毕业设计（论文）-PLC自行车管理控制系统设计.doc

浙江科技学院本科毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 研究背景及意义我国是一个自行车大国，自行车总量占世界第一。很多人喜欢骑自行车出行，然而自行车的停放、自行车的安全问题一直是困扰政府和市民的一个老问题。据不完全统计，中国每年被盗的自行车有上百万量。而且，自行车乱停放的问题也很严重，很多街道、小巷、建筑门口都停满了自行车，极大的影响了人们的出入。为了使自行车得到安全有效的管理，需要设计一个自行车管理控制系统来管理自行车。自行车管理控制系统是由触摸屏、plc、数据采集卡、pos机等设备构建而成的。这种系统能实现中心联网控制，可以解决传统自行车租赁中哪里借车哪里还的问题，从而实现异地还车、异地退款的功能。借还车时都要用ic卡。借车的时候刷卡机先扣下ic卡里的钱，并记下借车时间。还车时只有车还要按步骤停到指定的位置上才能退还扣下的押金。这样，就不会担心车被盗或者是停车问题了。这对一个城市的市容市貌的提升有很重要的意义。1.2 本论文主要研究内容本论文在分析国内外触摸屏系统在工业中的实际应用同时，结合国外自行车管理控制系统的控制特点等，设计出了一套适合我国的基于触摸屏的自行车管理控制系统。论文的内容如下：第一章绪论。简单明了的介绍了论文的研究背景、研究目的和内容。第二章总体设计方案。根据自行车管理控制系统中的各种具体要求，提出了自行车管理控制系统总体设计方案。第三章根据系统总体方案要求，提出了自行车管理控制系统的详细硬件设计方案。系统硬件包括控制系统、人机界面、数据采集系统、通信系统、pos机等。第四章根据系统总体方案要求，提出系统软件设计方案。介绍了控制系统的编程工具、系统控制软件各模块的设计。第五章结论与展望。总结本论文的研究工作，并指出本文存在的局限，提出展望。第二章 总体设计方案2.1 自行车管理控制系统总体概述本系统设计的要求是构建自行车管理控制系统。为了自行车管理控制系统能获得长期和稳定的工作，选用了plc、触摸屏这些在工业控制市场上已经很成熟的产品。plc的控制技术能够稳定、安全的保证系统的正常运行。系统要完成以下功能：1. 能够通过触摸屏上的按键、指示灯等来与plc通信。2. pos机能够与plc之间的通信完成刷卡功能，并记录相关信息。3. plc除了要与pos机、触摸屏通信外，还要通过can总线控制can模块的动作，can控制锁的动作。系统的结构示意图如图2.1所示：图2.1 自行车管理控制系统结构示意图主控制器采用ge可编程控制器ic200cpue05，外加一个电源模块ic200pwr102。人机界面采用上海步科电气有限公司生产的mt4000系列触摸屏可编程显示器产品mt4400te。上海步科电气有限公司是一家专业生产触摸屏的知名企业，其产品性能较好，外观设计精巧，操作简便，可与任何品牌的plc相连接使用。2.2系统的性能指标 系统的要求如下：l 通过pos机来完成自行车租赁中的费用、时间的计算和处理。l 触摸屏能给plc发送数据，从而实现控制要求。触摸屏能显示借还车过程的步骤。l plc能通过与触摸屏、pos机的通信控制can模块的输入输出信号，以完成借还车步骤。2.3系统工艺流程2.3.1借车流程首先，pos机向plc发送报文询问是否有车。plc接到特定格式的报文后，判断是否有车可借。无车可借则返回pos机无车；有车可借则返回plc可借车的车位号。pos机读卡扣款，假如卡内余额不足，则显示余额不足；扣款成功后，plc把车号与卡号绑定，同时plc给锁上电。人工按下解锁按钮，锁就能打开并取走车。plc检测到车位无车后自动断电，借车完成。假如90秒内车未取走，则人工上电开锁取车。2.3.2还车流程首先，pos机向plc发送报文询问是否有空车位。plc接到特定格式的报文后，判断是否有空车位。无空车位可借则返回pos机无空车；有则返回plc空车位的车位号。并且给空车位车锁上电。人工按下开锁按钮并还车。plc判断车位是否有车。有车则上锁并断电，然后给pos机发送还好车命令，pos机根据信息退款。90秒内无车则重新分配车位。自行车管理控制系统的流程图如图2.2所示。图2.2 自行车管理控制系统流程图第三章 自行车管理控制系统硬件设计自行车管理控制系统要求自行车的借车和还车进行控制，管理员能够通过触摸屏对其控制，还需要对借车时间进行计算。所以选择工业中运用广泛的可编程控制器作为主控制器，触摸屏作为其人机界面，pos机作为刷卡机。可编程控制器是集计算机技术与的梯形图语言及简单指令，具有形象自动化控制技术于一体的一种新型工业控制系统，专为工业应用环境下应用而设计的，它采用易于理解和掌握直观、结构简单、可靠性极高、抗干扰强、故障率低、易于操作和维修，且根据不同工艺要求修改程序及参数简单等优势，被广泛应用于生产、科研、社会生活等诸多领域4-10。应用plc可以解决can总线、触摸屏、pos机与plc之间的通信问题，从而解决一切控制的问题。3.1触摸屏概述3.1.1触摸屏简介触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备17。触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户3。 3.1.2触摸屏的工作原理 触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给cpu，它同时能接收cpu发来的命令并加以执行。 触摸屏是一套透明的绝对定位系统，首先它必须保证是透明的；其次它是绝对坐标；再其次就是能检测手指的触摸动作并且判断手指位置，各类触摸屏技术就是围绕“检测手指触摸”而八仙过海各显神通的18。3.1.3触摸屏特点 触摸屏的特点有透明、触摸屏是绝对坐标系统、检测触摸并定位等特点。一、透明程度 透明直接影响到触摸屏的视觉效果。透明有透明的程度问题，当然仅用透明一点来概括它的视觉效果是不够的，它应该至少包括四个特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度19，还能再分，比如反光程度包括镜面反光程度和衍射反光程度，不过触摸屏表面衍射反光还没到达cd盘的程度。二、触摸屏是绝对坐标系统触摸屏是绝对坐标系统，要选哪就直接点那，与鼠标这类相对定位系统的本质区别是一次到位的直观性。绝对坐标系的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标 15。三、检测触摸并定位检测触摸并定位，各种触摸屏技术都是依靠各自的传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。3.1.4触摸屏的主要类型 按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。下面对上述的各种类型的触摸屏的简要介绍：1、 电阻式触摸屏 图3.2电阻式触摸屏工作原理图这种触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。 当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在x和y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出（x，y）的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理 15-21。 2、 电容式触摸屏 图3.3电容式触摸屏工作原理图电容式触摸屏利用人体的电流感应进行工作的。电容式触摸屏是是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ito，最外层是一薄层矽土玻璃保护层,夹层ito涂层作为工作面,四个角上引出四个电极，内层ito为屏蔽层以保证良好的工作环境。 当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置15-20。 电容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还造成图像字符的模糊。 电容屏更主要的缺点是漂移：当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确 21。3、红外线式触摸屏 图3.4红外线式触摸屏工作原理图红外触摸屏是利用x、y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势 17。 4、表面声波触摸屏 图3. 5表面声波触摸屏工作原理图表面声波触摸屏的触摸屏部分的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给x-轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。 当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号，不难看出，接收信号集合了所有在x轴方向历经长短不同路径回归的声波能量，它们在y轴走过的路程是相同的，但在x轴上，最远的比最近的多走了两倍x轴最大距离。因此这个波形信号的时间轴反映各原始波形叠加前的位置，也就是x轴坐标。y轴同样的过程判定出触摸点的y坐标。除了一般触摸屏都能响应的x、y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值。其原理是由接收信号衰减处的衰减量计算得到。三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机15-21。 表面声波触摸屏清晰度较高，透光率好。高度耐久，抗刮伤性良好(相对于电阻、电容等有表面度膜)。反应灵敏。不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率高，寿命长（维护良好情况下5000万次）；透光率高（92%），能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正 15-21。 3.2 eview触摸屏自行车管理控制系统人机界面采用上海步科电气有限公司生产的mt4000系列触摸屏可编程显示器产品mt4400te。上海步科电气有限公司是一家国内专业生产人机界面的企业，其产品性能较好，外观设计精巧，操作简便，可以任何品牌的plc相连接使用，并且全面支持以太网，usb等高速接口。mt4400te是功能强大的可编程显示器，具有以下特性：a) 65536色显示方式使触摸屏的表达更加丰富多彩，效果胜人一筹。 b) 200400mhz强大的32位 risc处理器的应用使 mt5000拥有更快的处理速度。 c) 支持多串口同时通讯功能，标准硬件 2个串口可以同时使用不同协议，连接不同的控制器。 d) 全面支持以太网通讯功能，多个触摸屏可以任意组网。 e) 增加图形文件支持。支持 24位位图 jpeg,gif等格式图像导入。 f) 使用标准 c语言宏代码可以以多种方式被触发，功能强大，灵活易用。 g) 强大的定时器功能。 h) usb下载大大加快了用户组态的下载速度。 i) 增加 usb口通讯能力，可以通过 usb口下载程序。 j) 程控调节对比度和亮度功能：通过置本地位 lb调节对比度和亮度。 k) 用户可更改的启动画面，用户可以定制自己的启动 logo画面。 l) 支持 windows平台的所有字体。 m) 支持任意弧、扇形图的绘制。 n) 和绝大多数主流 plc的直接连接使 mt5000拥有更广阔的市场和应用。 o) 简单易用而又功能强大的 ev5000组态软件使用户能以最快的速度掌握其设计方法， 并设计出一流的作品11。其外形图如图3.6所示。图3.6 触摸屏mt4400te外形图mt4400te性能如下：表3.1 gp37w2性能 3 .3 plc概述3.3.1可编程控制器的产生 传统的继电器控制系统是把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械生产。但是，继电器控制系统有明显的缺点:设备体积大、耗电多、可靠性低、动作速度慢、功能少、难于实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬接线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺和对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。20世纪60年代，工业生产开始由大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产。要求生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程序控制器就是为了顺应这一要求出现的，将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点，与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电器控制的硬连接逻辑转变为计算机的软件逻辑编程10。 进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化plc得到了惊人的发展，使plc在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程1/o和通信网络、数据处理也有了长足的发展，plc己应用于连续生产的过程控制系统，成为今天自动化技术的三大支柱之一5。3.3.2 可编程控制器的特点plc之所以得到迅速的发展和越来越广泛的应用，是因为它具有一些良好的特点： 1. plc集三电(电控、电仪、电传)于一体，实现三电一体化; 2. plc的输入/输出系统完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输出和输入，在plc内部具备计数器、中间继电器等的许多控制功能，而且还具有良好的联网通信功能; 3. plc的硬件结构全部采用模块化结构，安装方便、接线简单，而且可以通过不同的模块组合，适应不同规模、功能复杂程度的各种控制要求; 4. plc能直观地反映现场信号的变化状态和控制系统的运行状态，非常有利于系统的维护和监控，plc可采用梯形图编程和语句编程多种方式，给编程人员带来了极大的方便; 5. plc性能稳定，可靠性高，且具有较高的性能/价格vl 4。3.3.3 plc的应用随着plc功能的不断完善，性能价格比的不断提高，plc己广泛应用于国民生产的各个行业中。其应用范围通常可以分为五种类型: 1.顺序控制:这是plc应用最广泛的领域，它取代了传统的继电器顺序控制; 2.运动控制:plc制造商已提供了拖运步进电机或伺服电机的单独或多轴位置模块;3.过程控制:plc能控制大量的物理参数(温度、压力、流量等)，pid模块的提供使plc具有闭环控制功能; 4.数据处理:现代的plc具有整数四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位、浮点数运算等运算功能; 5.通信联网:plc的通信包括plc与远程i/o之间的通信、多台plc之间的通信、plc与其它智能控制设备(例如计算机、变频器、数控装置)之间的通信。plc与其它智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制的系统6。3.3.4 plc在本系统中的应用在本系统中，plc需要完成下面几个方面的任务：(一) 与触摸屏进行数据通信，完成控制(二) 与pos机进行数据交换，负责完成借车、还车的流程(三) 对自行车锁止器进行控制3.4 ge versamax系列plc介绍3.4.1 ge plc基本组成 可编程控制器是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。可编程序控制器主要由cpu模块、输入/输出模块和编程装置组成。plc控制系统结构图借见图3.7。 3.7 plc控制系统结构图 1.中央处理单元cpu cpu相当人的大脑，是plc的核心部件，由大规模或超大规模的集成电路微处理器芯片构成。cpu的主要任务有: (1)接受并存储从编程器输入的用户程序和数据; (2)诊断电源、plc内部电路的工作状态和编程的语法错误; (3)用扫描的方式通过1/o部件接受现场的输入信号，并存入输入映像寄存器或数据存储器中; (4) plc进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作: (5)将用户程序的执行结果经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。 2.存储器 plc的存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和工作程序存储器。 (1)系统程序存储器:和各计算机一样，plc也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了plc的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序不能由用户更改，故所使用的存储器为只读存储器rom或epprom，其内容只能读出，不能写入，它的电源消失后仍能保存储存的内容。 (2)用户程序存储器:用户根据自己的控制功能要求编写的实用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的随机存储器ram。这种存储器中的内容可以读出，也可以写入。 (3)工作数据存储器:工作数据是经常变化，经常存取的一些数据。这部分数据存储在ram中，以适应随机存取的要求。在plc的工作数据存储区，开辟有元件映像寄存器和数据表。 元件映像寄存器用来存储plc的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的on/off状态。 数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。 根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。 3.i/0单元各i/o点的通断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。某些模块使用可拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。点数多的高密度i/o模块的外部接线用插座连接，用户可选用连接插座的电缆和端子板。 输入单元用来接收和采集输入信号，例如数字量(开关量)输入单元用来接收从按钮、选择开关、限位开关等来的数字量输入信号;模拟量输入单元用来接收继电器、各种变速器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。输入单元的作用是把工业现场信号转换为plc能识别的二进制数字信号。 数字量输出单元用来控制接触器、电磁阀、指示灯和报警装置等输出设备。模拟量输出单元用来控制调节阀、变频器等执行装置。输出单元的作用是将plc的内部信号转换为满足现场执行机构的各种开关信号和模拟信号。 在i/o单元中用光祸合器、小型i/o单元还有电平转换和隔离的作用。cpu单元的工作电压一般是dc5v，而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如dc24v和ac20v。所以继电器等器件来隔离外部输入电路和负载4。 3.4.2 ge plc工作原理 各种plc都采用扫描工作方式，具体工作过程大同小异。第一部分是上电处理。机器通电后，对plc系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，i/o模块配置检查和其它初始化处理等。 第二部分是扫描过程，分为三个阶段: 1.输入采样阶段 在plc的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。在输入采样阶段，plc把所有的外部输入电路的on/off状态读入到输入映像寄存器，此时，输入映像寄存器被刷新。外部的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，反之，外部的输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为“0”状态。接着进入程序执行阶段，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一扫描周期的输入采样阶段才读入这变化。 2.执行用户程序阶段 plc的用户程序由若千条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。根据梯形图程序扫描原则，plc按先左后右、先上后下的顺序逐句扫描。程序执行时，若没有跳转和中断指令，cpu从第一条开始，逐条顺序的执行，直到遇到结束指令。 3.输出刷新阶段 cpu在执行完用户程序后，将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。为“1”状态时，对应的线圈通电，其常开触点闭合，常闭触点断开。为“0”状态时，对应的线圈断电，其常开触点断开，常闭触点闭合。 第三部分是出错处理。plc每扫描一次，执行一次自诊断检查，plc内部设置了一个监视定时器wdt，其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期，plc在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。正常情况下，监视定时器不会动作，当检查出异常时，监视定时器动作，运行停止，并显示出来。当出现致命错误时，cpu被强制为stop方式，所有的扫描停止。3.4.3 ge plc控制系统的选型 目前，随着plc功能的不断完善，plc几乎可以满足各种工业控制领域的所有任务。当控制任务决定由plc完成后，就应选择一个合适的plc。根据plc的性能及价格比，本系统选择ge plc versamax系列的的plc产品。选择一个合适的plc一般流程如下12: 1.首先要对控制任务进行详细分析，把所有的i/o点找出来，包括开关量的i/o点数和模拟量的i/o点数以及这些i/o点的性质。i/o点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，电压多大，输出是用继电器型还是晶体管或可控硅型，知道这些以后就可以定下选用多少点和i/o是什么性质的plc. 2.确定i/o的地址分配，输入输出信号在plc接线端子上的地址分配是进行plc控制系统设计的基础。对软件设计来说，i/o地址分配以后才可进行编程;对控制柜及plc的外围接线来说，只有i/o地址确定以后，才可以绘制电气接线图。 3.根据控制要求绘制程序的流程图，绘制用户程序，装入plc的用户程序存储器，并进行初步调试。 在自行车管理控制系统中，锁止器的控制、触摸屏、pos机都是用通信方式与plc进行数据交流的来完成数据处理的。所以，我们选择ge plc versamax系列ic200cpue05主控模块和电源模块ic200pwr102。这一款plc带有一个rs232通信口、一个rs485通信口以及一个以太网口。由于另外选购i/o模块需要增加成本，所以对锁止器的控制也采用通信的方式。由于plc中现有的modbus协议的速度不是很理想，会导致很多通信延滞或者通信不上等问题，所以选择工业中常用can总线。can协议采用crc检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。can还能保证数据的实时性。3.4.4主控系统立式真空排气机主控系统结构如图3.1所示。主控制器采用ge可编程控制器ic200cpue05，外加一个电源模块ic200pwr102。图3.8 自行车管理控制系统构成3.4.5 主控模块ic200cpue05自行车主控系统结构如图3.1所示。主控制器采用ge fanuc可编程控制器ic200cpue05，外加1个电源模块ic200pwr102。可编程控制器ic200cpue05是一款非常优秀的控制器。主控模块ic200cpue05外形图如图3.9所示。图3.9 主控模块ic200cpue05外形图1ic200cpue05的特点：1）128kb 可配置内存。 2）支持梯形图，sfc，和语句表编程语言。3）和 ez 程序存储设备兼容。 4）非易失性 flash 内存存储程序。5）程序，数据，日历时钟电池后备支持。6)run/stop 模式开关。7)浮点数(real) 运算。8)内置 rs-232 和 rs-485 通讯口。9)内置以太网接口。10)安装在 din 导轨上并装上电源模块后的高度 70mm12。2主控模块ic200cpue05的技术性能参数：表3.2 主控单元参数3.5 can 总线控制器局部网（cancontroller area network）是bosch公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。can总线是一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1mbps1。现场总线（fieldbus）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 can（controller aeranetwork）正是在这种背景下应运而生的1。由于can为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年 9月 philips semiconductors制订并发布了 can技术规范（version 2.0）。该技术规范包括a和b两部分。2.0a给出了曾在can技术规范版本1.2中定义的can报文格式，能提供11位地址；而2.0b给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。此后，1993年11月iso正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网（can）国际标准（iso11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路2。3.5.1 can总线特点总线有如下基本特点：1) 协议最大的特点是废除了传统的站地址编码，代之以对数据通信数据块进行编码，可以多主 方式工作；2) 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突；3) 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为个（技术规范），数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；4) 的每帧数据都有效验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性,适于在高干扰环境中使用；5) 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响；6) 可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据；7) 总线直接通讯距离最远可达，通讯速率最高可达；8) 采用不归零码（）编码解码方式，并采用位填充（插入）技术2。3.5.2 can总线技术总线用户接口简单，编程方便。总线属于现场总线的范畴。总线系统的一般组成模式是网络拓扑结构采用总线式结构。这种网络结构结构简单、成本低，并且采用无源抽头连接，系统可靠性高。通过总线连接各个网络节点，形成多主机控制器局域网（）。信息的传输采用通信协议，通过控制器来完成。各网络节点一般为带有微控制器的智能节点完成现场的数据采集和基于协议的数据传输，节点可以使用带有在片控制器的微控制器，或选用一般的微控制器加上独立的控制器来完成节点功能。传输介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤。如果需要进一步提高系统的抗干扰能力，还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离，电源采用变换器等措施。这样可方便构成实时分布式测控系统。can总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。can具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用,这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点,因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了,这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。 对于主站的可靠性,由于can协议执行非集中化总线控制,所有主要通信,包括总线读取 (许可)控制,在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法1-2。第四章 系统软件设计4.1 系统开发环境本系统采用的开发环境都是在windows环境下使用的软件，人机界面软件采用上海步进科技有限公司的ev5000，plc控制软件采用ge fanuc的machine edition。下面分别进行介绍。4.1.1 eview上海步进科技有限公司开发的ev5000触摸屏软件是windows环境下使用的软件。它用户可以用它们实现以下功能:对plc程序和注释的输入及编辑；程序检查；运行状态和数据的监控及测试；系统寄存器和plc各种系统参数的设置；程序清单和监控结果等文档的打印；数据传输及文件管理等。这个软件的特点：1. 使用高速低功耗嵌入式 risc cpu 2. 使用嵌入式操作系统 3. 更高的速度，更流畅的操作 4. 更丰富的色彩，更细腻的显示 5. 全面支持以太网，usb等高速接口 6. 更多的资源，相对低的价格 7. 简单易用，稳定可靠124.1.2 ev5000上海步科电气有限公司是一家专业生产触摸屏的知名企业，公司开发的触摸屏编辑软件ev5000是windows环境下使用的软件,它们均可支持所有各种产品。通过触摸屏编辑软件ev5000，可实现参数设置、数据显示、以曲线、动画等形式描绘自动化控制过程，并可简化plc的控制程序。软件实现的监视功能有：以数据、曲线、图形、动画等各种形式来反映plc内部位状态，存储器数值，从而直观反应工业控制系统的流程、走向。软件实现的控制功能有：可以通过触摸操作改变plc内部位状态，存储器数值，从而参与过程控制。4.2 系统设计的功能从软件实现的功能角度介绍系统软件所实现的功能。本系统主要功能有五项，分别是参数设置、排气监控、手动控制、故障信息和操作指南。系统菜单如图4.1所示，系统菜单界面可以进入系统的各个部分进行设置。系统菜单界面还可以显示系统实时时间、当前车辆总数、空车位总数以及各个车位的状态。下面分别对各项功能进行介绍：图4.1 系统菜单画面图4.2.1管理员界面管理员界面功能可以进入车锁控制界面、编号修改界面、历史查询界面。参数设置画面如图4.2所示：图4.2 管理员界面图4.2.2 车锁控制在自行车管理控制系统中，由于系统采用通信传输数据，所以有时难免会出现数据交换中断、数据丢失等一系列的数据错误信息。这就会导致借车或还车的流程无法按原计划完成。因此，增加了上电这一功能帮助人工取车。由于锁的特性导致锁有时不能弹出锁舌，所以增加了关锁功能。还有，can模块、锁等都会出现损坏的情况，增加检修功能就不会让系统在特殊情况时出现问题。系统调试过程中也可以用到这些功能。车锁控制画面如图4.3所示：图4.3车锁控制画面图4.2.3 编号修改编号修改功能主要用于系统由于人工操作错误导致编号不对或者系统断电导致数据丢失时重新给系统输入车位对应的自行车编号。每天人工核对车位上实际的自行车编号与系统中的自行车编号。编号修改画面如图4.4所示：图4.4 编号修改画面图4.2.4 历史查询历史查询功能用于设备发生故障时，自动显示故障发生的时间，故障发生点，故障原因，便于设备维护人员进行设备快速诊断和维护。管理员可以通过点击上下箭头来更新画面的信息。历史查询画面如图4.5所示：图4.5 历史查询画面图4.2.5 车辆入库车辆入库是一个实时显示当前车辆入库的各种信息，如有车位是否被选定、车锁上电、车已归还到位。在车辆入库的过程中，系统会实时的显示车辆执行的情况。车辆入库画面如图4.6所示。图4.6 车辆入库画面图4.2.6 车辆出库车辆出库是同车辆入库类似的一个功能。不同的时车辆入库是显示系统还车过程中的各种信息，而车辆出库是显示系统借车过程中的各种信息。如有车位是否被选定、车锁正在打开或已打开、车已取走。在车辆出库的过程中，系统会实时的显示车辆执行的情况。车辆出库画面如图4.7所示。图4.7车辆出库画面图4.3 proficy machine editionproficy machine edition是g e公司开发的用于ge versamax系列plc的编程软件,它为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。通用工程开发环境可以为ge fanuc所有的控制器产品进行编程、组态和诊断。图4.8是machine edition的编程界面11。pc机或编程器的最小配置如下：- 操作系统 windows 2000, windows xp（专业版或家庭版）- 至少100m硬盘空间- 鼠标（推荐）图4.8 machine edition的编程界面图4.9是plc编程软件的基本使用流程图，除了“编程软件系统设置”和“plc设置”步骤之外，其余步骤顺序可以自由改变。图4.8 plc编程软件使用流程图第五章 总结5.1 论文的主要工作成果本次毕业设计开始于3月初，完成于6月初。开始期间我主要是对毕业设计的课题进行资料的收集，同时完成毕业设计的开题报告和任务书。与此同时，我开始学习与本系统相关的知识。plc、触摸屏、modbus通信协议等都是这个系统所要求掌握的内容。开始我从图书馆里借来了许多关于plc、触摸屏、modbus通信协议、can总线协议的书，并系统地学习这些知识。在学习的同时，我得到了老师和同学的帮助，这使我的学习效率大大的加快。这为我做系统打下了坚实的基础。接着参照收集到的资料，开始对系统的设计进行初步的设想。然后我通过与同学、指导老师的讨论，并且分析选择适合本系统的各种硬件在对自行车管理控制系统的分析的基础上，提出了软硬件的研究方案。可编程控制器作为核心元件来控制自行车管理控制系统，并结合触摸屏技术使得整个自行车系统操作更加直观和人性化。考虑到节省成本和控制器与锁之间的距离，我采用了plc通信来代替i/o口模块。通信协议采用速度快、实时、稳定的can总线。在硬件的调试过程中，我没出现大的错误。但是在软件设计的过程中，碰到了很多困难。经过多次修改，终于解决的这些问题。在完成系统的设计后，运行测试系统的功能。系统能够完成预定的各种功能。撰写本论文的过程，也是一个自主学习的过程。总结起来，主要完成了以下工作：结合相关的国内外参考文献资料，对plc、触摸屏、can的工作原理进行了详尽的研究，并在相关文献匮乏的基础上对如何利用plc与can模块通信问题进行了深入探讨，并逐渐形成了自