黨健

摘要：以垂直升降旋轉(zhuǎn)立體圓形智能車庫控制系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合人機(jī)界面（human machine interface， HMI）、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）以及其他相關(guān)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)對智能立體 車庫的仿真設(shè)計(jì)。為了使用戶停車、取車方便快捷，在智能立體車庫控制系統(tǒng)中，選用昆侖通態(tài) HMI 和西 門子 S7-200 Smart PLC， 來實(shí)現(xiàn)汽車的存取功能，以此滿足系統(tǒng)要求。仿真調(diào)試結(jié)果證明了該系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生 活中的有效性與可行性。

關(guān)鍵詞：智能車庫；人機(jī)界面；可編程邏輯控制器

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著汽車總量的急劇增加，城市交通嚴(yán)重?fù)?堵，這干擾了人們的正常生活，同時(shí)也影響城市秩 序。市民停車難，車位難尋，車輛亂停，既破壞了 城市市容，也影響了居民生活 [1]。設(shè)計(jì)合理高效的 立體車庫將是設(shè)計(jì)者努力的方向。

在調(diào)查分析了立體車庫系統(tǒng)在全球的發(fā)展現(xiàn) 狀之后，本文設(shè)計(jì)一套自動化程度與安全性較高 的智能立體車庫控制系統(tǒng)，以解決目前城市停車 難題。該系統(tǒng)的主控制器為西門子 S7-200 Smart PLC，同時(shí)選用昆侖通態(tài)人機(jī)界面（human machine interface，HMI）。通過建立智能立體車庫控制系 統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)無人管理，還可以大大提高車輛的 出入效率，使停車行業(yè)能夠響應(yīng)汽車總量增長的趨 勢，實(shí)現(xiàn)兩者同步協(xié)調(diào)發(fā)展 [2]。

1 智能立體車庫控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 立體車庫概述

1.1.1 立體車庫的分類

立體車庫是一種自動化設(shè)備系統(tǒng)，集電力、機(jī) 械于一體，用于最大限度地存取儲放車輛。立體 車庫大致可分為九大類：升降橫移式、簡易升降 式、垂直循環(huán)式、水平循環(huán)式、多層循環(huán)式、平面 移動式、巷道堆垛式、垂直升降式、汽車專用升降 式等。

1.1.2 立體車庫的確定

經(jīng)過對各種類型立體車庫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及優(yōu)缺 點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在眾多的立體車庫類型中，垂直 升降式車庫的綜合能力較好，該車庫不僅技術(shù)性能 好、空間利用率極高，而且存取速度快、低噪聲、 低能耗，便于操作，更適合當(dāng)今城市人們的需求 [3]。

結(jié)合實(shí)際的投資可行性和現(xiàn)有的技術(shù)能力，最 終選擇垂直升降式作為本文智能立體車庫類型，立 體車庫模型如圖 1 所示。

1.2 垂直升降式立體車庫的整體結(jié)構(gòu)

垂直升降式立體車庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主 要包括鋼架結(jié)構(gòu)、升降裝置、檢測裝置、轉(zhuǎn)盤換位 裝置、停車位、安全保護(hù)裝置等。

本文選取的車庫采取垂直升降式，選取 1 臺電 磁制動三相異步電動機(jī)作為主拖動電動機(jī)，其余電 動機(jī)分別為 1 臺電梯門電動機(jī)、1 臺軸距檢測電動 機(jī)和 1 臺轉(zhuǎn)盤換位電動機(jī)。

該立體車庫共 3 層，共有 29 個(gè)停車位，即可 以停放 29 臺車輛。

1.3 車庫工作流程

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)處于初始化狀態(tài)（如不是初 始化狀態(tài)，則需復(fù)位），當(dāng)按下“啟動”按鈕后， 就可以進(jìn)行汽車的存取。

存車過程如下：汽車行駛到待停區(qū) → 按下存車按 鍵 → 車庫電梯門打開 → 汽車被運(yùn)送到升降電梯的 轉(zhuǎn)盤換位裝置上 → 由軸距檢測裝置進(jìn)行測量 → 汽 車由升降電梯送到規(guī)定的樓層 → 由轉(zhuǎn)盤換位裝置旋 轉(zhuǎn)到車位指定位置 → 運(yùn)送到指定車位 → 系統(tǒng)復(fù)位。

取車過程如下：按下取車按鍵 → 升降電梯到 達(dá)汽車對應(yīng)樓層 → 轉(zhuǎn)盤裝置旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)車位 → 汽 車被傳送到轉(zhuǎn)盤裝置上 → 升降電梯與轉(zhuǎn)盤裝置復(fù) 位 → 電梯門打開 → 汽車開出。

2 智能立體車庫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

作為一種自動化產(chǎn)品，立體車庫將機(jī)械、檢 測、控制和通信集成在一起，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有操作 簡單、易于使用、安全可靠、存取速度快等基本特 點(diǎn)。基于此，本文進(jìn)行了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，確保后續(xù) 的軟件設(shè)計(jì)順利進(jìn)行。

2.1 智能立體車庫控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

經(jīng)過對立體車庫系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作流程進(jìn) 行分析，從而掌握了其控制要求，該硬件設(shè)計(jì)由 觸摸屏和可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）模塊、按鈕和傳感器輸入、電機(jī) 和指示燈等三大部分組成。

2.2 智能立體車庫控制系統(tǒng)硬件配置

2.2.1 PLC 硬件配置

PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，應(yīng)用于 工業(yè)控制領(lǐng)域。主控制器選用西門子 S7-200 Smart PLC，型號為 ST30，具有擴(kuò)展性強(qiáng)、通信功能強(qiáng)、 運(yùn)算速度快等特點(diǎn) [4]。S7-200 Smart PLC 實(shí)物圖如 圖 2 所示。

2.2.2 觸摸屏

在使用過程中，用戶需要將自己的需求轉(zhuǎn)達(dá) 給設(shè)備，也就是人機(jī)交互，通過本文的設(shè)計(jì)，觸 摸屏可以完成用戶的操作和現(xiàn)場狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、 反饋。該系統(tǒng)選擇昆侖常態(tài)公司生產(chǎn)的監(jiān)視與控 制通用系統(tǒng)（monitor and control generated system， MCGS）觸摸屏。

2.2.3 伺服系統(tǒng)

伺服機(jī)構(gòu)，也稱為伺服系統(tǒng)，是用來準(zhǔn)確跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。本文選用的是臺達(dá) ASDA-B2 系列的伺服系統(tǒng)，具備位置、速度、轉(zhuǎn)矩 3 種控制模式。伺服系統(tǒng)臺達(dá) B2 實(shí)物圖如圖 3 所示。

3 智能立體車庫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述內(nèi)容可知，智能立體車庫控制系統(tǒng)可 以分為兩個(gè)部分，分別為 PLC 系統(tǒng)控制部分和觸 摸屏監(jiān)控操作部分，其中 PLC 系統(tǒng)控制部分是整 個(gè)控制系統(tǒng)的核心所在。

3.1 立體車庫工藝流程與控制要求

3.1.1 系統(tǒng)初始化狀態(tài)

初始化狀態(tài)下，升降電梯處于一層，并且車庫 門處于關(guān)閉狀態(tài)，各電機(jī)停止運(yùn)行，夾緊氣缸處于 松開狀態(tài)，待停區(qū)無汽車，此時(shí)紅燈長亮。

3.1.2 運(yùn)行模式

（1）存車過程如下：①在觸摸屏中主界面按下 “存車”按鈕，進(jìn)入存車界面；當(dāng)汽車停到待停區(qū)， 傳感器 SQ1 檢測到有車后，在觸摸屏中輸入車牌號 （后三位數(shù)字）和車位號，單擊“確定”命令按鈕， 開始存車。

②電梯開關(guān)門、車型檢測及夾緊動作流程：存 車開始，M1 電機(jī)正轉(zhuǎn) 3 s，將電梯門打開；等待 5 s 后（此時(shí)汽車被傳送到轉(zhuǎn)盤換位裝置上），M3 電機(jī)帶動傳感器 SQ12 進(jìn)行軸距檢測，當(dāng) SQ12 有 信號，軸距檢測完畢，夾緊氣缸運(yùn)行 2 s 夾緊以固 定車輛，同時(shí)電梯門關(guān)閉（M1 電機(jī)反轉(zhuǎn) 3 s）。

③存車動作過程：升降電梯根據(jù)程序指令將汽 車運(yùn)送到對應(yīng)的樓層，然后轉(zhuǎn)盤換向裝置旋轉(zhuǎn)相應(yīng) 的角度將汽車運(yùn)送到對應(yīng)的停車位。

依據(jù)規(guī)則設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)車輛的自動存入，如選 擇的車位已經(jīng)有車，觸摸屏彈出提示框，提示“車 位號輸入沖突，請重新輸入”。

（2）取車過程如下：在觸摸屏中按下“取車” 按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入取車界面。輸入該車的車位號，按 下“確定”按鈕，升降電梯根據(jù)取車規(guī)則上升到指 定樓層，轉(zhuǎn)盤換向裝置旋轉(zhuǎn)到指定車位處將汽車運(yùn) 送出車庫。

3.1.3 停止操作

當(dāng)系統(tǒng)在存取車過程中，按下“停止”按鈕， 程序會等待當(dāng)前汽車存取完成后，停止運(yùn)行，此時(shí) 紅燈以長亮顯示。

按下“急?！卑粹o或者安全裝置被觸發(fā)，系 統(tǒng)發(fā)生急停事件立刻停止運(yùn)行，紅燈以 2 Hz 顯示。 當(dāng)急停事件解除后，按下“啟動”按鈕，系統(tǒng)從之 前狀態(tài)啟動繼續(xù)恢復(fù)運(yùn)行。

3.2 PLC 控制程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng) PLC 控制程序采用 STEP 7-MicroWIN SMART 軟件開發(fā)環(huán)境，梯形圖設(shè)計(jì)類似于繼電器 接線圖，通俗易懂，大大提高了程序開發(fā)效率。

3.2.1 主程序設(shè)計(jì)

對于本系統(tǒng)，為了方便調(diào)試和編程，設(shè)計(jì)思路 為主程序調(diào)用子程序。當(dāng) HMI 存車按鈕 V50.0 動作， 主程序控制字 MB10 數(shù)據(jù)為 10，即調(diào)用存車子程序。

3.2.2 存車運(yùn)算程序

在存車過程中，利用觸摸屏中輸入的車位號來 計(jì)算，得出升降電梯上升的層數(shù)和轉(zhuǎn)盤裝置轉(zhuǎn)動 的角度，十位數(shù)是車位號除以 10 之后截取的整數(shù)， 個(gè)位數(shù)=車位號- （十位數(shù)×10）。例如，24號車位， 那么經(jīng)過計(jì)算得出十位數(shù)為 2，即存入地址 VD600 中，個(gè)位數(shù)為 4，進(jìn)一步定位到地址 VD604 中。

3.3 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

在觸摸屏—用戶窗口中新建窗口，畫面是人機(jī) 交互畫面的主要元素，用來完成用戶的操作和系統(tǒng)的監(jiān)控，如各種操作按鈕、變量的輸入和狀態(tài)顯 示。一個(gè)項(xiàng)目能夠包含 N 個(gè)畫面，具體數(shù)量根據(jù)客 戶需求而定。在該系統(tǒng)中包含 3 個(gè)畫面，其中存車 流程界面如圖 4 所示，包括用戶輸入?yún)^(qū)和系統(tǒng)的運(yùn) 行狀態(tài)監(jiān)測。

4 系統(tǒng)仿真調(diào)試

4.1 系統(tǒng)模塊化調(diào)試

在 PLC 編程軟件中將程序?qū)С鰹?AWI 格式，然 后用仿真軟件安裝程序，點(diǎn)擊運(yùn)行進(jìn)行仿真調(diào)試。 觸摸屏程序需在 MCGS 自帶的仿真環(huán)境中進(jìn) 行仿真調(diào)試，在下載配置中選擇模擬運(yùn)行，然后進(jìn) 行工程下載，安裝成功后啟動運(yùn)行。觸摸屏仿真運(yùn) 行如圖 5 所示。

4.2 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

在聯(lián)合調(diào)試中，需要先連接硬件電路。根據(jù)電 氣原理圖和 PLC 接線圖先連接硬件設(shè)備，連接完 畢后需檢查無誤才能給設(shè)備上電，上電后，需先進(jìn) 行硬件的參數(shù)設(shè)置，需要進(jìn)行硬件參數(shù)設(shè)置的設(shè)備 有變頻器、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。

4.3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)先進(jìn)行了 PLC 和觸摸屏的單獨(dú)調(diào)試，調(diào) 試無誤后進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，在聯(lián)合調(diào)試中遇到了諸 多問題，如 PLC 程序編寫有誤和觸摸屏個(gè)別參數(shù) 無法得到監(jiān)控，通過仔細(xì)排查和發(fā)現(xiàn)問題、修改程 序，系統(tǒng)得到了完善，并且達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)控制 要求。

5 結(jié)語

在分析了國內(nèi)外立體車庫的發(fā)展現(xiàn)狀后，本文 將研究對象選擇為垂直升降式智能立體車庫，簡單 描述了智能立體車庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成和系統(tǒng)工 作流程；進(jìn)行了系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)，對其硬件進(jìn) 行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并完成了軟件方面的設(shè)計(jì)；最后完 成了系統(tǒng)的聯(lián)合仿真調(diào)試，結(jié)果表明完善后的系統(tǒng) 可以較好實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。

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