一种智能立体车库的设计与实验室实现

2019-05-24付立华白靖宇庞展翔

实验室研究与探索 2019年4期

付立华，白靖宇，庞展翔

(河南工程学院电气信息工程学院, 郑州 451191)

0 引言

目前，汽车已成为很多家庭的必需品。我国人口众多，越来越多的汽车需要大量的停车位，而土地资源又十分紧张，因此，常规平面式停车场无法满足现阶段社会的需求。设计一款智能立体停车库具有重要意义。21世纪初期，自动化技术得到了广泛应用，出现了以自动化技术为基础的立体式停车场，在一定程度上缓解了停车难的问题[1-4]。我国智能立体停车场起步较晚，与国外相比还存在一定的差距，有待提高。

本文设计了立体车库的实物模型；硬件设计以及主要元器件选型；软件设计主要包括PLC主控制程序设计、触摸屏控制界面设计和GPRS远程监控界面设计。

1 系统主要功能与整体框图

1.1 立体车库主要功能

(1) 存车时，用户进入车库把车停到指定位置的车架上，点击触摸屏界面上的‘停车’按钮，系统显示取车号码并自动将车存入车库。取车时，用户支付停车费并输入取车码，系统自动完成取车。

(2) 车库内无人时，车库照明灯灭。有人时，车库照明闻声亮。

(3) 显示当前空车位数量。

(4) 实现互联网远程监控。

(5) 机械臂存车时间不超过3 min。

1.2 系统整体框图

系统整体框图如图1所示。PLC接收到触摸屏或移动终端的指令后，控制三轴步进定位装置移动车架托盘完成车辆的存取；同时启动减速电动机驱动升降架上下运动，完成车辆托盘的添加；声光传感器检测到有车驶入车库同时光线不足时，通过声控打开LED灯进行照明；接近开关检测车位是否有车，通过数码管显示空车位数量。

图1 系统整体框图

2 硬件设计

2.1 三轴定位装置的机械设计

系统的三轴定位机械装置由4条5 mm×45 mm、导程为75 mm的滑轨组成，如图2所示。X轴控制托盘左右移动；Y轴控制托盘前后移动；Z轴控制托盘上下运动。X轴的导轨比其他的导轨长10 cm，以确保有足够的空间放置车库模型；Y轴有2条导轨，在两导轨之间添加连接杆以实现一台步进电动机控制双导轨。

图2 三轴定位机械装置

2.2 步进电动机与驱动器

57型步进电动机的步距角为1.8°，即步进电动机接收200个脉冲旋转1圈，精度难以满足要求。为了提高控制精度，使用TB6600步进驱动器进行细分，控制后可达到6 400个脉冲1周[5-7]。同时，步进电动机价格便宜，还可节约成本。3台步进电动机接线原理如图3所示。

图3 3台步进电动机接线原理图

2.3 车架升降电路

车架升降装置可以避免人工添加运送车辆的托盘，实现多次存取。减速电动机和丝杆组成车架升降装置，减速电动机控制原理接线如图4所示。

图4 减速电动机控制原理接线图

2.4 自动照明电路

光照不足，有车辆或人进入车库时，可利用声控自动打开照明灯，声光传感器和LED灯接线原理如图5所示。

图5 声光传感器和LED灯接线原理图

2.5 接近开关

光电接近开关用于检测车位上是否有车[8-10]。OMRON TL-Q5MC型光电接近开关有两根电源线，一根信号输出线，接线比较简单，只需把信号输出线接到PLC即可。

2.6 车库状态指示灯电路

当车库有空车位时，绿灯亮起，代表可以进入；车库满车时，绿灯熄灭红灯亮起。工作原理：使用PLC控制一个继电器，利用继电器的工作特性，实现PLC间接控制红绿指示灯交替工作的功能，车库指示灯接线原理如图6所示。

图6 车库指示灯接线原理图

2.7 空车位数量显示数码管

常规的数码管控制需要7个输出点，为节约输出点，系统选用带位选锁存的BCD码2位数码管模块。该模块只有6个输出点，可控制2位数码管显示。

2.8 PLC整体原理接线图

三菱FX3U-32M属于第3代可编程控制器，性能在FX2N的基础上有了较大的提高，它含有3个高速脉冲输出口，非常适合本文的三轴转运车辆装置。根据系统的控制要求和对I/O输出输入点的分析，PLC整体原理接线如图7所示。

图7 PLC原理接线图

2.9 GPRS远程通信模块

智能工业控制器又称GPRS模块，它可把PLC中的各种数字量、开关量发送至互联网云端，从而实现远程控制，智能工业控制器与三菱RS-485-BD接线如图8所示。两者连接后，智能工业控制器可读取设备的数据库并以GPRS模式将读取的数据发送到云端。用户就可以通过使用手机APP或者电脑网页登录云端查看系统的各项数据；当用户通过网络给系统发出命令时，控制信号通过无线网络传到智能工业控制器模块，然后再通过RS-485传给设备，即可使设备当前状态发生改变。

图8 智能工业控制器与RS-485-BD接线图

3 软件程序设计

3.1 PLC程序设计

系统主程序分为停车和取车两部分，主程序流程图如图9所示。存车时，系统先判断当前所有空车位中哪个距离停车点最近，系统将会把该空车位的位置参数写入执行程序[11-13]。然后，保存取车码，在存车的同时，数码管的显示数字减1，存车完毕。取车时，系统收到取车指令，判断输入的取车码是否正确，若错误则返回系统等待。取车码正确，计算停车费用，如果已支付停车费用，系统将车取出，数码管的显示数字增1，取车完毕。如果不支付，返回系统等待。

图9 主程序流程图

存车过程中，离开车架位置、入库、出库和回车架位置的动作是相同而且固定的，只是车位位置不同。因此，上述动作程序参数保持不变，仅有车位位置参数变化。

3.1.1 停车动作程序

每个位置的停车动作程序只有位置参数不一样，因此可共用一个动作程序，需要停到哪个位置就把哪个位置的参数写入程序中。存车动作程序包括离开车架位置程序、入库和出库程序、回车架位置程序和车位位置参数程序。

3.1.2 取车动作程序

取车动作程序与存车动作程序相似，主要是把离开车架位置和入库出库程序逻辑改变一下。在存车时，动作是先抬起，再后退；取车是先后退再抬起。存车是入库后放置汽车后离库，取车是入库后抬起，再离库，车库位置参数程序不变。唯一不同的是回初始车架位置的程序不同，存车完成后，转运装置先回到Z轴和X轴原点，再回到Y轴原点；取车时，转运装置先下降到一定高度后先回到X轴原点，再回到Y轴原点，最后回到Z轴原点。

3.1.3 生成取车码程序

系统根据停车时间生成3组共12位取车码，以确保号码的唯一性。

3.1.4 写入取车码程序

输入取车码之后，系统先对取车码一一判断是否与程序内部存储的取车码相同，再判断与该取车码相对应的车位是否有车。如果取车码相同且车位有车，则将车取出；如果取车码不相同或者对应车位无车，则提示错误。

3.1.5 计费程序

系统根据停车时间总长进行计费，≤2 h，费用是10元；>2 h≤4 h，费用为15元；>4 h，费用20元。

3.1.6 车架升降程序

存车时，车架升降装置升起，停车托盘出现在车架上后停止升起；取车时，停车托盘离开车位后延时4 s，车架开始下降，下降一个托盘空位之后停止。

3.2 远程监控界面设计

智能工业控制器的程序设计与组态设计相似。首先，打开软件新建一个工程，设置通信参数。三菱FX3U使用RS-458通信协议，因此，选择485通信协议[14-15]。通信参数与三菱PLC的通信参数必须保持一致。工程建立完成后，在变量界面点击右键，打开操作菜单，点击新建变量，添加变量。它有一个“扩展Web属性”的编辑界面，可以对变量在网页显示的状态进行编辑。最后，编译下载程序到智能工业控制器，安装开通流量的SIM卡，即可实现无线网络数据收发。通过上网设备登录云网页，可监控系统当前状态。图10和图11分别为智能立体车库网络监视界面和网络控制界面。

图10 智能立体车库远程网络监视界面

图11 智能立体车库远程网络控制界面

3.3 人机界面设计

(1) 功能选择界面。在该界面，停车和取车的按钮与PLC中M15和M17变量相连接，当按下对应按钮时，对应的动作程序初始化，同时进入到下一界面。功能选择界面如图12所示。

(2) 取车码输入界面。取车码可以直接从触摸屏上直接写入PLC对应的数据寄存器，系统将会自行判断取车码，如果正确则进入到下个界面，错误即弹出错窗口，提示重新输入。取车码输入界面如图13所示。

图12 功能选择界面图13 取车码输入界面

(3) 参数设置界面。在界面内可以实时更改PLC内部车位的位置参数，方便调试，参数设置界面如图14所示。

图14 参数设置界面

4 智能立体车库调试

车库模型设计成一个长方体，长方体上表面代表地面，设备走线都从长方体内部走。立体车库共有3×5=15个存车位，入口区设有车库状态指示灯及车库空车位数量显示数码管，车库内部设有照明，车库模型如图15所示。

图15 车库模型

分别向PLC、触摸屏、智能工业控制器导入智能立体车库程序，等待各个设备进入运行状态后开始调试。存车时车辆转运机械装置能准确快速将车存入到车库内空车位；取车时不仅可以准确将车从车位上取下，还可以判断取车验证码是否正确。数码管、LED指示灯都能正常工作；登录www.plcyun.com网络监视界面，首先查看所有车辆进出的信息是否有记录，然后查看监视停车场当前状态是否与实际一致，最后通过网络监控界面任意取出1辆车。经验证，以上所有操作均能实现。