基于PLC技術(shù)的智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄺愛(ài)華 陳 卓

（鄭州市電子信息工程學(xué)校，鄭州 450007）

隨著城市車輛不斷增多，現(xiàn)階段出現(xiàn)了車輛停車?yán)щy、隨意停放等問(wèn)題，造成了交通堵塞。為有效解決車輛停車?yán)щy的問(wèn)題，借鑒立體停車庫(kù)結(jié)構(gòu)靈活、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中既可以極大提高停車庫(kù)的空間利用效率，又能保障智能停車庫(kù)的安全性[1]。所以，采用智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)是未來(lái)緩解停車?yán)щy的一種新思路。

1 智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)時(shí)，需要明確停車庫(kù)的控制器是利用升降橫向移動(dòng)的傳動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)將車輛在載車板精準(zhǔn)移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)車位。因此，針對(duì)智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)可以將其劃分成上位機(jī)（PC）監(jiān)控模塊、PLC（下位機(jī)）控制模塊、信號(hào)輸入模塊和信號(hào)輸出模塊4部分。其中，PC和PLC需要借助通信協(xié)議才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、傳遞。下位機(jī)利用PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)智能停車庫(kù)的控制。上位機(jī)部分實(shí)現(xiàn)了對(duì)PLC控制系統(tǒng)下發(fā)車輛存取的指令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控智能停車庫(kù)運(yùn)行狀況和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。PLC控制系統(tǒng)連接整個(gè)停車庫(kù)的控制裝置、傳動(dòng)裝置、傳感器以及聲光報(bào)警裝置等設(shè)備，保證了停車庫(kù)的安全。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到上位機(jī)給出的對(duì)應(yīng)指令后，檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)等傳感器信號(hào)后，判斷載車板目標(biāo)位置，然后系統(tǒng)控制電機(jī)、升降機(jī)實(shí)現(xiàn)車輛的存取操作[2]。

2 基于PLC技術(shù)的智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)主要集合了橫向移動(dòng)裝置、升降裝置和旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)裝置，結(jié)合整體的支撐框架與載車板、PLC主控制系統(tǒng)（下位機(jī)）、PC、人機(jī)操作界面（上位機(jī)）以及安全保護(hù)措施等多個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)整體框架示意圖

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)PLC控制核心，可在PC和人機(jī)界面輸出相應(yīng)的信息，也可以與變頻器實(shí)現(xiàn)雙向通信。變頻器借助電機(jī)實(shí)現(xiàn)裝置的移動(dòng)變化。在實(shí)際工作過(guò)程中，不同類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠簡(jiǎn)化相關(guān)操作。此外，該控制系統(tǒng)還具備互鎖功能[3]。

2.2 智能停車庫(kù)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC類型選擇及傳感檢測(cè)元件選取

首先，根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，需實(shí)現(xiàn)停車庫(kù)停車裝置的自動(dòng)化，并保證其安全性和可靠性。本文選擇利用西門(mén)子旗下的S7-1500系列的PLC作為智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)的核心。在輸入/輸出（Input/Output，I/O）混合模塊方面選擇EM233，通過(guò)檢測(cè)元件、變頻器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC輸入端口或輸出端口的地址進(jìn)行分配。其次，從對(duì)傳感器的選擇方面來(lái)看，需要滿足對(duì)車輛是否符合車位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、載車板樓層停靠準(zhǔn)確性、旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)是否到位以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)等方面的采集。因此，此停車裝置選擇利用ITR-9606型號(hào)的光電開(kāi)關(guān)和LXW5-11G3/FL的行程開(kāi)關(guān)。最后，通過(guò)頻頻器和旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇，利用編程端口和人機(jī)界面等實(shí)現(xiàn)了雙方通信，并進(jìn)一步確保了數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能的有效性[4]。

2.2.2 PLC的控制原理

基于PLC技術(shù)設(shè)計(jì)智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)，通過(guò)升降電機(jī)和橫向移動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制車位板。想要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車泊位分配功能，控制系統(tǒng)需要借助無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也可以利用垂直升降機(jī)、搬運(yùn)機(jī)以及驅(qū)動(dòng)設(shè)備3部分的協(xié)調(diào)合作實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)存取功能。由PLC發(fā)出相關(guān)指令，在控制接觸器的通斷下觸發(fā)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行或停止。這時(shí)只需要借助極限開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)既可以有效控制車輛位置。在智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，I/O設(shè)計(jì)為全部開(kāi)關(guān)量，使得PLC控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力。因此，在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中并不需要增添相應(yīng)的抗干擾措施。

2.2.3 人機(jī)界面HMI設(shè)計(jì)

該硬件的設(shè)計(jì)在用戶的車輛駛?cè)胪＼嚽埃刂葡到y(tǒng)會(huì)自動(dòng)將空閑車位調(diào)整到最底層，因此用戶無(wú)須進(jìn)行人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）操作。取出車輛時(shí)，則需要用戶在對(duì)應(yīng)的HMI中將自己車輛對(duì)應(yīng)的車牌號(hào)輸入搜索框，然后經(jīng)過(guò)車牌識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)后向PLC驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出取車指令，以取出對(duì)應(yīng)的車輛。需要注意，停車庫(kù)的車輛載板在運(yùn)作過(guò)程中界面上會(huì)顯示“工作中”狀態(tài)，這時(shí)無(wú)法對(duì)界面進(jìn)行相關(guān)操作。用戶可以通過(guò)HMI界面實(shí)時(shí)觀察車輛位置信息，從而更加直觀地了解停車庫(kù)的運(yùn)行狀況[5]。

2.3 智能停車庫(kù)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 停車庫(kù)自動(dòng)控制流程

軟件方面的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)停車庫(kù)中的車位板自動(dòng)移動(dòng)到指定位置。一般面對(duì)該情況需要通過(guò)不同的條件實(shí)現(xiàn)車庫(kù)的自動(dòng)控制功能，如圖2所示。

圖2 智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)工作流程

用戶在觸摸屏上輸入對(duì)應(yīng)的取車密碼，才能夠?qū)崿F(xiàn)車位板的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)車輛的存取。借助按鈕操作選項(xiàng)，可完成一個(gè)完整的車位板移動(dòng)。當(dāng)在車輛存取過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)手動(dòng)方式使車位板移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的位置。如果車位板未移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的位置，會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)停止運(yùn)行。因此，面對(duì)該問(wèn)題應(yīng)當(dāng)積極采取措施，并分析系統(tǒng)顯示的故障代碼，解決停車庫(kù)系統(tǒng)故障問(wèn)題。

2.3.2 車輛存取控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)PLC技術(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為進(jìn)一步確保PLC和人機(jī)界面的正常通信，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)PLC控制系統(tǒng)參數(shù)的配置。智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合了PLC技術(shù)，因此可以通過(guò)不同的行程開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)車位板等對(duì)應(yīng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，并利用接觸器等設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)和停止。在進(jìn)行智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要加強(qiáng)對(duì)人員和車輛等方面的安全考慮。例如，在車庫(kù)中設(shè)置相應(yīng)的急停開(kāi)關(guān)，以便在車輛存取過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)人員可通過(guò)急停開(kāi)關(guān)及時(shí)控制車位板，使其停止工作，從而保障人員和車輛安全，為維護(hù)工作提供便利[6]。

2.3.3 自動(dòng)診斷功能

為保障智能停車庫(kù)的安全性和可靠性，在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，PLC控制模塊中融入了多個(gè)傳感器設(shè)備，使其能夠自動(dòng)檢測(cè)停車庫(kù)的硬件狀態(tài)，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的控制器中。PLC自動(dòng)診斷功能設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)診斷功能設(shè)計(jì)示意圖

2.3.4 短信預(yù)約及智能刷卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

短信預(yù)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為不同用戶提供了便利服務(wù)，使得用戶通過(guò)短信方式就能夠提前預(yù)約停車庫(kù)的停車位。停車庫(kù)控制系統(tǒng)的上位機(jī)響應(yīng)后，會(huì)向用戶手機(jī)發(fā)送一條預(yù)約成功的短信，反之則會(huì)提示用戶車位已滿。在智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)中，智能刷卡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要起到了智能收費(fèi)和門(mén)禁的作用。用戶需要存車時(shí)，只需要接觸集成電路（Integrated Circuit，IC）卡即可在停車庫(kù)的入口讀卡機(jī)感應(yīng)區(qū)刷卡，并完成車輛入庫(kù)時(shí)間登記，同時(shí)車庫(kù)外的柵欄會(huì)自動(dòng)升起，用戶將車輛駛?cè)胲噹?kù)即可。取車時(shí)，同樣利用IC卡，在停車庫(kù)入口完成系統(tǒng)對(duì)卡號(hào)的識(shí)別，然后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行停留時(shí)間、繳納金額等方面的計(jì)算，完成車輛取出。可見(jiàn)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得停車庫(kù)的管理工作變得更加智能與方便。

2.3.5 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在智能停車庫(kù)中至關(guān)重要。當(dāng)用戶車輛存取操作出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的報(bào)警按鈕，點(diǎn)亮故障指示燈，可及時(shí)提醒工作人員分析和處理故障。當(dāng)車庫(kù)管理工作人員接收到對(duì)應(yīng)的故障提示后，可以通過(guò)關(guān)閉按鈕關(guān)閉報(bào)警器。故障問(wèn)題得到解決后，報(bào)警燈會(huì)自動(dòng)熄滅。

2.3.6 斷電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

斷電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是由于智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中擁有的設(shè)備共同組成了一個(gè)有機(jī)整體，導(dǎo)致不同系統(tǒng)之間出現(xiàn)了連續(xù)性的工作循環(huán)。當(dāng)車庫(kù)出現(xiàn)掉電情況時(shí)，想要再次啟動(dòng)，需要將所有正在運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)全部恢復(fù)到掉電之前的狀態(tài)，并在完成整個(gè)車輛存取過(guò)程后重新回到原來(lái)的位置。因此，在智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)的主控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以設(shè)計(jì)斷電保護(hù)系統(tǒng)，將對(duì)應(yīng)PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)寄存到系統(tǒng)內(nèi)部的寄存器設(shè)備中。等到車庫(kù)恢復(fù)正常供電后，系統(tǒng)會(huì)提示并詢問(wèn)管理員是否進(jìn)行掉電后恢復(fù)處理工作，從而為車庫(kù)運(yùn)行提供安全保障。

2.4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)的控制要求，該車庫(kù)需要通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控停車庫(kù)的內(nèi)部情況。選擇監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）觸摸屏上位機(jī)，不僅操作簡(jiǎn)便，還具備完善的功能，可以實(shí)現(xiàn)和工業(yè)設(shè)備的雙向通信。在以太網(wǎng)和下位機(jī)的作用下，兩者之間的數(shù)據(jù)同步，完成車輛的存取指令傳遞和動(dòng)畫(huà)顯示功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能停車庫(kù)實(shí)際運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)控制、管理以及監(jiān)控[7]。

2.5 系統(tǒng)仿真分析

為測(cè)試基于PLC技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，在實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)軟件和硬件方面的設(shè)計(jì)后，對(duì)該停車庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，借助仿真模擬軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)該智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)的仿真模擬、調(diào)試以及PLC控制程序的編譯。從上位機(jī)編譯的結(jié)果來(lái)看，它并不存在錯(cuò)誤和警告顯示，驗(yàn)證了PLC控制上位機(jī)設(shè)置和軟件編寫(xiě)的正確性。通過(guò)仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中利用輸入變量隨機(jī)改變?cè)囼?yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，停車庫(kù)中存在的非空閑車位的占用狀態(tài)得到了準(zhǔn)確顯示，而空閑車位在顯示器中顯示出初始閑置狀態(tài)，說(shuō)明智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)能夠有效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)對(duì)停車場(chǎng)車庫(kù)中車位的正確選擇和車輛存取等方面的操作控制[8]。

基于PLC技術(shù)設(shè)計(jì)的智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)，不僅有效解決了操作方面的延時(shí)問(wèn)題，還優(yōu)化了車輛存取的智能控制過(guò)程，一定程度上緩解了停車難問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前城市停車?yán)щy的問(wèn)題，基于PLC技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于西門(mén)子S7-1500 PLC等硬件，不僅簡(jiǎn)化了車輛存取流程，還進(jìn)一步提高了停車庫(kù)控制系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化水平。利用HMI技術(shù)使得用戶操作和管理人員對(duì)停車庫(kù)的維護(hù)變得更加直觀、便捷，有效緩解了停車?yán)щy問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了智能化泊車。此外，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)了自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制模式，在軟件和硬件的作用下，提高了系統(tǒng)的安全性。仿真試驗(yàn)證明，該智能停車庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了車輛存取和車位的有效管理，還在一定程度上改善了停車?yán)щy現(xiàn)象。