智能立体车库仿真设计

2024-05-12党健

电子产品世界 2024年1期

党健

摘要：以垂直升降旋转立体圆形智能车库控制系统为研究对象，结合人机界面（human machine interface， HMI）、可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）以及其他相关执行元件，实现对智能立体车库的仿真设计。为了使用户停车、取车方便快捷，在智能立体车库控制系统中，选用昆仑通态 HMI 和西门子 S7-200 Smart PLC，来实现汽车的存取功能，以此满足系统要求。仿真调试结果证明了该系统在现实生活中的有效性与可行性。

关键词：智能车库；人机界面；可编程逻辑控制器

中图分类号：TP23 文献标识码：A

0 引言

随着汽车总量的急剧增加，城市交通严重拥堵，这干扰了人们的正常生活，同时也影响城市秩序。市民停车难，车位难寻，车辆乱停，既破坏了城市市容，也影响了居民生活 [1]。设计合理高效的立体车库将是设计者努力的方向。

在调查分析了立体车库系统在全球的发展现状之后，本文设计一套自动化程度与安全性较高的智能立体车库控制系统，以解决目前城市停车难题。该系统的主控制器为西门子 S7-200 Smart PLC，同时选用昆仑通态人机界面（human machine interface，HMI）。通过建立智能立体车库控制系统，不仅能实现无人管理，还可以大大提高车辆的出入效率，使停车行业能够响应汽车总量增长的趋势，实现两者同步协调发展 [2]。

1 智能立体车库控制系统方案设计

1.1 立体车库概述

1.1.1 立体车库的分类

立体车库是一种自动化设备系统，集电力、机械于一体，用于最大限度地存取储放车辆。立体车库大致可分为九大类：升降横移式、简易升降式、垂直循环式、水平循环式、多层循环式、平面移动式、巷道堆垛式、垂直升降式、汽车专用升降式等。

1.1.2 立体车库的确定

经过对各种类型立体车库的结构特点以及优缺点进行分析，发现在众多的立体车库类型中，垂直升降式车库的综合能力较好，该车库不仅技术性能好、空间利用率极高，而且存取速度快、低噪声、低能耗，便于操作，更适合当今城市人们的需求 [3]。

结合实际的投资可行性和现有的技术能力，最终选择垂直升降式作为本文智能立体车库类型，立体车库模型如图 1 所示。

1.2 垂直升降式立体车库的整体结构

垂直升降式立体车库的机械结构比较复杂，主要包括钢架结构、升降装置、检测装置、转盘换位装置、停车位、安全保护装置等。

本文选取的车库采取垂直升降式，选取 1 台电磁制动三相异步电动机作为主拖动电动机，其余电动机分别为 1 台电梯门电动机、1 台轴距检测电动机和 1 台转盘换位电动机。

该立体车库共 3 层，共有 29 个停车位，即可以停放 29 台车辆。

1.3 车库工作流程

系统上电后，系统處于初始化状态（如不是初始化状态，则需复位），当按下“启动”按钮后，就可以进行汽车的存取。

存车过程如下：汽车行驶到待停区 → 按下存车按键 → 车库电梯门打开 → 汽车被运送到升降电梯的转盘换位装置上 → 由轴距检测装置进行测量 → 汽车由升降电梯送到规定的楼层 → 由转盘换位装置旋转到车位指定位置 → 运送到指定车位 → 系统复位。

取车过程如下：按下取车按键 → 升降电梯到达汽车对应楼层 → 转盘装置旋转到对应车位 → 汽车被传送到转盘装置上 → 升降电梯与转盘装置复位 → 电梯门打开 → 汽车开出。

2 智能立体车库控制系统硬件设计

作为一种自动化产品，立体车库将机械、检测、控制和通信集成在一起，该系统应当具有操作简单、易于使用、安全可靠、存取速度快等基本特点。基于此，本文进行了系统硬件设计，确保后续的软件设计顺利进行。

2.1 智能立体车库控制系统硬件总体设计

经过对立体车库系统的整体结构和工作流程进行分析，从而掌握了其控制要求，该硬件设计由触摸屏和可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）模块、按钮和传感器输入、电机和指示灯等三大部分组成。

2.2 智能立体车库控制系统硬件配置

2.2.1 PLC 硬件配置

PLC 是一种数字运算操作的电子系统，应用于工业控制领域。主控制器选用西门子 S7-200 Smart PLC，型号为 ST30，具有扩展性强、通信功能强、运算速度快等特点 [4]。S7-200 Smart PLC 实物图如图 2 所示。

2.2.2 触摸屏

在使用过程中，用户需要将自己的需求转达给设备，也就是人机交互，通过本文的设计，触摸屏可以完成用户的操作和现场状态的实时监控、反馈。该系统选择昆仑常态公司生产的监视与控制通用系统（monitor and control generated system， MCGS）触摸屏。

2.2.3 伺服系统

伺服机构，也称为伺服系统，是用来准确跟随或复现某个过程的反馈控制系统。本文选用的是台达 ASDA-B2 系列的伺服系统，具备位置、速度、转矩 3 种控制模式。伺服系统台达 B2 实物图如图 3 所示。

3 智能立体车库控制系统软件设计

根据上述内容可知，智能立体车库控制系统可以分为两个部分，分别为 PLC 系统控制部分和触摸屏监控操作部分，其中 PLC 系统控制部分是整个控制系统的核心所在。

3.1 立体车库工艺流程与控制要求

3.1.1 系统初始化状态

初始化状态下，升降电梯处于一层，并且车库门处于关闭状态，各电机停止运行，夹紧气缸处于松开状态，待停区无汽车，此时红灯长亮。

3.1.2 运行模式

（1）存车过程如下：①在触摸屏中主界面按下 “存车”按钮，进入存车界面；当汽车停到待停区，传感器 SQ1 检测到有车后，在触摸屏中输入车牌号（后三位数字）和车位号，单击“确定”命令按钮，开始存车。

②电梯开关门、车型检测及夹紧动作流程：存车开始，M1 电机正转 3 s，将电梯门打开；等待 5 s 后（此时汽车被传送到转盘换位装置上），M3 电机带动传感器 SQ12 进行轴距检测，当 SQ12 有信号，轴距检测完毕，夹紧气缸运行 2 s 夹紧以固定车辆，同时电梯门关闭（M1 电机反转 3 s）。

③存车动作过程：升降电梯根据程序指令将汽车运送到对应的楼层，然后转盘换向装置旋转相应的角度将汽车运送到对应的停车位。

依据规则设计程序实现车辆的自动存入，如选择的车位已经有车，触摸屏弹出提示框，提示“车位号输入冲突，请重新输入”。

（2）取车过程如下：在触摸屏中按下“取车” 按钮，系统进入取车界面。输入该车的车位号，按下“确定”按钮，升降电梯根据取车规则上升到指定楼层，转盘换向装置旋转到指定车位处将汽车运送出车库。

3.1.3 停止操作

当系统在存取车过程中，按下“停止”按钮，程序会等待当前汽车存取完成后，停止运行，此时红灯以长亮显示。

按下“急停”按钮或者安全装置被触发，系统发生急停事件立刻停止运行，红灯以 2 Hz 显示。当急停事件解除后，按下“启动”按钮，系统从之前状态启动继续恢复运行。

3.2 PLC 控制程序设计

本系统 PLC 控制程序采用 STEP 7-MicroWIN SMART 软件开发环境，梯形图设计类似于继电器接线图，通俗易懂，大大提高了程序开发效率。

3.2.1 主程序设计

对于本系统，为了方便调试和编程，设计思路为主程序调用子程序。当 HMI 存车按钮 V50.0 动作，主程序控制字 MB10 数据为 10，即调用存车子程序。

3.2.2 存车运算程序

在存车过程中，利用触摸屏中输入的车位号来计算，得出升降电梯上升的层数和转盘装置转动的角度，十位数是车位号除以 10 之后截取的整数，个位数=车位号- （十位数×10）。例如，24号车位，那么经过计算得出十位数为 2，即存入地址 VD600 中，个位数为 4，进一步定位到地址 VD604 中。