基于PLC系統(tǒng)的平面移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李芹芹，陳 蘇，張繼紅

（中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430072）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。然而，因傳統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)土地利用率低而城市土地資源又比較稀缺，導(dǎo)致出現(xiàn)城市道路的車(chē)輛違停增多、小區(qū)的消防通道頻繁被占用等城市管理問(wèn)題，立體車(chē)庫(kù)作為一種新型的智能化設(shè)備便成了解決城市停車(chē)?yán)щy的最佳方式。立體車(chē)庫(kù)是集自動(dòng)化、機(jī)械、電氣控制、監(jiān)控界面和人工智能于一體的科學(xué)技術(shù)產(chǎn)物，分為升降橫移類(lèi)、垂直升降類(lèi)、垂直循環(huán)類(lèi)、平面移動(dòng)類(lèi)、巷道堆垛類(lèi)、簡(jiǎn)易升降類(lèi)等[1]，其中平面移動(dòng)式自動(dòng)化程度高、空間利用率低、占地面積少，當(dāng)某一層出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其他層車(chē)輛的存取，提高了存車(chē)自由度，增加了停車(chē)密度，但在車(chē)庫(kù)建設(shè)過(guò)程中，設(shè)備安裝較為復(fù)雜，對(duì)安裝工藝要求較高。目前平面移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)主要應(yīng)用于占地緊張、人流密度大的場(chǎng)所，如醫(yī)院、機(jī)關(guān)、商場(chǎng)等。

在進(jìn)行立體車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，車(chē)庫(kù)選型是最為關(guān)鍵的一步，每類(lèi)車(chē)庫(kù)的優(yōu)缺點(diǎn)不同，需要基于建設(shè)場(chǎng)地情況、總車(chē)位數(shù)、預(yù)算金額、后期維護(hù)、管理難度、存取速度、建設(shè)工期等因素合理選擇車(chē)庫(kù)類(lèi)別。本文主要研究一種平面移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)，進(jìn)行建筑平面優(yōu)化設(shè)計(jì)、車(chē)庫(kù)的硬件設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于武漢市武昌區(qū)的某大型立體車(chē)庫(kù)。

1 項(xiàng)目概述及平面優(yōu)化

本工程位于武漢市武昌區(qū)核心地段，周邊為大型寫(xiě)字樓。為最大程度地復(fù)合利用土地，該建筑的主要功能有供水轉(zhuǎn)壓站、立體車(chē)庫(kù)、辦公及數(shù)據(jù)機(jī)房。供水轉(zhuǎn)壓站位于地下，如若把辦公和數(shù)據(jù)機(jī)房放在低樓層，而將立體車(chē)庫(kù)放在高樓層，可以減少人行電梯及步梯所占用的面積，但升降機(jī)提升高度、出入口數(shù)量都將有較大幅度的減少，嚴(yán)重影響停車(chē)效率。經(jīng)綜合考慮后，地下為供水轉(zhuǎn)壓站，1～12 層為立體車(chē)庫(kù)，上部為辦公和數(shù)據(jù)機(jī)房層，建筑總體接近50 m，建筑物的功能布置及外立面如圖1～2 所示。其中，1 層為出入口，2～4 層為SUV 停車(chē)層，5～12 層為小轎車(chē)停車(chē)層，共275 個(gè)車(chē)位。外立面采用斜向鋁板百葉格柵，兼顧美觀、防水及通風(fēng)散熱功能。

圖1 建筑剖面圖

圖2 建筑物立面

本工程主體框架采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本工程所服務(wù)的客戶(hù)群體為上班族，主要訴求為上班時(shí)間的存車(chē)及下班時(shí)間的取車(chē)。根據(jù)設(shè)計(jì)的適用性、客戶(hù)群體需求特征、存取時(shí)運(yùn)行的距離、存取效率以及現(xiàn)存立體車(chē)庫(kù)車(chē)輛停放方式的調(diào)研，采用單一出入口，5臺(tái)升降機(jī)橫向分布的形式設(shè)計(jì)立體車(chē)庫(kù)，早高峰時(shí)只允許存車(chē)，晚高峰時(shí)只允許取車(chē)，在有限的場(chǎng)地內(nèi)，最大程度增加升降機(jī)及橫移臺(tái)車(chē)的數(shù)量，以提高存取車(chē)效率，增加出入口的數(shù)量，以減少搬運(yùn)器運(yùn)行前的人為準(zhǔn)備時(shí)間，提高機(jī)械利用效率。同時(shí)，在每個(gè)出入口門(mén)頭設(shè)置LED 大屏，顯示每個(gè)庫(kù)剩余車(chē)位數(shù)，便于快速判斷并做出停車(chē)決定?；诖?，本工程平面布置如圖3 所示。

圖3 平面布置

2 立體車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 立體車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)組成

平面移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)常規(guī)布局為對(duì)面雙開(kāi)，中間為橫移臺(tái)車(chē)軌道，停車(chē)位在軌道兩側(cè)逐層排布。立體車(chē)庫(kù)系統(tǒng)主要包含機(jī)械系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)等。

機(jī)械系統(tǒng)主要由出入口、升降機(jī)、橫移臺(tái)車(chē)、搬運(yùn)器、梳齒架等組成。針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)，如果在車(chē)庫(kù)的樓層數(shù)增加或橫移臺(tái)車(chē)的跨距較大等情況下，一套設(shè)備就很難完成了，有時(shí)，可能一臺(tái)升降機(jī)配置多臺(tái)橫移臺(tái)車(chē)，或者增加較多的出入口[15]。管理系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行控制操作，上位機(jī)系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)控制車(chē)庫(kù)整體，本文重點(diǎn)介紹控制系統(tǒng)。

2.2 工作原理

控制系統(tǒng)是車(chē)庫(kù)的“大腦中樞”，主要實(shí)現(xiàn)車(chē)庫(kù)車(chē)位分配、調(diào)度設(shè)備的路徑規(guī)劃、升降橫移裝置運(yùn)行、車(chē)輛信息識(shí)別等，車(chē)庫(kù)管理人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)立體車(chē)庫(kù)進(jìn)行控制管理。

升降機(jī)是車(chē)庫(kù)各層作業(yè)的聯(lián)動(dòng)設(shè)備，通過(guò)升降電機(jī)與鋼架的組合，實(shí)現(xiàn)升降裝置在立體車(chē)庫(kù)層與層之間的調(diào)度移動(dòng)。常規(guī)橫移臺(tái)車(chē)只能在固定軌道上前進(jìn)或后退，本工程在常規(guī)橫移臺(tái)車(chē)上增加了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，橫移臺(tái)車(chē)具有橫向平移和旋轉(zhuǎn)掉頭功能，臺(tái)車(chē)的導(dǎo)軌為懸空導(dǎo)軌，如圖4所示。行走輪每2個(gè)為1 組，2 組主動(dòng)輪由電機(jī)+柔性長(zhǎng)軸傳動(dòng)，另2 組為從動(dòng)輪。

圖4 橫移臺(tái)車(chē)

搬運(yùn)器是接送車(chē)輛的設(shè)備，為伸縮梳齒式。待命狀態(tài)時(shí)，梳齒收回在搬運(yùn)器內(nèi)部；搬運(yùn)車(chē)輛時(shí)，先將梳齒伸出到位，再上升，搬運(yùn)完成后，先下降，再把梳齒收回到位。該搬運(yùn)器的優(yōu)點(diǎn)為因搬運(yùn)器收回在內(nèi)部，在行走過(guò)程中，只需滿(mǎn)足搬運(yùn)器主框架的寬度，占用空間小，提高了車(chē)庫(kù)內(nèi)部的空間使用率。

進(jìn)出口平臺(tái)包括停車(chē)梳齒架、車(chē)輛定位器、平臺(tái)橫桿、行程開(kāi)關(guān)、前輪定位器及前輪阻車(chē)器等，如圖5 所示。停車(chē)梳齒架為車(chē)輛整體停放區(qū)域，每個(gè)梳齒架上有滑輪裝置，方便后期搬運(yùn)器搬運(yùn)時(shí)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行對(duì)中糾偏滑動(dòng)且保證車(chē)輛不會(huì)受到損害，車(chē)輛定位器位置處右前輪部分，為感應(yīng)部件，當(dāng)車(chē)輛行駛至該處時(shí)，設(shè)備默認(rèn)車(chē)輛已停放到位。前輪阻車(chē)器為出入口梳齒架停車(chē)平臺(tái)前端防護(hù)機(jī)構(gòu)。當(dāng)庫(kù)內(nèi)無(wú)車(chē)時(shí)，該設(shè)備處于升起狀態(tài)，保證車(chē)輛入庫(kù)時(shí)不會(huì)因失誤沖出停車(chē)區(qū)域，搬運(yùn)器舉起車(chē)輛離開(kāi)平臺(tái)時(shí)，阻車(chē)器需提前下降。車(chē)庫(kù)內(nèi)各類(lèi)光電的作用保證車(chē)輛未處于超長(zhǎng)、超寬、超高、無(wú)人的狀態(tài)，并發(fā)送各類(lèi)信號(hào)給管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)隨即進(jìn)行存車(chē)動(dòng)作。

圖5 進(jìn)出口平臺(tái)

整個(gè)存取車(chē)過(guò)程如圖6 所示，車(chē)庫(kù)門(mén)附近的地感線(xiàn)圈檢測(cè)到車(chē)輛后打開(kāi)卷簾門(mén)，用戶(hù)將車(chē)輛停入出入口，在觸摸屏上點(diǎn)擊“存車(chē)”，卷簾門(mén)關(guān)閉，巷道側(cè)卷簾門(mén)開(kāi)啟，搬運(yùn)器移動(dòng)車(chē)輛到橫移臺(tái)車(chē)，橫移臺(tái)車(chē)平面移動(dòng)到升降機(jī)，升降機(jī)將車(chē)送到指定樓層，橫移臺(tái)車(chē)+搬運(yùn)機(jī)器人將車(chē)送入指定車(chē)位；取車(chē)時(shí)，在上述動(dòng)作的基礎(chǔ)上，需增加升降機(jī)+橫移臺(tái)車(chē)先移動(dòng)至所取車(chē)輛所在樓層和車(chē)位，在橫移臺(tái)車(chē)運(yùn)動(dòng)至地面層時(shí)還需增加車(chē)輛旋轉(zhuǎn)掉頭功能，保證到達(dá)出入口的車(chē)輛停放位置正確。

圖6 存取車(chē)流程

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平面移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)的整個(gè)控制系統(tǒng)主要由設(shè)備層、控制層以及管理層構(gòu)成，這3 個(gè)層次架構(gòu)之間應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信連接，組成了完整的立體車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)[8]。底層為設(shè)備層，中間層為控制層，頂層為管理層。設(shè)備層主要包括升降電機(jī)、橫移電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、定位銷(xiāo)電機(jī)、變頻器等執(zhí)行元件及各種光電開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、測(cè)距儀等檢測(cè)元件；控制層主要是分布式I/O 設(shè)計(jì)的PLC 控制器，起到上傳下達(dá)的作用，接收上位機(jī)發(fā)送的存取車(chē)執(zhí)行指令，執(zhí)行相關(guān)的控制程序，并將停車(chē)位狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，對(duì)不同種類(lèi)的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并控制其他執(zhí)行元件有序運(yùn)行，協(xié)調(diào)完成存取車(chē)任務(wù)[5]。頂層由上位機(jī)構(gòu)成，與下位機(jī)PLC 之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。通過(guò)調(diào)研目標(biāo)客戶(hù)群體，決定本工程的管理系統(tǒng)主要包含場(chǎng)外誘導(dǎo)系統(tǒng)、場(chǎng)內(nèi)誘導(dǎo)系統(tǒng)、收費(fèi)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)并與武漢停車(chē)系統(tǒng)、停車(chē)場(chǎng)管理、基本信息管理、可視化監(jiān)管平臺(tái)、數(shù)字孿生系統(tǒng)、智能調(diào)度平臺(tái)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等對(duì)接，其上位機(jī)監(jiān)控程序是在VS2019 環(huán)境下，用C#語(yǔ)言編寫(xiě)完成的，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server2012。

停車(chē)裝置的控制系統(tǒng)框架如圖7 所示。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需要和工程成本考慮，升降機(jī)控制系統(tǒng)PLC選用西門(mén)子S7-1500，橫移臺(tái)車(chē)、出入口控制系統(tǒng)PLC 選用西門(mén)子S7-1200。相比S7-300/400，其系統(tǒng)性能、CPU 顯示面板、標(biāo)準(zhǔn)通信接口、診斷機(jī)制、編程組態(tài)軟件都有較大提高，1500系列在多通信方式、擴(kuò)展能力、集成度、程序結(jié)構(gòu)方面比1200系列更為強(qiáng)大。變頻器選用西門(mén)子G120系列，它具備多段速調(diào)速功能，只需要通過(guò)數(shù)字量輸入即可實(shí)現(xiàn)雙方向及雙轉(zhuǎn)速的控制。根據(jù)車(chē)庫(kù)適合存放的汽車(chē)類(lèi)型、電機(jī)最大負(fù)載時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩和速度等因素，選用SEW廠家的三相異步電動(dòng)機(jī)，其中升降電機(jī)功率為7.5 kW。

圖7 控制系統(tǒng)框架

4 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC 由CPU、指令及數(shù)據(jù)內(nèi)存、輸入/輸出接口、電源、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換等功能單元組成，其在擴(kuò)展性和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)使其被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工業(yè)控制領(lǐng)域。PLC 采用的是掃描工作方式，重復(fù)執(zhí)行程序[3]，分為3 個(gè)階段，分別是輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新[9]?？删幊踢壿嬁刂破鞯腃PU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段。

在進(jìn)行PLC 控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，要保證程序結(jié)構(gòu)清晰明了，最大程度地提高車(chē)庫(kù)運(yùn)行效率，同時(shí)兼顧安全性和擴(kuò)展性。本工程PLC 采用博圖v16 完成程序的編寫(xiě)，其主要功能為：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)邏輯程序；（2）故障報(bào)警提示；（3）信號(hào)處理與存儲(chǔ)；（4）與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；（5）與其他外部設(shè)備進(jìn)行通信組態(tài)連接。PLC控制程序組成結(jié)構(gòu)如圖8 所示。程序編寫(xiě)采用面向電機(jī)對(duì)象編程的方式，每個(gè)電機(jī)所需要執(zhí)行的動(dòng)作都單獨(dú)建立FB功能塊，在功能塊內(nèi)部使用局部變量，在主程序中調(diào)用時(shí)使用外部輸入信號(hào)觸發(fā)，返回輸出信號(hào)。編寫(xiě)程序時(shí)，將每個(gè)電機(jī)所執(zhí)行的動(dòng)作都分為手動(dòng)和自動(dòng)模式，在輸入信號(hào)參數(shù)中傳入不同的變量值即可執(zhí)行不同的模式。故障報(bào)警提示、信號(hào)處理與存儲(chǔ)、上位機(jī)數(shù)據(jù)交互等程序采用FC 功能塊進(jìn)行封裝，并最終在OBI組織塊中被調(diào)用。OBI 主程序通過(guò)調(diào)用FC 功能塊進(jìn)行程序控制。在程序編寫(xiě)時(shí)，保證車(chē)輛旋轉(zhuǎn)掉頭和橫向平移同步完成，減少取車(chē)時(shí)間。

圖8 程序結(jié)構(gòu)

5 調(diào)試及試運(yùn)行

采用SIMATIC HMI 監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行，程序編寫(xiě)軟件為WinCC flexible。工作人員可以通過(guò)系統(tǒng)界面觀察升降機(jī)和搬運(yùn)器的運(yùn)行位置，并且能夠從從機(jī)當(dāng)前狀態(tài)欄觀察從機(jī)執(zhí)行任務(wù)的狀態(tài)。操作員可直接通過(guò)HMI 的觸摸屏對(duì)升降機(jī)主PLC 進(jìn)行操作。通過(guò)HMI 設(shè)備，操作員還可以實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)切換、切換停機(jī)、模擬手動(dòng)刷卡等操作。試運(yùn)行階段平均存車(chē)時(shí)間為135 s，平均取車(chē)時(shí)間為165 s。理論計(jì)算的存車(chē)時(shí)間為116.05 s，取車(chē)時(shí)間為146.05 s。因組裝設(shè)備的各零部件需磨合，試運(yùn)行期間，人為降低了設(shè)備的運(yùn)行速度。0.5 a 的試運(yùn)行期結(jié)束后，存車(chē)平均時(shí)間可達(dá)到120 s，取車(chē)平均時(shí)間可達(dá)到150 s，與理論值接近。試運(yùn)行期，停車(chē)設(shè)備故障率為4%，市場(chǎng)水平為5%～10%，低于市場(chǎng)平均水平。綜述，該車(chē)庫(kù)運(yùn)行平穩(wěn)，滿(mǎn)足使用和可靠性要求。現(xiàn)場(chǎng)操作屏界面如圖9 所示，車(chē)庫(kù)調(diào)試界面如圖10 所示，建成后車(chē)庫(kù)內(nèi)部實(shí)景如圖11所示，觸摸屏界面如圖12所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)操作屏界面

圖10 車(chē)庫(kù)調(diào)試界面

圖12 觸摸屏界面

存取車(chē)時(shí)間理論計(jì)算過(guò)程如下。

存車(chē)時(shí)間為：

式中：t1為搬運(yùn)器運(yùn)行時(shí)間，搬運(yùn)器速度為0.75 m/s，搬運(yùn)距離為24.6 m，故合計(jì)32.8 s；t2為設(shè)備緩沖時(shí)間（2次來(lái)回）；t3為升降機(jī)運(yùn)行時(shí)間，升降機(jī)速度為0.8 m/s，升降高度為30 m（以最高樓層來(lái)計(jì)算），故合計(jì)37.5 s；t4為設(shè)備緩沖時(shí)間，取2 s；t5為橫移臺(tái)車(chē)時(shí)間，設(shè)備速度為0.8 m/s，長(zhǎng)度為12.6 m，故合計(jì)15.75 s；t6為設(shè)備緩沖時(shí)間（2次橫移），取6 s；t7為卷簾門(mén)關(guān)閉時(shí)間，取6 s。

取車(chē)時(shí)間為：

式中：T1為取車(chē)時(shí)搬運(yùn)器運(yùn)行時(shí)間，因存車(chē)時(shí)需完成的動(dòng)作在取車(chē)時(shí)均需完成，故時(shí)長(zhǎng)一致，取116.05 s；t8為橫移臺(tái)車(chē)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間，取15 s；t9為升降機(jī)找尋車(chē)位時(shí)間，因停車(chē)位置隨機(jī)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，預(yù)估為15 s。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以武漢市武昌區(qū)某一大型平面移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)為研究對(duì)象，從建筑平面布置、車(chē)庫(kù)結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究并進(jìn)行了測(cè)試及試運(yùn)行，得出如下結(jié)論，為今后該類(lèi)型項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及參考：

（1）在建筑平面布置時(shí)，對(duì)周邊客戶(hù)群體進(jìn)行提前摸排，了解相關(guān)需求，意向設(shè)備廠家提前介入，綜合客戶(hù)需求、工程投資、建設(shè)用地等方面對(duì)車(chē)庫(kù)進(jìn)行選型和平面布置。

（2）對(duì)平面移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，根據(jù)工程投資、硬件在控制系統(tǒng)中的重要性等方面對(duì)整個(gè)車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì)，包括PLC控制器、各執(zhí)行電機(jī)、變頻器等。

（3）采用西門(mén)子S7-1500和S7-1200 PLC作為下位機(jī)控制器，使用TIA PROTAL v16作為開(kāi)發(fā)工具，分析確定了下位機(jī)軟件程序結(jié)構(gòu)，采用模塊化和分層的設(shè)計(jì)思路對(duì)功能進(jìn)行封裝，對(duì)主、從PLC 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)并完成了調(diào)試及試運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果顯示該車(chē)庫(kù)運(yùn)行效率、故障率均滿(mǎn)足要求，其中存取車(chē)時(shí)間與理論計(jì)算時(shí)間基本接近，說(shuō)明車(chē)庫(kù)各零件磨合良好，程序設(shè)計(jì)達(dá)到既定功能要求。

伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，平面移動(dòng)式立體車(chē)庫(kù)有巨大的市場(chǎng)空間，但其產(chǎn)品性能穩(wěn)定性及普適性均較差，導(dǎo)致市場(chǎng)接受度較低，本文雖對(duì)其進(jìn)行了一定程度的研究，但因自身理論水平、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及時(shí)間等方面因素的影響，對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)未進(jìn)行詳細(xì)研究，上位機(jī)系統(tǒng)中的收費(fèi)系統(tǒng)與相關(guān)平臺(tái)的對(duì)接、存取車(chē)預(yù)約等均有很大的優(yōu)化和提升空間。