基于PLC 的智能分類立體車庫設(shè)計(jì)與仿真

孫彥超

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

隨著社會的發(fā)展，汽車的保有量逐年升高，導(dǎo)致現(xiàn)有的停車位過于緊張，出現(xiàn)無處停車、亂停車的現(xiàn)象。為此本文設(shè)計(jì)建立不同類型的車庫，由輸送帶和工業(yè)相機(jī)搭建智能分類立體車庫系統(tǒng)。

1 智能分類立體車庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 智能分類立體車庫系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

入庫時(shí)，先將汽車停在輸送帶上，移動(dòng)至停車點(diǎn)后根據(jù)汽車尺寸進(jìn)行判斷，利用碼垛機(jī)將汽車移動(dòng)至適合汽車尺寸的位置上；出庫時(shí)，則是將車取出，送到出庫停車點(diǎn)。兩者的運(yùn)轉(zhuǎn)方式是相同的，主要過程就是輸運(yùn)—檢測—入庫（出庫）—到達(dá)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理見圖1。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是將立體車庫車位的布置分為3 個(gè)區(qū)域，即中大型車停車位、中型車停車位和小型車停車位。車庫第一行設(shè)置為中大型車停車位；第二行和第三行設(shè)置為中型車停車位；第四行和第五行設(shè)置為小型車停車位。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原理圖

1.2 智能分類立體車庫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

1）智能分類立體車庫系統(tǒng)由碼垛機(jī)、車輛輸送帶、立體車庫、工業(yè)相機(jī)以及人機(jī)界面（Human-Machine Interface，HMI）組成，其中可移動(dòng)的碼垛機(jī)以不同的運(yùn)行方式存取立體車庫中不同區(qū)域車輛。同時(shí)，為工業(yè)相機(jī)設(shè)計(jì)了主控制柜來完成通信。

2）西門子S7-1200 PLC 和HMI 的本地連接和網(wǎng)絡(luò)連接，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。工業(yè)相機(jī)收到的信息暫存在主控制柜中，再通過PLC 與PLC 的通信完成數(shù)據(jù)接收；碼垛機(jī)的速度和方向控制，使用變頻器控制電動(dòng)機(jī)完成。

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的立體車庫車位數(shù)量為5×8，在硬件組態(tài)中，需要的輸入點(diǎn)有多個(gè)，而西門子S7-1200 PLC 在軟件編程中選擇CPU 控制器的時(shí)候，上面的輸入點(diǎn)只有14個(gè)，可以直接添加所需型號的輸入輸出點(diǎn)。程序分為主程序和子程序，在編程過程中對其動(dòng)作進(jìn)行分類設(shè)計(jì)。其中，子程序包括碼垛機(jī)回原位子程序、手動(dòng)出入庫子程序、自動(dòng)出入庫子程序。在WINCC 仿真界面中增加指示燈提示，故障時(shí)顯示黃燈，停止時(shí)顯示紅燈，系統(tǒng)正常時(shí)顯示綠燈。

2 立體車庫控制系統(tǒng)的硬件模塊選型

2.1 PLC 的控制模塊

本文選用的西門子S7-1200 PLC 與其他品牌的PLC 相比，使用更方便，靈活性更高，高速緩沖器和時(shí)鐘存儲器更完善，以太網(wǎng)通信極為方便，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡單合理，并且可以與HMI 進(jìn)行完美的配合。硬件和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以采用更直觀的圖來進(jìn)行設(shè)置，有很強(qiáng)的故障診斷和顯示功能，并且支持串口通信。因此，本文選用西門子S7-1200 PLC[1]。

2.2 變頻器的選擇和CPU 的卡件配置

1）變頻器選用SINAMICS G120 CU240E-2 PN(-F)V4.5，使用靈活，維護(hù)方便，支持對硬件模塊熱插拔，可以拆卸接線端子，并可以直接安裝在碼垛機(jī)的控制柜中。

2）每個(gè)車位傳感器都有規(guī)定的I/O 地址，輸入到控制器的輸入卡件中，對車位信息進(jìn)行總的控制。工業(yè)相機(jī)檢測到信號，判斷尺寸信息，并傳送給PLC。

2.3 機(jī)器視覺系統(tǒng)

本文選用X-sight SV4-30ML 型號工業(yè)相機(jī)，該機(jī)器分辨率高，采集圖像的像素精確。無論是曝光方式，還是幀率，都達(dá)到了最高要求，滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對車輛尺寸判斷的需求[2]。工業(yè)相機(jī)的性能參數(shù)見表1。

表1 工業(yè)相機(jī)的性能參數(shù)

2.4 I/O 地址分配

本文設(shè)計(jì)的智能分類立體車庫控制系統(tǒng)的I/O地址，即輸入變量/輸出變量地址分配見表2 和表3。

表2 西門子S7-1200 PLC 的輸入變量地址分配表

表3 西門子S7-1200 PLC 的輸出變量地址分配表

3 立體車庫的軟件和人機(jī)界面的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)

本文的控制系統(tǒng)程序采用博圖V16 軟件進(jìn)行編程，分別對西門子S7-1200 PLC、車輛輸送帶3 個(gè)軸的變頻器和HMI 觸摸屏進(jìn)行組態(tài)。其中，西門子S7-1200 PLC 的IP 地址為198.162.8.12；車輛輸送帶和水平軸、車叉軸、升降軸3 個(gè)軸的變頻器IP 地址分別為198.162.8.14，198.162.8.15，198.162.8.16；HMI 觸摸屏的IP 地址為198.162.8.112。

3.2 工業(yè)相機(jī)判斷車型尺寸類型設(shè)計(jì)

在工業(yè)相機(jī)軟件中，將車型尺寸分為3 種類型，通過工業(yè)相機(jī)對車輛最大長度和最大寬度的判斷，將3.5～4.5 m 的車輛停放在小型車停車位區(qū)域，4.5～5.2 m 的車輛停放在中型車停車位區(qū)域，5.2～7.0 m的車輛停放在中大型車停車位區(qū)域。并且通過記錄車牌號對車輛進(jìn)入立體車庫的坐標(biāo)編號進(jìn)行設(shè)定，車主在取車時(shí)通過坐標(biāo)編號進(jìn)行取車。車型尺寸類型見圖2。

圖2 車型尺寸類型

3.3 HMI 觸摸屏設(shè)計(jì)

在博圖V16 軟件中對畫面進(jìn)行繪制，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求對立體車庫、顯示燈和按鈕等操作在WINCC 中顯現(xiàn)出來。

在開始進(jìn)行模擬之前，對畫面的按鈕、每個(gè)車位和顯示燈進(jìn)行變量的連接，紅色代表無狀態(tài)，綠色代表有狀態(tài)或者有信號。點(diǎn)擊“系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)”按鈕，等待車輛輸送帶將待入車輛送達(dá)停車點(diǎn)。未綁定變量的仿真初始畫面見圖3；變量連接后的畫面見圖4。

圖3 未綁定變量的仿真初始畫面

圖4 變量連接后的畫面

3.4 智能分類立體車庫控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序主要包括工業(yè)相機(jī)的判斷程序和碼垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制程序。碼垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式有前進(jìn)、上升、伸進(jìn)、后退、下降和縮退6 種運(yùn)動(dòng)方式。需要完成的子程序有左歸零的子程序、右歸零的子程序、手動(dòng)模式子程序、自動(dòng)出庫模式子程序、自動(dòng)入庫模式子程序、手動(dòng)出庫子程序和手動(dòng)入庫子程序。這些程序均在博圖V16 軟件中，通過函數(shù)FC 塊和數(shù)據(jù)DB 塊調(diào)用完成[3-4]。智能分類立體車庫控制系統(tǒng)的主程序（Main）中的部分子程序見圖5。

圖5 智能分類立體車庫控制系統(tǒng)的主程序中的部分子程序圖

4 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了智能分類立體車庫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，對其功能進(jìn)行了全面調(diào)試，并且能夠準(zhǔn)確讀取到立體車庫不同類型車位的實(shí)際存放情況。根據(jù)市場調(diào)研，目前市場上的部分停車場容量（停車數(shù)量）可存放40 輛車，該智能分類立體車庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)可在土地面積不改變的前提下，在原有的基礎(chǔ)上擴(kuò)大4 倍的停車數(shù)量，節(jié)約了占地面積，大幅增加了停車數(shù)量，對后續(xù)立體車庫的建設(shè)有一定的參考意義。