陳萬武，謝 飛，陳觀國，盧俊康

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528333）

隨著汽車保有量的不斷增長，停車取車難已經(jīng)成為困擾人們?nèi)粘Ｉ畹囊淮箅y題，立體車庫在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，并以容量大、停車效率高等優(yōu)點(diǎn)迅速得到人們的認(rèn)可。立體車庫這一具有廣闊應(yīng)用背景的產(chǎn)品，屬于典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它包含了當(dāng)前機(jī)械、電子、檢測、控制等領(lǐng)域成熟的先進(jìn)技術(shù)，已成為技術(shù)密集型產(chǎn)品的代表，非常適合作為機(jī)電一體化實(shí)習(xí)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)象［1］。

近10 年來，我國立體車庫得到了迅速的發(fā)展，但是這些立體車庫生產(chǎn)廠家都只是針對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，立體車庫規(guī)模太大，很難運(yùn)用到實(shí)際課堂當(dāng)中。以智能車庫控制為背景，進(jìn)行“智能立體車庫綜合實(shí)踐教學(xué)裝置”研發(fā)，利于學(xué)生拆裝操作的實(shí)踐教學(xué)裝置［2-3］?？梢詰?yīng)用于電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人等專業(yè)的組態(tài)監(jiān)控技術(shù)、PLC 技術(shù)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、STM32 單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻器、伺服電機(jī)、觸摸屏控制等課程的實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

1 裝置總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

智能立體車庫綜合實(shí)踐教學(xué)裝置以3 層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每層設(shè)有5 個(gè)車位，擁有15 個(gè)車位的立體車庫。要滿足實(shí)踐教學(xué)的基本需求，將實(shí)際生活中廣泛應(yīng)用的立體車庫作為設(shè)計(jì)的前提與依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，采用垂直升降電梯（Z軸）運(yùn)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)（Y軸）傳動(dòng)定位以及簡易AGV 搬運(yùn)小車（X軸）運(yùn)行泊車。三者功能融為一體作為裝置系統(tǒng)的硬件設(shè)施。裝置如圖1 所示。

圖1 智能立體車庫實(shí)踐教學(xué)裝置

2 裝置各模塊的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

2.1 升降電梯

為了豐富裝置的運(yùn)行功能和豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，本裝置采用升降電梯作為垂直方向（Z軸）運(yùn)輸，模仿現(xiàn)實(shí)電梯功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)裝置，轎廂及對(duì)重裝置、導(dǎo)向系統(tǒng)、門機(jī)機(jī)構(gòu)、安全保護(hù)機(jī)構(gòu)等。控制系統(tǒng)以三菱PLC 控制為核心。結(jié)合變頻器調(diào)速、電磁抱閘制動(dòng)和光電傳感器運(yùn)行檢測，實(shí)現(xiàn)電梯安全運(yùn)行功能［4-6］。電梯控制電路如圖2 所示。

圖2 電梯PLC 控制系統(tǒng)電路圖

2.2 AGV 智能搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)

為了達(dá)到存取車高效、快捷、可靠而研究一款簡易的自動(dòng)引導(dǎo)智能搬運(yùn)小車（AGV 小車）。在整個(gè)控制過程中，為整個(gè)系統(tǒng)柔性化、集成化、高效運(yùn)行提供了重要保證。車體前后部設(shè)4 個(gè)車輪，后部兩個(gè)是驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向一體化車輪，每個(gè)車輪分別由各自的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)車輪由單片機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)器控制，可改變兩車輪的速度大小、方向。并在通道上敷設(shè)一條黑色膠帶引導(dǎo)路線，結(jié)合8 組紅外收發(fā)一體的尋跡傳感器模塊，形成自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)AGV 小車自動(dòng)前進(jìn)、后退、加減速及轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

AGV 智能搬運(yùn)小車以STM32 單片機(jī)為系統(tǒng)核心，結(jié)合RS232 串口模塊、無線收發(fā)器與PLC 進(jìn)行無線通信。在單片機(jī)與無線模塊通信時(shí)、PLC 與無線模塊通信時(shí)，兩者都采用RS232 串口通信［6-8］。RS232 串口通信模塊使用MAX3232 芯片作為信號(hào)電平轉(zhuǎn)換芯片。此芯片外部僅需要四個(gè)0.1 uF 的小尺寸電容，控制電路簡單，該模塊原理圖如圖3 所示。

圖3 RS232 串口通信模塊

2.3 裝置控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

“智能立體車庫控制系統(tǒng)” 采用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)車庫的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可編程控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)車庫各機(jī)構(gòu)的控制，每個(gè)區(qū)域各采用1 個(gè)PLC實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的控制，各區(qū)的PLC 通過FX3U-485-DB 通信模塊構(gòu)成一個(gè)N：N 的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)控制分成4 個(gè)區(qū)域，分別為A 區(qū)升降電梯、B 區(qū)第一層車庫、C 區(qū)第二層車庫、D 區(qū)第三層車庫。其中B、C、D 三個(gè)區(qū)的PLC 各與一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行無線連接，與AGV 搬運(yùn)小車無線通信?？刂凭W(wǎng)絡(luò)原理圖見圖4。其中A 區(qū)控制用的PLC 設(shè)定為主站，其余3 個(gè)為從站。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過觸摸屏再與主站進(jìn)行通信。PLC 選擇為三菱FX3U32MT 型，輸入輸出32點(diǎn)，基本單元晶體管輸出［7-11］。

圖4 車庫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制原理圖

2.4 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本裝置的人機(jī)交互是使用昆侖通態(tài)的觸摸屏。型號(hào)：TPC7062KD，為WCGS 系列嵌入式一體化觸摸屏。該觸摸屏易于操作，性價(jià)比高。觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)，主界面主要由4 個(gè)主要功能按鈕與主頁返回按鈕、時(shí)間日期及通信狀態(tài)顯示組成，如圖5所示。車庫中的每個(gè)車位設(shè)置車停位信息檢測，并將檢測到的車位停放信號(hào)傳送到PLC，通過PLC 控制在觸摸屏上發(fā)布相關(guān)車位信息［10-12］，點(diǎn)擊界面中不同的功能按鈕可進(jìn)入不同的功能界面（自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、設(shè)置模式、運(yùn)行顯示），自動(dòng)模式下泊車流程圖如圖6 所示。

圖5 觸摸屏人機(jī)界面

圖6 自動(dòng)泊車流程圖

2.5 計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控

監(jiān)控計(jì)算機(jī)上裝載由組態(tài)王工控軟件開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，還可以通過監(jiān)控界面下方的菜單欄選擇不同的庫區(qū)監(jiān)控畫面。數(shù)據(jù)庫詞典是監(jiān)控界面開發(fā)所需要的全部數(shù)據(jù)變量的集合，通過數(shù)據(jù)變量的設(shè)定，能有效地鏈接上位機(jī)和下位機(jī)的工作，在TouchVew 運(yùn)行時(shí)，它含有全部數(shù)據(jù)變量的當(dāng)前值。為了能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC 的通信，還必須在監(jiān)控開發(fā)軟件中進(jìn)行相應(yīng)的通信設(shè)置［11-13］，本系統(tǒng)的通信參數(shù)設(shè)置如圖7 所示［9］。

圖7 計(jì)算機(jī)監(jiān)控通信設(shè)置

3 裝置在教學(xué)中的應(yīng)用

智能立體車庫綜合實(shí)踐裝置在實(shí)踐教學(xué)中可應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、電氣自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電一體化等相關(guān)專業(yè)的電氣控制、PLC 編程、STM32 單片機(jī)、觸摸屏、變頻器、工業(yè)控制等課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)?？稍O(shè)置實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目10 個(gè)，見表1 所示。項(xiàng)目由易到難，層層遞進(jìn)。每個(gè)項(xiàng)目既可以獨(dú)立操作，又可以將多個(gè)項(xiàng)目合成一個(gè)大項(xiàng)目來操練，還可以將所有項(xiàng)目合成一個(gè)完整的系統(tǒng)，使學(xué)生對(duì)智能立體車庫的智能控制系統(tǒng)有一定的認(rèn)識(shí)和理解［13-15］。

表1 “智能立體車庫綜合實(shí)踐裝置”開設(shè)教學(xué)項(xiàng)目

4 結(jié)語

在應(yīng)用中經(jīng)過多次調(diào)試和改進(jìn)，智能立體車庫綜合實(shí)踐教學(xué)裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)上和控制系統(tǒng)中十分貼近真實(shí)應(yīng)用的立體車庫，把升降電梯和智能搬運(yùn)小車融合到智能車庫系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)靈活、可拓展、智能化控制程度高。裝置已申請(qǐng)1 個(gè)發(fā)明專利和2 個(gè)實(shí)用新型專利。并且在教學(xué)改革上，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)PLC 可編程控制技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)、傳感器技術(shù)等相關(guān)課程理論知識(shí)的理解，提高了學(xué)生動(dòng)手能力，加深了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)課程的開發(fā)。近3 年，在國家級(jí)、省級(jí)多項(xiàng)競賽中獲獎(jiǎng)，包括：2017 年全國職業(yè)院校技能大賽高職組“智能電梯裝調(diào)與維護(hù)”比賽中榮獲二等獎(jiǎng)；2018 年第三屆“挑戰(zhàn)杯”廣東職業(yè)院校創(chuàng)新創(chuàng)效創(chuàng)業(yè)大賽二等獎(jiǎng)；2019 年獲第十四屆全國高等職業(yè)院?！鞍l(fā)明杯”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎(jiǎng)。