智能車庫車行引導系統實踐教學裝置的研發

張靜之, 余 粟, 章 偉, 吉明明(上海工程技術大學 工程實訓中心， 上海 200336)

0 引 言

隨著我國制造業的轉型升級，弘揚并尊崇“大國工匠”的精神成為了近一段時間內高等教育的主流思想。面對企業對高技能人的才求賢若渴，高等教育培養出來的畢業生卻不能適應實際的生產崗位的要求，其實踐技能、創新能力和意識還遠不能滿足企業的需求。為了提高高校學生的實踐操作技能和學生的動手能力，除了進一步優化課程設置和師資條件外，還需要在教學過程中投入大量的實踐教學裝置，而這些教學裝置不應當只是簡單理論驗證性的實驗設備和器材，而是在實際生產生活中存在的真實機構或設施為背景研發的，利于學生拆裝操作的實踐教學裝置[1-3]。“智能車庫車行引導系統”綜合實踐教學裝置是由上海工程技術大學工程實訓中心自主研發的，具有自主知識產權，以智能車庫控制為背景，可以用于組態監控技術，PLC技術、工業控制網絡、LED顯示技術，傳感器技術、觸摸屏控制等實踐操作教學。

1 裝置的結構和控制要求

圖1所示為一個具有3個庫區，18個庫位的“智能車庫車行引導系統”綜合實踐教學裝置，系統框圖如圖2所示。

圖1 “智能車庫車行引導系統”綜合實踐教學裝置

圖2 系統結構框圖

其實現的控制功能為：

(1) 車庫劃分相應管理區域(如：A、B、C區等)，設定A區?B區?C區車輛停放秩序，庫內車行路徑設置為單行；

(2) “車庫車行引導智能控制系統”各機構控制采用中控系統，主要的器件包括：遠程監控計算機、可編程序控制器、觸摸屏、傳感器、LED顯示等；

(3) 各區域設定LED區域指示標牌，地面設置相應的可視行車指引；每個車位設置車停位檢測、車位輔助停車裝置、車位區域欄桿；

(4) 車庫內的所有運行情況由監控計算機實時顯示，并可實現遠程控制[4-6]；

(5) 車庫入口設置觸摸屏，司機在既定區域內可以按照自己的行車習慣選擇尚未停放車輛的車位[7]；

(6) 中控系統按照入口觸摸屏采集的停車需求信息經計算規劃合理的車行引導，指引待停車輛進入待停車位，車位區域欄桿抬起，車位輔助停車裝置啟動，輔助司機快速安全的完成停車操作，并將車位檢測信息傳輸至控制器；

(7) 駕駛員在泊車過程中若車輛行駛超出車位邊界線，系統報警提醒駕駛員改變行車路徑；

(8) 車庫內的照明系統根據實際停車情況及時調整，如果某區域內無車輛停放，該區域的燈光照明、監控等裝置自動調整為待機狀態；

(9) 車庫庫位可實現預留功能，選位觸摸屏上將不再出現被中控計算機鎖定的區域庫位。

2 系統各部分功能的實現

2.1 系統網絡控制

“車庫車行引導智能控制系統”采用計算機對整個車庫的運行狀態進行實時遠程監控；可編程序控制器實現對車庫各機構的控制，每個區域各采用1個PLC實現相關功能的控制，各區的PLC通過485DB通信板構成一個N∶N的工業控制網絡，以3個庫區18個庫位容量的車庫為例，控制原理圖見圖3。其中A區控制用的PLC設定為主站，其余2個為從站。監控計算機與主站進行通信，觸摸屏與從站1的PLC相連。PLC選擇為三菱FX2N48MR型，輸入輸出48點，基本單元繼電器輸出[8-9]。各區網絡設置程序如圖4所示。

圖3 車庫N∶N網絡控制原理圖

(a) 區網絡設置程序

2.2 觸摸屏選位功能

車庫中的每個車位設置車停位信息檢測，并將檢測到的車位停放信號傳送到PLC，通過PLC控制在觸摸屏上發布可選停車位信息，如圖5所示。觸摸屏為MCGS系列嵌入式一體化觸摸屏，型號：TPC7062KS。本系統中的觸摸屏設置車位選擇界面顯示，選位信息優先提供A區供選擇，依次為B區、C區。選位信號的檢測周期設定為5 min，如果5 min后控制器未接收到車停到位檢測信號，由觸摸屏重新提供該車位的可選信息[8-9]。

2.3 計算機遠程監控功能

監控計算機上裝載由組態王工控軟件開發的遠程監控畫面，可以實時顯示系統的工作狀態，A區監控運行界面如圖6所示，可以通過監控界面下方的菜單欄選擇不同的庫區監控畫面。數據庫詞典是監控界面開發所需要的全部數據變量的集合，通過數據變量的設定，才能有效地鏈接上位機和下位機的工作，在TouchVew運行時，它含有全部數據變量的當前值，本監控系統的數據庫詞典如圖7所示。為了能實現監控計算機與PLC的通信，還必須在監控開發軟件中進行相應的通信設定，本系統的通信參數設定如圖8所示[8-9]。

圖6 計算機監控運行畫面(A區)

圖7 監控數據變量設定

2.4 車行指引功能

車行指引由懸掛于各區域的指示標牌和地面設置相應的可視行車指引(進庫指引和出庫指引)兩部分構成，均采用LED顯示。車行指引機構是嵌入車庫內地面，由指示燈構成相應的直行或拐彎箭頭，以流水燈顯示方式顯示出待停車輛的行經路線，駕駛員可以清晰地看出行駛方向[8-10]。組合工作方式見表1。

圖8 監控通信設置

2.5 停車輔助預警功能

停車輔助裝置包括車停位檢測、邊界指示燈、車位區域鎖、紅外檢測報警等[10]。停車輔助裝置各部分的主要功能如表2所示。

表1 車行指引工作組合

表2 停車輔助裝置主要功能

2.6 車庫照明系統的控制

本裝置車庫內的照明系統采用LED照明燈，每個區域照明系統采用多組照明等組合方式，可以根據實際停車情況及時調整。如圖1中所示，當A區域有車輛停入時，為了安全起見，4個照明燈全部投入工作，確保行車和行人的安全；B區和C區域沒有車輛停泊時，只有2個照明燈投入工作，用電負荷自動減少50%，降低電能損耗[8-9]。

3 裝置在教學中的應用

“智能車庫車行引導系統”綜合實踐教學裝置可以用于電氣控制、機電一體化等相關專業電氣控制、可編程序控制器和工業控制等課程的實驗和實踐教學。課題設置可以由簡入深，層層遞進。每個課題既可以獨立操作，又可以將所有課題形成一個完整的系統，使學生對工業控制系統有一個完整的理解[11-15]，課題設計情況如表3所示。

表3 “智能車庫車行引導系統”綜合實踐教學裝置課題設置

4 結 語

“智能車庫車行引導系統”綜合實踐教學裝置已完成兩項實用新型授權和一項發明專利的受權，現已在上海工程技術大學創新實踐類公選課“組態監控系

統綜合實踐”中投入使用3年，對我校工程實訓的教學和大學生創新創業起到了有力的促進作用。修讀《組態監控系統綜合實踐》課程的學生進一步加深了對組態監控技術，PLC技術、工業控制網絡、LED顯示技術，傳感器技術、觸摸屏控制等相關理論知識的理解，提高了動手能力，在近3年里在國家級、省市級多項競賽獲獎，包括：2015年“晶眾杯”第十屆全國大學生交通科技大賽三等獎；2016年全國西門子自動化挑戰賽硬件開發項目全國預賽一等獎，全國總決賽獲得二等獎；2017年上海機械工程創新大賽二等獎等。

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