智能立體停車庫控制裝置系統研究

李臣華

摘 要： 完成一種立體停車庫控制系統的設計。該系統基于 S7-1200 PLC，詳細介紹了系統的硬件構成和軟件功能的實現路徑，通過結合運用觸摸屏和上位機等硬件設備設計并實現了對立體車庫的自動控制功能，并通過必要的調試和仿真實驗證明了所設計的立體停車庫控制系統的可行性和穩定性，系統功能符合設計要求，為進一步完善立體停車庫使用和管理功能提供參考。

關鍵詞： 智能立體停車庫; 控制系統; PLC; 自動控制; 實時監控

中圖分類號： TP393 ? ? ?文獻標志碼： 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普遍出現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）中人口數量多，對車輛的使用需求較大，同時受到稀缺的土地資源的限制，停車場面積嚴重不足，導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，對提高停車面積利用率方面的研究不斷深入，促使立體車庫得以迅速發展，目前立體車庫已經成為一項研究熱點。這一新興的停車方式及其設施的投入應用可使城市停車位緊缺的問題得到有效緩解，作為應對停車難問題的有效措施，立體車庫通過對城市有限的土地面積及空間優勢進行充分利用，實現在有效的區域內車輛最大限度地存儲。

1 需求分析

隨著人們的生活水平的不斷提高，日常消費水平升級進入了新階段，汽車已經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，在為人們日常出行帶來極大便利的同時使停車難問題成為急需解決的城市管理難題，早期的城市建設規劃對急劇增加的停車需求考慮的不夠充分，導致傳統的停車設施（包括車位和車庫等）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格不斷提高，為了緩解這一問題立體車庫應運而生，作為一種新型車庫立體車庫意在實現科學的車輛存儲設計與停車自動管理過程，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量，成為解決傳統停車場停車難題的重要手段。基于機械設備建造的立體車庫通過智能控制系統的應用實現對自動存取車輛的有效控制過程，比傳統車庫的占地面積要小許多，具備更高的土地使用效率。由于立體車庫仍然處于初步發展階段，相應的管理和控制系統的智能化及自動化水平有待進一步提升，特別是對于規模較大的立體車庫普遍存在用戶操作延時較大的問題，難以快速高效的完成停車過程[1]。

2 智能立體停車庫控制系統總體設計

快速增長的汽車保有量使停車設施短缺問題日益凸顯出來，在城市有限的土地資源中需創新規劃和完善停車空間以有效解決停車難問題。近年快速發展起來的立體化車庫的設計方式使一定面積的車輛停放數量得以增加，在帶來停車便利的同時帶來了包括車輛進出車庫時的擁堵等在內的問題，這就對立體停車庫控制系統提出了更高的要求。集合了多種設備的立體車庫屬于一種大型機械系統，用于一體化存放車輛，以立體車庫的類型和特點為依據可將其劃分為汽車專用升降機、垂直循環類、垂直升降類、升降橫移類、多層循環類、水平循環類、平面移動類、簡易升降類、巷道堆垛類9類。其中，升降橫移式的立體車庫相比其他立體車庫具備利用率高、便捷高效、可靠性及安全性高等優勢，成為目前應用最為廣泛的類型，本文主要針對升降橫移式立體車庫完成了一種智能控制系統的設計，通過目標載車板路徑的形成（利用移動其他車位完成）實現對目標載車板升降過程的有效控制過程，在此基礎上實現目標車輛的快速準確的存取過程。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中點擊“存車”選項按鈕，根據系統提示及自身實際需求完成立體車庫中目標車位的選擇和確認，接下來系統據此通過左右橫移車庫中的其他車位，完成針對目標停車位及通道的清空操作過程，接下來目標車會在系統控制下向車庫地面移動，用戶完成存車操作后，系統控制目標車位上升。取車流程同存車流程類似，用戶在取車前先在系統中選擇“取車”按鈕選項，然后輸入用戶身份信息和取車憑證，控制系統據此驗證用戶信息無誤后，根據所獲取的目標車位信息對移動操作車庫通道中的其他車位以清空升降通道，控制目標車位到達用戶所在地面，系統在用戶完成取車操作后控制空閑的目標車位上升。

本文智能立體車庫控制系統主要實現車庫對車輛的存取功能，系統的使用者可分為用戶、操作員和管理員，該控制系統的功能架構，如圖3所示。

用戶在系統實際運行過程中主要使用到存車和取車的操作，立體車庫中的電機和安全檔桿等設備由系統操作員手動完成升降、橫移等操作過程的控制，管理員根據系統實時獲取的相關傳感器信號實現對立體車庫的實時高效的監控過程。本文立體車庫控制系統使用PLC作為主控制器，系統必要的數據交換及操作過程通過結合運用PROFINET （以太網）與觸摸屏完成，該智能立體車庫系統的主要運行過程示意圖，如圖4所示。

具體可描述為：先通過安裝于立體車庫中的傳感器完成對車庫運行狀態的檢測過程，然后將收集到的數據信息向控制器PLC傳送，通過PLC和觸摸屏實現對上位機輸入信號的準確控制，并向執行設備傳送相關執行運行數據，執行設備據此完成對立體車庫運行過程的控制[2]。

整個立體車庫控制系統主要由觸摸屏、PLC控制系統、上位機三部分構成，（1）觸摸屏系統，主要負責完成系統的人機交互功能，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用戶身份的驗證及停車位的控制，用戶操作設備出現故障時操作員需通過系統觸摸屏手動完成關鍵的控制操作;（2）PLC控制系統，PLC是控制系統CPU控制器的核心，系統的CPU接收到的由傳感器采集的信號后，由PLC控制器負責識別、分析和處理接收到的信號，然后通過向執行設備傳送控制命令實現最終對系統操作的控制過程;（3）以PC機為核心的上位機系統，主要實現實時監控的功能，接入網絡后即可便捷高效的完成對PLC設備中數據的訪問和獲取，并在監控設備中顯示。立體車庫系統的運維及管理由管理員負責（包括實時監控系統狀態及運行情況）[3]。

3 智能立體停車庫控制系統的實現

3.1 硬件設計

對自動化及智能化水平要求較高的立體車庫涉及到多種系統模塊（包括機械、控制、監控和通信等），為確保所設計系統具有較高的穩定性和安全性，需對系統硬件進行合理的設計，立體車庫控制系統的硬件主要由信號檢測模塊（包括光電、接近和限位開關等）、控制模塊（包括PLC控制器等）及執行控制模塊（包括橫移、升降電機等）構成，PLC控制器的電源模塊采用了能夠提供高穩定性電流的西門子PM1207，該控制系統的CPU選用了結構合理、使用簡便、易于擴展SIMATIC S7-1200（型號為CPU1214C DC/DC）;PLC控制器的通信過程通過結合運用觸摸屏和PROFINET通信方式實現，為滿足通信需求通過使用緊湊型交換機（型號為CSM1277）完成了通信網絡的組建，從而使系統的控制器、操作端以及管理員辦公設備間的通信過程得以有效實現[4]。統計分析該系統的輸入和輸出控制模塊中，輸入信號和輸出信號的數字量分別有119個、121個點，所有在系統中添加了7個輸入輸出模塊（可根據實際需要進行擴展），其型號為SM 1223 DI 16x24V DC/DQ 16x24 V DC。系統的觸摸屏模塊選用了KTP 600 Basic color PN設備（西門子生產），可有效滿足系統的操作及顯示需求。立體車庫的執行模塊（對應系統的橫移電機與升降電機）采用了三相交流異步電動機（功率分別為0.75 kW和3.7 kW），在傳感器模塊中通過結合運用光電開關（直流三線NPN常開型）和接近開關（直流二線常開型）實現對立體車庫區域內車輛的檢測過程，包括對載車板移動情況及安全掛鉤動作的有效檢測，載車板移動過程通過使用限位開關（型號為LX25-111/111S）確保其安全運行[5]。

3.2 軟件設計

3.2.1 自診斷功能

為確保立體車庫的安全性和可靠性，系統中的多個傳感器在PLC軟件控制模塊中負責完成對車庫硬件狀態的自動檢測，再將檢測到的信息傳送至PLC控制器實現自診斷軟件功能，傳感器自診斷功能流程，如圖5所示[6]。

3.2.2 PLC功能的實現

在系統的控制設備中完成相應模塊功能的軟件程序的設計和編寫，考慮到PLC控制器包含較多的記憶設備（如寄存器等），為有效避免系統出現故障，需先對PLC控制器進行初始化處理，在具體程序設計過程中選用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行OB100程序完成對PLC的中間變量的清零和初始賦值后再進行信號的輸出，控制系統在PLC控制器完成初始化且未接收到相應指令的情況下將循環執行OB1程序，在此過程中將將調用和執行FB程序（包括自動和手動控制、傳感器信號接收等）直至結束全部指令后返回至OB1程序。控制系統在初始化后會立即切換到自動控制的狀態，并以輸入到觸摸屏中的指令為依據完成相應操作的執行過程，包括自動選擇車位、自動存車、取車，通過硬件設備中的M1.0和M1.1變量實現自動存、取車功能間的關聯，存、取車分別對應變量M1.0和變量M1.1將置位。系統根據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器MB109傳送并據此完成對目標車位動作的執行過程，車位無效會向用戶發送“車位已用”的提示信息并復位M1. 4 。系統復位M1.6時提示“無車可取”[7]。

3.2.3 手動控制程序

立體車庫的控制程序主要使用了FC5、FC4和FC3程序，分別完成對立體車庫檔桿、電磁閥和電機的控制，系統在接收到相應控制指令后（由觸摸屏和上位機輸入）可通過同觸摸屏和上位機的控制變量相互關聯的中間變量完成對車庫的手動控制操作（包括檔桿及電機的升降和橫移等控制操作），中間變量MB19、MB29和MB39負責實現對安全檔桿信息的存儲和控制，中間變量MB18、MB28、MB38負責完成對安全掛鉤信息的存儲和控制，在此基礎上實現手動控制電機的功能，從而確保整個控制系統穩定高效的運行[8]。

4 系統仿真

為測試本文所設計的智能立體車庫控制系統的有效性和穩定性，在完成系統的軟硬件設計后對系統的所有設備進行了組裝和調試，具體通過博圖V13軟件的使用完成對該立體車庫控制系統的仿真和調試過程，完成各種參數設置后先編譯PLC控制程序，具體編譯結果如圖6所示。

觸摸屏和上位機的軟件程序結果，如圖7和圖8所示。

編譯結果均無錯誤和警告證明了PLC控制器、觸摸屏以及上位機設置及軟件編寫過程的正確性。完成編譯后通過電腦運行PLC程序的仿真軟件，得到的仿真結果如圖9所示。

在測試時通過隨機改變輸入變量后發現非空閑車位會準確顯示占用狀態，空閑車位則顯示初始閑置狀態，立體車庫的整體狀態正常，控制系統能夠穩定、可靠的實現對車位的選擇以及存取車操作的控制，通過使用S7-1200 PLC主控制器設計的立體車庫控制系統有效解決了操作延時問題，提高了車輛存取的智能化控制過程，有利于提升用戶體驗，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

針對城市中日益突出的停車難問題，本文主要對智能立體停車庫控制系統進行了研究和設計，在對立體車庫使用現狀及實際功能需求進行分析的基礎上，基于現有立體車庫的研究成果，完成了一種升降橫移式控制系統的設計，使立體車庫控制系統的智能化與自動化水平得到顯著提升，在提升控制質量及效率的同時降低了立體車庫的管理成本，仿真實驗結果表明本文所設計的智能立體車庫控制系統實現了對進出車輛及車位的有效的管理過程，系統具有較高的安全性和可靠性。

參考文獻

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（收稿日期： 2020.02.19）