智能立體車庫仿真設計

黨健

摘要：以垂直升降旋轉立體圓形智能車庫控制系統為研究對象，結合人機界面（human machine interface， HMI）、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）以及其他相關執行元件，實現對智能立體 車庫的仿真設計。為了使用戶停車、取車方便快捷，在智能立體車庫控制系統中，選用昆侖通態 HMI 和西 門子 S7-200 Smart PLC， 來實現汽車的存取功能，以此滿足系統要求。仿真調試結果證明了該系統在現實生 活中的有效性與可行性。

關鍵詞：智能車庫；人機界面；可編程邏輯控制器

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

0 引言

隨著汽車總量的急劇增加，城市交通嚴重擁 堵，這干擾了人們的正常生活，同時也影響城市秩 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]。設計合理高效的 立體車庫將是設計者努力的方向。

在調查分析了立體車庫系統在全球的發展現 狀之后，本文設計一套自動化程度與安全性較高 的智能立體車庫控制系統，以解決目前城市停車 難題。該系統的主控制器為西門子 S7-200 Smart PLC，同時選用昆侖通態人機界面（human machine interface，HMI）。通過建立智能立體車庫控制系 統，不僅能實現無人管理，還可以大大提高車輛的 出入效率，使停車行業能夠響應汽車總量增長的趨 勢，實現兩者同步協調發展 [2]。

1 智能立體車庫控制系統方案設計

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備系統，集電力、機 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、垂直循環式、水平循環式、多層循環式、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

經過對各種類型立體車庫的結構特點以及優缺 點進行分析，發現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，更適合當今城市人們的需求 [3]。

結合實際的投資可行性和現有的技術能力，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構

垂直升降式立體車庫的機械結構比較復雜，主 要包括鋼架結構、升降裝置、檢測裝置、轉盤換位 裝置、停車位、安全保護裝置等。

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作為主拖動電動機，其余電 動機分別為 1 臺電梯門電動機、1 臺軸距檢測電動 機和 1 臺轉盤換位電動機。

該立體車庫共 3 層，共有 29 個停車位，即可 以停放 29 臺車輛。

1.3 車庫工作流程

系統上電后，系統處于初始化狀態（如不是初 始化狀態，則需復位），當按下“啟動”按鈕后， 就可以進行汽車的存取。

存車過程如下：汽車行駛到待停區 → 按下存車按 鍵 → 車庫電梯門打開 → 汽車被運送到升降電梯的 轉盤換位裝置上 → 由軸距檢測裝置進行測量 → 汽 車由升降電梯送到規定的樓層 → 由轉盤換位裝置旋 轉到車位指定位置 → 運送到指定車位 → 系統復位。

取車過程如下：按下取車按鍵 → 升降電梯到 達汽車對應樓層 → 轉盤裝置旋轉到對應車位 → 汽 車被傳送到轉盤裝置上 → 升降電梯與轉盤裝置復 位 → 電梯門打開 → 汽車開出。

2 智能立體車庫控制系統硬件設計

作為一種自動化產品，立體車庫將機械、檢 測、控制和通信集成在一起，該系統應當具有操作 簡單、易于使用、安全可靠、存取速度快等基本特 點。基于此，本文進行了系統硬件設計，確保后續 的軟件設計順利進行。

2.1 智能立體車庫控制系統硬件總體設計

經過對立體車庫系統的整體結構和工作流程進 行分析，從而掌握了其控制要求，該硬件設計由 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 和指示燈等三大部分組成。

2.2 智能立體車庫控制系統硬件配置

2.2.1 PLC 硬件配置

PLC 是一種數字運算操作的電子系統，應用于 工業控制領域。主控制器選用西門子 S7-200 Smart PLC，型號為 ST30，具有擴展性強、通信功能強、 運算速度快等特點 [4]。S7-200 Smart PLC 實物圖如 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達 給設備，也就是人機交互，通過本文的設計，觸 摸屏可以完成用戶的操作和現場狀態的實時監控、 反饋。該系統選擇昆侖常態公司生產的監視與控 制通用系統（monitor and control generated system， MCGS）觸摸屏。

2.2.3 伺服系統

伺服機構，也稱為伺服系統，是用來準確跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。本文選用的是臺達 ASDA-B2 系列的伺服系統，具備位置、速度、轉矩 3 種控制模式。伺服系統臺達 B2 實物圖如圖 3 所示。

3 智能立體車庫控制系統軟件設計

根據上述內容可知，智能立體車庫控制系統可 以分為兩個部分，分別為 PLC 系統控制部分和觸 摸屏監控操作部分，其中 PLC 系統控制部分是整 個控制系統的核心所在。

3.1 立體車庫工藝流程與控制要求

3.1.1 系統初始化狀態

初始化狀態下，升降電梯處于一層，并且車庫 門處于關閉狀態，各電機停止運行，夾緊氣缸處于 松開狀態，待停區無汽車，此時紅燈長亮。

3.1.2 運行模式

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

②電梯開關門、車型檢測及夾緊動作流程：存 車開始，M1 電機正轉 3 s，將電梯門打開；等待 5 s 后（此時汽車被傳送到轉盤換位裝置上），M3 電機帶動傳感器 SQ12 進行軸距檢測，當 SQ12 有 信號，軸距檢測完畢，夾緊氣缸運行 2 s 夾緊以固 定車輛，同時電梯門關閉（M1 電機反轉 3 s）。

③存車動作過程：升降電梯根據程序指令將汽 車運送到對應的樓層，然后轉盤換向裝置旋轉相應 的角度將汽車運送到對應的停車位。

依據規則設計程序實現車輛的自動存入，如選 擇的車位已經有車，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，系統進入取車界面。輸入該車的車位號，按 下“確定”按鈕，升降電梯根據取車規則上升到指 定樓層，轉盤換向裝置旋轉到指定車位處將汽車運 送出車庫。

3.1.3 停止操作

當系統在存取車過程中，按下“停止”按鈕， 程序會等待當前汽車存取完成后，停止運行，此時 紅燈以長亮顯示。

按下“急停”按鈕或者安全裝置被觸發，系 統發生急停事件立刻停止運行，紅燈以 2 Hz 顯示。 當急停事件解除后，按下“啟動”按鈕，系統從之 前狀態啟動繼續恢復運行。

3.2 PLC 控制程序設計

本系統 PLC 控制程序采用 STEP 7-MicroWIN SMART 軟件開發環境，梯形圖設計類似于繼電器 接線圖，通俗易懂，大大提高了程序開發效率。

3.2.1 主程序設計

對于本系統，為了方便調試和編程，設計思路 為主程序調用子程序。當 HMI 存車按鈕 V50.0 動作， 主程序控制字 MB10 數據為 10，即調用存車子程序。

3.2.2 存車運算程序

在存車過程中，利用觸摸屏中輸入的車位號來 計算，得出升降電梯上升的層數和轉盤裝置轉動 的角度，十位數是車位號除以 10 之后截取的整數， 個位數=車位號- （十位數×10）。例如，24號車位， 那么經過計算得出十位數為 2，即存入地址 VD600 中，個位數為 4，進一步定位到地址 VD604 中。

3.3 觸摸屏程序設計

在觸摸屏—用戶窗口中新建窗口，畫面是人機 交互畫面的主要元素，用來完成用戶的操作和系統的監控，如各種操作按鈕、變量的輸入和狀態顯 示。一個項目能夠包含 N 個畫面，具體數量根據客 戶需求而定。在該系統中包含 3 個畫面，其中存車 流程界面如圖 4 所示，包括用戶輸入區和系統的運 行狀態監測。

4 系統仿真調試

4.1 系統模塊化調試

在 PLC 編程軟件中將程序導出為 AWI 格式，然 后用仿真軟件安裝程序，點擊運行進行仿真調試。 觸摸屏程序需在 MCGS 自帶的仿真環境中進 行仿真調試，在下載配置中選擇模擬運行，然后進 行工程下載，安裝成功后啟動運行。觸摸屏仿真運 行如圖 5 所示。

4.2 系統聯合調試

在聯合調試中，需要先連接硬件電路。根據電 氣原理圖和 PLC 接線圖先連接硬件設備，連接完 畢后需檢查無誤才能給設備上電，上電后，需先進 行硬件的參數設置，需要進行硬件參數設置的設備 有變頻器、步進電機和伺服電機。

4.3 系統調試結果

系統先進行了 PLC 和觸摸屏的單獨調試，調 試無誤后進行了聯合調試，在聯合調試中遇到了諸 多問題，如 PLC 程序編寫有誤和觸摸屏個別參數 無法得到監控，通過仔細排查和發現問題、修改程 序，系統得到了完善，并且達到預期的系統控制 要求。

5 結語

在分析了國內外立體車庫的發展現狀后，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結構的組成和系統工 作流程；進行了系統的整體方案設計，對其硬件進 行了詳細設計，并完成了軟件方面的設計；最后完 成了系統的聯合仿真調試，結果表明完善后的系統 可以較好實現系統的控制要求。

參考文獻

[1] 溫沁月，魯力群 . 國內外立體車庫現狀及發展綜述 [J]. 物流工程與管理，2016，38（7）：159-161.

[2] 陳梓生 . 立體車庫控制系統設計 [J]. 電子制作，2016 （9）：16-18.

[3] 周其鼐 . 基于 PLC 控制的自動化立體車庫系統設計 [J]. 科教導刊（中旬刊），2018（2）：49-51.

[4] 李嫄，賴鵬彬 . 基于 S7-200smart PLC 的分揀存 儲控制系統設計 [J]. 自動化技術與應用，2023，42 （9）：13-15，33.