智能立體停車庫(kù)控制裝置系統(tǒng)研究

李臣華

摘 要： 完成一種立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)基于 S7-1200 PLC，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件功能的實(shí)現(xiàn)路徑，通過結(jié)合運(yùn)用觸摸屏和上位機(jī)等硬件設(shè)備設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)立體車庫(kù)的自動(dòng)控制功能，并通過必要的調(diào)試和仿真實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)的立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)功能符合設(shè)計(jì)要求，為進(jìn)一步完善立體停車庫(kù)使用和管理功能提供參考。

關(guān)鍵詞： 智能立體停車庫(kù); 控制系統(tǒng); PLC; 自動(dòng)控制; 實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類號(hào)： TP393 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： This article mainly completes the design of a three-dimensional parking garage control system. This system is based on S7-1200 PLC. The paper introduces the systems hardware composition and software function implementation path in detail. The automatic control function of the three-dimensional parking garage is realized， and the feasibility and stability of the three-dimensional parking garage control system designed in this paper are proved through necessary debugging and simulation experiments. The system functions meet the design requirements， and its features can provide a reference.

Key words： intelligent three-dimensional parking garage; control system; PLC; automatic control; real-time monitoring

0 引言

大中型城市中隨著汽車保有量的不斷增長(zhǎng)普遍出現(xiàn)了停車位難以滿足停車需求的問題，尤其是在大型與特大型城市（北京、上海等）中人口數(shù)量多，對(duì)車輛的使用需求較大，同時(shí)受到稀缺的土地資源的限制，停車場(chǎng)面積嚴(yán)重不足，導(dǎo)致車輛停放問題日益突出，部分車輛不得不停放在馬路邊上，這又帶來了交通堵塞問題。為有效解決停車難問題，對(duì)提高停車面積利用率方面的研究不斷深入，促使立體車庫(kù)得以迅速發(fā)展，目前立體車庫(kù)已經(jīng)成為一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。這一新興的停車方式及其設(shè)施的投入應(yīng)用可使城市停車位緊缺的問題得到有效緩解，作為應(yīng)對(duì)停車難問題的有效措施，立體車庫(kù)通過對(duì)城市有限的土地面積及空間優(yōu)勢(shì)進(jìn)行充分利用，實(shí)現(xiàn)在有效的區(qū)域內(nèi)車輛最大限度地存儲(chǔ)。

1 需求分析

隨著人們的生活水平的不斷提高，日常消費(fèi)水平升級(jí)進(jìn)入了新階段，汽車已經(jīng)成為出行不可或缺的交通工具，城市中的汽車保有量不斷增加，在為人們?nèi)粘３鲂袔順O大便利的同時(shí)使停車難問題成為急需解決的城市管理難題，早期的城市建設(shè)規(guī)劃對(duì)急劇增加的停車需求考慮的不夠充分，導(dǎo)致傳統(tǒng)的停車設(shè)施（包括車位和車庫(kù)等）已無法滿足停車需求，而日趨緊張的城市土地資源則使停車價(jià)格不斷提高，為了緩解這一問題立體車庫(kù)應(yīng)運(yùn)而生，作為一種新型車庫(kù)立體車庫(kù)意在實(shí)現(xiàn)科學(xué)的車輛存儲(chǔ)設(shè)計(jì)與停車自動(dòng)管理過程，空間立體的停車方式有效提高了有限空間資源的利用率，最大限度的增加車輛停放的數(shù)量，成為解決傳統(tǒng)停車場(chǎng)停車難題的重要手段。基于機(jī)械設(shè)備建造的立體車庫(kù)通過智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)存取車輛的有效控制過程，比傳統(tǒng)車庫(kù)的占地面積要小許多，具備更高的土地使用效率。由于立體車庫(kù)仍然處于初步發(fā)展階段，相應(yīng)的管理和控制系統(tǒng)的智能化及自動(dòng)化水平有待進(jìn)一步提升，特別是對(duì)于規(guī)模較大的立體車庫(kù)普遍存在用戶操作延時(shí)較大的問題，難以快速高效的完成停車過程[1]。

2 智能立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

快速增長(zhǎng)的汽車保有量使停車設(shè)施短缺問題日益凸顯出來，在城市有限的土地資源中需創(chuàng)新規(guī)劃和完善停車空間以有效解決停車難問題。近年快速發(fā)展起來的立體化車庫(kù)的設(shè)計(jì)方式使一定面積的車輛停放數(shù)量得以增加，在帶來停車便利的同時(shí)帶來了包括車輛進(jìn)出車庫(kù)時(shí)的擁堵等在內(nèi)的問題，這就對(duì)立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。集合了多種設(shè)備的立體車庫(kù)屬于一種大型機(jī)械系統(tǒng)，用于一體化存放車輛，以立體車庫(kù)的類型和特點(diǎn)為依據(jù)可將其劃分為汽車專用升降機(jī)、垂直循環(huán)類、垂直升降類、升降橫移類、多層循環(huán)類、水平循環(huán)類、平面移動(dòng)類、簡(jiǎn)易升降類、巷道堆垛類9類。其中，升降橫移式的立體車庫(kù)相比其他立體車庫(kù)具備利用率高、便捷高效、可靠性及安全性高等優(yōu)勢(shì)，成為目前應(yīng)用最為廣泛的類型，本文主要針對(duì)升降橫移式立體車庫(kù)完成了一種智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過目標(biāo)載車板路徑的形成（利用移動(dòng)其他車位完成）實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)載車板升降過程的有效控制過程，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)車輛的快速準(zhǔn)確的存取過程。用戶存車流程，如圖1所示。

用戶取車流程，如圖2所示。

用戶在存車前先在控制系統(tǒng)中點(diǎn)擊“存車”選項(xiàng)按鈕，根據(jù)系統(tǒng)提示及自身實(shí)際需求完成立體車庫(kù)中目標(biāo)車位的選擇和確認(rèn)，接下來系統(tǒng)據(jù)此通過左右橫移車庫(kù)中的其他車位，完成針對(duì)目標(biāo)停車位及通道的清空操作過程，接下來目標(biāo)車會(huì)在系統(tǒng)控制下向車庫(kù)地面移動(dòng)，用戶完成存車操作后，系統(tǒng)控制目標(biāo)車位上升。取車流程同存車流程類似，用戶在取車前先在系統(tǒng)中選擇“取車”按鈕選項(xiàng)，然后輸入用戶身份信息和取車憑證，控制系統(tǒng)據(jù)此驗(yàn)證用戶信息無誤后，根據(jù)所獲取的目標(biāo)車位信息對(duì)移動(dòng)操作車庫(kù)通道中的其他車位以清空升降通道，控制目標(biāo)車位到達(dá)用戶所在地面，系統(tǒng)在用戶完成取車操作后控制空閑的目標(biāo)車位上升。

本文智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)車庫(kù)對(duì)車輛的存取功能，系統(tǒng)的使用者可分為用戶、操作員和管理員，該控制系統(tǒng)的功能架構(gòu)，如圖3所示。

用戶在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中主要使用到存車和取車的操作，立體車庫(kù)中的電機(jī)和安全檔桿等設(shè)備由系統(tǒng)操作員手動(dòng)完成升降、橫移等操作過程的控制，管理員根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取的相關(guān)傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)立體車庫(kù)的實(shí)時(shí)高效的監(jiān)控過程。本文立體車庫(kù)控制系統(tǒng)使用PLC作為主控制器，系統(tǒng)必要的數(shù)據(jù)交換及操作過程通過結(jié)合運(yùn)用PROFINET （以太網(wǎng)）與觸摸屏完成，該智能立體車庫(kù)系統(tǒng)的主要運(yùn)行過程示意圖，如圖4所示。

具體可描述為：先通過安裝于立體車庫(kù)中的傳感器完成對(duì)車庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)過程，然后將收集到的數(shù)據(jù)信息向控制器PLC傳送，通過PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)輸入信號(hào)的準(zhǔn)確控制，并向執(zhí)行設(shè)備傳送相關(guān)執(zhí)行運(yùn)行數(shù)據(jù)，執(zhí)行設(shè)備據(jù)此完成對(duì)立體車庫(kù)運(yùn)行過程的控制[2]。

整個(gè)立體車庫(kù)控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC控制系統(tǒng)、上位機(jī)三部分構(gòu)成，（1）觸摸屏系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，用戶通過觸摸屏完成存、取車操作的選擇，操作員通過使用觸摸屏完成對(duì)用戶身份的驗(yàn)證及停車位的控制，用戶操作設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)操作員需通過系統(tǒng)觸摸屏手動(dòng)完成關(guān)鍵的控制操作;（2）PLC控制系統(tǒng)，PLC是控制系統(tǒng)CPU控制器的核心，系統(tǒng)的CPU接收到的由傳感器采集的信號(hào)后，由PLC控制器負(fù)責(zé)識(shí)別、分析和處理接收到的信號(hào)，然后通過向執(zhí)行設(shè)備傳送控制命令實(shí)現(xiàn)最終對(duì)系統(tǒng)操作的控制過程;（3）以PC機(jī)為核心的上位機(jī)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，接入網(wǎng)絡(luò)后即可便捷高效的完成對(duì)PLC設(shè)備中數(shù)據(jù)的訪問和獲取，并在監(jiān)控設(shè)備中顯示。立體車庫(kù)系統(tǒng)的運(yùn)維及管理由管理員負(fù)責(zé)（包括實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)及運(yùn)行情況）[3]。

3 智能立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

對(duì)自動(dòng)化及智能化水平要求較高的立體車庫(kù)涉及到多種系統(tǒng)模塊（包括機(jī)械、控制、監(jiān)控和通信等），為確保所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和安全性，需對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的硬件主要由信號(hào)檢測(cè)模塊（包括光電、接近和限位開關(guān)等）、控制模塊（包括PLC控制器等）及執(zhí)行控制模塊（包括橫移、升降電機(jī)等）構(gòu)成，PLC控制器的電源模塊采用了能夠提供高穩(wěn)定性電流的西門子PM1207，該控制系統(tǒng)的CPU選用了結(jié)構(gòu)合理、使用簡(jiǎn)便、易于擴(kuò)展SIMATIC S7-1200（型號(hào)為CPU1214C DC/DC）;PLC控制器的通信過程通過結(jié)合運(yùn)用觸摸屏和PROFINET通信方式實(shí)現(xiàn)，為滿足通信需求通過使用緊湊型交換機(jī)（型號(hào)為CSM1277）完成了通信網(wǎng)絡(luò)的組建，從而使系統(tǒng)的控制器、操作端以及管理員辦公設(shè)備間的通信過程得以有效實(shí)現(xiàn)[4]。統(tǒng)計(jì)分析該系統(tǒng)的輸入和輸出控制模塊中，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的數(shù)字量分別有119個(gè)、121個(gè)點(diǎn)，所有在系統(tǒng)中添加了7個(gè)輸入輸出模塊（可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展），其型號(hào)為SM 1223 DI 16x24V DC/DQ 16x24 V DC。系統(tǒng)的觸摸屏模塊選用了KTP 600 Basic color PN設(shè)備（西門子生產(chǎn)），可有效滿足系統(tǒng)的操作及顯示需求。立體車庫(kù)的執(zhí)行模塊（對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的橫移電機(jī)與升降電機(jī)）采用了三相交流異步電動(dòng)機(jī)（功率分別為0.75 kW和3.7 kW），在傳感器模塊中通過結(jié)合運(yùn)用光電開關(guān)（直流三線NPN常開型）和接近開關(guān)（直流二線常開型）實(shí)現(xiàn)對(duì)立體車庫(kù)區(qū)域內(nèi)車輛的檢測(cè)過程，包括對(duì)載車板移動(dòng)情況及安全掛鉤動(dòng)作的有效檢測(cè)，載車板移動(dòng)過程通過使用限位開關(guān)（型號(hào)為L(zhǎng)X25-111/111S）確保其安全運(yùn)行[5]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 自診斷功能

為確保立體車庫(kù)的安全性和可靠性，系統(tǒng)中的多個(gè)傳感器在PLC軟件控制模塊中負(fù)責(zé)完成對(duì)車庫(kù)硬件狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)，再將檢測(cè)到的信息傳送至PLC控制器實(shí)現(xiàn)自診斷軟件功能，傳感器自診斷功能流程，如圖5所示[6]。

3.2.2 PLC功能的實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)的控制設(shè)備中完成相應(yīng)模塊功能的軟件程序的設(shè)計(jì)和編寫，考慮到PLC控制器包含較多的記憶設(shè)備（如寄存器等），為有效避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需先對(duì)PLC控制器進(jìn)行初始化處理，在具體程序設(shè)計(jì)過程中選用Startup（OB100）完成PLC的初始化，首次通電的PLC控制器的軟件程序通過執(zhí)行OB100程序完成對(duì)PLC的中間變量的清零和初始賦值后再進(jìn)行信號(hào)的輸出，控制系統(tǒng)在PLC控制器完成初始化且未接收到相應(yīng)指令的情況下將循環(huán)執(zhí)行OB1程序，在此過程中將將調(diào)用和執(zhí)行FB程序（包括自動(dòng)和手動(dòng)控制、傳感器信號(hào)接收等）直至結(jié)束全部指令后返回至OB1程序?？刂葡到y(tǒng)在初始化后會(huì)立即切換到自動(dòng)控制的狀態(tài)，并以輸入到觸摸屏中的指令為依據(jù)完成相應(yīng)操作的執(zhí)行過程，包括自動(dòng)選擇車位、自動(dòng)存車、取車，通過硬件設(shè)備中的M1.0和M1.1變量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存、取車功能間的關(guān)聯(lián)，存、取車分別對(duì)應(yīng)變量M1.0和變量M1.1將置位。系統(tǒng)根據(jù)用戶所選取的車位判斷車位的有效性，將有效的車位信息向存儲(chǔ)器MB109傳送并據(jù)此完成對(duì)目標(biāo)車位動(dòng)作的執(zhí)行過程，車位無效會(huì)向用戶發(fā)送“車位已用”的提示信息并復(fù)位M1. 4 。系統(tǒng)復(fù)位M1.6時(shí)提示“無車可取”[7]。

3.2.3 手動(dòng)控制程序

立體車庫(kù)的控制程序主要使用了FC5、FC4和FC3程序，分別完成對(duì)立體車庫(kù)檔桿、電磁閥和電機(jī)的控制，系統(tǒng)在接收到相應(yīng)控制指令后（由觸摸屏和上位機(jī)輸入）可通過同觸摸屏和上位機(jī)的控制變量相互關(guān)聯(lián)的中間變量完成對(duì)車庫(kù)的手動(dòng)控制操作（包括檔桿及電機(jī)的升降和橫移等控制操作），中間變量MB19、MB29和MB39負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)安全檔桿信息的存儲(chǔ)和控制，中間變量MB18、MB28、MB38負(fù)責(zé)完成對(duì)安全掛鉤信息的存儲(chǔ)和控制，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制電機(jī)的功能，從而確保整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運(yùn)行[8]。

4 系統(tǒng)仿真

為測(cè)試本文所設(shè)計(jì)的智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，在完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后對(duì)系統(tǒng)的所有設(shè)備進(jìn)行了組裝和調(diào)試，具體通過博圖V13軟件的使用完成對(duì)該立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的仿真和調(diào)試過程，完成各種參數(shù)設(shè)置后先編譯PLC控制程序，具體編譯結(jié)果如圖6所示。

觸摸屏和上位機(jī)的軟件程序結(jié)果，如圖7和圖8所示。

編譯結(jié)果均無錯(cuò)誤和警告證明了PLC控制器、觸摸屏以及上位機(jī)設(shè)置及軟件編寫過程的正確性。完成編譯后通過電腦運(yùn)行PLC程序的仿真軟件，得到的仿真結(jié)果如圖9所示。

在測(cè)試時(shí)通過隨機(jī)改變輸入變量后發(fā)現(xiàn)非空閑車位會(huì)準(zhǔn)確顯示占用狀態(tài)，空閑車位則顯示初始閑置狀態(tài)，立體車庫(kù)的整體狀態(tài)正常，控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠的實(shí)現(xiàn)對(duì)車位的選擇以及存取車操作的控制，通過使用S7-1200 PLC主控制器設(shè)計(jì)的立體車庫(kù)控制系統(tǒng)有效解決了操作延時(shí)問題，提高了車輛存取的智能化控制過程，有利于提升用戶體驗(yàn)，為更好的解決城市停車難問題提供一種可行方案[9]。

5 總結(jié)

針對(duì)城市中日益突出的停車難問題，本文主要對(duì)智能立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，在對(duì)立體車庫(kù)使用現(xiàn)狀及實(shí)際功能需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)有立體車庫(kù)的研究成果，完成了一種升降橫移式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使立體車庫(kù)控制系統(tǒng)的智能化與自動(dòng)化水平得到顯著提升，在提升控制質(zhì)量及效率的同時(shí)降低了立體車庫(kù)的管理成本，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的智能立體車庫(kù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)出車輛及車位的有效的管理過程，系統(tǒng)具有較高的安全性和可靠性。

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（收稿日期： 2020.02.19）