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)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,機(jī)動(dòng)車保有量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。然而,因傳統(tǒng)停車場(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)城市道路的車輛違停增多、小區(qū)的消防通道頻繁被占用等城市管理問題,立體車庫(kù)作為一種新型的智能化設(shè)備便成了解決城市停車?yán)щy的最佳方式。立體車庫(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、垂直升降類、垂直循環(huán)類、平面移動(dòng)類、巷道堆垛類、簡(jiǎn)易升降類等[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)影響其他層車輛的存取,提高了存車自由度,增加了停車密度,但在車庫(kù)建設(shè)過程中,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)行立體車庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí),車庫(kù)選型是最為關(guān)鍵的一步,每類車庫(kù)的優(yōu)缺點(diǎn)不同,需要基于建設(shè)場(chǎng)地情況、總車位數(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庫(kù)類別。本文主要研究一種平面移動(dòng)式立體車庫(kù),進(jìn)行建筑平面優(yōu)化設(shè)計(jì)、車庫(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)的某大型立體車庫(kù)。
本工程位于武漢市武昌區(qū)核心地段,周邊為大型寫字樓。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 停車層,5~12 層為小轎車停車層,共275 個(gè)車位。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)的客戶群體為上班族,主要訴求為上班時(shí)間的存車及下班時(shí)間的取車。根據(jù)設(shè)計(jì)的適用性、客戶群體需求特征、存取時(shí)運(yùn)行的距離、存取效率以及現(xiàn)存立體車庫(kù)車輛停放方式的調(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)立體車庫(kù),早高峰時(shí)只允許存車,晚高峰時(shí)只允許取車,在有限的場(chǎng)地內(nèi),最大程度增加升降機(jī)及橫移臺(tái)車的數(shù)量,以提高存取車效率,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)出入口門頭設(shè)置LED 大屏,顯示每個(gè)庫(kù)剩余車位數(shù),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
平面移動(dòng)式立體車庫(kù)常規(guī)布局為對(duì)面雙開,中間為橫移臺(tái)車軌道,停車位在軌道兩側(cè)逐層排布。立體車庫(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、搬運(yùn)器、梳齒架等組成。針對(duì)機(jī)械系統(tǒng),如果在車庫(kù)的樓層數(shù)增加或橫移臺(tái)車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,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)控制車庫(kù)整體,本文重點(diǎn)介紹控制系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)是車庫(kù)的“大腦中樞”,主要實(shí)現(xiàn)車庫(kù)車位分配、調(diào)度設(shè)備的路徑規(guī)劃、升降橫移裝置運(yùn)行、車輛信息識(shí)別等,車庫(kù)管理人員可通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)立體車庫(kù)進(jìn)行控制管理。
升降機(jī)是車庫(kù)各層作業(yè)的聯(lián)動(dòng)設(shè)備,通過升降電機(jī)與鋼架的組合,實(shí)現(xiàn)升降裝置在立體車庫(kù)層與層之間的調(diào)度移動(dòng)。常規(guī)橫移臺(tái)車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)車上增加了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),橫移臺(tái)車具有橫向平移和旋轉(zhuǎn)掉頭功能,臺(tái)車的導(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
搬運(yùn)器是接送車輛的設(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,在行走過程中,只需滿足搬運(yùn)器主框架的寬度,占用空間小,提高了車庫(kù)內(nèi)部的空間使用率。
進(jìn)出口平臺(tái)包括停車梳齒架、車輛定位器、平臺(tái)橫桿、行程開關(guān)、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(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)車輛進(jìn)行對(duì)中糾偏滑動(dòng)且保證車輛不會(huì)受到損害,車輛定位器位置處右前輪部分,為感應(yīng)部件,當(dāng)車輛行駛至該處時(shí),設(shè)備默認(rèn)車輛已停放到位。前輪阻車器為出入口梳齒架停車平臺(tái)前端防護(hù)機(jī)構(gòu)。當(dāng)庫(kù)內(nèi)無(wú)車時(shí),該設(shè)備處于升起狀態(tài),保證車輛入庫(kù)時(shí)不會(huì)因失誤沖出停車區(qū)域,搬運(yùn)器舉起車輛離開平臺(tái)時(shí),阻車器需提前下降。車庫(kù)內(nèi)各類光電的作用保證車輛未處于超長(zhǎng)、超寬、超高、無(wú)人的狀態(tài),并發(fā)送各類信號(hào)給管理系統(tǒng),管理系統(tǒng)隨即進(jìn)行存車動(dòng)作。
圖5 進(jìn)出口平臺(tái)
整個(gè)存取車過程如圖6 所示,車庫(kù)門附近的地感線圈檢測(cè)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(diǎn)擊“存車”,卷簾門關(guān)閉,巷道側(cè)卷簾門開啟,搬運(yùn)器移動(dòng)車輛到橫移臺(tái)車,橫移臺(tái)車平面移動(dòng)到升降機(jī),升降機(jī)將車送到指定樓層,橫移臺(tái)車+搬運(yùn)機(jī)器人將車送入指定車位;取車時(shí),在上述動(dòng)作的基礎(chǔ)上,需增加升降機(jī)+橫移臺(tái)車先移動(dòng)至所取車輛所在樓層和車位,在橫移臺(tái)車運(yùn)動(dòng)至地面層時(shí)還需增加車輛旋轉(zhuǎn)掉頭功能,保證到達(dá)出入口的車輛停放位置正確。
圖6 存取車流程
平面移動(dòng)式立體車庫(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)、定位銷電機(jī)、變頻器等執(zhí)行元件及各種光電開關(guān)、限位開關(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)送的存取車執(zhí)行指令,執(zhí)行相關(guān)的控制程序,并將停車位狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī),對(duì)不同種類的傳感器進(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)完成存取車任務(wù)[5]。頂層由上位機(jī)構(gòu)成,與下位機(jī)PLC 之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。通過調(diào)研目標(biāo)客戶群體,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)并與武漢停車系統(tǒng)、停車場(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)言編寫完成的,數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server2012。
停車裝置的控制系統(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選用西門子S7-1500,橫移臺(tái)車、出入口控制系統(tǒng)PLC 選用西門子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。變頻器選用西門子G120系列,它具備多段速調(diào)速功能,只需要通過數(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)車庫(kù)適合存放的汽車類型、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
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]。可編程邏輯控制器的CPU 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,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 主程序通過調(diào)用FC 功能塊進(jìn)行程序控制。在程序編寫時(shí),保證車輛旋轉(zhuǎn)掉頭和橫向平移同步完成,減少取車時(shí)間。
圖8 程序結(jié)構(gòu)
采用SIMATIC HMI 監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行,程序編寫軟件為WinCC flexible。工作人員可以通過系統(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HMI 的觸摸屏對(duì)升降機(jī)主PLC 進(jìn)行操作。通過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)行階段平均存車時(shí)間為135 s,平均取車時(shí)間為165 s。理論計(jì)算的存車時(shí)間為116.05 s,取車時(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,存車平均時(shí)間可達(dá)到120 s,取車平均時(shí)間可達(dá)到150 s,與理論值接近。試運(yùn)行期,停車設(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,該車庫(kù)運(yùn)行平穩(wěn),滿足使用和可靠性要求。現(xiàn)場(chǎng)操作屏界面如圖9 所示,車庫(kù)調(diào)試界面如圖10 所示,建成后車庫(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 車庫(kù)調(diào)試界面
圖12 觸摸屏界面
存取車時(shí)間理論計(jì)算過程如下。
存車時(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為卷簾門關(guān)閉時(shí)間,取6 s。
取車時(shí)間為:
式中:T1為取車時(shí)搬運(yùn)器運(yùn)行時(shí)間,因存車時(shí)需完成的動(dòng)作在取車時(shí)均需完成,故時(shí)長(zhǎng)一致,取116.05 s;t8為橫移臺(tái)車的旋轉(zhuǎn)時(shí)間,取15 s;t9為升降機(jī)找尋車位時(shí)間,因停車位置隨機(jī),根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),預(yù)估為15 s。
本文以武漢市武昌區(qū)某一大型平面移動(dòng)式立體車庫(kù)為研究對(duì)象,從建筑平面布置、車庫(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,綜合客戶需求、工程投資、建設(shè)用地等方面對(duì)車庫(kù)進(jìn)行選型和平面布置。
(2)對(duì)平面移動(dòng)式立體車庫(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)采用西門子S7-1500和S7-1200 PLC作為下位機(jī)控制器,使用TIA PROTAL v16作為開發(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)果顯示該車庫(kù)運(yùn)行效率、故障率均滿足要求,其中存取車時(shí)間與理論計(jì)算時(shí)間基本接近,說明車庫(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、存取車預(yù)約等均有很大的優(yōu)化和提升空間。