智能立体车库自动控制系统的设计及模拟应用

王 瑞，赵雄伟，张波波，薛文杰

（1.延安大学化工学院，延安 716000；2.延安市石油化工承压设备安全工程重点实验室，延安 716000)

0 引言

随着社会现代化的不断发展，家用汽车持有量连续增长，停车难的问题日显突出，传统的停车场已经远远不能满足用户的停车需求，而立体停车库是解决城市静态交通问题的重要手段之一[1]。大力发展立体停车库并完善其自动控制系统迫在眉睫。本课题是在现有平面停车位的基础上设计一个智能立体停车装置，约占用两个停车位的面积，共分为三层，每层可停放两辆汽车，一层为原有停车位，二、三层设置在一层正上方，每层垂直高度均为2m。存取车的升降装置可沿着设在二层水平支承架上的滑轨前后移动，从而实现了停车板的水平移动。立体停车装置基于PLC为核心控制元件而实现自动控制，人们只需按下按钮就可以存取车，充分体现了其方便、快捷、智能控制的优势。

1 总体结构设计

1.1 控制系统整体框架设计

本文所设计的停车库集横移、升降、旋转于一体，控制系统主要由七大部分组成，分别是：1）整体支撑框架和载车板；2）升降装置；3）旋转圆盘装置；4）横向移动装置；5）主控制系统（PLC）；6）上位机系统（PC机、人机操作界面等）；7）安全保护措施。结构如图1所示，以PLC为控制核心向PC机、人机界面等输出信息，与变频器之间双向通讯，即PLC作用于变频器，变频器反作用于PLC[2]，变频器通过改变驱动电机的转动频率，使得该装置完成升降、横移、旋转等动作。

图1 控制系统整体框架

1.2 机械运行原理

本车库的设计中采用2×3的车位布置，共6个车位，一层可自由存取，整体结构如图2所示，每个车位相互独立，彼此不影响。该车库的升降装置操作路径固定，配备编程控制器（PLC）为自主搬运器，采用了搬运起重机与钢丝绳提升机同时作业模式，通过PC上位机的控制进行车辆的自动存取。用户需存车时，提前预约车位，判断楼层及是否需要旋转，待车位通过升降装置到达地面，然后驶入车辆，经过安全监测，判断无误后，开启阻车装置，将载有汽车的车位升到指定楼层，利用水平移动机构使得升降装置作平移动作，并将停车板放在旋转圆盘上，升降装置而后将沿原路返回，完成存车操作。用户需要取车时，选择自己的车辆停放位置，再通过存取装置进行升降、横移、旋转等取车动作，最后汽车到达地面，司机将车辆开走，系统恢复到初始状态，等待下次存取车命令。

图2 立体停车库整体效果图

2 停车库硬件设计

2.1 控制系统设计

整个停车装置的控制系统主要由上位机、人机界面和PLC（下位机）组成[3]，其控制系统框图如图3所示。上位机由PC机、HMI及监控系统构成，发送存、取车命令给PLC，PLC结合收集到的传感器信息，从而控制执行元件。

图3 控制系统构成

2.2 硬件选型

1）PLC选型

基于控制系统的设计要求，为实现停车装置的自动化和安全可靠运行，选择西门子公司的S7-200系列PLC作为整个控制系统的核心，选择I/O混合模块EM223，CPU226，此系列PLC为30DC输入，DC输出/继电器输出，根据检测元件，变频器，将PLC输入/输出端口地址进行分配，停车装置PLC控制系统结构图如图4所示[4]。

图4 PLC的硬件系统结构图

2）传感检测元件的选取

传感器需要采集的数据有四个：需存车辆是否符合车位标准、检测楼层停靠准确与否、检测旋转圆盘是否到位以及开关限位器是否正常。本停车装置选用红外线光电开关ITR-9606和行程开关LXW5-11G3/FL。

3）变频器和旋转编码器

本设计中变频器选用西门子的SINAMICS G120，旋转编码器采用360P/R增量型，升降装置和旋转圆盘运行时，利用旋转编码器进行检测和软件实时计算升降装置所在位置、换点速度位置，同时发出平层信号、换速信号[5]。

3 停车库软件设计

3.1 软件设计方案

PLC控制系统的应用程序主要分为主程序、子程序、中断程序。主程序主要负责程序的初始化、信息扫描以及自动存取过程等任务；子程序包括车位计数、满位信息及旋转归位等；而中断程序主要负责安全保护、急停、手动故障检修和监控报警功能[6]。

根据本控制系统的设计要求，为了实现自动存取功能和运行安全可靠，控制系统分为自动控制、手动控制和监控报警。

3.2 手动控制的设计

手动控制是在停车装置首次运行时需手动调试，系统发生故障时需手动检修，其运行程序分三部分，即横移、升降及旋转控制，设计方案如图5所示。

图5 手动控制流程图

3.3 自动控制的设计

自动控制用于控制自动存取车，大致分为三个部分：选择车位、取车和存车过程，停车装置的自动控制设计方案如图6所示。

图6 自动控制的流程图

1）车位选择：当停车装置运行至起始标志，程序初始化后，LED显示PLC中的选择功能，建立通讯信息，等待用户选择数据，之后控制系统根据用户选择信号做出判断并与控制器中的数据库比对，最后给执行机构发出指令进行存或取车操作。停车装置的数据库信息由各个停车位编码、停车板的运行位置、停车板状态（是否载有汽车）、横向坐标（横移装置位置）、纵向坐标（升降装置的位置）五组数据组成，同步将所有数据进行相应的存储。

2）存车过程：根据控制器的输出指令进行操作，若是存车过程，用户需两次触摸操作，第一次触摸操作后控制系统使所选择的车位运行至升降装置的下限位，待车主将车辆驶入车位，并关好车门离开后再进行第二次触摸操作，控制系统将启动车阻模块（防止发生溜车），然后升降、横移和旋转完成整个存车过程，同时再将存车数据保存，升降装置自行复位，等待下一次存取车任务。

3）取车过程：根据控制器的输出指令进行操作，若是取车过程，与存车过程刚好相反。

3.4 监控报警系统的设计

监控报警程序的设计对于停车装置具有十分重要的意义，它关系停车装置在手动和自动控制过程中的安全性以及运行的稳定性。如红外检测车辆是否符合停车尺寸标准、检测各种元件的故障并发出报警信号，紧急制停电机动作等[5]。而停车装置的监控报警功能设计分为手动和自动运行两种情况，设计方案如图7所示。

图7 监控报警的流程图

4 智能停车库模拟应用

停车装置控制系统主要控制车库的信息监测、动作顺序、运行速度、精准定位、安全防护、实时监控等。而对于智能停车位的控制系统的使用者则需通过利用人机界面的操作来完成存车和取车任务，然后利用组态王6.60软件对操作界面进行设计和仿真。用户在操作过程中主要分为存车、取车以及查询三部分，系统根据用户的操作进行信息的查询、判断与反馈，最终用户在自主操作界面下完成存取车工作。根据操作系统的组成与结构，同时考虑到用户使用的方便性，最后设计出一套完整的操作系统控制流程图，如图8所示。

图8 操作系统控制流程图

4.1 人机界面的设计

根据操作系统控制的流程图，可分别设计并完成以下人机操作界面。

1）系统主界面，该界面属于操作系统的初始化界面，如图9(a)所示，包括停车装置当前的主要信息，如已存车位数、剩余车位数、日期、时间等，同时还具有操作模式的选择按钮，如存车/取车操作、信息查询、系统帮助等。

图9 人机操作界面

2）存取车模式界面，当用户选择存取车操作模式后，系统显示车位序号与车牌号，如果没有车牌号的显示时，该车位为空余车位可供存车；若有车牌号显示，则表明该车位停有车辆。进行触摸选择并点击确认按钮，然后系统自动判断存取车，存取车模式界面如图9(b)所示。

3）提醒界面，当系统执行存车程序时，待用户将车辆停在停车板上，此时会出现提醒界面如图9(c)所示，需要再次触摸屏幕，选择打开车阻并点击确认方可完成存车。当系统执行取车程序时，待升降装置将停车位运行至下极限位时，此时同样需要触摸屏幕，选择关闭车阻并点击确认方可完成取车。

4）信息查询模式界面，当用户在主界面选择信息查询模式后，系统将切换到信息查询操作界面，如图9(d)所示，用户需输入所要查询的日期和车牌号并点击确定按钮，系统将显示该车牌号的历史存取车记录。

5）帮助模式界面，当用户在主界面触摸帮助模式或在使用过程中出现错误操作，系统将弹出帮助界面，以帮助用户正确使用该装置的存取车操作系统，完成自主存取车操作，界面如图9(e)所示。

4.2 智能停车库的模拟应用

在组态王6.60所建立的画面窗口进行动画连接与仿真设计，展现了车辆存取动画模拟的实时监控，动画使得存取车过程变得更加直观，运行稳定、高效。以二、三层同时取车为例简介本装置的运行过程，共分8个步骤，如图10所示：

第一步：按二、三层取车按钮，系统启动，电机带动水平滑杆外移，上下叉架从原位置移动到取车所需的位置，如图10(a)所示。

第二步：电动推杆分别带动上、下两叉架竖直上升，下叉架上升到与二层停车位等高时停止；上叉架上升到与三层停车位等高时停止，如图10(b)所示。

第三步：启动电机带动水平滑杆内移，使上、下叉架分别插入与之对应的停车板，如图10(c)所示。

第四步：电动推杆继续上升，停车板脱离旋转圆盘，如图10(d)所示。

第五步：停车板随叉架一起外移，离开停车位，如图10(e)所示。

第六步：二、三层车辆同时下降，二层停车板降到地面，三层停车板降到二层高度，如图10(f)所示。

第七步：二层车辆驶离停车板，然后三层停车板继续下降，停在二层停车板之上，最后驶出汽车，取车完成，如图10(g)所示。

图10 二、三层同时取车过程示意图

第八步：二、三层停车板返回原位置，操作结束，如图10(h)所示。

4.3 立体停车装置的实物展示及特点

根据理论设计和模拟仿真，最后组装的立体智能停车装置实物如图11所示，通过实物演示，本装置的优势主要体现在以下几方面：1）独立存取，互不影响，取车效率高。相比市场上目前存在的立体停车库，一次只能取一辆车，而本设计的升降装置采用叉架取车，设有上下两层，可将二、三层车辆同时取出，也可通过圆盘的旋转带动停车板一起转动，实现同一层两辆车位置对调，随时随意存取每一辆车。2）建设周期短。本设计装置是在原有地面停车位的基础上改进的，在不破坏原有停车位的基础上，稍加改建即可，相比同等容量的地下车库建设，本装置投资少，施工短，耗电省。3）一键存取，方便快捷。采用自动控制系统，整个过程无须专门的工作人员，司机就可单独完成，简单方便。

图11 立体智能停车库实物模型图

5 结语

本文从理论上对智能停车位自动控制系统进行了设计，通过仿真模拟、实物演示可以实现车辆自动存取，自动化水平高。立体停车设备外观同建筑协调，管理方便，适合用于商场、宾馆、办公楼前、旅游区。考虑到装置过高可能会对小区居民的生活带来影响，所以只设计了三层，如果日后需要在商业区以及闹市区安装，本装置可以在三层的基础上进行加高从而满足需求。随着我国经济持续快速的发展，城市规划的完善，立体自动式停车库行业将成为一个充满生机的朝阳行业，停车技术也将得到长足的发展。