智能堆垛式電動自行車車庫

劉 旋，宋廣軍

（浙江海洋大學 數理與信息學院，舟山 316022）

近年來，隨著綠色低碳出行的提出，電動自行車的出現很好地滿足了市場的需求。由于電動自行車的便捷性、低碳性和低成本，在我國各大城市掀起了一股熱潮。隨著科學技術的不斷進步，電動自行車的樣式越來越多，故障越來越少，充電的時間也越來越短，所用電池的容量也越來越大，體積越來越小，隨之而來的是電動自行車數量的快速增加。目前我國兩輪電動自行車的社會保有量達到2.5 億輛[1]。電動自行車的劇增，引起了諸多負面影響，如停放問題、統一管理問題、充電問題等。這些不利現象使得城市公共空間的治理問題變得尤為重要，尤其是中小型的公司、中小型商業區、小區。電動自行車車庫的建立在一定程度上能夠緩解電動自行車的停放無序問題、電源線雜亂問題，為此電動自行車車庫的建立將成為亟待解決的問題。在此，提出了基于可編程控制器PLC 控制的智能堆垛式電動自行車車庫，以實現車庫的自動化和智能化，很好地滿足人們便利出行的需求。

1 智能車庫的立體結構

通常，堆垛式立體車庫主要包括機械結構、運行機制和電氣控制系統，其機械結構部分即框架以鋼結構為主，其中包括3 個自由度即升降、縱向、橫向的運動機構。而在此所提出的智能堆垛式電動自行車車庫的立體結構，以堆垛式立體車庫為基礎，其中的機械結構依然以鋼結構為主，運行機構的自由度仍為3 個即升降、縱向、橫向，主要以堆垛機的升降進行樓層定位，通過搬運機的存取進行空車位定位，通過傳感器信息采集、檢測進行存取后車位信息的實時更新。其電氣控制系統以PLC 為核心，以變頻器對電機進行有效控制，通過檢測裝置對現場進行實時監測等，再通過觸摸屏將車庫的實時狀況告知用戶或工作人員，有效地進行人機交互，保證車庫的正常運行和保障人身安全。

智能堆垛式電動自行車車庫針對兩輪電動自行車，車庫共有3 層，每層2 排，每排20 個停車位，共可停放120 輛。車庫的主視圖和左視圖如圖1所示，車庫共有4 個出入口，左右兩邊各2 個，出入口采用混合模式。

圖1 智能堆垛式電動自行車車庫的視圖Fig.1 Views of intelligent stacking electric vehicle garage

2 車庫的工作流程

初始狀態時，一臺堆垛機在左側出入口等待執行命令，另一臺在右側出入口等待執行命令。當堆垛機收到存車命令時，堆垛機將從第1 層開始存放車輛，當第1 層存滿時進行第2層存放，第2 層存滿時進行第3 層存放。

為了避免左右側堆垛機運行時出現沖突，可根據用戶選擇的4 個出入口的指定位置來確定由哪一臺堆垛機進行工作，左側的2 個出入口由左側的堆垛機接收并執行命令，右側的2 個出入口由右側的堆垛機接收和執行命令。

車輛的存取均可由用戶根據需要選擇采用人臉掃描或車牌號手動輸入的方式。存車時，根據人臉掃描或車牌號手動輸入，確認用戶信息；堆垛機從指定位置提取車輛，樓層定位；搬運機執行存放功能，完成存車過程。

取車時，用戶依舊可以選擇人臉識別或輸入車牌號的方式，確認需要取出的電動自行車；車庫系統檢測裝置進行電動自行車的識別定位，通知堆垛機進行樓層定位，同時搬運機將電動自行車取出等待堆垛機，堆垛機接收車輛后將其放置到指定位置，通知用戶提取車輛；用戶取出電動自行車，取車過程結束。存取電動自行車的具體流程如圖2所示。

圖2 智能車庫的工作流程Fig.2 Work flow chart of intelligent garage

3 智能車庫控制系統的設計

3.1 控制系統的結構及要求

為了便于車庫的管理，使系統能夠正常、高效地運行，采用了上位機PC，下位機PLC，以及PLC與車庫之間的通信，結構如圖3所示。

圖3 智能車庫控制系統總體結構Fig.3 Overall structure of intelligent garage control system

運行過程需滿足以下要求：①實時滿足用戶存車和取車的功能；②堆垛機、搬運機運行狀態的監測，以及現場安全檢測，保證運行機制正常運行，以及車主的人身安全，禁止小孩、 寵物等進入車庫；③手動模式與自動模式隨時切換，且手動模式優于自動模式，特別是遇到維修和一些突發狀況時；④一旦傳感器檢測到異常時，蜂鳴器發出報警聲音，指示燈閃爍，同時觸摸屏界面顯示報警原因，并進行聲光指示。確認故障處理完畢，車庫方可運行。

3.2 PLC 控制系統設計

控制系統作為整車車庫的運行核心，控制器是控制系統的關鍵。在此選用S7-1200 系列，包括CPU模塊、信號板、信號模塊、通信模塊和編程軟件[2]，并且將各種模塊安裝于導軌上。

具體選用S7-1200 的CPU 模塊CPU 1214C DC/DC/DC。該模塊的本機數字量I/O 點數為14/10，模擬量I/O 點數為2/2；最大本地數字量I/O 點數為284，模擬量I/O 點數為69。其中，電源電壓、輸入回路電壓和輸出回路電壓均為DC 24 V。S7-1200 集成的工藝功能還包括高速計數與頻率測量、高速脈沖輸出、PWM 空控制、運動控制及PID控制[2]。

S7-1200 具有非常強大的通信功能，ProFiBus 是目前軌跡通用的現場總線標準之一。通過使用ProFiBus-DP 主站模塊CM 1234-5，S7-1200 可以與其他CPU、編程設備、人機界面和通信與通信模塊ProFiBus-DP 從站設備通信[2]。

4 系統界面設計和開發環境

4.1 系統環境選擇

系統的PLC 軟件選用西門子公司TIA 博途編程軟件。S7-1200 的TIA 博途軟件分為STEP 7 Basic 和STEP 7 Professional 兩種。在此選用后一種STEP 7 Professional，它既可以用于S7-1200/1500，S7-300/400，還可以進行WinCC 的組態和編程。WinCC 主要是用于西門子HMI、工業PC 和標準PC的組態軟件。

編程軟件STEP 7 Professional 內的WinCC Basic可用于精簡系列面板的組態WinCC Basic，簡單高效，易于上手，功能強大。基于表格的編輯器簡化了變量、文本和報警信息等的生成與編輯。通過圖形化配置，簡化了復雜的組態任務。S7-1200 與精簡系列面板在TIA 博途的同一個項目中組態和編程，均采用以太網接口通信。

4.2 系統界面設計

用戶與車庫通過觸摸屏進行人機交互，這也是人機交互的發展方向。所選用KTP700 的觸摸屏，RJ45 以太網接口，其通信速率為10 Mbit/s 或100 Mbit/s，用于同組態計算機或S7-1200 通信。

一個KTP 面板同時可以連接多個S7-1200，最多可連接4 個；S7-1200 同時可連接多個KTP 面板，最多不超過3 個面板。在此以一個KTP 面板與一個S7-1200 通信為例，具體步驟如下： ①添加PLC 設備；②設置PLC 的以太網地址；③添加HMI設備；④設置HMI 的以太網地址；⑤建立HMI 到PLC 的連接；⑥定義HMI 的變量；⑦在HMI 屏中定義一個按鈕和一個輸入顯示域；⑧分別編譯PLC程序和HMI 程序，并分別將各自的程序下載到PLC和HMI 中；⑨下載完成后，就可以在觸摸屏上監控PLC[2]。

用戶和管理者通過電子觸摸屏選擇車庫的運行模式，即存車模式、取車模式、管理模式。觸摸屏上同時還有信息提示如車位指示，也涉及其他形式的指示如報警器。對于存取車模式，用戶和管理者均可以進入；對于管理模式，只允許管理人員進入，通過設置密碼形式或人臉識別模式進入管理系統。至于車位的有無，則通過指示燈顏色變化和文字“有”/“無”轉化，對用戶進行提示。部分頁面的交互模式和功能如圖4所示。

圖4 部分頁面的交互模式及功能Fig.4 Interaction mode and function of some pages

5 結語

智能堆垛式電動自行車車庫采用PLC 進行控制，充分利用了PLC 控制的特點，具有高可靠性、抗干擾性、很強的控制功能，且工作量小，便于維護，編程簡單，易讀懂，設計、安裝及調試的時間短。該車庫采用雙向存取車裝置，使存取車更為高效，尤其是上下班高峰期時可以大大提高效率。存取車均可采用人臉識別或車牌號輸入的方式進行信息識別和確認。然而，該車庫的使用對象過于單一，僅限于電動自行車。在中小型的工業園區、商業區和小區等，自行車的使用量在市場上也占據一定的比例，而文中尚未考慮到自行車的存放。