车辆出入库系统设计.doc

车库系统设计说明书 车辆出入库管理系统设计学 院自动化学院专 业自动化专业班 级自动化1003组 别第三组指导教师周新民2013年6月13日摘 要随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量的使用自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度的提高了生产效率，又进一步的促进了生产力快速发展，并不断的丰富着人们的生活。早期的自动控制系统是依靠继电-接触器来实现的，其特点是：结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，可以实现集中控制和远距离控制，但是其采用固定接线，通用性和灵活性差；又采用触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。1969年，出现了可编程逻辑控制器plc（programmable logic controller），其特点是：具备逻辑控制、定时、计数等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。目前，可编程控制器plc主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展，与计算机技术相结合，形成工业控制机系统、分布式控制系统dcs(distributed control system)、现场总线控制系统fcs(field bus control system)，这将使plc的功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广。本设计是基于plc的车辆出入库管理系统，采用两位led来显示车库内车辆的实际数量。使用两个光传感器来监控车辆的进出并完成计数工作，车辆进入时经过两个传感器使显示数字加一，车辆外出时经过两个传感器使显示数字减一，但当车辆只经过一个传感器时不计数。为了防止意外计数错误，本系统采用反复程序校验，来提高系统的可靠性。首先，注意控制两个传感器之间的距离，用程序验证进出车库的是否是车辆，当人通过传感器时不计数；其次，采用逻辑互锁方式，启动加计数则要锁定减计数，产生加计数脉冲时则要锁定减计数脉冲，如此以保证可靠性；最后，及时的进行复位处理，以免车辆在传感器附近作往返运动时错误计数。关键词： plc 传感器 车辆 可靠性 目 录摘要第一章 引 言21.1 plc的基本结构21.2 plc的工作原理2第二章 控制对象及控制要求分析42.1控制对象及要求分析42.2方案设计42.3计数逻辑6第三章 输入输出点设置及i/o表73.1输入输出点设置73.2 i/o 口地址分配表7第四章 plc选型及硬件配置94.1 plc选型94.2 dvp-sx2的硬件配置104.3压力传感器的选择124.4光电传感器的选择12第五章 系统硬件设计145.1主电路145.2 i/o接线原理图15第六章 软件设计176.1程序流程图176梯形图程序186.3指令程序296.4装置批注表32总 结33参考文献34 车辆出入库管理系统设计一、课题内容： plc控制的车辆出入库管理系统控制要求如下： 1入库车辆前进时，经过1# 2#传感器后计数器加1，单经过一个传感器则计数器 不动作。 2出库车辆前进时经过4# 3#传感器后计数器减1，单经过一个传感器则计数器不 动作。 3设计一个由两位数码管及相应的辅助元件组成的显示电路，显示车库内车辆的实际 数量及空位位号。车库内车位数30个。 4.设置手动闸门开闭控制，入口/出口分开。二、设计与报告要求1、控制对象及控制要求分析2、输入输出点设置，io表绘制3、plc选型（dvp sx2）及硬件配置4、系统硬件设计，采用autocad绘制图纸。包括供电/主、控电路/plc配置/io接线原理图纸。5、系统控制软件设计。完成梯形图程序设计，程序有批注。6、实验调试方案设计。采用实验室设备（plc、tp）验证程序设计正确性采用硬件按钮/硬件输出指示灯和tp中的软元件模拟系统，搭建实验系统，实现控制功能的要求，并能在模拟的系统中证明控制功能的正确实现。第一章 引 言1.1 plc的基本结构 1、中央处理单元(cpu) 中央处理单元 (cpu)是plc的控制核心。它按照plc系统程序赋予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 2、存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。 3输入接口电路 输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。4输出接口电路：可编程序控制器的输出有：继电器输出(m)、晶体管输出(t)、晶闸管输出(ssr)三种输出形式。5电源 plc的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去。一般小型plc的电源输出分为两部分：一部分供plc内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。 1.2 plc的工作原理plc则是采用循环扫描的工作方式。一个扫描周期主要可分为3个阶段。1输入刷新阶段在输入刷新阶段，cpu扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。2程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。3输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成plc的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成plc一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次i/o刷新，即每一个扫描周期plc只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对i/o的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，plc在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般plc都会采取高速模块。总之，plc采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用plc当中都应注意。 第二章 控制对象及控制要求分析2.1控制对象及要求分析车辆出入库系统，主要是对出入车库车辆数量的的统计，以及车库出入口闸门的控制。实际上时候通过plc实现逻辑顺序计数和对电机的运行控制。为了让系统实现自动检测是否有车辆出入车库，则需要传感器来实现。车辆从闸门处进出车库是一个位移的过程，我们可根据车辆本身的物理特性，如重力、不可透视性等，来选择传感器。 系统要求:入库车辆前进时，经过1# 2#传感器后计数器加1，单经过一个传感器则计数器 不动作。出库车辆前进时经过4# 3#传感器后计数器减1，单经过一个传感器则计数器不动作。这说明车辆出入车库是一个方向性的过程，而且出入库方向相反。因此使用两个传感器的顺序检测来判断方向，为了确保车辆是完全进入车库或者是出车库，因此使用两个传感器实现二次检测。 车库车辆数目显示则是要求将计数器当前值输出至外围电路显示。有空车位提示或满库报警提示，都是基于计数器当前值实现对外围显示电路的控制。手动控制闸门则是在闸门自动控制电路上并上手动控制输入电路。对于车库内实时汽车数量，我们会在最开始车库没有车的时候，将计数器置零，然后依据车辆的进出进行加减运算，并将计数器内的数据实时读出，输出给显示器显示出来。最后是空位的显示，首先需要检测出车位是否被占用还是空的，根据车辆本身的特性，有压力传感器，光电传感器等可以选择，可以根据实际成本、使用环境等选择。显示的方式也有多种，可用发光二级管、led显示屏、lcd显示屏、数码管等显示。当计数器记满30时，会输出警报信号，需要时，报警信号的显示可选择声光报警。可以人工解除这个警报。2.2方案设计 在车库入口处埋设两个压力传感器，两个传感器离闸门有一定的距离。无车辆通过时传感器没有信号输出即off状态。当车辆开至第一个传感器1#的上方时，压力传感器检测出信号，输出状态为on，车辆开过后，传感器又恢复无信号状态。此时传感器的输出端给plc的的一个输入口一个上升沿触发信号。为了实现传感器方向判断及顺序计数，只经过第一个传感器1#不计数而且只有在经过第一个传感器1#的条件下第二个传感器2#的输出信号及plc的输入信号才有效，计数器才实现加计数。因此要在plc内部实现输出信号的的互锁。车辆入库时首先要打开闸门，所以第一个传感器1#的输出的信号，要作为plc输入信号实现对闸门电气正向运行控制，结合电极运行参数通过实际调试，测试出闸门合上或者打开所需要的时间，在plc内部运用定时器来实现开闸门和合闸门转换（本系统设为10s），即电机正反转的切换。根据实际传感器埋设的位置，可以知道当车辆开至第二传感器2#上方时，车辆已完全通过闸门，闸门此时可以关闭，所以可以把第二个传感器2#的输出信号作为关闸门的控制信号。手动控制开关闸门控制信号可以与自动控制开关闸门信号并联，实现双路控制。 出口控制与入口控制基本相同，不再赘述。出口的第一个传感器#4与入口的第一个传感器#1对应，出口的的第二个传感器#3与入口的第二个传感器#2对应。区别在于计数器的方向不同。入库和出库使用的是同一个计数器，加计数和减计数要实现互锁。为了实现这一个功能，选择plc32位计数器中一般型上下计数器c200。c200的计数方向由内部辅助继电器m1200控制。因此通过车库入口处的第一个传感器#1的输出信号输入plc，产生相关输出置m1200的状态为off计数方向为上数。同理通过车库入口处的第一个传感器#1的输出信号输入plc，产生相关输出置m1200的状态为on计数方向为下数。 计数器c200的输出，可以通过y0口实现八位数输出，虽然c200是32位计数器，但借助plc内部丰富指令可以实现这一操作。为了方便显示，本设计使用了74ls48译码器，把4-7线译码器的输出作为七段数码管的输入信号，本设计所显示的输出是十六进制。 对于空位的检测以及空位号的显示。空位号的检测使用对射式光电传感器，无车时传感器有信号输出，有车停泊时，光信号被阻断，传感器没有信号输出，而且这种状态一直被保持，直到车开走。这种信号有无的变化可以作为plc完成相关控制的触发信号，即有车时不显示空位号，无车时显示空位号。由于有30个空位需要显示，可以将这30个空位位号，存入一片连续的存储单元中，在启动plc时就对这30个连续的存储单元选择性扫描输出，二者选择信号由光电传感器提供。至扩展模块的y30口输出扫描输出，为了保证输出的顺序性，可视性。设计内部程序时采用步进指令，让每个空位号顺序扫描输出。为保证实际能够读出数码管上显示的数字，所以扫描输出频率不能太高，所以在内部扫描程序中设置了显示定时1.5s。 由于plc主机的i/o口一般太少不能满足实际应用的需求。所需要扩展外部i/o口，扩展模块根据实际需要选择。2.3计数逻辑 (1)启动按钮s启动plc; (2)复位按钮复k有信号时复位动作； (3)压力感器的受到300公斤以上的压力时定义为“有信号”； (4)传感器#1有信号，在启动传感器#2时启动增计数逻辑，启动增计数逻辑； (5)传感器#4有信号，在启动传感器#3时启动减计数逻辑，启动减计数逻辑； (6)增计数与减计数的启动逻辑互锁； (7)增计数和减计数的进行逻辑互锁； (8)计数器值实时输出显示; (9)计数值超过到达30报警提示发光二极管显示。 第三章 输入输出点设置及i/o表3.1输入输出点设置要完成本系统的功能，plc需要11个信号输入点，13个信号输出点。11个信号输入点包括启动按钮信号输入，停止信号按钮输入，4个传感器检测变送的信号输入口，入口闸门手动开闭2个控制信号输入口，出口闸门手动开闭2个控制信号输入口。13个信号输出口，其中8个输出口作为计数器当前值的输出口，输出至两个译码器。需要4个输出口输出闸门开闭控制状态信号。另外需要2个输出口作为报警信号灯及有空位提示信号灯亮灭的开关。 扩展模块的的30个i/o口接受来自光电传感器的输出信号，触发plc内部扫描。扩展i/o中的输出y20作为内部存储单元内空位号动态输出口，外接数码管显示电路。3.2 i/o 口地址分配表 i/o口分配表如表1所示表1 i/o 口分配表输入信号/输入口输出信号/输出口启动按钮x074ls48输入端口a1y0停止按钮x174ls48输入端口b1y1压力传感器#1x274ls48输入端口c1y2压力传感器#2x374ls48输入端口d1y3压力传感器#3x474ls48输入端口a2y4压力传感器#4x574ls48输入端口b2y5手动消除警报x674ls48输入端口c2y6手动开入口闸门x774ls48输入端口d2y7手动关入口闸门x10车库满红灯亮报警y10手动开出口闸门x11入口闸门电机正转y11手动关出口闸门x12入口闸门电机反转y12出口闸门电机正转y13出口闸门电机反转y14有空位绿灯亮提示y15光电传感器x30-x65空位号动态输出y30-y37第四章 plc选型及硬件配置4.1 plc选型 本系统涉及的梯形图程序相对比较简单，不超过100个梯级，需要的储存空间并不大；本系统需要的输入输出接口共计24个，相对比较少；对于计数器，因为车辆等 的进出不会太快，普通计数器便已足够，本系统计数上限为30，一个16位的计数器即可满足要求，但本系统要求的是具有上下计数功能的计数器，所以可以选择一个能够上下计数的一般型计数器即可。同时本系统所使用的可编程控制器内部定时器定时范围很小定时要求不高，内部特殊辅助继电器所使用个数只有一个所以一般的可编程控制器即可满足要求。dvp-sx2 为20点plc主机，提供丰富的指令集，并具有16k step的程序记忆体，包含数位输出/输入（最大输出/输入扩充点数可达480点）32位高速上下计数器为-2147483648+2147483647，其计数上下限远远满足本次实验030的计数需要。综上所述，本系统设计可选用dvp-sx2系列可编程控制器。并且该系列可编程控制器具有体积小，安装方便等优点，非常适合实验与一般场所的要求。dvp-sx2系列 第二代模拟输入/输出薄型主机属于薄型第二代轻巧的台达plc，除支持数字输入/输出外，还内置多通道模拟输入/输出。v 主机点数：20 (8di/6do, 4ai/2ao)v 最大i/o点数：494点v 程序容量：16k stepsv 通讯端口：内置rs-232、rs-485与usb，兼容modbus ascii / rtu通讯协议。v 可搭配8台一般特殊扩展模块（模拟量输入/输出、温度量测、总线模块、定位模块），并支持左侧高速模块扩展。v 高速脉冲输出：支持2点独立高速脉冲输出功能(y0及y2最高可达100khz)，最多可达四点脉冲输出 (y1及y3两点可输出达10khz)。v 内置8组高速计数器v 内置模拟输入/输出功能v 内建mini usb，rs-232与rs-485通讯端口 (主/从站)，兼容标准modbus ascii/rtu通讯协议，支持dvp plc link。v 高于同级plc处理速度，ld: 0.54 s，mov: 3.4s。 4点高速脉冲输出: 2点100khz，2点10khz 8点高速脉冲输入: 2点100khz，6点10khz4.2 dvp-sx2的硬件配置(1)dvp-sx2 cpu模块外形图如图1所示. 图1 dvp-sx2 cpu模块外形dvp-sx2 (2) dvp-sx2 cpu模块i/o口如图2所示。本系统设计采用本地直接扩展，扩展模块可选 择dvp08sm11n. 图2 扩展模块i/o口 cpu模块的i/o配置如表2所示。表2 cpu模块的i/o配置4.3压力传感器的选择msp300系列（msp300-010-b-5-w-1）压力传感器为大批量、低成本、民用及工业用产品建立了新的性能价格比典范。本产品广泛适用于对物压、气压、液压的检测，甚至较恶劣的介质环境，如污水、蒸汽、轻度腐蚀性液体和气体。 msp300压力传感器（msp300-010-b-5-w-1）的压力腔采用17-4ph不锈钢单件一体式结构加工而成。其标准压力接口采用1/4npt外螺纹接头，因而可以保证较好的密封性能。本产品的特点是无形圈、无焊缝、无硅油或其他有机物，经久耐用。meas采用独有的微熔技术，引进航空应用科技，利用高温玻璃将微加工硅压敏电阻应变片熔化在不锈钢隔离膜片上。玻璃粘接工艺避免了温度、湿度、机械疲劳和介质对胶水和材料的影响，从而提高了传感器在工业环境中的长期稳定性能，同时也避免了传感器在传统微机械加工制造工艺过程中出现的p-n结效应现象。msp300压力传感器是（msp300-010-b-5-w-1）不锈钢单件一体化结构，压力范围高达10k psi或700bar毫伏或放大输出，工作温度范围宽能适应一年四级的各种气候。主要应用于普通压力测量、自动检测系统、液压/气动系统等。综上所述可以选用msp300-010-b-5-w-1。4.4光电传感器的选择omron传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。本系统设计结合实际应用可以选择e3jk系列的光电传感器。车库车位的宽度不超过两米，根据车辆本身的物理特性可以选择对射式，传感器的动作模式是阻挡遮光动作。而且在软件设计过程中，plc对应的光电传感器输入端是常闭状态，所以传感器应选择遮光型。所以选择e3jk-r4m2型。 表3 e3jk系列光电开关性能表第五章 系统硬件设计5.1主电路 本系统的主电路主要由供电电路，保护电路，电机控制电路组成如图3所示。 图3 主电路 qs刀开关控制三相电源的通断，fu为熔断器作为主电路短路和严重过载保护。fr为热继电器作为主电路的过载保护。电动机为三相异步电动机。（1） km1：根据y11输出信号，控制km1通断，km1接通，入口闸门电机正向转动，闸门 打开（2） km2：根据y12输出信号，控制km2通断，km2接通，入口闸门电机反向转动，闸门 关闭（3）km3：根据y21输出信号，控制km3通断，km3接通，出口闸门电机正向转动，闸门 打开（4） km4：根据y22输出信号，控制km4通断，km4接通，出口闸门电机反向转动，闸门关闭5.2 i/o接线原理图 本系统i/o口接线电路原理图主要包括电源部分，输入接口电路，输出接口电路，数码管接译码器显示电路。原理图如图4所示。 图4 i/o口接线电路原理图(1)按下启动按钮，plc开始工作。(2)停止按钮作用是停止plc。(3)传感器#1是汽车进入车库闸门前的一个压力传感器，当没有汽车进闸时，传感器#1 输出状态为低电平，当没有汽车进闸时，传感器#1产生 高电平。为控制电路提供信号， 闸门打开。(4) 传感器#2是汽车通过闸门后的一个压力传感器，只有在传感器#1输出为高电平状态 时，传感器#2的输出状态才有效。当车辆经过传感器#2，传感器#2产生高电平，为计 数控制电路提供一个上升沿信号，计数器c200加计数。延时后，闸门关闭。(5) 传感器#3和传感器#4原理跟#1和#2大致相同。汽车出闸时，传感器#4接收到信 号，产生高电平，闸门打开。(6) 只有在传感器#3输出信号有效时，传感器的#3的输出信号才有效，当车辆在经过传感 器#4时，传感器#4产生高电平，为计数控制电路提供信号，c200计数器减一。延时 后，闸门关闭。(7) 手动消除报警按钮：当车库满红灯报警时，得知此信号后，通过按此按钮使红灯灭。(8) 也可内部自动控制信号，关断红灯输出电路。(8) 手动开、合入口和出口闸门输入端：用于连接手动开合闸门按钮，适用于传感器出现 问题等情况。(9)y0-y7输出口：输出c200计数其中的数值，提供数码管的输入信号。(10)74ls48：根据y0-y7输出的信号，进行译码，输出到7段数码管中。(11)7段数码管：根据输入信号进行数字显示，显示的是车库停放车辆的数量，最大数值 为30。(12) y10接红灯：根据输出信号，控制红灯的亮灭，红灯亮时，表示车库已满，红灯警报。(13) y15：车库有空位，在显示空位的同时输出控制信号，使绿灯亮。(14) com，com1口:plc输出信号公共端，接24v电源的0v端。 图5 扩展模块接口电路第六章 软件设计6.1程序流程图程序流程图如图6所示。 图6 程序流程图6梯形图程序6.3指令程序指令列表如表4所示。 表4 指令列表0ldx01rstc2004movk1d19movk2d214movk3d319movk4d424movk5d529movk6d634movk7d739movk8d844movk9d949movk10d1054movk11d1159movk12d1264movk13d1369movk14d1474movk15d1579ldx080movk16d1685movk17d1790movk18d395movk19d19100movk20d20105movk21d21110movk22d22115movk23d23120movk24d24125movk25d25130movk26d26135movk27d27140movk28d28145movk29d29150movk30d30155ldx0156ory0157anix1158outy0159ldx2160andy0161ory2162anix1163anit200164outy2165ldx3166ory3167andy2168outy3169tmrt200k100173ldiy0174outm1200175ldy3176dcntc20