巷道堆垛式立体车库智能系统的设计与实现.pdf

巷道堆垛式立体车库智能系统的设计与实现郭艺丹,孟江波(安徽国防科技职业学院,安徽 六安 ;河南工学院 车辆与交通工程学院,河南 新乡 )摘要:设计了巷道堆垛式立体车库智能控制系统,以P L C为主控制器,基于射频技术自动识别车辆信息,利用步进和伺服电机控制堆垛机的行走、升降、伸缩和旋转来实现智能存取车,触摸屏界面实时显示各车位信息.并搭建了半实物模型,测试表明该系统运行平稳可靠、易于操作,交叉存取策略比单次存取车的效率提高了 以上,值得推广应用.关键词:R F I D;P L C;立体车库;控制系统;堆垛机中图分类号:T P 文献标识码:A 文章编号:()引言近些年,家用汽车数量连续增长,停车日益困难.传统车库占地空间大,入库存取车费时,这促使了最大限度利用空间的智能立体车库市场迅速发展,智能立体车库是将存车、取车、监控、管理融为一体的综合性自动化系统,具有使用方便、管理智能的优势,智能立体车库的应用能有效缓解城市停车泊位不足、交通拥堵等问题.射 频 识 别(R a d i o F r e q u e n c yI d e n t i f i c a t i o n,R F I D)是一种非接触、近距离无线通信技术,可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,实现物与网络之间双向数据交互和动态管理,在制造业领域,R F I D与可编程序控制器(P r o g r a mm a b l eL o g i cC o n t r o l l e r,P L C)的融合有助于实现生产数据的在线监控管理.目前,以单片机作为主控制器的建设的立体车库一般是小型车库,而且单片机的稳定性和抗干扰能力不如P L C;一些使用P L C的立体车库主要将其应用于结构、存取车策略和控制系统上.本文基于P L C和R F I D进行巷道堆垛式立体车库系统的设计,以R F I D自动识别带有电子标签的车辆,以三菱P L CF X U MR为主控制 器,以MC G S(M o n i t o ra n dC o n t r o lG e n e r a t e dS y s t e m)组态软件为上位机监控,实现车牌信息的自动识别与车辆智能存取,以期为智能立体车库提供切实可行的解决方案.系统总体方案设计 巷道堆垛式立体车库结构设计巷道堆垛式立体车库设置成A B两栋,每栋为层列,两栋一共 个车位.每个车位都装设有光电传感器,检测车位是否已停车.车库分布示意图如图所示.图车位分布示意图立体车库是狭窄的三维空间,堆垛机需要在三维空间内做行走、升降、旋转、伸缩的准确移动.系统采用伺服电机控制升降和旋转运动,采用步进电机控制伸缩和行走移动.通过P L C输入脉冲的频第 卷第期 年月河南工学院学报J o u r n a l o fH e n a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g yV o l N o M a y 收稿日期:基金项目:安徽省高校自然科学研究重点项目(K J A );高校优秀青年骨干人才国内外访学研修项目(g x g n f x )第一作者简介:郭艺丹(),女,河南周口人,讲师,硕士,主要从事模式识别与智能检测方向研究.通信作者简介:孟江波(),男,河南洛阳人,助教,硕士,主要从事嵌入式系统及应用方向研究.率和方向控制伺服和步进电机的转速、旋转位置和方向.为了保障步进电机在断电情况下不会倒转运行,要求步进电机具有抱闸功能,电机在通电无脉冲情况下自动抱死当前位置.初始状态,堆垛机位于车库一层,车辆开至堆垛机存车平台上,平台上有车辆停放检测传感器和车辆调整设备,堆垛机启动存车程序之前应检测车库门是否关闭、车辆是否停至规定范围内.在巷道内进行存车或取车操作可分解为行走运动用来选择车位所在的列数,伸缩运动用来将车辆推入或取出车位,升降运动用来选择存车或取车层数,旋转轴用来调整车头的方向.巷道堆垛式立体车库功能设计巷道堆垛式立体车库立足于自动化,采用射频技术识别车辆身份信息,如果与预先建立的车辆信息数据库中的信息匹配,主控制器三菱P L CF X U MR就授权堆垛机实现 车辆智能存 取.无R F I D标签或与数据库中车辆信息不匹配,系统就自动分配一个空车位,启动堆垛机的存车程序.当车主取车时,输入车位号后,P L C根据停车时间计算停车费用,车主扫码缴费,系统确认缴费成功后才允许取车.MC G S组态软件能够监控和计算R F I D读写、车库空余情况、存放时长及停车费用.系统可分为手动模式控制和自动模式控制.自动模式下系统进行自动存取车;手动模式是在异常或需调试情况下,技术人员在触摸屏界面登录用户密码并获得权限后,可以控制电机运动.立体车库控制系统整体框架如图所示.图立体车库控制系统整体框架立体车库硬件设计 P L C选型与I/O设计基于巷道堆垛式立体车库的控制要求,选择三菱P L CF X U MR为整个控制系统的核心,F X U MR为内置 入/出的继电器输出,选择F X U E X/E S扩展模块为点输入,输入扩展为 个点,能够满足车库I/O点数.P L C给各检测开关分配X X ,手动模式和自动模式开关在触摸屏上设置,不占用P L C输入,紧急停车硬件接入电路.为了避免堆垛机工作时人员进入车库中,设置红外感应器来辨别,确保车库内无人才能启动车门关闭子程序,本系统实物搭建时采用光纤传感器来代替红外感应器.R F I D选型R F I D选择晨控科技的C K F R E .这是一款高频R F I D标签读卡器,工作频率为 MH z,支持标准工业通信协议,可方便集成到P L C控制系统中,而且读卡器内部集成了射频部分通信协议,用户只需要通过以太网接收数据便能完成对标签的读取操作.车主持有的车库停车卡内置有电子标签,将卡贴近读卡器,R F I D读取电子标签信息并将信息通过T C P/I P传递给P L C.堆垛机硬件选型立体车库的堆垛机是实现智能存取车的关键设图堆垛机示意图河南工学院学报 年第期备.它是在负载较大的情况下运行,要求电机需要较大负载能力.系统采用个电机 J 实现行走、伸缩的加减速运动;个伺服电机H F KN J S 实现堆垛机的升降、旋转运动.堆垛机在运动过程中利用光电传感器实现高精度定位,依靠P L C实现运动的精准控制.堆垛机的控制方法分为手动模式和自动模式.手动模式即调试模式,通过触摸屏按钮可对步进电机和伺服电机实现单独控制的调试运动,该模式主要用于前 期安装及故 障调试.自动模式依 赖F X U MR程序设定的运动指令,实现存取车的高精度多轴运动控制.信号检测开关选型信号检测开关可以实时感知智能车库运行状态:车库门口和车库内装有个红外感应器开关E D NK用来检测车辆;自动升降门装有个上下限开关S K ;个车位和车辆入库检测采用的是反射型光电传感器Z L B ,用来检测车位是否有车辆.行走、旋转和伸缩电机上下限各采用个欧姆龙微动开关D MV,行走和旋转的原点采用的是个欧姆龙接近开关T L W MC,升降上下限和原点采 用 的 是个U型 限 位 感 应 开 关L U NA.控制系统软件配置 设备组态立体车库控制系统的读写器通过T C P与P L C通信,组态软件通过UD P与P L C通信.P L C高速I/O配置参 数如图所示:轴为行走,轴为升降,轴为伸缩,轴为旋转,个轴原点回归均采用负逻辑.图高速I/O配置参数 控制系统流程图设计巷道堆垛式立体车库存车流程图如图所示.初始状态堆垛机停放在一楼存车处,用户将车至车库前,自动感应车库门打开,车入库停放至堆垛机存取车处,系统会语音提示车辆是否存放在要求范围内.停放好车辆,车上人员走出车库,红外感应器无输出表明车库内没人,车库门关闭.用户需要在触摸屏界面按存车按钮确认存车,当购置过停车卡的用户刷卡存车时,系统自动显示停车卡绑定的车牌号和手机号,无卡用户需要在系统里输入车牌号或手机号,系统自动分配空车位,触发存车子程序,完成后堆垛机自动复位.取车控制流程图所示.有卡用户取车时,在读卡器上刷卡后,需要在触摸屏上点击取车按钮,触发取车子程序,有卡和无卡用户堆垛机取车过程相同,详见无卡堆垛机取车过程;无卡用户取车时,需输入车牌号或车位号,点击取车按钮,系统显示停车时长和停车费用.用户扫码缴费,支付成功后系统郭艺丹,等:巷道堆垛式立体车库智能系统的设计与实现启动取车子程序.取车过程中红灯亮,表明系统正在工作中,堆垛机通过行走、升降、伸缩和旋转,将车取出并停放至一层存取车处,红外感应开关检测到车辆后闭合,此时绿灯亮,车库门打开,用户取车出库,车库门关闭,取车结束.图存车控制流程图图取车控制流程图 控制系统的程序设计立体车库自动模式控制系统P L C程序由主程序如图(a)、感应门开关子程序如图(b)、存车子程序如图(c)和取车子程序如图(d)等组成.(a)主程序(b)感应门开关子程序(c)存车子程序(d)取车子程序图P L C存取车控制流程图河南工学院学报 年第期 组态软件设计与仿真运行作为上位机的MC G S型号为T P C T i,是一套 位工控组态软件,可以直观、准确地监控车库状况,人机操作界面见图.()后台车位监控界面如图(a)所示.该界面显示日期时间、车位监控情况、自动模式开关和手动模式开关.已存车位显示红色,空车位为绿色.点击自动模式开关进入图(b),点击手动模式开关进入图(c).()自动模式为存、取车系统界面如图(b)所示.界面的存车模式显示存车车牌号和手机号、存车和取车按钮,取车模式显示车牌号、车位号、车辆入库出库停放时长及费用及收费二维码等停放信息.()手动模式为调试系统,如图(c)所示,可通过操作按钮控制堆垛机的行走、伸缩、升降和旋转的正转和反转.(a)车位监控界面(b)自动存取车系统界面(c)手动模式界面图人机操作界面 半实物立体车库功能测试 模型功能验证为了验证系统功能、实现高精度控制,基于现有实验条件搭建了半实物模型.组装完成的立体车库半实物模型和电气柜如图、图 所示,该模型能实现智能存取车功能,在自动运行时,方便快捷,运行稳定.图立体车库模型图图 立体车库电气柜图以取车为例,用户在R F I D上刷卡取车,P L C系统接到取车指令后,启动堆垛机取车程序,定时器开始计时,堆垛机从一层初始位置出发,完成行走、旋转、上升、伸缩取车动作,堆垛机完成不同车位取车耗时如表所示.A栋和B栋的车位设计排序均是从左至右排列,每个车位长度为 c m,宽度为 c m,高度为 c m,表按照同层对向车位进行排列,从实验数据可以得出,单个车位取车耗时为 s.存取车策略分析实验对不同时间段的存取车策略做了分析:策略一:在非高峰期时,无论是存车还是取车,要求堆垛机在一楼存取车处“原地待命”,存车或取车所花费时间为单次存取车时间,单次存取车时间参考表.策略二:在存车高峰期,优先采用“存车优先的郭艺丹,等:巷道堆垛式立体车库智能系统的设计与实现交叉存取策略”.该策略为“存车优先交叉存取”,堆垛机将车辆送入空位后,去待取车位取车,存取车交叉进行,省去堆垛机电机回程动作以节省时间.表A、B栋车位取车耗时A栋车位A A A A A A A A A 停车耗时(秒)B栋车位B B B B B B B B B 停车耗时(秒)目前车库的A、A、B 和B 有车辆停放.假定同一时间段有辆车排队,其中辆存、辆取,取车的车位固定为A、B,存车分为两种情况:一是按照从左至右的原则,从A栋一层开始到B栋第一层,逐层存放,最后是B栋第三层,所以辆车的存车顺序为A、A、B、B.按照“存车优先交叉存取”原则,存取车顺序为:A A A(取)B B(取)B,所花费时间为 s,辆车的单次存取车总时间 s,堆垛机节省的时间为 s,效率提高了 .二是按照从下至上的原则,从A栋第一列开始到B栋第一列,逐列存放,最后是B栋第三列,所以辆车的存车顺序为A、A、B、B.存取车顺序为:A A A(取)B B(取)B,所花费时间为 s,辆车的单次存取车总时间 s,堆垛机节省的时间为 s,效率提高了 .由以上分析可知,存放车位从第一列开始的存放耗时比从第一层开始的存放耗时减少了 s.策略三:在取车高峰期,优先采用“取车优先的交叉存取策略”.该策略为“取车优先交叉存取”,系统根据存取车排队情况,优先取车,取车完成后等待车辆入库启动存车程序,存取车交叉进行,该方法和策略相似.假定同一时间段有辆车排队,其中辆取、辆存.取车固定为B、A、B、B,存车位为A、A,则交叉存取车顺序为:B A(存)A A(存)B B,所花费时间为 s,辆车的单次存取车总时间为 s,堆垛机节省的时间为 s,效率提高了 .经过测试对比,发现采用交叉存取策略比单次存取车更节约时间,其中,按列比按层寻找空车位的存放耗时减少了 s.后面将继续研究存取车交叉进行策略,以减少车主等待时间和车库耗能.结语智能立体车库占地面积少,可以不依附于建筑,独立安装在狭窄区域,能有效缓解城市停车泊位不足的问题.本文提出的以MC G S组态软件为上位机监控平台,基于F R I D技术和P L C的巷道堆垛式智能车库控制系统,可以实现电子标签车牌信息的自动识别与车辆存取,也可以自动分配空余车位给无卡的存车用户,实现了智能存取、自动计时及收费.实验表明,该系统可监视立体车库实际运行工况,有效实现存车、取车的智能控制,单个车位取车耗时为 s.交叉存取车策略不仅能降低车库能耗还节约用户存取车时间,模型在测试中运行安全平稳可靠,值得推广应用.(责任编辑王磊)参考文献:王晓瑜基于可编程序控制器和组态软件的升降横移式立体车库监控系统设计与仿真J电气自动化,():颜明阳智能立体车库控制系统的设计与研究D上海:上海海洋大学,李学军,程红基于S P L C和R F I D的注塑模具自动化仓库系统设计J制造业自动化,():,曾鑫基于P L C的立体车库电气控制研究与实现D成都:电子科技大学,李鹏程混合立体公交车库稳定性分析研究及结构优化D太原:中北大学,张健立体车库停车场动态规划算法研究及实现D北京:北京交通大学,樊卫亚基于P L C的立体停车库自动化控制研究D天津:天津职业技术师范大学,朱奎百基于三菱P L C的立体仓储系统设计D广州:华南理工大学,游珍珍基于P L C的立体车库控制设计J湖南科技学院学报,():侯相荣立体混合车库搬运器设计及车库存取策略研究D太原:中北大学,王瑞,赵雄伟,张波波,等智能立体车库自动控制系统的设计及模拟应用J制造业自动化,():(下转第 页)河南工学院学报 年第期r e a ls t r u c t u r e o ft o b e r m o r i t e :n o r m a la n d a n o m a l o u sf o r m s,O Dc h a r a c t e r a n dp o l y t y p i cm o d i f i c a t i o n sJ E u r o p e a nJ o u r n a l o fM i n e r a l o g y,():A L L E N A,THOMA SJ,J E NN I N G S HC o m p o s i t i o na n dd e n s i t yo fn a n o s c a l e c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e i nc e m e n tJ N a t u r em a t e r i a l s,:L I UKQ,C HEXW,MAN GY,e t a l A n a l y s i s o f i n t e r f a c i a ln a n o s t r u c t u r ea n d i n t e r a c t i o nm e c h a n i s m sb e t w e e nc e l l u l o s e f i b r e sa n dc a l c i u ms i l i c a t eh y d r a t e su s i n ge x p e r i m e n t a la n dm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o nd a t aJA p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e,:WANGP,Q I A OG,Z HAN GY,e ta l M o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o ns t u d yo n i n t e r f a c i a l s h e a r s t r e n g t hb e t w e e nc a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t ea n dp o l y m e r f i b e r sJ C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,:C Y GANR T,L I AN GJJ,KA L I N I CHE V A GM o l e c u l a rM o d e l so fH y d r o x i d e,O x y h y d r o x i d e,a n dC l a yP h a s e sa n dt h eD e v e l o p m e n t o f aG e n e r a l F o r c eF i e l dJ T h e J o u r n a l o f P h y s i c a lC h e m i s t r yB,():A C K B A R OW T,C HE N X,K E T E NS,e ta l H i e r a r c h i e s,m u l t i p l ee n e r g yb a r r i e r s,a n dr o b u s t n e s sg o v e r nt h ef r a c t u r em e c h a n i c so f h e l i c a la n d s h e e tp r o t e i nd o m a i n sJP r o c e e d i n g so ft h eN a t i o n a lA c a d e m yo fS c i e n c e so ft h e U n i t e dS t a t e so fAm e r i c a,():T h e I n t e r a c t i o no fC e l l u l o s e/C a l c i u mS i l i c a t eH y d r a t e I n t e r f a c ea tD i f f e r e n tT e m p e r a t u r e sb yM o l e c u l a rD y n a m i c sS i m u l a t i o nKON G H u i j u n,L IC h e n s i,L I UX i a o(S c h o o l o fS c i e n c e,H e n a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,X i n x i a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e e f f e c t o f t e m p e r a t u r eo n t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nc e l l u l o s e/c a l c i u ms i l i c a t eh y d r a t e i n t e r f a c ew a ss t u d i e db ym o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d T h e t e n s i o nb e t w e e nc e l l u l o s ea n dh y d r a t e dc a l c i u ms i l i c a t em a t r i xw a sc a l c u l a t e dt h r o u g hS t e e r e dM o l e c u l a rD y n a m i c sS i m u l a t i o n(S MD)a t t h r e ed i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s,a n dt h e nt h ea d h e s i o ne n e r g yb e t w e e nc e l l u l o s ea n dh y d r a t e dc a l c i u ms i l i c a t ew a sc a l c u l a t e db yt h eB e l lm o d e l T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e i n t e r f a c i a l a d h e s i o ne n e r g y i n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo f t e m p e r a t u r e K e yw o r d s:C e l l u l o s e/C a l c i u ms i l i c a t eh y d r a t e;i n t e r f a c e;m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n(上接第 页)D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no f I n t e l l i g e n tS y s t e mo fR o a d w a yS t a c k i n gS t e r e o s c o p i cG a r a g eGUOY i d a n,ME N GJ i a n g b o(A n h u iV o c a t i o n a lC o l l e g eo fD e f e n s eT e c h n o l o g y,L ua n ,C h i n a;H e n a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,S c h o o l o fV e h i c l ea n dT r a f f i cE n g i n e e r i n g,X i n x i a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ei n t e l l i g e n tc o 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h i c l e,w h i c hi sw o r t h yo fp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o ni nt h ep a r k i n g l o to fh o s p i t a l sa n do f f i c eb u i l d i n g s K e yw o r d s:R F I D;P L C;s t e r e og a r a g e;c o n t r o l s y s t e m;s t a c k e r河南工学院学报 年第期