新型立體化智能車庫控制系統的設計與實現

王 強，陳海龍，夏 昭

（武漢理工大學 物流工程學院，武漢 430063）

隨著近年來我國經濟水平的提高，汽車數量大幅增長使城市中本來存在的車輛泊位短缺問題愈加嚴重。立體式車庫的建設改變了傳統車庫土地資源利用率低的局面，對城市的交通壓力還起到一定的緩解作用[1]。

通過引進國外立體車庫技術，并針對我國立體車庫使用的實際情況，目前立體化車庫行業已初步形成，相關技術得到全面發展。文獻[2]分析了垂直升降電梯式立體車庫垂直提升和旋轉定位并行工作的控制方式，設計了升降機構的控制系統。文獻[3]分析巷道堆垛式立體車庫的結構特點及存取車運行機制，提出原地待命存取車策略并建立數學模型，使存取車更加高效。文獻[4]提出適用于多層面、多通道、多傳送車的大型立體停車庫智能化存取車控制算法，解決多臺車輛同時存取時的經濟效益權衡和安全問題。文獻[5]通過改進的遺傳算法，分析、優化堆垛式立體車庫存取調度，獲得較小的存取車總時間。文獻[6]提出基于車牌自動識別技術的智能停車管理系統。

文中提出了立體化智能車庫管控系統的總體方案，設計了基于PLC的軟硬件控制系統以及基于MCGS的上位機監控系統。

1 智能立體車庫結構及工作原理

所設計的新型智能立體車庫為垂直提升平面移動式車庫，以垂直升降式立體車庫為原型[7]，采用了巷道的特殊結構，其整體結構如圖1所示。

圖1 新型立體車庫整體結構Fig.1 Overall structure of a new three-dimensional garage

該車庫的升降機通道固定，配備了可用編程控制器控制的自主搬運器，采用了搬運起重機與提升機共同作業的模式，通過上位機的控制來進行車輛的存取。與傳統車庫相比，該新型立體化智能車庫結構簡單，易于建造；充分利用占地面積，空間利用率高；利用自動化技術，智能控制車輛存取，方便快捷，安全可靠。

用戶存車時需要刷卡，管控系統會對入庫車輛進行安全檢測；待檢測通過后，提升機會先到達二樓存車層，再到達一樓取車層。之后車庫門打開，司機把車停到車庫入口的提升機上即可下車離開車庫，待車庫門關好后，提升機將車輛提升至二樓停車平臺，交接給搬運起重機，由其搬運至指定停車位置，完成停車過程。存車流程如圖2所示。取車過程則相反。

設計中采用4×3的車位布置，總共12個車位，如圖3所示。1號車位作為搬運起重機的初始位置；作為交接位置11號車位處設置提升機，將車輛從取車層提升到存車層，并在此處與搬運機完成車輛的交接。對于每個車位，搬運器都有固定的存取路徑，存儲在控制器中，用戶刷卡手動輸入車位號或系統自動判斷車位來進行車位的選擇。

圖2 存車流程Fig.2 Flow chart of parking

圖3 立體車庫車位分布Fig.3 Distribution of parking spaces for three-dimensional garage

2 智能立體車庫管控系統設計方案

立體車庫管控系統設計主要由車庫管理子系統、出入庫控制子系統、安全保護子系統、入庫引導子系統、網絡通信子系統等5個子系統組成。

2.1 管理信息系統設計

立體車庫的管理信息系統包括實現人機的交互、日常數據的維護、工作狀態的監視、工作任務的分配，其核心就是對數據庫進行操作和管理維護[8]。其功能模塊如圖4所示。

圖4 管理信息系統功能模塊Fig.4 Function diagram of MIS

停車卡管理 指立體化智能車庫采用FRID卡對用戶和車輛的信息進行管理。包括對FRID卡進行發放、回收、掛失、初始化、查詢信息的操作。

臨時停車管理 指臨時停車需要人工錄入車輛信息和用戶信息，存放于數據庫中與上位機監控系統連接。

異常管理 指對在車庫管理過程中可能會出現一些異常情況，包括卡信息異常處理、存放時間異常處理、預約異常管理、設備故障異常處理、車輛異常管理、庫位異常管理等。

其他模塊均有相應的管理功能。

2.2 入庫引導子系統功能

車輛超限檢測 在立體車庫的入口處需要對入庫車輛進行車輛尺寸與重量的超限檢測，保證入庫車輛符合車庫的規格限制的要求。

提升機下降安全檢測 當載車臺下方有人或雜物時，提升機應停止繼續下放，否則極易發生事故。因此在車輛下放時需要對載車臺下方區域進行安全檢測。

入庫引導 下位機收到傳感器的觸發信息后，根據控制程序自動發出信號，分別顯示提示車輛向前移動、向后移動、定位合格和是否超限的信息，提示司機將車輛移動到準確的位置。

2.3 安全保護子系統功能

檢測系統自診斷 利用傳感器檢測信號，通過自檢算法實時診斷傳感器系統是否存在故障，保證存取車過程的安全作業。

電氣系統檢測 通過一定算法，實時診斷關鍵元器件是否存在故障以及常規電氣系統是否故障。

安全保護裝置的設置 包括超速保護的裝置，提升系統安全裝置的設置，供電系統斷相、錯相的保護裝置的設置等。

2.4 關鍵控制算法

車位分配算法 根據車位分布情況，結合車輛存放性質，通過自學習算法，自動分配車輛位置，保證取車效率最優化。

交接調度算法 根據存取車過程中車輛交接流程，結合當前設備工作狀態及效率，通過設備調度算法，實現車輛交接過程最優化，提高效率。

行走速度控制算法 采用雙閉環控制模型，調整控制參數，實現速度與位移控制的最優結合，確保精確平穩停車。

定位控制算法 根據速度與尋址片檢測數據，計算得出當前運行位置區間，并根據位置區間與目標位置的比較，判斷是否到位，實現小車和大車定位控制。

3 智能立體車庫PLC控制系統設計

文中PLC程序的設計目的是實現立體車庫的自動控制。以4號車位（如圖3所示）的存取車過程為例，進行控制系統設計。立體車庫4號車位的存車流程和取車流程如圖5所示。

圖5 4號車位存、取車流程Fig.5 Flow chart of taking and parking for the car in No.4

（1）復位程序設計

由于PLC本身特性，其內部的繼電器與多數寄存器均具有記憶的功能，所以在運行之前需要先對PLC內部數據進行復位初始化，同時也能預防部分故障發生。

（2）傳感器檢測觸發程序設計

在立體車庫入庫之前需要對車輛進行超限檢測；提升機在下降之前要進行下降安全檢測；車輛移動到載車臺上需要進行到位檢測；車位要進行是否有車檢測。這些檢測的功能均由相應的傳感器來完成。若檢測合格則繼續運行下一步，不合格則報警并停止運行，在程序中傳感器會觸發1個開關量，使程序斷開或連接。

（3）車位號輸入程序設計

用戶在請求存取車之后，需要在上位機監控界面中，手動輸入車位號，以使控制系統確定車位，從而選取搬運機的存取路徑。

（4）電機控制程序設計

所設計的立體車庫共有4臺電機運行來完成車輛的存取過程。這4臺電機分別是搬運起重機大車電機、搬運起重機小車電機、搬運起重機升降架電機、提升機電機。其中，搬運起重機大車及小車根據設計的移動路徑進行水平、垂直運動；升降架和提升機分別進行上升、下降運動。各臺電機的正反轉狀態由程序中相應的開關量來控制。

4 上位機監控系統的設計與仿真

4.1 上位機監控系統的設計

在立體車庫的整個控制系統設計中，上位機監控系統起到對立體車庫運行狀態監控和管理的作用，利用MCGS工控組態軟件來進行構建。上位機與下位機PLC之間通過以太網進行連接通信，實現了組態軟件與PLC之間的數據同步，從而完成了上位機對立體車庫的過程監控和管理[9]。

上位機監控系統的具體功能需求如下：

發送存取信號 司機或者工作人員在上位機的監控畫面上進行操作，按下存車或取車按鈕發送存取車信號。

設備運行狀態的顯示 通過過程開關量將上位機組態畫面上的點與現場設備連接起來，經過數據的采集，將現場裝置的狀態在組態畫面上顯示出來，實時反應現場各個設備的情況。

4.2 MCGS與PLC的連接與仿真

在設備窗口內，使用設備工具箱添加 “通用TCP/IP父設備”和“西門子CP443-1以態網模塊”。然后分別對這2個設備進行屬性設置，本地IP地址即為觸摸屏IP地址，遠程IP設置稿源應與PLC的CPU IP地址對應。在“西門子CP443-1以態網模塊”的設備編輯窗口中，添加設備通道來完成MCGS實時數據對象與PLC中變量的連接設置。與PLC通訊連接的硬件組態設置完成之后，即可在下載配置窗口中，將設計的組態工程下載到MCGS的模擬運行環境中，點擊“模擬運行”，然后進行工程下載。

工程下載完成后，會自動打開MCGS的模擬運行環境，如圖6所示。在界面中，輸入需要存取的車位號，然后點擊存取車按鈕，即可對下位機PLC發送存取車的控制指令，實現車輛的存取過程。PLC的傳感器觸發信號，可以利用PLC實驗臺上對應的輸入地址按鈕來進行模擬。

圖6 MCGS模擬運行環境Fig.6 MCGS simulates operating environment

通過實驗室的模擬運行，所設計的MCGS組態工程，基本實現了立體車庫上位機的存取控制功能，以及4號車位在存取過程中的監控功能。

5 結語

文中分析了目前立體化智能車庫的研究現狀，選用了一種新型的立體化智能車庫作為研究對象，提出了一套控制系統的解決方案，并設計了基于PLC的部分控制系統和基于MCGS組態軟件的上位機監控系統。在MCGS模擬運行環境上模擬仿真了部分車位存取控制過程，結果顯示達到了預期的效果。所研究的內容還存在著許多不足之處，例如文中采用手動模式輸入車位號的方式為PLC選擇存取的路徑，使得效率較低。在實踐中可以考慮構建信息系統，將車位號、RFID卡號、是否為空車位等狀態信息存入動態數據庫，采取自動模式為下位機選擇存取路徑，實現完全自動化的存取操作。

參考文獻：

[1] 李江.淺談機械式立體停車庫的發展前景及推廣應用[J].汽車實用技術，2017，42（2）：112-113.

[2] 劉曉娟，潘宏俠.垂直升降式立體車庫系統設計與研究[J].機械設計與制造，2011，32（5）：48-50.

[3] 郭林偉，張翔.巷道堆垛式立體車庫高效停取車方案的研討[J].機電技術，2013，36（5）：123-125.

[4] 呂洪柱，張凌宇，廉佐政.立體車庫智能存取車控制算法設計[J].軟件工程，2015，18（12）：52-53.

[5] 李劍鋒，段文軍，方斌，等.基于改進遺傳算法立體車庫存取調度優化[J].控制工程，2010，17（5）：658-661.

[6] 胡清明，李西兵，郭建華，等.基于車牌自動識別立體車庫智能停車管理系統研究[J].機床與液壓，2011，39（18）：97-99.

[7] 王虎軍，馬殷元.基于PLC的垂直升降式立體車庫控制系統設計[J].重慶科技學院學報：自然科學版，2016，18（1）：82-84.

[8] 李揚，孫紅亮，王繼培，等.平面移動式立體車庫監控管理系統設計[J].自動化技術與應用，2014，33（6）：43-47.

[9] 孟慶波，柯志敏.基于MCGS的立體車庫自動監控系統的設計與實現[EB/OL].http：//www.doc88.com/p-0763736795209.html.