王 強，陳海龍，夏 昭

（武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢 430063）

隨著近年來我國經(jīng)濟水平的提高，汽車數(shù)量大幅增長使城市中本來存在的車輛泊位短缺問題愈加嚴(yán)重。立體式車庫的建設(shè)改變了傳統(tǒng)車庫土地資源利用率低的局面，對城市的交通壓力還起到一定的緩解作用[1]。

通過引進國外立體車庫技術(shù)，并針對我國立體車庫使用的實際情況，目前立體化車庫行業(yè)已初步形成，相關(guān)技術(shù)得到全面發(fā)展。文獻[2]分析了垂直升降電梯式立體車庫垂直提升和旋轉(zhuǎn)定位并行工作的控制方式，設(shè)計了升降機構(gòu)的控制系統(tǒng)。文獻[3]分析巷道堆垛式立體車庫的結(jié)構(gòu)特點及存取車運行機制，提出原地待命存取車策略并建立數(shù)學(xué)模型，使存取車更加高效。文獻[4]提出適用于多層面、多通道、多傳送車的大型立體停車庫智能化存取車控制算法，解決多臺車輛同時存取時的經(jīng)濟效益權(quán)衡和安全問題。文獻[5]通過改進的遺傳算法，分析、優(yōu)化堆垛式立體車庫存取調(diào)度，獲得較小的存取車總時間。文獻[6]提出基于車牌自動識別技術(shù)的智能停車管理系統(tǒng)。

文中提出了立體化智能車庫管控系統(tǒng)的總體方案，設(shè)計了基于PLC的軟硬件控制系統(tǒng)以及基于MCGS的上位機監(jiān)控系統(tǒng)。

1 智能立體車庫結(jié)構(gòu)及工作原理

所設(shè)計的新型智能立體車庫為垂直提升平面移動式車庫，以垂直升降式立體車庫為原型[7]，采用了巷道的特殊結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型立體車庫整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of a new three-dimensional garage

該車庫的升降機通道固定，配備了可用編程控制器控制的自主搬運器，采用了搬運起重機與提升機共同作業(yè)的模式，通過上位機的控制來進行車輛的存取。與傳統(tǒng)車庫相比，該新型立體化智能車庫結(jié)構(gòu)簡單，易于建造；充分利用占地面積，空間利用率高；利用自動化技術(shù)，智能控制車輛存取，方便快捷，安全可靠。

用戶存車時需要刷卡，管控系統(tǒng)會對入庫車輛進行安全檢測；待檢測通過后，提升機會先到達(dá)二樓存車層，再到達(dá)一樓取車層。之后車庫門打開，司機把車停到車庫入口的提升機上即可下車離開車庫，待車庫門關(guān)好后，提升機將車輛提升至二樓停車平臺，交接給搬運起重機，由其搬運至指定停車位置，完成停車過程。存車流程如圖2所示。取車過程則相反。

設(shè)計中采用4×3的車位布置，總共12個車位，如圖3所示。1號車位作為搬運起重機的初始位置；作為交接位置11號車位處設(shè)置提升機，將車輛從取車層提升到存車層，并在此處與搬運機完成車輛的交接。對于每個車位，搬運器都有固定的存取路徑，存儲在控制器中，用戶刷卡手動輸入車位號或系統(tǒng)自動判斷車位來進行車位的選擇。

圖2 存車流程Fig.2 Flow chart of parking

圖3 立體車庫車位分布Fig.3 Distribution of parking spaces for three-dimensional garage

2 智能立體車庫管控系統(tǒng)設(shè)計方案

立體車庫管控系統(tǒng)設(shè)計主要由車庫管理子系統(tǒng)、出入庫控制子系統(tǒng)、安全保護子系統(tǒng)、入庫引導(dǎo)子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)組成。

2.1 管理信息系統(tǒng)設(shè)計

立體車庫的管理信息系統(tǒng)包括實現(xiàn)人機的交互、日常數(shù)據(jù)的維護、工作狀態(tài)的監(jiān)視、工作任務(wù)的分配，其核心就是對數(shù)據(jù)庫進行操作和管理維護[8]。其功能模塊如圖4所示。

圖4 管理信息系統(tǒng)功能模塊Fig.4 Function diagram of MIS

停車卡管理 指立體化智能車庫采用FRID卡對用戶和車輛的信息進行管理。包括對FRID卡進行發(fā)放、回收、掛失、初始化、查詢信息的操作。

臨時停車管理 指臨時停車需要人工錄入車輛信息和用戶信息，存放于數(shù)據(jù)庫中與上位機監(jiān)控系統(tǒng)連接。

異常管理 指對在車庫管理過程中可能會出現(xiàn)一些異常情況，包括卡信息異常處理、存放時間異常處理、預(yù)約異常管理、設(shè)備故障異常處理、車輛異常管理、庫位異常管理等。

其他模塊均有相應(yīng)的管理功能。

2.2 入庫引導(dǎo)子系統(tǒng)功能

車輛超限檢測 在立體車庫的入口處需要對入庫車輛進行車輛尺寸與重量的超限檢測，保證入庫車輛符合車庫的規(guī)格限制的要求。

提升機下降安全檢測 當(dāng)載車臺下方有人或雜物時，提升機應(yīng)停止繼續(xù)下放，否則極易發(fā)生事故。因此在車輛下放時需要對載車臺下方區(qū)域進行安全檢測。

入庫引導(dǎo) 下位機收到傳感器的觸發(fā)信息后，根據(jù)控制程序自動發(fā)出信號，分別顯示提示車輛向前移動、向后移動、定位合格和是否超限的信息，提示司機將車輛移動到準(zhǔn)確的位置。

2.3 安全保護子系統(tǒng)功能

檢測系統(tǒng)自診斷 利用傳感器檢測信號，通過自檢算法實時診斷傳感器系統(tǒng)是否存在故障，保證存取車過程的安全作業(yè)。

電氣系統(tǒng)檢測 通過一定算法，實時診斷關(guān)鍵元器件是否存在故障以及常規(guī)電氣系統(tǒng)是否故障。

安全保護裝置的設(shè)置 包括超速保護的裝置，提升系統(tǒng)安全裝置的設(shè)置，供電系統(tǒng)斷相、錯相的保護裝置的設(shè)置等。

2.4 關(guān)鍵控制算法

車位分配算法 根據(jù)車位分布情況，結(jié)合車輛存放性質(zhì)，通過自學(xué)習(xí)算法，自動分配車輛位置，保證取車效率最優(yōu)化。

交接調(diào)度算法 根據(jù)存取車過程中車輛交接流程，結(jié)合當(dāng)前設(shè)備工作狀態(tài)及效率，通過設(shè)備調(diào)度算法，實現(xiàn)車輛交接過程最優(yōu)化，提高效率。

行走速度控制算法 采用雙閉環(huán)控制模型，調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)速度與位移控制的最優(yōu)結(jié)合，確保精確平穩(wěn)停車。

定位控制算法 根據(jù)速度與尋址片檢測數(shù)據(jù)，計算得出當(dāng)前運行位置區(qū)間，并根據(jù)位置區(qū)間與目標(biāo)位置的比較，判斷是否到位，實現(xiàn)小車和大車定位控制。

3 智能立體車庫PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

文中PLC程序的設(shè)計目的是實現(xiàn)立體車庫的自動控制。以4號車位（如圖3所示）的存取車過程為例，進行控制系統(tǒng)設(shè)計。立體車庫4號車位的存車流程和取車流程如圖5所示。

圖5 4號車位存、取車流程Fig.5 Flow chart of taking and parking for the car in No.4

（1）復(fù)位程序設(shè)計

由于PLC本身特性，其內(nèi)部的繼電器與多數(shù)寄存器均具有記憶的功能，所以在運行之前需要先對PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)進行復(fù)位初始化，同時也能預(yù)防部分故障發(fā)生。

（2）傳感器檢測觸發(fā)程序設(shè)計

在立體車庫入庫之前需要對車輛進行超限檢測；提升機在下降之前要進行下降安全檢測；車輛移動到載車臺上需要進行到位檢測；車位要進行是否有車檢測。這些檢測的功能均由相應(yīng)的傳感器來完成。若檢測合格則繼續(xù)運行下一步，不合格則報警并停止運行，在程序中傳感器會觸發(fā)1個開關(guān)量，使程序斷開或連接。

（3）車位號輸入程序設(shè)計

用戶在請求存取車之后，需要在上位機監(jiān)控界面中，手動輸入車位號，以使控制系統(tǒng)確定車位，從而選取搬運機的存取路徑。

（4）電機控制程序設(shè)計

所設(shè)計的立體車庫共有4臺電機運行來完成車輛的存取過程。這4臺電機分別是搬運起重機大車電機、搬運起重機小車電機、搬運起重機升降架電機、提升機電機。其中，搬運起重機大車及小車根據(jù)設(shè)計的移動路徑進行水平、垂直運動；升降架和提升機分別進行上升、下降運動。各臺電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)由程序中相應(yīng)的開關(guān)量來控制。

4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

4.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

在立體車庫的整個控制系統(tǒng)設(shè)計中，上位機監(jiān)控系統(tǒng)起到對立體車庫運行狀態(tài)監(jiān)控和管理的作用，利用MCGS工控組態(tài)軟件來進行構(gòu)建。上位機與下位機PLC之間通過以太網(wǎng)進行連接通信，實現(xiàn)了組態(tài)軟件與PLC之間的數(shù)據(jù)同步，從而完成了上位機對立體車庫的過程監(jiān)控和管理[9]。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)的具體功能需求如下：

發(fā)送存取信號 司機或者工作人員在上位機的監(jiān)控畫面上進行操作，按下存車或取車按鈕發(fā)送存取車信號。

設(shè)備運行狀態(tài)的顯示 通過過程開關(guān)量將上位機組態(tài)畫面上的點與現(xiàn)場設(shè)備連接起來，經(jīng)過數(shù)據(jù)的采集，將現(xiàn)場裝置的狀態(tài)在組態(tài)畫面上顯示出來，實時反應(yīng)現(xiàn)場各個設(shè)備的情況。

4.2 MCGS與PLC的連接與仿真

在設(shè)備窗口內(nèi)，使用設(shè)備工具箱添加 “通用TCP/IP父設(shè)備”和“西門子CP443-1以態(tài)網(wǎng)模塊”。然后分別對這2個設(shè)備進行屬性設(shè)置，本地IP地址即為觸摸屏IP地址，遠(yuǎn)程IP設(shè)置稿源應(yīng)與PLC的CPU IP地址對應(yīng)。在“西門子CP443-1以態(tài)網(wǎng)模塊”的設(shè)備編輯窗口中，添加設(shè)備通道來完成MCGS實時數(shù)據(jù)對象與PLC中變量的連接設(shè)置。與PLC通訊連接的硬件組態(tài)設(shè)置完成之后，即可在下載配置窗口中，將設(shè)計的組態(tài)工程下載到MCGS的模擬運行環(huán)境中，點擊“模擬運行”，然后進行工程下載。

工程下載完成后，會自動打開MCGS的模擬運行環(huán)境，如圖6所示。在界面中，輸入需要存取的車位號，然后點擊存取車按鈕，即可對下位機PLC發(fā)送存取車的控制指令，實現(xiàn)車輛的存取過程。PLC的傳感器觸發(fā)信號，可以利用PLC實驗臺上對應(yīng)的輸入地址按鈕來進行模擬。

圖6 MCGS模擬運行環(huán)境Fig.6 MCGS simulates operating environment

通過實驗室的模擬運行，所設(shè)計的MCGS組態(tài)工程，基本實現(xiàn)了立體車庫上位機的存取控制功能，以及4號車位在存取過程中的監(jiān)控功能。

5 結(jié)語

文中分析了目前立體化智能車庫的研究現(xiàn)狀，選用了一種新型的立體化智能車庫作為研究對象，提出了一套控制系統(tǒng)的解決方案，并設(shè)計了基于PLC的部分控制系統(tǒng)和基于MCGS組態(tài)軟件的上位機監(jiān)控系統(tǒng)。在MCGS模擬運行環(huán)境上模擬仿真了部分車位存取控制過程，結(jié)果顯示達(dá)到了預(yù)期的效果。所研究的內(nèi)容還存在著許多不足之處，例如文中采用手動模式輸入車位號的方式為PLC選擇存取的路徑，使得效率較低。在實踐中可以考慮構(gòu)建信息系統(tǒng)，將車位號、RFID卡號、是否為空車位等狀態(tài)信息存入動態(tài)數(shù)據(jù)庫，采取自動模式為下位機選擇存取路徑，實現(xiàn)完全自動化的存取操作。

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