一种垂直升降立体车库组态监控系统的设计*

吕栋腾

（陕西国防工业职业技术学院 西安 710300）

1 引言

垂直升降立体车库主要由钢结构架、升降装置、横移装置、回转装置、控制系统、安全防护和辅助等六大部分组成［1］。为规避立体车库运行中的各类事故，必须在整体设备中的合理配置安全互锁装置以及传感检测设备，实时检测各运动机构的实际运动情况。由于被控对象众多，自动化立体车库在顺序、速度以及定位、安全性能方面必须实现精准的控制，运行过程中要对系统进行实时管理和监控［2］。本文以左右两侧存取，25 层 50 车位的垂直升降立体车库为主要研究对象，以PLC为核心控制器，通过组态软件实现了立体车库运行过程的监控和网络访问。

2 人机界面的总体设计

垂直升降立体车库控制系统由上位机和下位机共同组成，其中上位机以计算机为核心，处于监控室或值班室中，主要起监控和管理作用，可以适当配备打印机、音响设备等；下位机采用PLC，作为子系统与主控制计算机连接，实现对前端现场的直接控制。在上位机当中运行组态软件作为人机操作界面，通过数据处理、图像显示、联机通讯等，可以远程监控系统运行状态和进行网络发布，同时上位机将PLC 从现场采集的各种信号在组态软件中显示出来，可以直观地展示出立体车库运行的各种状态［3］。本次设计我们选择了亚控科技的组态王KingView 软件。结合垂直升降立体车库的控制系统要求，上位机设计主要内容围绕数据构造、I/O设备定义以及SQL数据库访问等内容展开，结合组态王软件自身的控制功能和设备扩展功能设计友好人机界面。上位机控制流程如图1所示。

图1 上位机总体控制流程

3 组态主要数据库构造

组态王可以将操作人员发布的各种控制指令快速送达到立体车库的控制器，同时将工业现场的设备实际状态以动画形式反映在计算机显示器或者触摸屏上，用实时的状态数据作为各种操作的中间转化环节［4］。数据库是组态王软件的重要部分之一，通过数据库可以连接上位计算机、下位控制器和操作人员。组态王数据库中存放了系统变量和用户自定义变量的当前数值，记录了用户可使用的所有数据变量。

图2 PLC的通信配置

图3 变量设置方法

3.1 PLC的通信配置

在垂直升降立体车库的设计中，采用了OMRON 公司的CJ2M-CPU15 型PLC，在通信上实现变频器与PLC 通信，PLC 与组态软件通信。在PLC 与触摸屏通信时采用Hostlink 通信方式。组态软件完成设计后，可以通过数据线或USB接口直接下载到触摸屏中用以监控和操作车库运行。通讯过程中上位机可对PLC 传送程序，控制PLC 的工作情况，监控PLC 数据区。PLC 处理完毕上位机传送的程序后，将执行结果再传回上位机。结合立体车库现场实际情况，这里采用RS-422 通讯方式。具体配置如图2所示。

3.2 定义变量

数据变量有分为内存变量和I/O变量。内存变量是指组态王内部需要的变量，供系统使用。内存变量不需要和外部进行数据交换，比如计算过程的中间变量就可以设置成内存变量。I/O变量可与外部程序和下位机进行数据交换，可以连接工业现场的PLC、数据采集通信卡、智能仪器仪表等。在立体车库系统运行中，从PLC或其他程序中采集来的数据变量都是I/O变量。现场设备和其他应用程序中的值发生变化时，组态王中对应的I/O 变量值也会发生相应的变化；反之，当I/O 变量发生变化时，也会自动写入PLC 或者其他应用程序。立体车库监控系统变量定义如图3所示。

3.3 组态王数据库访问

SQL 访问管理器、SQL 函数应用和他数据库的配置连接构成了组态王SQL 数据库的访问。SQL数据库访问主要是实现组态王软件和其他数据库之间的数据传输，其中数据序列和变量之间的关系也通过SQL 访问管理器实现［5］。组态王支持在数据库内建立表格模板，并将信息存入SQL.DEF文件中。在与外部数据库进行传输时首先在系统的ODBC 数据源中添加数据库，通过访问管理器和函数应用，直接操作数据库中的各种数据。通过组态王的命令语言调用，SQL 可以实现插入、删除、创建表格、编辑、清空、查询记录等操作。

4 主要人机界面设计

HMI人机界面能够实现信息的转换，是系统和用户之间进行信息交互的桥梁和媒介［6］。人机界面产品的结构主要包括软件和硬件。软件分为又分为系统软件和组态画面软件，系统软件用于HMI产品开发，组态画面软件运行于PC 机的操作系统中。硬件部分包括了CPU、输入单元、显示单元、数据存储单元和通讯接口等。本次设计过程中采用欧姆龙公司的NB10W-TW00B0-Z 可编程终端触摸屏作为人机界面主要载体。

4.1 系统主界面设计

在启动时的初始界面是本次控制系统的主界面。系统主界面在设计时包含了车库运行时的一些主要信息，例如当前的时间、车辆存储情况、存车取车操作选择、帮助和凭条自动打印等功能，是操作人员使用本系统的主要控制界面。主界面设计如图4所示。

图4 立体车库主界面设计

点击“存车”按钮，画面将跳转到存车画面，直至完成存车操作。存车完毕升降机复位至入口处，系统将自动打印凭条，提示车主取走凭条，后续凭密码取车。如果车库没有空余车位，系统会弹出车位已满提示框。取车时点击“取车”按钮，如果此时车库内没有车辆，系统会自动弹出车库内没有车辆的提示框，否则画面将跳转至密码输入界面，通过对比密码以及车牌号码，实现取车操作，车辆至出口提示驾驶员尽快取车，并自动打印凭条提示存车时间、取车时间、车牌号码以及产生费用情况。存车校核和取车校核功能编程语言设计如图5、6 所示。

4.2 存车界面设计

当上一次存车动作结束，升降、横移等装置返回入口待命时，系统画面将自动切换至存车界面操作，如图7 所示，在窗口左半部分是立体车库的结构示意图，由于本次设计的车库层数较多，故采用了分页显示。从画面中可以看到当前立体车库存车情况，如果车位显示了有车存在时，表明车位已被占用，一目了然，为右半部分选择与放弃存车操作提供了很好的指引。当入口处检测到有车存在，自动检测车辆的尺寸、重量，经检测本车库能够存车提示“确定”按钮、或者“放弃存车”按钮，否则，如果存车不符合车库设计，则自动弹出“车辆不符合车库参数，不能存车，请尽快开走”提示框。

图5 存车校核程序

图6 取车校核程序

图7 存车界面设计

4.3 取车界面设计

当需要执行取车操作时，单击“主界面”中的“取车”按钮，系统便会自动弹出“取车”界面，其窗口设计同存车界面。区别在于需要输入提车密码，当操作人员正确输入取车密码时，系统与之前自动生成的SQL 数据库进行对比，一致执行取车程序，不一致提示再次输入相关信息。通过程序设定并显示车辆在存车时保存的基本信息，车库管理人员可以根据如车牌、照片等信息判断车辆是否是待取车辆，如果信息核对一致就可以点击确认按钮，系统开始执行取车操作。取车操作完成，将车运至入口处，提示操作人员“尽快开走”，按下“确定”自动打印存车清单。

4.4 自动报表生成

数据报表能够实时记录监控系统中产生的各种数据和状态信息，是系统中的重要组成部分［7］。设计人员可以利用组态王提供的内嵌式报表系统任意设置报表形式，可以制作实时报表也可制作历史报表。报表系统中有丰富的报表函数，可以进行数据转换、各种运算、统计分析、打印等。本次立体车库的监控系统也设计有相应的报表，用户完成一次存取车操作后都可以自动打印一份历史报表，如图8 所示，当取车结束时自动打印的报表。对于管理人员来说，通过报表即可打印车库的使用过程，又可以对结果进行统计，例如车辆类型、车库的使用率、平均停车时间等。

图8 用户报表格式

4.5 组态软件与PLC连接调试

采用组态软件编制完成，下载到触摸屏中后，需要与PLC连接调试，主要连接调试的是寄存器连接是否正确，数据字典里的数据处理参数是否设置正确，都要通过组态软件与PLC连接调试完成。运行调试的重点主要为Hostlink 通信参数设计测试，包括端口号传输波特率，校验方式以及通信自检情况等。由于通信协议是固定的，所以相关参数设置也是比较固定的，需要注意参数具体选择。如图9、10 所示，设备寄存器连接测试，可见PLC 与组态软件之间通信正常，组态软件可以正常从PLC寄存器内读到数据。

5 互网络发布和安全设置

在市区停车过程中，由于不能提前得知车库车位的剩余情况，车主常常很难快速找到合适的车位。随着互联网技术的日益渗透，自动化软件网络化趋势已成为整合IT 和工业自动化技术的关键。组态王提供了专门为互联网络技术开发的组态王WEB 版。组态王WEB 版采用B/S 架构，支持Internet/Intranet 访问，利用手机浏览器或是JRE 插件就可以实现访问，用户可以随时通过网络实现在线远程监控。

图9 通讯参数设计

图10 设备寄存器设计

5.1 互联网发布和安全设计

相当于把立体车库的上位机当作主机或服务器，将车库的组态监控画面发布到网上，其他用户都可以根据自定义的网址来访为这台主机。在使用过程中用手机下载安装组态王软件，客户端和WEB 发布服务器数据同步，通过网络用户可以在任何地方与组态王共享监控画面和数据显示功能，以及部分控制功能。通过Internet功能的实现使车库管理更加灵活，使用更加便捷，可方便快捷地找到停车位，节约大量时间。如图11、12 所示，将立体车库画面发布到互联网上，想要随时查询车库停车情况，只要在浏览器地址中输入预设的网址即可。

图11 WEB发布

图12 存车网络查询

5.2 系统安全设计

由于进行了互联网发布，设置了软件客户端，就意味着可能会遭受到网络攻击，所以系统安全保护也成了设计中我们需要考虑的重要问题［8］。组态王提供了一个基于用户的安全管理系统，通过系统管理来允许和禁止用户对系统的相关操作，主要方法是提前设置用户的使用权限。在系统开发中对工程进行加密处理，只有输入正确密码才能进入该系统的开发环境。划分操作者访问的安全等级，对组态软件的访问权限进行分配，安全等级不同，所执行的操作等级也不同。运行时如有不具备条件的用户进行操作，系统将不予响应。组态王通过这种方法来保障体系的安全运行。管理人员权限和优先级设置方法如图13、14所示。

6 结语

垂直升降立体车库占地面积小，可以充分利用物理空间，一定程度上缓解了城市停车难的问题。目前对大型智能化立体车库的设计建设方案已日臻成熟，并对各种类型的立体车库已经采用系统化、模块化等设计［9］。本次设计开发的垂直升降立体车库组态监控系统，人机界面友好，设计了互联网发布，方便车主进行在线访问，实现对立体车库运行过程的实时监控。对现阶段大型智能化立体车库的组态监控系统设计和开发有一定的借鉴意义。

图13 访问人员权限设置

图14 访问人员优先级设置