停車設備的分布式控制系統(tǒng)

梁崇彥佛山市恒進智能停車技術有限公司

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停車設備的分布式控制系統(tǒng)

梁崇彥
佛山市恒進智能停車技術有限公司

摘要：現(xiàn)有的停車設備采用整體式控制系統(tǒng)，存在規(guī)模大、連接線纜多、控制復雜、成本高、須專門設計、難以標準化生產、安裝施工難度大、維修不方便等缺點，而上述缺點在升降橫移停車設備表現(xiàn)得尤為突出。本文提出的解決方案是：采用一個主控裝置和若干個終端裝置組成分布式控制系統(tǒng)，主控裝置的PLC芯片或者單片機只需少量輸入/輸出端口，一種規(guī)格的主控裝置可滿足不同層數(shù)和不同載車板個數(shù)所需；終端裝置按同時滿足一個載車板的升降控制和橫移控制進行標準化設計，停車設備需要增加或者減少載車板，只需同時增加或者減少終端裝置而無需改動主控裝置，做到模塊化、標準化設計，零部件互換性強；而形式上的串聯(lián)總線布局又使得布線數(shù)量大幅減少，布線距離也大大縮短，為安裝施工、調試檢修帶來莫大的便利。作者基于上述方案已申報國家發(fā)明專利。

關鍵詞：停車設備；升降橫移；控制系統(tǒng)；整體式；分布式；PLC；單片機

緒論

目前停車設備采用整體式控制系統(tǒng)。其中，應用最廣泛的升降橫移停車設備采用以PLC裝置為主控芯片的整體式控制系統(tǒng)，每一個載車板的升降電機驅動、橫移電機驅動以及防墜器驅動都由PLC裝置分別輸出信號控制；每一個載車板涉及的I/O信號點均分別接到PLC裝置的輸入端口，再加上公共用途以及設備其他設施的信號接入，需要占用PLC裝置的I/O端口多、控制模塊規(guī)模大、連接線纜多、控制復雜，而且，由于具體項目存在載車板數(shù)量及層數(shù)的差異，使得整體式控制系統(tǒng)不得不專門設計，更進一步增加成本。

本文所述方案是把升降橫移停車設備原來的整體式控制系統(tǒng)拆分為由一個主控裝置和若干個終端裝置，一個終端裝置對應一個載車板，即每一個載車板均視為被一個終端裝置控制的單元。終端裝置的第一個任務是當主控裝置選中對應載車板時往上報送載車板的信息、使得主控裝置獲得載車板當前狀態(tài)；第二個任務是當主控裝置選中對應載車板時接收主控裝置的驅動信號、使得載車板動作。上述功能的實現(xiàn)是主控裝置與各終端裝置之間形式上為總線串聯(lián)方式連接，所有載車板的信號線都通過終端裝置接入到信號總線，該信號總線最終接入主控裝置；主控裝置除了接入信號總線之外，只需再接入公共的信號源。這樣，整個控制系統(tǒng)將非常簡潔、信號線的數(shù)量將大幅減少，且易于實現(xiàn)模塊化、標準化設計，零部件的互換性極強。本文所述方案的思路同樣適用于其他類型的停車設備。

一、停車設備和升降橫移停車設備

停車設備的全稱是機械式停車設備，是一種多平面的空間立體車庫，它以單層平面停車庫為核心，通過機電系統(tǒng)來實現(xiàn)車位的空間位置變動，使車位實現(xiàn)由空間到平面的轉化，從而實現(xiàn)多層平面停車的功能，具有占地少、停車多、投資少、停車方式先進等優(yōu)點。立體車庫主要由控制系統(tǒng)、強電系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)和檢測及安全系統(tǒng)組成。按照我國相關標準，分為升降橫移類、平面移動類、垂直升降類、簡易升降類等類型。在國內，又以升降橫移類、平面移動類和垂直升降類的應用最為普遍。升降橫移類停車設備對場地的適應性較強，對土建要求較低，可在露天、地下室建造，也可設計成半地下式，規(guī)模可大可小，層數(shù)可多可少，根據(jù)不同的地形和空間進行任意組合、排列，空間利用率高，使用、維護簡便，價格較低。市場占有率在80％左右。

目前，升降橫移停車設備采用以PLC裝置為主控芯片的整體式控制系統(tǒng)，每一個載車板的升降電機驅動、橫移電機驅動以及防墜器驅動，都由PLC裝置分別輸出信號控制；每一個載車板升降動作的到位或超限、防墜器的到位或故障、橫移動作的到位或超限，相關信號點均分別接到PLC裝置的輸入端口，加上急停開關、人車誤入檢測和人機界面裝置等信號的接入，需要占用PLC裝置較多的輸入、輸出端口，使得整體式控制系統(tǒng)的控制模塊規(guī)模大、連接線纜多、控制復雜、成本高，且須根據(jù)具體情況專門設計，難以標準化生產，安裝施工難度大、維修不方便。

二、升降橫移停車設備控制系統(tǒng)的改進分析

升降橫移停車設備控制系統(tǒng)貌似復雜，但換一種角度、從控制對象來看，可以分為直接與載車板相關的個體控制以及與全部載車板相關的綜合控制兩大部分。

直接與載車板相關的個體控制存在較多的共通性。一個完整載車板的位置調度功能為分別作橫向移動和垂直移動，通過驅動信號的輸出進行橫移驅動、升降驅動以及與之配合的防墜器驅動來實現(xiàn)。一個完整載車板的狀態(tài)信息需要通過與之對應的檢測信號來描述，這些信號包括左移到位、左移超限、右移到位、右移超限、下降到位、下降超限、上升到位、上升超限以及與之配合的防墜器打開到位。按傳統(tǒng)做法，上述所有信號都要分別接入控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)用于直接控制載車板所需的I/O管腳接入點是單個載車板需要數(shù)量乘以載車板數(shù)量，而載車板分別布置在設備不同位置的各空間區(qū)域。因此，控制系統(tǒng)所需信號線數(shù)量較多、且布線復雜。

與全部載車板相關的綜合控制，所需的I/O管腳接入點則相對較少，通常包括主電源控制、電源相位轉換控制等在內的強電控制，以及急停開關、人車誤入檢測、警示裝置、人機界面裝置的信號接入及向控制。控制系統(tǒng)的主要控制功能是對人機界面裝置接收到的載車板調度指令進行分析，通過收集相關載車板當前狀態(tài)信息、得出相關載車板的運行規(guī)劃，然后逐一實施驅動控制。在運行過程中，需要動態(tài)收集相關載車板的當前運行信息并及時作出處置，還要及時監(jiān)測設備其他設施特別是安全設施、綜合狀態(tài)檢測裝置的信號，并及時作出處置。

很明顯，上述分析其中“直接與載車板相關的個體控制存在較多的共通性”的結論可以作為控制系統(tǒng)改進的切入點。具體做法是：設計出一種升降橫移停車設備的分布式控制系統(tǒng)，把傳統(tǒng)的整體式控制系統(tǒng)按功能和安裝位置巧妙地拆分為主控裝置和終端裝置兩大部份；主控裝置的主控芯片采用簡單型式的PLC芯片或者單片機芯片，主控裝置負責與全部載車板相關的綜合控制，所有與綜合控制有關的I/O信號全部接入主控裝置的I/O接口管腳。另外，把主控裝置通過指令強電控制單元輸出的驅動載車板電機運行的電機電源、相關電氣元器件工作所需的控制電源以及直接從主控裝置輸出的控制載車板的指令均作為公共資源同時向所有終端裝置輸出；使用二進制編碼按照具體需要每次選中指定的終端裝置和對應的載車板，僅接受由選中終端裝置處理過的本級載車板狀態(tài)信號。因此，主控裝置所需I/O端口的數(shù)量大幅減少，且其規(guī)模大小與設備層數(shù)及載車板個數(shù)無關，可以標準化設計。終端裝置則按同時滿足一個載車板的升降控制和橫移控制進行標準化設計，多個終端裝置之間采用逐級聯(lián)結方式連接，停車設備需要增加或者減少載車板，只需同時增加或者減少終端裝置而無需改動主控裝置，即一種規(guī)格的主控裝置可滿足不同層數(shù)和不同載車板個數(shù)所需，做到模塊化、標準化設計和制作。由于載車板之間的空間距離較短，因此，可以采用經各級終端裝置光電耦合輸入和信號放大輸出的并行總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑瑵M足高速、同步的目的。

三、分布式控制系統(tǒng)構成示意圖

下面是升降橫移停車設備分布式控制系統(tǒng)的構成示意圖。

從圖中可以看出，升降橫移停車設備控制系統(tǒng)分為一個主控裝置和若干個終端裝置組成，圖示右上角設置有主控裝置，圖示左側為若干個終端裝置，可以看出，圖示載車板1對應終端裝置1、兩者之間通過狀態(tài)信號內部總線和控制信號內部總線連接；類似的內部連接也在載車板2和端裝置2、載車板N和終端裝置N之間實現(xiàn)；所有終端裝置之間通過往上級狀態(tài)信號總線和往下級控制信號總線逐級連接，最接近主控裝置的一級（即圖示的終端裝置1）與主控裝置連接。

主控裝置的I/O端口的連接方式是：連接強電控制單元，通過對強電控制單元的控制，使得強電控制單元通過公共電源總線統(tǒng)一向各終端裝置輸出；與人車誤入檢測、急停開關、人機界面等與全部載車板相關的綜合控制設施連接，實現(xiàn)綜合控制；通過片選信號總線向每一個終端裝置輸出相同的片選信號；通過控制信號輸出總線向終端裝置1輸出控制信號，并通過終端裝置之間的往下級控制信號總線逐級傳遞、最后接至末級的終端裝置；各終端裝置的狀態(tài)信號通過終端裝置之間的往上級狀態(tài)信號總線逐級傳遞，最終由終端裝置1通過狀態(tài)信號輸入總線接入主控裝置。

每一個終端裝置具備的基本功能是：第一，設置有通過片選使能的兩路輸入選擇器，兩路輸入選擇器的其中一路與對應載車板的所有狀態(tài)檢測裝置的信號輸出端連接，直接接收這些狀態(tài)檢測裝置的信號輸入，另一路與下一級終端裝置的狀態(tài)信號總線連接；當控制裝置的片選信號選中該終端裝置，則該兩路輸入選擇器選擇本終端裝置對應的載車板的所有狀態(tài)檢測裝置的信號對外輸出；當控制裝置的片選信號未能選中該終端裝置，則該兩路輸入選擇器選擇下一級終端裝置的狀態(tài)信號總線的信號對外輸出。第二，設置有通過片選使能的兩路輸出選擇器，兩路輸出選擇器的其中一路與對應載車板運行單元的所有驅動信號輸入端連接，直接向這些運行單元輸出驅動信號；另一路與上一級終端裝置（第一個終端裝置的上一級終端裝置是主控裝置！）的控制信號總線連接；當控制裝置的片選信號選中該終端裝置，則該兩路輸出選擇器選擇從上一級終端裝置（第一個終端裝置的上一級終端裝置是主控裝置！）的控制信號總線接收到的控制信號直接向連接本終端裝置的對應載車板的運行單元輸出；當控制裝置的片選信號未能選中該終端裝置，則該兩路輸出選擇器向下一級終端裝置的控制信號總線原樣輸出的信號輸出從上一級終端裝置（第一個終端裝置的上一級終端裝置是主控裝置！）的控制信號總線接收到的控制信號。上述結果使得主控裝置通過片選即可獲得指定載車板的狀態(tài)檢測信號，通過片選即可向指定載車板發(fā)出驅動控制信號。

四、分布式控制系統(tǒng)應用舉例

假設主控裝置需要讀取載車板N的狀態(tài)信息，則首先通過片選信號輸出觸發(fā)載車板N對應的終端裝置N設置的兩路輸入選擇器，使得該兩路輸入選擇器的輸入端接收與載車板N連接的所有狀態(tài)檢測裝置的信號輸出端的狀態(tài)信號，然后向上一級終端裝置（即終端裝置2）的狀態(tài)信號總線輸出。而主控裝置通過片選信號總線發(fā)出的片選信號由于不能觸發(fā)終端裝置2設置的兩路輸入選擇器，故使得該兩路輸入選擇器的接收與載車板2連接的狀態(tài)輸入端信號被屏蔽，而選擇從下一級終端裝置（即終端裝置2）的狀態(tài)信號總線接收到的輸出信號，然后向上一級終端裝置（即終端裝置1）的狀態(tài)信號總線輸出。同理，主控裝置通過片選信號總線發(fā)出的片選信號由于不能觸發(fā)終端裝置1設置的兩路輸入選擇器，故使得該兩路輸入選擇器的接收與載車板1連接的狀態(tài)輸入端信號被屏蔽，而選擇從下一級終端裝置（即終端裝置1）的狀態(tài)信號總線接收到的輸出信號，然后向上一級終端裝置（即主控裝置）的狀態(tài)信號總線輸出。至此，主控裝置即從狀態(tài)信號總線獲得載車板N的狀態(tài)信息。

假設主控裝置需要驅動載車板2，則首先通過片選信號輸出觸發(fā)載車板2對應的終端裝置2設置的兩路輸出選擇器，使得該兩路輸出選擇器的輸出端向與載車板2連接的運行單元的輸出驅動信號。而主控裝置通過片選信號總線發(fā)出的片選信號由于不能觸發(fā)終端裝置1設置的兩路輸出選擇器，故使得該兩路輸出選擇器的輸出端將從上一級終端裝置（即主控裝置）的控制信號總線接收到的控制信號輸出直接向下一級終端裝置（即終端裝置2）的控制信號總線發(fā)送；因此，終端裝置2設置的兩路輸出選擇器向載車板2的運行單元輸出的驅動信號就是主控裝置發(fā)出的運行控制信號。由于主控裝置通過片選信號總線發(fā)出的片選信號不能觸發(fā)終端裝置N設置的兩路輸出選擇器，故該兩路輸出選擇器接收到從上一級終端裝置（即終端裝置2）的控制信號總線發(fā)來的控制信號不起作用。

當然，一個完善的控制系統(tǒng)還要適當增加信息反饋機制，使得片選信號選中的終端裝置能夠向主控裝置發(fā)出就緒信號，以便主控裝置據(jù)此判別片選是否成功，并且進行下一步的操作。

上述技術方案的終端裝置全部采用普通的邏輯電路芯片。另一個技術方案是采用單片機作為終端裝置的控制芯片，終端裝置之間的信息交互或改為抗干擾能力更強的串行通訊，每個終端裝置所控制的載車板則適當增加。而且，相關技術方案除了可以應用在升降橫移停車設備之外，同樣適用其他類型的停車設備。

參考文獻：

[1]《機械式停車設備類別、型式與基本參數(shù)》JB/T8731-1998

[2]《升降橫移類機械式停車設備》JB/T8910-1999