李臣华

摘 要： 完成一种立体停车库控制系统的设计。该系统基于 S7-1200 PLC，详细介绍了系统的硬件构成和软件功能的实现路径，通过结合运用触摸屏和上位机等硬件设备设计并实现了对立体车库的自动控制功能，并通过必要的调试和仿真实验证明了所设计的立体停车库控制系统的可行性和稳定性，系统功能符合设计要求，为进一步完善立体停车库使用和管理功能提供参考。

关键词： 智能立体停车库; 控制系统; PLC; 自动控制; 实时监控

中图分类号： TP393      文献标志码： A

Abstract： This article mainly completes the design of a three-dimensional parking garage control system. This system is based on S7-1200 PLC. The paper introduces the systems hardware composition and software function implementation path in detail. The automatic control function of the three-dimensional parking garage is realized， and the feasibility and stability of the three-dimensional parking garage control system designed in this paper are proved through necessary debugging and simulation experiments. The system functions meet the design requirements， and its features can provide a reference.

Key words： intelligent three-dimensional parking garage; control system; PLC; automatic control; real-time monitoring

0 引言

大中型城市中隨着汽车保有量的不断增长普遍出现了停车位难以满足停车需求的问题，尤其是在大型与特大型城市（北京、上海等）中人口数量多，对车辆的使用需求较大，同时受到稀缺的土地资源的限制，停车场面积严重不足，导致车辆停放问题日益突出，部分车辆不得不停放在马路边上，这又带来了交通堵塞问题。为有效解决停车难问题，对提高停车面积利用率方面的研究不断深入，促使立体车库得以迅速发展，目前立体车库已经成为一项研究热点。这一新兴的停车方式及其设施的投入应用可使城市停车位紧缺的问题得到有效缓解，作为应对停车难问题的有效措施，立体车库通过对城市有限的土地面积及空间优势进行充分利用，实现在有效的区域内车辆最大限度地存储。

1 需求分析

随着人们的生活水平的不断提高，日常消费水平升级进入了新阶段，汽车已经成为出行不可或缺的交通工具，城市中的汽车保有量不断增加，在为人们日常出行带来极大便利的同时使停车难问题成为急需解决的城市管理难题，早期的城市建设规划对急剧增加的停车需求考虑的不够充分，导致传统的停车设施（包括车位和车库等）已无法满足停车需求，而日趋紧张的城市土地资源则使停车价格不断提高，为了缓解这一问题立体车库应运而生，作为一种新型车库立体车库意在实现科学的车辆存储设计与停车自动管理过程，空间立体的停车方式有效提高了有限空间资源的利用率，最大限度的增加车辆停放的数量，成为解决传统停车场停车难题的重要手段。基于机械设备建造的立体车库通过智能控制系统的应用实现对自动存取车辆的有效控制过程，比传统车库的占地面积要小许多，具备更高的土地使用效率。由于立体车库仍然处于初步发展阶段，相应的管理和控制系统的智能化及自动化水平有待进一步提升，特别是对于规模较大的立体车库普遍存在用户操作延时较大的问题，难以快速高效的完成停车过程[1]。

2 智能立体停车库控制系统总体设计

快速增长的汽车保有量使停车设施短缺问题日益凸显出来，在城市有限的土地资源中需创新规划和完善停车空间以有效解决停车难问题。近年快速发展起来的立体化车库的设计方式使一定面积的车辆停放数量得以增加，在带来停车便利的同时带来了包括车辆进出车库时的拥堵等在内的问题，这就对立体停车库控制系统提出了更高的要求。集合了多种设备的立体车库属于一种大型机械系统，用于一体化存放车辆，以立体车库的类型和特点为依据可将其划分为汽车专用升降机、垂直循环类、垂直升降类、升降横移类、多层循环类、水平循环类、平面移动类、简易升降类、巷道堆垛类9类。其中，升降横移式的立体车库相比其他立体车库具备利用率高、便捷高效、可靠性及安全性高等优势，成为目前应用最为广泛的类型，本文主要针对升降横移式立体车库完成了一种智能控制系统的设计，通过目标载车板路径的形成（利用移动其他车位完成）实现对目标载车板升降过程的有效控制过程，在此基础上实现目标车辆的快速准确的存取过程。用户存车流程，如图1所示。

用户取车流程，如图2所示。

用户在存车前先在控制系统中点击“存车”选项按钮，根据系统提示及自身实际需求完成立体车库中目标车位的选择和确认，接下来系统据此通过左右横移车库中的其他车位，完成针对目标停车位及通道的清空操作过程，接下来目标车会在系统控制下向车库地面移动，用户完成存车操作后，系统控制目标车位上升。取车流程同存车流程类似，用户在取车前先在系统中选择“取车”按钮选项，然后输入用户身份信息和取车凭证，控制系统据此验证用户信息无误后，根据所获取的目标车位信息对移动操作车库通道中的其他车位以清空升降通道，控制目标车位到达用户所在地面，系统在用户完成取车操作后控制空闲的目标车位上升。

本文智能立体车库控制系统主要实现车库对车辆的存取功能，系统的使用者可分为用户、操作员和管理员，该控制系统的功能架构，如图3所示。

用户在系统实际运行过程中主要使用到存车和取车的操作，立体车库中的电机和安全档杆等设备由系统操作员手动完成升降、横移等操作过程的控制，管理员根据系统实时获取的相关传感器信号实现对立体车库的实时高效的监控过程。本文立体车库控制系统使用PLC作为主控制器，系统必要的数据交换及操作过程通过结合运用PROFINET （以太网）与触摸屏完成，该智能立体车库系统的主要运行过程示意图，如图4所示。

具体可描述为：先通过安装于立体车库中的传感器完成对车库运行状态的检测过程，然后将收集到的数据信息向控制器PLC传送，通过PLC和触摸屏实现对上位机输入信号的准确控制，并向执行设备传送相关执行运行数据，执行设备据此完成对立体车库运行过程的控制[2]。

整个立体车库控制系统主要由觸摸屏、PLC控制系统、上位机三部分构成，（1）触摸屏系统，主要负责完成系统的人机交互功能，用户通过触摸屏完成存、取车操作的选择，操作员通过使用触摸屏完成对用户身份的验证及停车位的控制，用户操作设备出现故障时操作员需通过系统触摸屏手动完成关键的控制操作;（2）PLC控制系统，PLC是控制系统CPU控制器的核心，系统的CPU接收到的由传感器采集的信号后，由PLC控制器负责识别、分析和处理接收到的信号，然后通过向执行设备传送控制命令实现最终对系统操作的控制过程;（3）以PC机为核心的上位机系统，主要实现实时监控的功能，接入网络后即可便捷高效的完成对PLC设备中数据的访问和获取，并在监控设备中显示。立体车库系统的运维及管理由管理员负责（包括实时监控系统状态及运行情况）[3]。

3 智能立体停车库控制系统的实现

3.1 硬件设计

对自动化及智能化水平要求较高的立体车库涉及到多种系统模块（包括机械、控制、监控和通信等），为确保所设计系统具有较高的稳定性和安全性，需对系统硬件进行合理的设计，立体车库控制系统的硬件主要由信号检测模块（包括光电、接近和限位开关等）、控制模块（包括PLC控制器等）及执行控制模块（包括横移、升降电机等）构成，PLC控制器的电源模块采用了能够提供高稳定性电流的西门子PM1207，该控制系统的CPU选用了结构合理、使用简便、易于扩展SIMATIC S7-1200（型号为CPU1214C DC/DC）;PLC控制器的通信过程通过结合运用触摸屏和PROFINET通信方式实现，为满足通信需求通过使用紧凑型交换机（型号为CSM1277）完成了通信网络的组建，从而使系统的控制器、操作端以及管理员办公设备间的通信过程得以有效实现[4]。统计分析该系统的输入和输出控制模块中，输入信号和输出信号的数字量分别有119个、121个点，所有在系统中添加了7个输入输出模块（可根据实际需要进行扩展），其型号为SM 1223 DI 16x24V DC/DQ 16x24 V DC。系统的触摸屏模块选用了KTP 600 Basic color PN设备（西门子生产），可有效满足系统的操作及显示需求。立体车库的执行模块（对应系统的横移电机与升降电机）采用了三相交流异步电动机（功率分别为0.75 kW和3.7 kW），在传感器模块中通过结合运用光电开关（直流三线NPN常开型）和接近开关（直流二线常开型）实现对立体车库区域内车辆的检测过程，包括对载车板移动情况及安全挂钩动作的有效检测，载车板移动过程通过使用限位开关（型号为LX25-111/111S）确保其安全运行[5]。

3.2 软件设计

3.2.1 自诊断功能

为确保立体车库的安全性和可靠性，系统中的多个传感器在PLC软件控制模块中负责完成对车库硬件状态的自动检测，再将检测到的信息传送至PLC控制器实现自诊断软件功能，传感器自诊断功能流程，如图5所示[6]。

3.2.2 PLC功能的实现

在系统的控制设备中完成相应模块功能的软件程序的设计和编写，考虑到PLC控制器包含较多的记忆设备（如寄存器等），为有效避免系统出现故障，需先对PLC控制器进行初始化处理，在具体程序设计过程中选用Startup（OB100）完成PLC的初始化，首次通电的PLC控制器的软件程序通过执行OB100程序完成对PLC的中间变量的清零和初始赋值后再进行信号的输出，控制系统在PLC控制器完成初始化且未接收到相应指令的情况下将循环执行OB1程序，在此过程中将将调用和执行FB程序（包括自动和手动控制、传感器信号接收等）直至结束全部指令后返回至OB1程序。控制系统在初始化后会立即切换到自动控制的状态，并以输入到触摸屏中的指令为依据完成相应操作的执行过程，包括自动选择车位、自动存车、取车，通过硬件设备中的M1.0和M1.1变量实现自动存、取车功能间的关联，存、取车分别对应变量M1.0和变量M1.1将置位。系统根据用户所选取的车位判断车位的有效性，将有效的车位信息向存储器MB109传送并据此完成对目标车位动作的执行过程，车位无效会向用户发送“车位已用”的提示信息并复位M1. 4 。系统复位M1.6时提示“无车可取”[7]。

3.2.3 手动控制程序

立体车库的控制程序主要使用了FC5、FC4和FC3程序，分别完成对立体车库档杆、电磁阀和电机的控制，系统在接收到相应控制指令后（由触摸屏和上位机输入）可通过同触摸屏和上位机的控制变量相互关联的中间变量完成对车库的手动控制操作（包括档杆及电机的升降和横移等控制操作），中间变量MB19、MB29和MB39负责实现对安全档杆信息的存储和控制，中间变量MB18、MB28、MB38负责完成对安全挂钩信息的存储和控制，在此基础上实现手动控制电机的功能，从而确保整个控制系统稳定高效的运行[8]。

4 系统仿真

为测试本文所设计的智能立体车库控制系统的有效性和稳定性，在完成系统的软硬件设计后对系统的所有设备进行了组装和调试，具体通过博图V13软件的使用完成对该立体车库控制系统的仿真和调试过程，完成各种参数设置后先编译PLC控制程序，具体编译结果如图6所示。

触摸屏和上位机的软件程序结果，如图7和图8所示。

编译结果均无错误和警告证明了PLC控制器、触摸屏以及上位机设置及软件编写过程的正确性。完成编译后通过电脑运行PLC程序的仿真软件，得到的仿真结果如图9所示。

在测试时通过随机改变输入变量后发现非空闲车位会准确显示占用状态，空闲车位则显示初始闲置状态，立体车库的整体状态正常，控制系统能够稳定、可靠的实现对车位的选择以及存取车操作的控制，通过使用S7-1200 PLC主控制器设计的立体车库控制系统有效解决了操作延时问题，提高了车辆存取的智能化控制过程，有利于提升用户体验，为更好的解决城市停车难问题提供一种可行方案[9]。

5 总结

针对城市中日益突出的停车难问题，本文主要对智能立体停车库控制系统进行了研究和设计，在对立体车库使用现状及实际功能需求进行分析的基础上，基于现有立体车库的研究成果，完成了一种升降横移式控制系统的设计，使立体车库控制系统的智能化与自动化水平得到显著提升，在提升控制质量及效率的同时降低了立体车库的管理成本，仿真实验结果表明本文所设计的智能立体车库控制系统实现了对进出车辆及车位的有效的管理过程，系统具有较高的安全性和可靠性。

参考文献

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[3] 王辉，朱龙彪，朱天成，等. 基于粒子群遗传算法的泊车系统路径规划研究[J]. 工程設计学报， 2016（2）：195-200.

[4] 王虎军，马殷元. 基于PLC的垂直升降式立体车库控制系统设计[J]. 重庆科技学院学报（自然科学版）， 2018（1）：82-84.

[5] Sandro Chiappone， Orazio Giuffrè， Anna Granà， et al. Traffic simulation models calibration using speed-density relationship： An automated procedure based on genetic algorithm[J]. Expert Systems With Applications， 2016（2）：147-155.

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[7] 梁英，方园，李建国. 平面移动式立体车库分区存取策略仿真与分析[J]. 物流科技， 2018（8）：88-90.

[8] 王强，陈海龙，夏昭. 新型立体化智能车库控制系统的设计与实现[J]. 自动化与仪表， 2018（4）：95-99.

[9] 周奇才，李少鹏，宋红玖，等. 垂直循环式立体车库的自动控制系统设计[J]. 现代机械， 2017（6）：84-87.

（收稿日期： 2020.02.19）