基于PLC 的智能分類立體車庫設計與仿真

孫彥超

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

隨著社會的發展，汽車的保有量逐年升高，導致現有的停車位過于緊張，出現無處停車、亂停車的現象。為此本文設計建立不同類型的車庫，由輸送帶和工業相機搭建智能分類立體車庫系統。

1 智能分類立體車庫系統的設計

1.1 智能分類立體車庫系統的總體設計

入庫時，先將汽車停在輸送帶上，移動至停車點后根據汽車尺寸進行判斷，利用碼垛機將汽車移動至適合汽車尺寸的位置上；出庫時，則是將車取出，送到出庫停車點。兩者的運轉方式是相同的，主要過程就是輸運—檢測—入庫（出庫）—到達。系統總體設計原理見圖1。本文的創新點是將立體車庫車位的布置分為3 個區域，即中大型車停車位、中型車停車位和小型車停車位。車庫第一行設置為中大型車停車位；第二行和第三行設置為中型車停車位；第四行和第五行設置為小型車停車位。

圖1 系統的總體設計原理圖

1.2 智能分類立體車庫系統的硬件設計以及軟件設計

1.2.1 硬件設計

1）智能分類立體車庫系統由碼垛機、車輛輸送帶、立體車庫、工業相機以及人機界面（Human-Machine Interface，HMI）組成，其中可移動的碼垛機以不同的運行方式存取立體車庫中不同區域車輛。同時，為工業相機設計了主控制柜來完成通信。

2）西門子S7-1200 PLC 和HMI 的本地連接和網絡連接，是本系統設計的核心。工業相機收到的信息暫存在主控制柜中，再通過PLC 與PLC 的通信完成數據接收；碼垛機的速度和方向控制，使用變頻器控制電動機完成。

1.2.2 軟件設計

本系統設計的立體車庫車位數量為5×8，在硬件組態中，需要的輸入點有多個，而西門子S7-1200 PLC 在軟件編程中選擇CPU 控制器的時候，上面的輸入點只有14個，可以直接添加所需型號的輸入輸出點。程序分為主程序和子程序，在編程過程中對其動作進行分類設計。其中，子程序包括碼垛機回原位子程序、手動出入庫子程序、自動出入庫子程序。在WINCC 仿真界面中增加指示燈提示，故障時顯示黃燈，停止時顯示紅燈，系統正常時顯示綠燈。

2 立體車庫控制系統的硬件模塊選型

2.1 PLC 的控制模塊

本文選用的西門子S7-1200 PLC 與其他品牌的PLC 相比，使用更方便，靈活性更高，高速緩沖器和時鐘存儲器更完善，以太網通信極為方便，指令系統的設計簡單合理，并且可以與HMI 進行完美的配合。硬件和網絡參數可以采用更直觀的圖來進行設置，有很強的故障診斷和顯示功能，并且支持串口通信。因此，本文選用西門子S7-1200 PLC[1]。

2.2 變頻器的選擇和CPU 的卡件配置

1）變頻器選用SINAMICS G120 CU240E-2 PN(-F)V4.5，使用靈活，維護方便，支持對硬件模塊熱插拔，可以拆卸接線端子，并可以直接安裝在碼垛機的控制柜中。

2）每個車位傳感器都有規定的I/O 地址，輸入到控制器的輸入卡件中，對車位信息進行總的控制。工業相機檢測到信號，判斷尺寸信息，并傳送給PLC。

2.3 機器視覺系統

本文選用X-sight SV4-30ML 型號工業相機，該機器分辨率高，采集圖像的像素精確。無論是曝光方式，還是幀率，都達到了最高要求，滿足本系統設計對車輛尺寸判斷的需求[2]。工業相機的性能參數見表1。

表1 工業相機的性能參數

2.4 I/O 地址分配

本文設計的智能分類立體車庫控制系統的I/O地址，即輸入變量/輸出變量地址分配見表2 和表3。

表2 西門子S7-1200 PLC 的輸入變量地址分配表

表3 西門子S7-1200 PLC 的輸出變量地址分配表

3 立體車庫的軟件和人機界面的仿真設計與實現

3.1 控制系統的硬件組態

本文的控制系統程序采用博圖V16 軟件進行編程，分別對西門子S7-1200 PLC、車輛輸送帶3 個軸的變頻器和HMI 觸摸屏進行組態。其中，西門子S7-1200 PLC 的IP 地址為198.162.8.12；車輛輸送帶和水平軸、車叉軸、升降軸3 個軸的變頻器IP 地址分別為198.162.8.14，198.162.8.15，198.162.8.16；HMI 觸摸屏的IP 地址為198.162.8.112。

3.2 工業相機判斷車型尺寸類型設計

在工業相機軟件中，將車型尺寸分為3 種類型，通過工業相機對車輛最大長度和最大寬度的判斷，將3.5～4.5 m 的車輛停放在小型車停車位區域，4.5～5.2 m 的車輛停放在中型車停車位區域，5.2～7.0 m的車輛停放在中大型車停車位區域。并且通過記錄車牌號對車輛進入立體車庫的坐標編號進行設定，車主在取車時通過坐標編號進行取車。車型尺寸類型見圖2。

圖2 車型尺寸類型

3.3 HMI 觸摸屏設計

在博圖V16 軟件中對畫面進行繪制，根據本系統設計的要求對立體車庫、顯示燈和按鈕等操作在WINCC 中顯現出來。

在開始進行模擬之前，對畫面的按鈕、每個車位和顯示燈進行變量的連接，紅色代表無狀態，綠色代表有狀態或者有信號。點擊“系統自動啟動”按鈕，等待車輛輸送帶將待入車輛送達停車點。未綁定變量的仿真初始畫面見圖3；變量連接后的畫面見圖4。

圖3 未綁定變量的仿真初始畫面

圖4 變量連接后的畫面

3.4 智能分類立體車庫控制系統的程序設計

系統的主程序主要包括工業相機的判斷程序和碼垛機的運動控制程序。碼垛機的運動方式有前進、上升、伸進、后退、下降和縮退6 種運動方式。需要完成的子程序有左歸零的子程序、右歸零的子程序、手動模式子程序、自動出庫模式子程序、自動入庫模式子程序、手動出庫子程序和手動入庫子程序。這些程序均在博圖V16 軟件中，通過函數FC 塊和數據DB 塊調用完成[3-4]。智能分類立體車庫控制系統的主程序（Main）中的部分子程序見圖5。

圖5 智能分類立體車庫控制系統的主程序中的部分子程序圖

4 結束語

本文實現了智能分類立體車庫系統的軟件設計，對其功能進行了全面調試，并且能夠準確讀取到立體車庫不同類型車位的實際存放情況。根據市場調研，目前市場上的部分停車場容量（停車數量）可存放40 輛車，該智能分類立體車庫系統設計可在土地面積不改變的前提下，在原有的基礎上擴大4 倍的停車數量，節約了占地面積，大幅增加了停車數量，對后續立體車庫的建設有一定的參考意義。