē)停到這個(gè)車(chē)庫(kù)的任何一個(gè)位置，都要遵循一定的原則，都要把載車(chē)板進(jìn)行上下或者左右平移。假如停車(chē)庫(kù)的狀態(tài)如圖1a所示，除了202之外，其他位置都有車(chē)，現(xiàn)在要將車(chē)放在202上，則根據(jù)上面的調(diào)度算法，應(yīng)先將202下面的車(chē)移開(kāi)，將103上移，102右移，如圖1b所示，最后將202降至底層，如圖1c所示，車(chē)停在202上，托盤(pán)復(fù)位，如圖1d所示。根據(jù)這種移動(dòng)方法，分別討論了這6種布局方案要把車(chē)移動(dòng)到任何一個(gè)位置所用的步數(shù)，這樣就可以找出一種最佳布局方案，圖2就是找出最佳方案的流程。

圖1 1種移動(dòng)方法

通過(guò)對(duì)載車(chē)板移動(dòng)的步數(shù)比較，就可以找出最佳布局方案，圖2所示的這種方案載車(chē)板移動(dòng)的步數(shù)最少，布局簡(jiǎn)單，節(jié)省資源。

2 控制方案設(shè)計(jì)

目前，市面上立體車(chē)庫(kù)常用的控制系統(tǒng)大概有以下3種：

a.以單片機(jī)作為核心的控制系統(tǒng)。這在早期的立體車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的較多，用單片機(jī)制作的主控板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)和器件質(zhì)量等因素的影響，導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高，不易擴(kuò)展，對(duì)環(huán)境依賴(lài)性強(qiáng),并且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間的工作性能會(huì)大幅度降低，現(xiàn)在很少立體車(chē)庫(kù)以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。

b.以DSP作為核心的控制系統(tǒng)。DSP的運(yùn)算能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，但其價(jià)格也比較昂貴，并且車(chē)庫(kù)的控制器都只需做一些簡(jiǎn)單的運(yùn)算，不需要DSP這強(qiáng)大的控制器，所以現(xiàn)在DSP也很少在立體車(chē)庫(kù)的控制系統(tǒng)中應(yīng)用。

c.以PLC作為核心的控制系統(tǒng)。這是現(xiàn)在立體車(chē)庫(kù)的主流控制方式，PLC由于其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)算能力也可以滿足立體車(chē)庫(kù)的運(yùn)算要求，并且價(jià)格適中，所以現(xiàn)在大部分立體車(chē)庫(kù)的控制系統(tǒng)都選用PLC作為控制器的核心。因此，選用國(guó)產(chǎn)PLC 可編程控制器 hw-32MT-2PG作為控制器的核心。

當(dāng)布局方案和控制器確定后，就是控制方案的確定，系統(tǒng)所研究的立體車(chē)庫(kù)的總體控制方案如圖3所示。

圖3 總體方案控制流程

總體控制方案由控制系統(tǒng)和刷卡顯示系統(tǒng)2部分組成。

控制系統(tǒng)的核心是PLC[7]，由于是6個(gè)車(chē)位的控制，可用1個(gè)PLC控制2個(gè)車(chē)位，這樣就需要3個(gè)PLC，這種控制方式簡(jiǎn)單易行。系統(tǒng)所用的PLC是國(guó)產(chǎn)PLC 可編程控制器 hw-32MT-2PG，這種PLC便宜實(shí)用，并且可以滿足控制要求。

刷卡顯示系統(tǒng)由射頻讀卡器和單片機(jī)組成，射頻讀卡器可方便車(chē)主的存取車(chē)，車(chē)主只需刷卡便可存取車(chē)。系統(tǒng)用的射頻讀卡器是USB射頻卡RFID讀寫(xiě)器(YW-605-USB)，這種讀卡器不僅價(jià)格便宜，而且容易二次開(kāi)發(fā)，通信方式也很強(qiáng)大。單片機(jī)是用來(lái)接外部設(shè)備的，這樣可以方便地對(duì)車(chē)庫(kù)進(jìn)行控制，還可以實(shí)時(shí)地更新車(chē)庫(kù)的各種信息。所用的單片機(jī)的型號(hào)是STM32神舟III號(hào)開(kāi)發(fā)板(STM32F103ZET6)，價(jià)格也很便宜。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)原理

立體車(chē)庫(kù)是一種機(jī)電結(jié)合的產(chǎn)品，在控制系統(tǒng)的管理下來(lái)完成各種車(chē)型的存儲(chǔ)和取出。一般來(lái)說(shuō)，基于可編程控制器PLC的控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)和滿足立體車(chē)庫(kù)高性能的使用要求。但是，因?yàn)镻LC控制其顯示和文字處理功能比較差，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，而PC技術(shù)具有非常優(yōu)良的顯示和文字處理功能，且易于互相聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。為了便于管理和維護(hù)，并能通過(guò)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)車(chē)庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，整個(gè)立體車(chē)庫(kù)的控制系統(tǒng)以觸摸屏為用戶人機(jī)界面，以可編程控制器PLC為主控制器進(jìn)行前端控制，并通過(guò)人機(jī)界面上的控制按鈕，由工作人員現(xiàn)場(chǎng)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)庫(kù)的管理和控制。采用PC機(jī)為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)，兩者之間的通信由PLC的串行通信、適配器模塊與PC機(jī)的RS232接口通過(guò)串行通信數(shù)據(jù)線來(lái)完成。上位機(jī)與下位機(jī)的控制過(guò)程如圖4所示。

圖4 控制過(guò)程

該立體車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)的核心是PLC，利用PLC控制托盤(pán)的上升和左右橫移，從而實(shí)現(xiàn)存車(chē)或取車(chē)動(dòng)作。系統(tǒng)中主控單元的控制對(duì)象，首先是車(chē)庫(kù)內(nèi)的橫移小電機(jī)和升降大電機(jī)，控制系統(tǒng)控制它們?cè)诓煌瑫r(shí)間實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn);其次是車(chē)庫(kù)內(nèi)的各種輔助裝置，如指示燈等。為了保證托盤(pán)能橫移到預(yù)定位置、托盤(pán)能上升或下降到準(zhǔn)確位置，采用了行程開(kāi)關(guān);為了判斷托盤(pán)上有無(wú)車(chē)輛，采用了光電開(kāi)關(guān)。為了檢測(cè)各種意外情況的發(fā)生，還配有極限斷邊鏈檢測(cè)，平移熱保護(hù)等保護(hù)措施。PLC控制系統(tǒng)的控制原理如圖5所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)原理

立體車(chē)庫(kù)的控制部分由區(qū)域控制單元和載車(chē)板控制單元組成，主機(jī)為區(qū)域控制單元，從機(jī)為各載車(chē)板控制單元，它們之間采用RS232電路進(jìn)行串行通信。

3.2 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.2.1 主程序流程

主程序設(shè)計(jì)主要就是所有車(chē)位的存取車(chē)操作，當(dāng)做出存取車(chē)的動(dòng)作過(guò)后，控制系統(tǒng)就要進(jìn)入存取車(chē)子程序，進(jìn)行存取車(chē)動(dòng)作。主程序操作流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

3.2.2 二層停車(chē)流程

由于所研究的立體車(chē)庫(kù)只有2層，根據(jù)停車(chē)要求，一層停車(chē)位只需在指定的位置停放，二層停車(chē)位需考慮201，202和203的停車(chē)流程。二樓存取車(chē)主流程如圖7所示。

圖7 二層存取車(chē)流程

在這個(gè)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，所用的各種元器件都應(yīng)具有斷電保持功能，當(dāng)系統(tǒng)斷電過(guò)后，應(yīng)保存斷電前的狀態(tài)，保存現(xiàn)場(chǎng)信息。當(dāng)上電過(guò)后，繼續(xù)完成被中斷的動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生意外故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)終止并保存現(xiàn)場(chǎng)信息。當(dāng)電機(jī)或者機(jī)械發(fā)生故障時(shí)，如電機(jī)過(guò)載，過(guò)熱時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警[8]。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面

上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面應(yīng)包括1個(gè)主界面，3個(gè)切換畫(huà)面，主界面上設(shè)置了存車(chē)界面、取車(chē)界面和幫助界面3個(gè)切換界面，并且有相應(yīng)的文字提示該畫(huà)面。通過(guò)主界面可以方便地看出車(chē)庫(kù)車(chē)位的停車(chē)情況，并進(jìn)行相應(yīng)的按鈕操作就可以完成存車(chē)或者取車(chē)操作。幫助畫(huà)面可以提供一些文字說(shuō)明，供使用者參考。在主界面上還設(shè)置有綜合報(bào)警按鈕，如果有突發(fā)情況，會(huì)立即報(bào)警。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種升降橫移式立體車(chē)庫(kù)的布局方案及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)車(chē)庫(kù)布局方案及總體控制方案的研究，從理論上證明了這套方案的可實(shí)施性。并且該立體車(chē)庫(kù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行容量和空間的擴(kuò)充。這套方案可以降低生產(chǎn)成本，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

[1] 徐培萬(wàn).立體停車(chē)庫(kù)的發(fā)展及市場(chǎng)前景[J].國(guó)外科技動(dòng)態(tài),2000(5):28-29.

[2] 國(guó)家機(jī)械工業(yè)局.JB/T 8910-1999升降橫移類(lèi)機(jī)械式停車(chē)設(shè)備[S].北京:國(guó)際機(jī)械工業(yè)局,1999.

[3] 付翠玉，關(guān)景泰.立體車(chē)庫(kù)的發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005(9)：156-157.

[4] 閏宏偉，潘宏俠.立體停車(chē)庫(kù)在中國(guó)的發(fā)展前景[J].建筑機(jī)械化，2004(3)：49-51.

[5] 賀文華.升降橫移式立體車(chē)庫(kù)的控制研究與仿真實(shí)現(xiàn)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

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[7] 李雪雪，柯尊忠.PLC在立體車(chē)庫(kù)自動(dòng)控制中的應(yīng)用研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2003(2)：7-8.

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One Kind of Lifting and Transferring Parking Equipment Layoutand Research on Control Method

XIEZhiyan,MAXunming,XIAOLiang

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048,China)

This article introduced a PLC-based control of intelligent solid garage, at first studiedthe layout of the intelligent solid garage and then through comparative analysis found an optimal layout scheme.Then discuss the overall control of intelligent solid garage solutions and the design of PLC control system. Theoretical analysis and practice has proved that through the intelligent control of this solid garage can facilitate the realization of access to car and operate very simple.

solid garage;layout;intelligent control;access to car

2014-05-05

TP27

A

1001-2257(2014)09-0035-04

謝志宴(1988-)，男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制；馬訓(xùn)鳴(1963-)，男，陜西西安人，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制和液壓。