基于PLC系統的平面移動式立體車庫設計與實現

李芹芹，陳 蘇，張繼紅

（中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430072）

0 引言

隨著我國經濟的發展，機動車保有量呈逐年增長趨勢。然而，因傳統停車場土地利用率低而城市土地資源又比較稀缺，導致出現城市道路的車輛違停增多、小區的消防通道頻繁被占用等城市管理問題，立體車庫作為一種新型的智能化設備便成了解決城市停車困難的最佳方式。立體車庫是集自動化、機械、電氣控制、監控界面和人工智能于一體的科學技術產物，分為升降橫移類、垂直升降類、垂直循環類、平面移動類、巷道堆垛類、簡易升降類等[1]，其中平面移動式自動化程度高、空間利用率低、占地面積少，當某一層出現故障時不會影響其他層車輛的存取，提高了存車自由度，增加了停車密度，但在車庫建設過程中，設備安裝較為復雜，對安裝工藝要求較高。目前平面移動式立體車庫主要應用于占地緊張、人流密度大的場所，如醫院、機關、商場等。

在進行立體車庫設計時，車庫選型是最為關鍵的一步，每類車庫的優缺點不同，需要基于建設場地情況、總車位數、預算金額、后期維護、管理難度、存取速度、建設工期等因素合理選擇車庫類別。本文主要研究一種平面移動式立體車庫，進行建筑平面優化設計、車庫的硬件設計、控制電路設計及軟件設計，并應用于武漢市武昌區的某大型立體車庫。

1 項目概述及平面優化

本工程位于武漢市武昌區核心地段，周邊為大型寫字樓。為最大程度地復合利用土地，該建筑的主要功能有供水轉壓站、立體車庫、辦公及數據機房。供水轉壓站位于地下，如若把辦公和數據機房放在低樓層，而將立體車庫放在高樓層，可以減少人行電梯及步梯所占用的面積，但升降機提升高度、出入口數量都將有較大幅度的減少，嚴重影響停車效率。經綜合考慮后，地下為供水轉壓站，1～12 層為立體車庫，上部為辦公和數據機房層，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 停車層，5～12 層為小轎車停車層，共275 個車位。外立面采用斜向鋁板百葉格柵，兼顧美觀、防水及通風散熱功能。

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構。本工程所服務的客戶群體為上班族，主要訴求為上班時間的存車及下班時間的取車。根據設計的適用性、客戶群體需求特征、存取時運行的距離、存取效率以及現存立體車庫車輛停放方式的調研，采用單一出入口，5臺升降機橫向分布的形式設計立體車庫，早高峰時只允許存車，晚高峰時只允許取車，在有限的場地內，最大程度增加升降機及橫移臺車的數量，以提高存取車效率，增加出入口的數量，以減少搬運器運行前的人為準備時間，提高機械利用效率。同時，在每個出入口門頭設置LED 大屏，顯示每個庫剩余車位數，便于快速判斷并做出停車決定。基于此，本工程平面布置如圖3 所示。

圖3 平面布置

2 立體車庫結構和工作原理

2.1 立體車庫結構組成

平面移動式立體車庫常規布局為對面雙開，中間為橫移臺車軌道，停車位在軌道兩側逐層排布。立體車庫系統主要包含機械系統、管理系統、監控及報警系統等。

機械系統主要由出入口、升降機、橫移臺車、搬運器、梳齒架等組成。針對機械系統，如果在車庫的樓層數增加或橫移臺車的跨距較大等情況下，一套設備就很難完成了，有時，可能一臺升降機配置多臺橫移臺車，或者增加較多的出入口[15]。管理系統主要包括控制系統和上位機系統，控制系統是對整個機械系統進行控制操作，上位機系統用于協調控制車庫整體，本文重點介紹控制系統。

2.2 工作原理

控制系統是車庫的“大腦中樞”，主要實現車庫車位分配、調度設備的路徑規劃、升降橫移裝置運行、車輛信息識別等，車庫管理人員可通過計算機控制系統對立體車庫進行控制管理。

升降機是車庫各層作業的聯動設備，通過升降電機與鋼架的組合，實現升降裝置在立體車庫層與層之間的調度移動。常規橫移臺車只能在固定軌道上前進或后退，本工程在常規橫移臺車上增加了旋轉機構，橫移臺車具有橫向平移和旋轉掉頭功能，臺車的導軌為懸空導軌，如圖4所示。行走輪每2個為1 組，2 組主動輪由電機+柔性長軸傳動，另2 組為從動輪。

圖4 橫移臺車

搬運器是接送車輛的設備，為伸縮梳齒式。待命狀態時，梳齒收回在搬運器內部；搬運車輛時，先將梳齒伸出到位，再上升，搬運完成后，先下降，再把梳齒收回到位。該搬運器的優點為因搬運器收回在內部，在行走過程中，只需滿足搬運器主框架的寬度，占用空間小，提高了車庫內部的空間使用率。

進出口平臺包括停車梳齒架、車輛定位器、平臺橫桿、行程開關、前輪定位器及前輪阻車器等，如圖5 所示。停車梳齒架為車輛整體停放區域，每個梳齒架上有滑輪裝置，方便后期搬運器搬運時對車輛進行對中糾偏滑動且保證車輛不會受到損害，車輛定位器位置處右前輪部分，為感應部件，當車輛行駛至該處時，設備默認車輛已停放到位。前輪阻車器為出入口梳齒架停車平臺前端防護機構。當庫內無車時，該設備處于升起狀態，保證車輛入庫時不會因失誤沖出停車區域，搬運器舉起車輛離開平臺時，阻車器需提前下降。車庫內各類光電的作用保證車輛未處于超長、超寬、超高、無人的狀態，并發送各類信號給管理系統，管理系統隨即進行存車動作。

圖5 進出口平臺

整個存取車過程如圖6 所示，車庫門附近的地感線圈檢測到車輛后打開卷簾門，用戶將車輛停入出入口，在觸摸屏上點擊“存車”，卷簾門關閉，巷道側卷簾門開啟，搬運器移動車輛到橫移臺車，橫移臺車平面移動到升降機，升降機將車送到指定樓層，橫移臺車+搬運機器人將車送入指定車位；取車時，在上述動作的基礎上，需增加升降機+橫移臺車先移動至所取車輛所在樓層和車位，在橫移臺車運動至地面層時還需增加車輛旋轉掉頭功能，保證到達出入口的車輛停放位置正確。

圖6 存取車流程

3 控制系統設計

平面移動式立體車庫的整個控制系統主要由設備層、控制層以及管理層構成，這3 個層次架構之間應用網絡進行通信連接，組成了完整的立體車庫控制系統[8]。底層為設備層，中間層為控制層，頂層為管理層。設備層主要包括升降電機、橫移電機、旋轉電機、定位銷電機、變頻器等執行元件及各種光電開關、限位開關、測距儀等檢測元件；控制層主要是分布式I/O 設計的PLC 控制器，起到上傳下達的作用，接收上位機發送的存取車執行指令，執行相關的控制程序，并將停車位狀態發送給上位機，對不同種類的傳感器進行數據采集，并控制其他執行元件有序運行，協調完成存取車任務[5]。頂層由上位機構成，與下位機PLC 之間通過網絡進行通信。通過調研目標客戶群體，決定本工程的管理系統主要包含場外誘導系統、場內誘導系統、收費運營管理系統并與武漢停車系統、停車場管理、基本信息管理、可視化監管平臺、數字孿生系統、智能調度平臺和視頻監控系統等對接，其上位機監控程序是在VS2019 環境下，用C#語言編寫完成的，數據庫為SQL Server2012。

停車裝置的控制系統框架如圖7 所示。結合項目實際需要和工程成本考慮，升降機控制系統PLC選用西門子S7-1500，橫移臺車、出入口控制系統PLC 選用西門子S7-1200。相比S7-300/400，其系統性能、CPU 顯示面板、標準通信接口、診斷機制、編程組態軟件都有較大提高，1500系列在多通信方式、擴展能力、集成度、程序結構方面比1200系列更為強大。變頻器選用西門子G120系列，它具備多段速調速功能，只需要通過數字量輸入即可實現雙方向及雙轉速的控制。根據車庫適合存放的汽車類型、電機最大負載時所需的轉矩和速度等因素，選用SEW廠家的三相異步電動機，其中升降電機功率為7.5 kW。

圖7 控制系統框架

4 PLC控制程序設計

PLC 由CPU、指令及數據內存、輸入/輸出接口、電源、數字模擬轉換等功能單元組成，其在擴展性和可靠性方面的優勢使其被廣泛應用于各類工業控制領域。PLC 采用的是掃描工作方式，重復執行程序[3]，分為3 個階段，分別是輸入采樣、程序執行和輸出刷新[9]。可編程邏輯控制器的CPU 以一定的掃描速度重復執行上述3個階段。

在進行PLC 控制程序設計時，要保證程序結構清晰明了，最大程度地提高車庫運行效率，同時兼顧安全性和擴展性。本工程PLC 采用博圖v16 完成程序的編寫，其主要功能為：（1）執行機構邏輯程序；（2）故障報警提示；（3）信號處理與存儲；（4）與上位機通信進行數據交互；（5）與其他外部設備進行通信組態連接。PLC控制程序組成結構如圖8 所示。程序編寫采用面向電機對象編程的方式，每個電機所需要執行的動作都單獨建立FB功能塊，在功能塊內部使用局部變量，在主程序中調用時使用外部輸入信號觸發，返回輸出信號。編寫程序時，將每個電機所執行的動作都分為手動和自動模式，在輸入信號參數中傳入不同的變量值即可執行不同的模式。故障報警提示、信號處理與存儲、上位機數據交互等程序采用FC 功能塊進行封裝，并最終在OBI組織塊中被調用。OBI 主程序通過調用FC 功能塊進行程序控制。在程序編寫時，保證車輛旋轉掉頭和橫向平移同步完成，減少取車時間。

圖8 程序結構

5 調試及試運行

采用SIMATIC HMI 監控設備的運行，程序編寫軟件為WinCC flexible。工作人員可以通過系統界面觀察升降機和搬運器的運行位置，并且能夠從從機當前狀態欄觀察從機執行任務的狀態。操作員可直接通過HMI 的觸摸屏對升降機主PLC 進行操作。通過HMI 設備，操作員還可以實現手自動切換、切換停機、模擬手動刷卡等操作。試運行階段平均存車時間為135 s，平均取車時間為165 s。理論計算的存車時間為116.05 s，取車時間為146.05 s。因組裝設備的各零部件需磨合，試運行期間，人為降低了設備的運行速度。0.5 a 的試運行期結束后，存車平均時間可達到120 s，取車平均時間可達到150 s，與理論值接近。試運行期，停車設備故障率為4%，市場水平為5%～10%，低于市場平均水平。綜述，該車庫運行平穩，滿足使用和可靠性要求。現場操作屏界面如圖9 所示，車庫調試界面如圖10 所示，建成后車庫內部實景如圖11所示，觸摸屏界面如圖12所示。

圖9 現場操作屏界面

圖10 車庫調試界面

圖12 觸摸屏界面

存取車時間理論計算過程如下。

存車時間為：

式中：t1為搬運器運行時間，搬運器速度為0.75 m/s，搬運距離為24.6 m，故合計32.8 s；t2為設備緩沖時間（2次來回）；t3為升降機運行時間，升降機速度為0.8 m/s，升降高度為30 m（以最高樓層來計算），故合計37.5 s；t4為設備緩沖時間，取2 s；t5為橫移臺車時間，設備速度為0.8 m/s，長度為12.6 m，故合計15.75 s；t6為設備緩沖時間（2次橫移），取6 s；t7為卷簾門關閉時間，取6 s。

取車時間為：

式中：T1為取車時搬運器運行時間，因存車時需完成的動作在取車時均需完成，故時長一致，取116.05 s；t8為橫移臺車的旋轉時間，取15 s；t9為升降機找尋車位時間，因停車位置隨機，根據統計數據，預估為15 s。

6 結束語

本文以武漢市武昌區某一大型平面移動式立體車庫為研究對象，從建筑平面布置、車庫結構、控制系統及程序設計等方面進行研究并進行了測試及試運行，得出如下結論，為今后該類型項目提供設計經驗及參考：

（1）在建筑平面布置時，對周邊客戶群體進行提前摸排，了解相關需求，意向設備廠家提前介入，綜合客戶需求、工程投資、建設用地等方面對車庫進行選型和平面布置。

（2）對平面移動式立體車庫控制系統進行了分析設計，根據工程投資、硬件在控制系統中的重要性等方面對整個車庫控制系統的硬件進行了選型和設計，包括PLC控制器、各執行電機、變頻器等。

（3）采用西門子S7-1500和S7-1200 PLC作為下位機控制器，使用TIA PROTAL v16作為開發工具，分析確定了下位機軟件程序結構，采用模塊化和分層的設計思路對功能進行封裝，對主、從PLC 進行程序設計并完成了調試及試運行。測試結果顯示該車庫運行效率、故障率均滿足要求，其中存取車時間與理論計算時間基本接近，說明車庫各零件磨合良好，程序設計達到既定功能要求。

伴隨經濟的發展，平面移動式立體車庫有巨大的市場空間，但其產品性能穩定性及普適性均較差，導致市場接受度較低，本文雖對其進行了一定程度的研究，但因自身理論水平、設計經驗及時間等方面因素的影響，對上位機系統未進行詳細研究，上位機系統中的收費系統與相關平臺的對接、存取車預約等均有很大的優化和提升空間。