基于機電一體化的停車庫PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對傳統(tǒng)停車庫控制系統(tǒng)精準度低、穩(wěn)定性差等問題，提出一種新型停車庫控制系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)的設(shè)計融入機電一體化技術(shù)、可編輯邏輯控制技術(shù)等，將可編程邏輯控制器（programmable logiccontroller，PLC）作為核心控制器，結(jié)合傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等硬件設(shè)備，實現(xiàn)了停車位的智能分配、自動化管理、車輛存取、安全監(jiān)測等功能。詳細介紹了停車庫PLC 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計、控制策略以及實驗驗證等方面的內(nèi)容，旨在為停車庫控制系統(tǒng)的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：機電一體化；停車庫；PLC 控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

0 引言

在我國城市化進程不斷加快的背景下，城市車輛保有量不斷增加，停車難的問題愈發(fā)凸顯，這對城市交通發(fā)展造成了一定的影響。為有效應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，本文結(jié)合西門子S7-1500 系列可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）[1]，設(shè)計了一種新型立體停車庫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以機電一體化技術(shù)和PLC 控制為核心，實現(xiàn)了對停車庫的實時監(jiān)控和智能管理，從而提高停車庫空間的使用效率。同時，智能停車庫控制系統(tǒng)還可以根據(jù)車流量和停車需求，動態(tài)調(diào)整停車庫的使用情況，進一步提高停車效率。該系統(tǒng)還具備遠程管理功能，用戶可以通過手機或電腦等終端設(shè)備，隨時查看停車庫的使用情況和車輛狀態(tài)，實現(xiàn)遠程預(yù)約和管理，解決停車難、效率低等問題。

1 PLC技術(shù)

PLC 具有高可靠性、靈活性、易維護性和可擴展性的優(yōu)勢。PLC 采用了先進的抗干擾技術(shù)和工業(yè)級設(shè)計，提高了其在惡劣環(huán)境中的運行穩(wěn)定性，確保生產(chǎn)過程的連續(xù)性和安全性。PLC 支持模塊化設(shè)計，可以根據(jù)需要添加或移除功能模塊，從而適應(yīng)不同規(guī)模和復雜度的控制系統(tǒng)。PLC 使用易于理解的梯形圖或指令表編程語言，使工程師能夠快速編寫和修改控制程序，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求。PLC具有強大的自診斷功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)并報告故障信息，使維護和故障排除工作更加方便快捷。此外，PLC 可以根據(jù)輸入信號的狀態(tài)，按照預(yù)設(shè)的邏輯程序，輸出控制信號以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對設(shè)備和生產(chǎn)過程的控制。PLC 支持多種通信協(xié)議，可以與上位機、其他PLC、變頻器、觸摸屏等設(shè)備進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和共享。

2 基于機電一體化的停車庫PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

以商業(yè)街停車庫為研究對象，將其設(shè)計為升降橫移多層立體結(jié)構(gòu)。簡單來說，立體停車庫有10 層，每一層停50 輛車，約500 個車位組成單個模塊，且該模塊設(shè)計可安裝在轉(zhuǎn)彎角度為90° 的位置上。停車庫的設(shè)計還可以根據(jù)實際需求，設(shè)計成單模塊或者雙層模塊，通過增加模塊組合數(shù)量，提高停車庫的容量。

當汽車緩慢駛?cè)胪＼噹靸?nèi)的指定道路時，智能化光電傳感器可以立即感應(yīng)車輛的進入，并自動啟動控制機制，打開停車庫的控制門。此時，駕駛者只需將車輛穩(wěn)穩(wěn)地停放在旋轉(zhuǎn)臺上，便可以沿人行通道離開。在通過便捷的刷卡過程并記錄下個人信息后，服務(wù)臺便會生成一張停車卡，作為此次停車的憑證。隨著入庫流程的完成，出入庫的大門將緩緩關(guān)閉，同時，系統(tǒng)開始自動操控旋轉(zhuǎn)臺，使其精準地旋轉(zhuǎn)180°，為接下來的停車操作做準備。此時，在系統(tǒng)精準控制過程中，停車庫載車臺能夠升到旋轉(zhuǎn)臺最高位置，為接下來的車輛轉(zhuǎn)移做好準備。圖1 為立體停車庫載車臺結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖，該設(shè)計配備了一套托板驅(qū)動機構(gòu)。當需要停車時，這套機構(gòu)能夠通過載車臺滑出托盤，直至延伸至汽車底部。汽車停穩(wěn)后，載車臺會根據(jù)預(yù)設(shè)的程序，緩緩移動并翻轉(zhuǎn)，將汽車安全地停放在指定的停車位。而當駕駛者需要取車時，只需在服務(wù)臺處插入停車卡或輸入預(yù)設(shè)的密鑰，系統(tǒng)便會根據(jù)之前的存取信息，快速定位車輛所在的位置，并通過托板驅(qū)動機構(gòu)將車輛從停車位上移出，送至取車處。整個過程快捷、安全，為駕駛者提供了極大的便利[2]。

3 停車庫控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 智能PID 算法設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括人機交互界面和PLC 程序設(shè)計。PLC 程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計，將系統(tǒng)功能劃分為多個模塊，如停車位管理模塊、車輛存取模塊、安全監(jiān)測模塊等。每個模塊都具有獨立的功能和接口，便于系統(tǒng)的維護和擴展。人機交互界面設(shè)計采用圖形化界面，提供直觀的操作提示和狀態(tài)顯示，方便用戶進行操作。而PLC 控制系統(tǒng)主要包含被控制對象和智能比例積分微分（proportionalintegral derivative，PID） 控制器。假設(shè)給定的數(shù)值與系統(tǒng)實際輸出的數(shù)值分別為a （r）和b（r），則兩者之間存在的控制偏差數(shù)值c（r）為：

c（r）=a（ r）-b（r）。 （ 1）

停車庫PLC 控制系統(tǒng)中PID 控制的輸入量為c（r），經(jīng)模糊量化處理之后，可得到關(guān)于模糊語言的子集合。通過被控制對象和PID 控制輸出量d（r），可以得到智能PID 控制算法：

式中，fq、Ru 和Rs 分別為停車庫PLC 控制系統(tǒng)中的智能PID 比例系數(shù)、積分系數(shù)及微分系數(shù)，t 為時間，c（ t）為當前時刻被控對象的輸出值，此值能與設(shè)定值對比。

在停車庫PLC 控制系統(tǒng)中使用智能PID 控制時，通過對d（r）進行非模擬化處理，能夠進一步提高系統(tǒng)的精準控制和對應(yīng)精準數(shù)據(jù)量。

3.2 智能PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計

在停車庫PLC 控制系統(tǒng)中引入智能控制輸出模塊，優(yōu)化了載車系統(tǒng)的運動方式，提高系統(tǒng)運行過程中的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，實現(xiàn)汽車對號入位。首先，載車系統(tǒng)的運動由高精度的步進電機和異步電機共同驅(qū)動。步進電機負責推動載車臺進行精確旋轉(zhuǎn)，確保車輛能夠準確地進入預(yù)定的車位；而異步電機則負責驅(qū)動機械裝置，在水平方向上移動載車臺，進一步提高存取效率。通過變頻器對電動機進行調(diào)速[3]，無論是載車臺的旋轉(zhuǎn)還是平移，該系統(tǒng)都能根據(jù)實際需要及時調(diào)整相應(yīng)的速度，從而實現(xiàn)高效地存取操作。其次，該系統(tǒng)設(shè)置多層次的保護機制。當升降機構(gòu)接近目標位置時，近行程開關(guān)和接近控制器會立即發(fā)揮作用，確保電機適時減速并停止工作。同時，近行程繼電器也會及時切斷電源，防止電機繼續(xù)運行對車輛造成不必要的損壞。最后，在小車停車時，將步進電機設(shè)置于承載小車中，利用托盤開展平移操作。如果需要將小車送入車位，電動機正轉(zhuǎn)，將平動操作臺向前平移；反之，如果需要取出小車，則電動機反轉(zhuǎn)，將平動操作臺向后平移。這種靈活的操作方式使車輛的存取過程更加順暢、高效。在完成一個存取任務(wù)后，升降載車系統(tǒng)會自動復位，并等待下一次存取命令。這種智能化的工作流程使立體車庫系統(tǒng)能夠持續(xù)、穩(wěn)定地為用戶提供優(yōu)質(zhì)的停車服務(wù)。

3.3 上位機智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為了滿足停車庫對高效、智能管理的迫切需求，本文設(shè)計了一款上位機智能監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時監(jiān)控智能停車庫的內(nèi)部狀態(tài)。該系統(tǒng)以監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（monitor and control generic system，MCGS）觸摸屏上位機為核心，其不僅具備直觀、簡潔的操作界面，而且功能全面，能夠輕松實現(xiàn)與工業(yè)設(shè)備的雙向通信。在該系統(tǒng)的設(shè)計中，利用了以太網(wǎng)技術(shù)和下位機的協(xié)同作用，確保上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r同步。通過這種方式，準確傳遞車輛的存取指令，并在觸摸屏上實時顯示停車庫的運行動畫，從而實現(xiàn)對智能停車庫實際運行情況的全面控制、高效管理以及精確監(jiān)控。此外，在對數(shù)據(jù)處理過程中，上位機智能監(jiān)控系統(tǒng)功能強大，能夠?qū)崟r分析停車庫的運行數(shù)據(jù)，為用戶提供智能化的決策支持，確保停車庫的安全、穩(wěn)定運行[4]。

4 仿真測試分析

4.1 測試環(huán)境搭建

為了進一步驗證本文提出的停車庫PLC 控制系統(tǒng)的可行性，通過搭建仿真模擬環(huán)境進行仿真測試，具體測試環(huán)境如表1 所示。

4.2 測試結(jié)果分析

本次測試對象主要分為實驗組和對照組，其中實驗組為本文設(shè)計的控制系統(tǒng)，對照組為基于分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS） 的停車庫控制系統(tǒng)。在同一測試環(huán)境下，通過對比測試來判斷基于機電一體化的停車庫PLC 控制系統(tǒng)的性能[5]。隨著停車場車輛數(shù)量不斷增加，基于DCS的停車庫控制系統(tǒng)的停車準確率從100% 下降至72% 左右。這表明隨著車輛數(shù)量的增加，系統(tǒng)對于車輛準確停入車位的控制能力有所下降。在同樣條件下，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)準確率下降幅度較小，僅從100% 降至97% 左右。該數(shù)據(jù)證明了PLC 系統(tǒng)在高流量場景下具有卓越的性能。采用機電一體化的PLC 技術(shù)，不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)對停車過程的精準控制，而且在大規(guī)模車輛流量下依然保持了極高的準確率。

5 結(jié)語

綜上，本文提出了一種基于機電一體化的停車庫PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計方案，并詳細介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計、控制策略以及實驗驗證等方面的內(nèi)容。該系統(tǒng)采用PLC 作為核心控制器，結(jié)合傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等硬件設(shè)備，實現(xiàn)了停車位的智能分配、車輛存取、安全監(jiān)測等功能。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高度的自動化、智能化和可靠性，能夠有效解決城市停車過程中存在的問題。

參考文獻

[1] 李亞龍. 自動雙層停車場PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 模具制造，2024，24（2）：139-141.

[2] 黃麗麗，王金龍，吳迪，等. 基于PLC 的電動自行車智能立體車庫控制系統(tǒng)研究 [J]. 汽車博覽，2023（4）：113-115.

[3] 劉永. 機電一體化的立體停車庫PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 無線互聯(lián)科技，2023，20（9）：99-101.

[4] 鄺愛華，陳卓. 基于PLC 技術(shù)的智能停車庫控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2022，58（11）：212-215.

[5] 王瑞，趙雄偉，張波波，等. 智能立體車庫自動控制系統(tǒng)的設(shè)計及模擬應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動化，2022，44（1）：134-138.