基于PLC的智能立體停車庫控制系統設計

李 寧，靳 娜

(江蘇聯合職業技術學院鹽城生物工程分院，江蘇 鹽城 224000)

0 引言

我國人口眾多，汽車保有量日益增加，而停車場數量過少，難以有效滿足人們的停車需求[1-2]。當前我國大部分為地面停車位，但地面停車位人均資源占用量過低，尚未達到世界平均水平[3]。因此，如何在有限的城市空間內為廣大市民提供更多的停車位是我國當前城市生活亟待解決的重要問題。本文構建的智能立體停車庫系統可有效緩解當前我國城市普遍存在的停車難現象，具有重要的現實意義，可為相關領域研究提供了參考。

1 相關概述

1.1 智能立體停車庫概述

智能立體停車庫是通過堆垛機的運行完成車輛存取操作，其適應能力強，可規劃及布置于各種不同的環境[4]。堆垛機運行于巷道之中，載車板在水平與垂直兩個方向同時移動。巷道堆垛類立體停車庫在實際應用中表現出較強的安全性，只在系統封閉狀態下運行，能更加充分地利用空間，與其他立體停車庫相比明顯占據優勢，以便于用戶存取車輛，智能化水平較高。在實踐中，可結合場地情況規劃立體停車庫，其核心機構主要有搬運器、堆垛機等。車庫結構如圖1所示。

圖1 立體車庫空間模型

立體車庫具有三維化的特征，以三維運動存取車輛，巷道內存取車的行為可細分為3個方向上的運動，一是水平運動X，其主要功能是選取合適的巷道；二是垂直運動Z，其主要功能是選定停車層數；三是橫向運動Y，其主要功能是確定擇車位列數。為進一步闡明運行機制，本設計采用雙棟三層五列結構，總共包含30個停車位置，兩行之間的中間位置增設一個軌道，支持機械載體框架通行。把升降臺安設于入口處，把平移軌道運用于每個層次之中，對機械載體在整個框架內的通行提供有利條件。在設計車庫與選擇搬運器時，均運用機械式梳狀裝置，負責在車位與搬運器之間運輸車輛。所有車位都配備了接近開關，自動檢測當前有無存儲車位。立體停車庫的機械部分主要包括車庫鋼框架結構、搬運器等部件。本文設計的立體車庫結構如圖2所示。

圖2 堆垛式立體停車庫結構

1.2 PLC的概念和應用

可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是整個系統的控制核心，能夠保證系統各項功能的實現，高效、準確地處理系統的各類信息，并將按照控制要求發送到各個模塊，使各個模塊有機地結合到一起，保障系統的正常運行。PLC的輸入、輸出接口具有多種可擴展模塊，使PLC具有強大的控制功能以及良好的與外圍設備的通信功能。

PLC作為常用的以電氣與計算機控制技術為基礎的專用型工業控制器，經過不斷的發展，已經被廣泛地應用于工業生產的各個領域。PLC作為控制器具有可靠性高、抗干擾能力強、通用性強、硬件類型多樣、使用簡單、可以滿足多種的控制要求、適應性極好、編程簡單、容易掌握、安裝簡單、維修工作量小、維護方便、體積小、能耗低等優點。

2 智能立體停車庫車輛存取控制設計

立體車庫系統控制算法的設計目的是提高停車庫的智能服務水平，便于用戶快速安全地存取車。在此設計中，堆垛機的存取車流程及系統存取車控制尤為重要。

2.1 存取車控制流程

用戶存取車時，升降機會做出上升和下降兩個動作，此類動作的完成高度依賴于搬運器等裝置的協同配合，搬運器運行動作也包括兩個，一是搬出，這一動作在發生時會遇到滿載、空載兩種情況；二是搬回，也要面臨滿載、空載兩種情況。水平行走機在運行中需要完成移出與移回兩種動作。搬運器升降機在運行過程中主要保持上升、下降兩種模式。梳齒裝置在運行中保持伸展、收縮兩種模式。在觸摸屏上，用戶點擊存車并領取相應的條形碼。系統自動監測車位，若未在第一層，那么升降機運行，上升至指定層數，搬運器提起之后把存車架移動到指定車位。處于下降運行狀態的搬運器，梳齒處于收縮狀態之中，能在安全有保證的前提下快速把車輛存儲于車庫。當搬運器移回存車架之后，要對車位進行檢測，判斷其是否處于第一層，如果未處于第一層，則啟動升降機并降至第一層。水平行走機移至出口處，條碼能自動打印，用戶取走條碼。堆垛機存車流程如圖3所示。

圖3 存車流程

用戶把條碼對準條碼器，系統掃碼后啟動水平行走機，使之移至目標車位，對車輛位置做出判斷，如果未處于第一層，需要啟動升降機將其提升至目標層數，再用搬運器將車輛運出，此時梳齒處于伸展狀態，提起搬運器并把車輛運送至搬運器，在滿載狀態之下，搬運器可移回存車架，再次對車位是否處于第一層做出判斷，若未在此層，啟動升降機并將其降至第一層，水平行走機移至出入口處，自動打印條碼，用戶將車開走。堆垛機取車流程如圖4所示。

圖4 取車流程

2.2 系統存取車控制流程

系統存車流程：啟動系統之后，需要對是否有車位進行檢查，如果沒有車位，入口門關閉，車位滿指示燈亮；如果有空車位，入口門敞開，車輛進入存車架，用戶在觸摸屏中進行操作可存車，系統對車輛存放位置進行檢測，對車輛存儲是否安全進行檢測，如果出現系統故障，工作人員快速排除故障，存車工作結束后打印條碼并提供給用戶，完成存車動作之后，空車位數量減1。整個存車流程如圖5所示。

系統取車流程：啟動系統之后，車主取車時需要點擊觸摸屏，需要把條碼對準讀碼器，系統自動掃碼并進行掃描，系統會轉換到取車流程，識別取車任務是否完成，一旦系統發生故障，要聯系工作人員及時檢查，車主取車之后，空車位數量減1。整個取車流程如圖6所示。

圖6 系統取車流程

3 智能立體停車庫系統設計

3.1 智能立體停車庫系統整體架構

智能立體停車庫系統整體架構如圖7所示，主要由操作單元、工作單元等構成。

圖7 停車庫系統整體架構

本設計采用西門子可編程控制器S7-1215C。將SM1221DI16x3，SM1222DQ16x1作為本控制器的擴展單元。S7-1215C的通信接口與讀碼器等多類外部設備相連接。本設計方案通過Profinet I/O通信接口進行Profinet通信，此通信方式的優勢主要表現為硬件設施投入少、不需要采用其他通信模塊、調試便捷、性能穩定等。

3.2 停車庫系統電機控制

本文控制電機由變頻器進行控制，以實現電機啟停、正反轉及速度的調節。以軌道平移行走機的電機為例，其控制原理如圖8所示，交流接觸器KM2實現平移行走機的電機運行。本文的智能立體停車庫控制系統分別由5個三相交流電機同步協調運行，圖8中交流接觸器KM2能控制平移行走機電機，分別由交流接觸器KM4，KM6，KM8和KM10對升降機、搬運器平移、升降、梳齒伸縮進行控制，由此實現對相應電機控制，其控制原理與圖8類似。

圖8 電機控制原理

3.3 觸摸屏界面設計

為了方便車主直觀地存取車，立體停車庫控制系統采用觸摸屏進行操作。如圖9所示，其主界面能夠清晰顯示空位數量，該界面也會顯示其他信息，類似于取車、存車信息等。通過車位信息界面，人們能夠快速準確地了解車位停車現狀。通過點位監控界面可以實時了解I/O口狀態，需要注意一點，本界面為管理員界面，一旦機器運行出現了故障、異常等，管理員登錄系統之后能實時了解I/O點的運行情況，而且可以通過狀態監控界面了解車輛狀態、變頻器運行等情況。管理員能夠通過通信和傳感器界面及時發現通信故障，有助于快速有效地處理問題。

圖9 監控系統界面

4 結語

智能立體停車庫可以節約停車時間，優化停車空間，有效解決了城市中停車難問題，因此建立智能立體停車庫管理控制系統已成必然趨勢。本文根據智能立體停車庫控制系統的應用要求，提出了基于PLC的設計方案。不同于傳統立體停車庫系統，本系統信息存儲能力強、管理功能豐富，能高效處理數據，用戶訪問時間得到了有效縮短。