基于PLC停车计数器系统设计——毕业设计论文

毕 业 设 计 作 品 题 目：基于PLC停车计数器系统设计姓 名：专 业：机电班 级：学 号：校内指导老师：校外指导老师：填表日期： 湘潭医卫职业技术学院教务处制湘潭医卫职业技术学院 毕业设计作品二级学院医电学院专 业机电班 级姓 名学 号校内指导老师毕业设计名称基于PLC停车计数器系统设计校外指导老师毕业设计时间 前 言智能建筑将是信息社会最重要的基础设施之一。停车场管理控制系统则是现代建筑中不可或缺的一部分。本次我们的设计的就是一个完整的小型工程项目，要求我们掌控控制系统的设计，安装、调试知识和技能。我们应用PLC作为现场控制器，对现场设备进行信号采集与控制。做到准确指示车辆进出，车辆进入时给与司机准确的车位数量与区域位置，车辆进入后，记录车辆数量，车辆离开时，减少车辆数量。车辆进出指示可完全由PLC作为中央控制来处理，停车场空位指示可利用价格较不高的数码管显示。 本次设计主要阐述了停车场的构成、工作原理、工作条件。运用可编程控制器(PLC)对停车场汽车进出进行管理的方案，此方案大大提高了工作效率。本设计利用PLC控制停车场区域显示，实现全自动运行。利用出口、入口的车辆检测传感器，检测车辆的出入，并用32位加减法计数器进行计数，从而达到自动控制的目的。 目 录PLC停车场的自动控制0摘 要1第一章 停车场的基本情况31.1停车场的种类31.2停车场的大小41.4停车场管理模式的发展6第二章 PLC的简介72.1 PLC的起源72.2 PLC的基本知识72.3 PLC的发展82.4 PLC的系统组成8第三章 硬件的选择93.1 PLC的选择93.1.1 PLC控制系统和其它控制系统的比较93.1.2 PLC的基本结构103.1.3 PLC的选择113.2传感器的选型123.1传感器的基本类型123.1.1超声波传感器：12 3.1.2光电式传感器133.1.3地感线圈：133.2实用于智能停车场的传感器133.3 读卡器工作原理及选型14 第四章 停车场控制系统软件设计154.1 用户出入场控制程序设计15 第五章 总 结22 参考文献.24第1章 停车场的基本情况1.1停车场的种类停车场的形式经历了从露天、平面、人工收费到地下、自动计费停车场到塔式、立体、智能取车、自动计费的发展历程。根据停车场位置的不同，停车场分为地面停车场、地下停车场及专用停车塔（楼）及路边临时占道停车场。依据建筑物类型的不同，又可分为市区公共建筑群大型停车场（如成都天府广场的地下停车场）、综合建筑楼专用停车场（如各类商场及办公楼专用停车场）、办公区域专用地面停车场（如校园停车场）、住宅小区专用停车场及用于经营的专用停车楼（塔）。1.1.1 1.2停车场的大小 我国建筑规范中对车库、停车场设计标准规定得比较复杂，分为四个等级，虽然并没有规定所谓“标准车位尺寸”，但是规定了相应最低满足的尺寸。如车长不大6米及车宽不大于1.8米的车，规范车与车之间间距为不小于0.5米，车与墙、车位端之间间距不小于0.5米；车长大于6米不大于8米，车宽大于1.8米不大于2.2米的话，车与车之间间距不小于0.7米等。回车路段的相应规范是满足一辆车一次性回转的需要，这实际上为不同类型的停车场提供了不同的尺寸松动。因此对于一般以停小型车为主的停车场来讲，车位尺寸多采用2.52.756的尺寸，而单车道回转车道宽度不小于3.5米，双车道不少于5米。1.3停车场图1.1.2 1.4停车场管理模式的发展停车场的管理模式呈现出从人工管理到智能化管理的发展趋势。传统的管理方式采用人工管理的方式，车辆的进出、停放都由人工引导，计费也由人工计费收取。自动化程度低，管理的随意性较大。人类文明的发展进入信息时代，现代建筑的发展也进入智能建筑时代，计算机技术、现代通信技术、网络互连技术、数据库技术、信息发布技术、智能信息及其处理技术、自动化控制技术等关键技术都日臻成熟。特别是近年来IC卡技术的广泛应用使得电子化、信息化、自动化、智能化管理停车场的实现技术也不断改进和完善，成本逐渐降低，安全性及可靠性要求不断提升。 第二章 PLC的简介2.1 PLC的起源 1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。 1969年，美国研制出世界第一台PDP-14； 1971年，日本研制出第一台DCS-8； 1973年，德国研制出第一台PLC； 1974年，中国研制出第一台PLC。在近代工业自动化控制领域主要分为PLC，工控机和嵌入式控制，而PLC自1968年诞生以后以惊人的速度成为了这一领域的主导者，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。2.2 PLC的基本知识PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程 。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术，计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置 。在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。2.3 PLC的发展为了适应市场的各方面的需求,各生产厂家对PLC不断进行改进,推出功能更加强大、结果更加完美的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方向发展：一个向超小型、专用化和低价格的方向发展，以进行单机控制；另一个是向大型化、高速化、多功能化和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要。近年来，随着大规模集成电路的发展，以微处理器为核心的可编程控制器（PLC）得到了迅猛的发展。早期的PLC主要用于顺序控制，今天的PLC已经能够应用于闭环控制、运动控制以及复杂的分布式控制系统，已逐步发展成为有一类解决自动化问题的有效而便捷的方式。由于PLC自身具有功能完善、结构模块化、开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性高、性价比高、等优点，因而在工业生产中具有广阔的应用前景，并被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。而且随着集成电路的发展和网络时代的到来，PLC必将能够获得更大的发展空间。指令简单易学，编程步骤和方法容易理解和掌握，不需要具备专门的计算机知识，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可以在短时间内学会。(4) 功能完善，适用性强PLC具有对数字量和模拟量很强的处理功能，如逻辑运算、算术运算、特殊函数运算等。PLC具有常用的控制功能，如PID闭环回路控制、中断控制等。PLC可以扩展特殊功能，如高速计数、电子凸轮控制、伺服电动机定位、多轴运动插补控制等。PLC可以组成多种工业网络，实现数据传送、上位监控等功能。1.3.3 设计PLC控制时，应遵循以下基本原则(1) 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。(2) 保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。(3) 力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。(4) 适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。实际上PLC控制系统的设计，按照国外发达国家的标准：首先考虑的是系统的安全性、可靠性设计，然后才是根据控制工艺要求进行控制流程设计，然后就是编写切实可行、高效的PLC程序，这里在安全性、可靠性设计要求的前提下，编写相应的PLC程序非常重要，硬件上保证的安全性，以及软件PLC程序中的安全考虑应该同步进行。 2.4 PLC的系统组成PLC主体由三部分组成，主要包括中央处理器CPU、存储系统和输入、输出接口。PLC系统框图如图2-1，2-2。第三章 硬件的选择3.1 PLC的选择 3.1.1 PLC控制系统和其它控制系统的比较PLC自诞生以来其技术发生了质的飞跃，应用领域也越来越广泛，成为今天自动化技术的三大支柱之一。同时它与其它工业控制器相比各有特点。继电器控制系统采用硬接线逻辑，通过机械式触点及继电器来实现动作，一旦系统确定下来后要修改则非常困难，且控制精度低，易出现冒险竞争，且时间常数太大，故易出现误动作。在系统更新的方便性、系统的可靠性、维护性及系统控制精度方面还是在功能性方面，PLC控制系统都远优于继电器控制系统。与通用计算机相比，尽管二者都采用了计算机系统，但PLC是专门为工业控制而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处理设计的。因而他们在结构上有很大差别，使用对象和使用环境也有所不同。PLC使用专门的面向工业对象的编程语言，使程序的编制和修改都非常方便。而通用计算机，它的输出信号通常都需要数模转换并放大后才能驱动工业负载。它的抗干扰能力和工作的可靠性远不如PLC，也不适应工业现场的湿度、温度、噪声和振动。此外，通用计算机的编程语言也比较复杂，需要专门的培训才能掌握。PLC与单片机相比较而言，PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电路，可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是计算机应用系统的一个特例。不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。从工程的角度，对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。综上所述，本文中选用计算机控制系统构成停车场数据管理信息系统以完成对停车场相关运作信息的管理并与读卡器及现场控制器PLC交换数据信息。同时采用PLC作为现场控制器完成对停车场现场设备的信号采集及控制。3.1.2 PLC的基本结构PLC的基本结构如图2-1所示。3.1.3 PLC的选择可编程控制器具有多种分类方式，根据控制规模PLC可分为小型机、中型机和大型机。小型机的I/O点数一般在256点以下，价格低、体积小、功能少，适用于小规模开关量的条件、顺序控制等。中型机I/O点数在2561024点之间，其功能强，配置灵活，适用于具有诸如温度、压力、流量、速度、角度、位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂机械及连续生产控制工程场合。I/O点数在1024点以上的为大型机，其功能更加强大，组网能力强，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统，或者整个工厂的集散控制系统。本次停车场控制系统中临时用户区域控制系统所需I/O点位数少，控制流程相对简单，信息处理量小，根据上述情况选用西门子S7-300系列PLC的S7-313C-2DP作为现场控制器。图3.1系统构成简图3.2传感器的选型3.1传感器的基本类型 3.1.1超声波传感器：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。3.1.2光电式传感器： 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式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。1.1 3.1.3地感线圈： 当有大的金属物如汽车经过时，由于空间介质发生变化引起了振荡频率的变化（有金属物体时振荡频率升高），这个变化个振荡电路。它是这样构成的，在地面上先造出一个圆形的沟槽，直径大概1米，或是面积相当的矩形沟槽，再在这个沟槽中埋入两到三匝导线，这就构成了一个埋于地表的电感线圈，这个线圈是一个振荡电路的一部分，由它和电容组成振荡电路，其原则是振荡稳定可靠，这个振荡信号通过变换送到单片机组成的频率测量电路，单片机就可以测量这个振荡器的频率了就作为汽车经过“地感线圈”的证实信号，同时这个信号的开始和结束之间的时间间隔又可以用来测量汽车的移动速度。这就是“地感线圈”。技术关键是设计出的振荡器稳定可靠并且有汽车经过时频率变化明显。CPU模块I/O模块编程器电源接口3.2实用于智能停车场的传感器在上面说讲述的3种基本传感器种，第一：超声波传感器虽然应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。而本次的设计是停车场，在这种环境下噪音很大，对于超声波这种传感器来说工作性能将大大的减少。第二：光电式传感器虽然检查距离长、对检测物体的限制少、响应时间短、分辨率高，但是本次设计的是停车场车辆的检查，是对一个大型的金属检测，而光电式传感器不能做到对于是否是金属属性的分辨，所以这样就不能准确的检查到车辆的数量。综上所诉，我们这次设计所用的传感器就是地感线圈，因为它所检查的信号就是金属类的物体，刚好符合我们所要检查的物体，而且它的稳定性很好，适合停车场那种复杂的环境。3.3 读卡器工作原理及选型停车场出入口控制实质是卡片识别方式的门禁控制系统。卡片方式的门禁系统通过读卡或读卡加密码方式来管理进出权限。该系统的出入凭证为各类卡片，包括磁卡、接触式IC卡、非接触式IC卡等，识别仪为相应的读卡器。读卡器系统常分为磁卡、接触式IC卡、非接触式IC卡即射频卡系统。磁卡与读卡器间有磨损，寿命较短，而且磁卡易被复制，卡内信息容易因外界磁场而丢失，使卡片无效，因此安全性一般。接触式IC卡是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式，其外型与覆盖磁条的磁卡相似。卡片内没有电源，但有存储器，可记录卡片号码，发行商信息，也可记录持卡人信息。卡片表面从C1到C8共8个触点，使用者在进门前需要用读卡器读取持有的卡片，读卡器通过触点C1和C5给卡片提供电源，并从触点C7串行读取卡片内信息送入门禁控制系统，门禁控制系统根据法则执行比较判断，根据结果控制锁具的开启和闭合。由于IC卡不会被磁化、不易复制，因此这种门禁系统的安全性高于磁卡门禁系统。非接触式IC卡又称为射频卡，与接触式IC卡相似，卡内没有电源，有存储器，但非接触IC卡表面没有触点而是在卡片内增加一个电感线圈。使用者在进门前将卡片靠近读卡器，电感线圈在读卡器内发射装置的激励下产生微弱电流，保证卡内芯片工作，并以电磁方式将信息返回给读卡器。射频卡既具有IC卡的普遍优点，又具有自身的独特优点如：无源、免接触、免操作、使用寿命长；数据交换不受除金属外的介质影响，使用方便；防水、防尘、防静电干扰、适应各种恶劣的环境；感应距离远，普遍射频卡可达515cm，远距射频卡可达510m；安全可靠，误读或不读卡的机率几乎为零，成百上千亿的密码，无法破译。这种门禁系统的卡片与读写设备之间无接触，开门安全方便、使用寿命长，卡片难以复制、安全性高，可联微机实现双向控制。是门禁系统的发展方向之一。第四章 停车场控制系统软件设计4.1 用户出入场控制程序设计对于用户卡的信息处理主要由读卡器系统、停车场管理系统及通信接口程序进行处理，信息处理完成后，接口程序将传递包含卡号及刷卡点位的数据信息给PLC，PLC则据此判断卡用户是入场读卡还是出场读卡，从而分别启动不同流程。下面介绍其程序流程图及梯形图程序。 1、出入库工作流程分析根据要求分析出用户出入库主程序流程图如图4-1所示。图4-1 用户进、出库监控流程4.2 用户出入库梯形图4.2.1计数4.2.2显示4.2.3比较 4.3IO表输入 备注 输出 备注I0.0进门计数Q0.0CD4513 AI0.1出门计数Q0.1CD4513 BI0.2A区进门计数Q0.2CD4513 CI0.3A区出门计数Q0.3CD4513 DI0.4B区进门计数Q0.5A区指示灯I0.5B区出门计数Q0.6B区指示灯I0.6C区进门计数Q0.7C区指示灯I0.7C区出门计数Q1.0CD4513 AI1.0进来开门Q1.1CD4513 BI1.1进来后关门Q1.2CD4513 CI1.2出去关门Q1.3CD4513 DQ0.4CD4513 LEQ1.4CD4513 LEQ1.5进门正转Q1.6进门反转Q1.7出门正转Q2.0出门反转4.4电气原理图4.5WinCC图第五章 总结通过这次课程设计，我发现了我的理论知识掌握的不是特别好，而且很多方面掌握的都不到位，这次课程设计学到了很多。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和网路成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学整个设计通过软件和硬件上的调试。我想对自己以后的学习和工作都有很大的帮助。在课程设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，只有理论与实际相结合，才能更加深入的了解问题。只有了解了实际与理论知识并把它们相结合，才能解决问题。一切问题必须靠自己一点一滴的解决，而且要不断的更正以前的错误。设计是比较简单的，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。因此大部分时间是用在程序设计上面的。我