一种升降横移式立体车库的布局及控制方法研究

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(西安工程大学机电工程学院，陕西 西安 710048)

一种升降横移式立体车库的布局及控制方法研究

谢志宴，马训鸣，肖亮

(西安工程大学机电工程学院，陕西 西安 710048)

介绍了一种基于PLC控制的智能立体车库，研究了立体车库的布局情况，通过对比分析找出了一种最优布局方案。讨论了立体车库的总体控制方案及PLC控制系统的设计。经过理论分析和实践证明，此立体车库通过智能控制，能方便地实现存取车操作。

立体车库;布局;智能控制;存取车

0 引言

近年来，随着科学技术的日益进步，汽车的制造成本越来越低，国内汽车数量急剧增多，许多城市出现了停车难问题，传统平面停车场的空间利用率和管理系统的运用效率都无法满足需求。这样随之而来的出现了立体车库，立体车库以其占地面积少、停车率高、布置灵活、高效低耗、性价比高和安全可靠等优点，越来越受到人们的青睐。目前市面上常用的智能立体车库大概有8种：升降横移式、垂直循环式、多层循环式、水平循环式、平面移动式、巷道堆剁式、垂直升降式和简易升降式等[1]。其中升降横移式立体车库的规模可大可小，对场地的适应性强，并且操作简单，安全可靠，造价低[2-3]。基于这些优点，升降横移式立体车库是目前市场上占有率最高的一种形式[4]。

因此，以升降横移式立体车库为例，分析了车库的调度算法及布局方案的选择，并进一步研究了车库的PLC控制系统,从而为设计人员提升车库的性能及降低成本作参考。

1 立体车库的调度算法研究及布局方案选择

1.1 立体车库调度算法研究

升降横移式机械停车库利用托盘移位产生垂直通道，实现多层车位升降存取车辆。

升降横移式立体车库车位结构为A×B二维矩阵形式，可设计为多层、多列，车库提供的总车位容量为[5]:

Q=A×B-A+1

(1)

A为二维矩阵的行，即车库的层数；B为二维矩阵的列，即车库的列数。

升降横移立体车库结构特点是:底层只能平移，顶层只能升降。车库中必须预留一定的空位，供进出车升降之用。当底层车位要存取车时，无需移动其他托盘就可直接进出车；顶层进出车时，先要判断其对应的下方位置是否为空，不为空时要进行相应的平移处理，直到下方为空才可进行下降和进出车动作。

按照车库的这些限制条件，要对载车板进行存取车的操作，必须要使该载车板位于地面层。这样，该种车库的调度算法就变为如何移动载车板，以最少的动作步数，来完成使目标载车板下降到地面层的空的通道[6]。

通过分析，可把车库位置定义成数组的形式，该数组中的元素值即为车库当前的排布车位的车位号，从而得到下面的立体车库调度算法：

图2 布局方案选择

a.目标载车板如果在车库底层，可以直接存取车，车库不用运行。

b.其他情况下，都要把底层对应的空位腾出来，供目标载车板停放使用。

c.把在底层但不属于底层的载车板送回原位置，为下面的其他动作腾出空位。

d.找出空的位置，与目标载车板下方的车位号比较，决定左移、右移还是静止不动，直至把在目标载车板下方的车位移空为止。

e.最后一步是把目标载车板下降到地面层，供用户存取车使用。

1.2 立体车库布局方案选择

由于受收链装置及进出车时间的限制，立体车库一般为2～4层(国家规定最高为4层)，以2, 3层者居多。下面以2×3升降横移式立体车库为例来说明其布局方案的选择。

由式(1)可知,2×3的立体车库的总车位容量为5个，说明有一个空位，这个空位置是不停车的，那么这个空位应该放在哪个位置？如果不考虑其他因素，这个空位可以是6个停车位的任意一个。 根据上面的调度算法，要把车停到这个车库的任何一个位置，都要遵循一定的原则，都要把载车板进行上下或者左右平移。假如停车库的状态如图1a所示，除了202之外，其他位置都有车，现在要将车放在202上，则根据上面的调度算法，应先将202下面的车移开，将103上移，102右移，如图1b所示，最后将202降至底层，如图1c所示，车停在202上，托盘复位，如图1d所示。根据这种移动方法，分别讨论了这6种布局方案要把车移动到任何一个位置所用的步数，这样就可以找出一种最佳布局方案，图2就是找出最佳方案的流程。

图1 1种移动方法

通过对载车板移动的步数比较，就可以找出最佳布局方案，图2所示的这种方案载车板移动的步数最少，布局简单，节省资源。

2 控制方案设计

目前，市面上立体车库常用的控制系统大概有以下3种：

a.以单片机作为核心的控制系统。这在早期的立体车库控制系统中应用的较多，用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构和器件质量等因素的影响，导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,并且开发周期长，长时间的工作性能会大幅度降低，现在很少立体车库以单片机作为控制系统的核心。

b.以DSP作为核心的控制系统。DSP的运算能力强，运行速度快，对环境的适应能力强，但其价格也比较昂贵，并且车库的控制器都只需做一些简单的运算，不需要DSP这强大的控制器，所以现在DSP也很少在立体车库的控制系统中应用。

c.以PLC作为核心的控制系统。这是现在立体车库的主流控制方式，PLC由于其可靠性高，抗干扰能力强，运算能力也可以满足立体车库的运算要求，并且价格适中，所以现在大部分立体车库的控制系统都选用PLC作为控制器的核心。因此，选用国产PLC 可编程控制器 hw-32MT-2PG作为控制器的核心。

当布局方案和控制器确定后，就是控制方案的确定，系统所研究的立体车库的总体控制方案如图3所示。

图3 总体方案控制流程

总体控制方案由控制系统和刷卡显示系统2部分组成。

控制系统的核心是PLC[7]，由于是6个车位的控制，可用1个PLC控制2个车位，这样就需要3个PLC，这种控制方式简单易行。系统所用的PLC是国产PLC 可编程控制器 hw-32MT-2PG，这种PLC便宜实用，并且可以满足控制要求。

刷卡显示系统由射频读卡器和单片机组成，射频读卡器可方便车主的存取车，车主只需刷卡便可存取车。系统用的射频读卡器是USB射频卡RFID读写器(YW-605-USB)，这种读卡器不仅价格便宜，而且容易二次开发，通信方式也很强大。单片机是用来接外部设备的，这样可以方便地对车库进行控制，还可以实时地更新车库的各种信息。所用的单片机的型号是STM32神舟III号开发板(STM32F103ZET6)，价格也很便宜。

3 PLC控制系统设计

3.1 PLC控制系统原理

立体车库是一种机电结合的产品，在控制系统的管理下来完成各种车型的存储和取出。一般来说，基于可编程控制器PLC的控制系统能够适应和满足立体车库高性能的使用要求。但是，因为PLC控制其显示和文字处理功能比较差，难以实现网络化管理，而PC技术具有非常优良的显示和文字处理功能，且易于互相联网通信，实现网络化管理。为了便于管理和维护，并能通过PC机实现车库的数据库管理功能，整个立体车库的控制系统以触摸屏为用户人机界面，以可编程控制器PLC为主控制器进行前端控制，并通过人机界面上的控制按钮，由工作人员现场操作来实现对车库的管理和控制。采用PC机为上位机，PLC为下位机，两者之间的通信由PLC的串行通信、适配器模块与PC机的RS232接口通过串行通信数据线来完成。上位机与下位机的控制过程如图4所示。

图4 控制过程

该立体车库控制系统的核心是PLC，利用PLC控制托盘的上升和左右横移，从而实现存车或取车动作。系统中主控单元的控制对象，首先是车库内的横移小电机和升降大电机，控制系统控制它们在不同时间实现正反转;其次是车库内的各种辅助装置，如指示灯等。为了保证托盘能横移到预定位置、托盘能上升或下降到准确位置，采用了行程开关;为了判断托盘上有无车辆，采用了光电开关。为了检测各种意外情况的发生，还配有极限断边链检测，平移热保护等保护措施。PLC控制系统的控制原理如图5所示。

图5 PLC控制系统原理

立体车库的控制部分由区域控制单元和载车板控制单元组成，主机为区域控制单元，从机为各载车板控制单元，它们之间采用RS232电路进行串行通信。

3.2 PLC控制系统软件设计3.2.1 主程序流程

主程序设计主要就是所有车位的存取车操作，当做出存取车的动作过后，控制系统就要进入存取车子程序，进行存取车动作。主程序操作流程如图6所示。

图6 主程序流程

3.2.2 二层停车流程

由于所研究的立体车库只有2层，根据停车要求，一层停车位只需在指定的位置停放，二层停车位需考虑201，202和203的停车流程。二楼存取车主流程如图7所示。

图7 二层存取车流程

在这个程序设计过程中，所用的各种元器件都应具有断电保持功能，当系统断电过后，应保存断电前的状态，保存现场信息。当上电过后，继续完成被中断的动作；当发生意外故障时，系统会自动终止并保存现场信息。当电机或者机械发生故障时，如电机过载，过热时，系统会自动报警[8]。

3.3 上位机监控画面

上位机监控画面应包括1个主界面，3个切换画面，主界面上设置了存车界面、取车界面和帮助界面3个切换界面，并且有相应的文字提示该画面。通过主界面可以方便地看出车库车位的停车情况，并进行相应的按钮操作就可以完成存车或者取车操作。帮助画面可以提供一些文字说明，供使用者参考。在主界面上还设置有综合报警按钮，如果有突发情况，会立即报警。

4 结束语

提出了一种升降横移式立体车库的布局方案及控制系统设计方法。通过对车库布局方案及总体控制方案的研究，从理论上证明了这套方案的可实施性。并且该立体车库可根据实际情况进行容量和空间的扩充。这套方案可以降低生产成本，具有一定的市场推广价值。

[1] 徐培万.立体停车库的发展及市场前景[J].国外科技动态,2000(5):28-29.

[2] 国家机械工业局.JB/T 8910-1999升降横移类机械式停车设备[S].北京:国际机械工业局,1999.

[3] 付翠玉，关景泰.立体车库的发展现状与挑战[J].机械设计与制造，2005(9)：156-157.

[4] 闰宏伟，潘宏侠.立体停车库在中国的发展前景[J].建筑机械化，2004(3)：49-51.

[5] 贺文华.升降横移式立体车库的控制研究与仿真实现[D].西安：长安大学，2006.

[6] 方二喜.立体车库控制器设计及其算法研究[D].苏州：苏州大学，2006.

[7] 李雪雪，柯尊忠.PLC在立体车库自动控制中的应用研究[J].机电产品开发与创新，2003(2)：7-8.

[8] 赫英歧，徐建高.PLC在立体停车库控制系统中的应用[J].机电信息，2010(6)：117-118.

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

谢志宴(1988-)，男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为机电控制；马训鸣(1963-)，男，陕西西安人，教授，研究方向为机电控制和液压。