车辆入库管理系统的设计.doc

电气自动化技术专业综合实践报告山西机电职业技术学院 电气自动化技术专业毕业综合实践报告班 级 ： 电气1034班 学 号：10140227姓 名： 侯雪红 指导教师： 韩 亮 电子电气工程系二0一三年三月二十日目 录目 录2摘 要4绪 论5第1章 课程设计题目与设计分析61.1课程设计题目、车辆出入库管理61.2 课程设计分析6第2章 车辆出入库管理系统构7 2.1车辆出入库管理系统工作流程7 2.1.1临时卡入库工作流程7 2.2 出库工作流程82.3管理系统组成92.4整体框架102.4.1传感器的布置102.4.2显示电路112.5系统功能构成及相关元器件12第三章 plc设计143.1 硬件设计143.2 plc的组成183.3 plc的工作原理193.4 plc型号的选择20第四章 电气原理图204.1电气原理总图204.2 电动机正反转电路图22第五章 系统程序设计225.1道闸控制程序225.2车辆计数程序245.3故障报警程序255.4 a/d转换控制程序26第六章 设计总结286.1方案可行性286.2方案优缺点286.3方案的改进28致谢30摘 要 随着汽车的普及使用，公共场所和社区流转数量激增，这对车辆的安全停放和管理提出了更高的要求，引进先进的控制技术和管理方式，实现对大型停车库系统的集中化和智能化的安全性管理已经成为大规模停车服务管理的必然趋势。停车场管理系统重点要做到准确指示车辆进出，车辆进入时给予司机准确的车位数量，车辆进入后，记录车辆总量，车辆离开时，减少车辆数量。车辆进出指示可完全由plc作为中央控制处理器。本文主要阐述了车库自动门的设计思想与程序编制,对该系统进行了各方面的分析，对各方面要求的系统加以详细叙述，车辆出入库管理系统构成、控制的说明、电气原理流程图、外部接线图、梯形图必要的文字说明介绍了以plc控制的梯形图程序应用的车库自动门的系统软件设计。此系统对车库的管理有很大的帮助、对疏导交通流量、提高道路通行能力有明显的效果，有很大的实用价值。对现有的停车系统管理实现以下要求：车辆出入库自动化、数量统计自动化、信息查询自动化。 关键词： plc；梯形图程序；系统软件；自动门 ；控制系统 绪 论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了自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度上提高了生产效率，又进一步的促进了生产力的快速发展，并不断的丰富着人们的生活。早期的自动化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；有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，形成工业控制及系统、分布式控制系统dcs、现场总线控制系统fcs，这将是plc的功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广。在超级市场、公共建筑、银行、别墅车库门，经常使用自动门控制系统。早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已经逐渐被淘汰。plc控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。由于直流电动机的调速范围宽广，调速性能平滑，直流电动机超载能力较强，热动和制动转矩较大，所以执行时使用直流电动机。本设计主要是针对别墅型车库自动门的自动开关控制而论，自动门控制装置系统有检测元件、可编程控制器（plc）、电动机、声控开关、光控开关、灯、电子锁组成。第1章 课程设计题目与设计分析1.1课程设计题目、车辆出入库管理1.1.1课题内容：编制一个用plc控制的车辆出入库管理梯形图控制程序，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，后退时经过2# 1#传感器后计数器减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2# 1#传感器后计数器减1，后退时经过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。3设计触摸屏与plc的连接，实时显示车库内车辆的实际数量。4车库内车辆数目可以人工通过触摸屏设定，清零。1.1.2 课题要求：1画出plc i/o端口接线图，并按图接线（包括触摸屏）。2编制控制程序，并画出梯形逻辑图。3完成课程设计说明书。4对传感器进行选型，并说明选型理由。5. 光电传感器选用有光导通型。1.2 课程设计分析随着汽车的普及使用，公共场所和社区流转数量激增，这对车辆的安全停放和管理提出了更高的要求，引进先进的控制技术和管理方式，实现对大型停车库系统的集中化和智能化的安全性管理已经成为大规模停车服务管理的必然趋势。停车场管理系统重点要做到准确指示车辆进出，车辆进入时给予司机准确的车位数量，车辆进入后，记录车辆总量，车辆离开时，减少车辆数量。车辆进出指示可完全由plc作为中央控制处理。对现有的停车系统管理实现以下要求：车辆出入库自动化、数量统计自动化、信息查询自动化。1.2.1 车辆出入库自动化的实现在设计车辆出入库管理系统前，将车道设计为单道，实现车辆出入库管理。在车辆出入库时，设置传感器检测车辆到位，再设置身份识别检测器，通过plc与触摸屏的联系控制道闸的开关来实现车辆出入的自动化。1.2.2 数量统计自动化的实现 在车辆出入的同时，通过光电传感器的检测，并且光电传感器与plc的实时通信，以此来统计车库现有车辆的数目，实现车辆计数的自动化。1.2.3 信息查询自动化的实现车辆出入情况与车库统计的数量，通过plc与触摸屏的通讯连接，在触摸屏上显示，实现信息查询的自动化。第2章 车辆出入库管理系统构2.1车辆出入库管理系统工作流程2.1.1临时卡入库工作流程临时车辆进入车辆出入库时，设在车道下的车辆感应线圈检测到车辆的到来。将有车信号传送给入口控制器，入口控制器获取车辆到来的信号后，向相关设备发出指令，计算机对车辆信息进行处理。语音提示设备提示用户按动取卡按钮，入口控制器检测到取卡信号后，通过串口给发卡机发送发卡命令。发卡机接到命令后，发出一张临时用户卡，刚才系统所获取的信息即与此卡的id号对应起来。同时语音提示器提示用户取走临时卡。如果用户在规定时间内不取卡，发卡机将自动吞回用户卡，入口控制器取消此次入库工作。用户取走卡后，发卡机发出用户已取走卡的信号给入口控制器，入口控制器抬起栏杆，用户驾车驶入车辆出入库。入口电动栏杆检测到配套车辆检测器信号出现“有车无车”变化后，才自动将栏杆放下，以杜绝砸车事件的发生。入口控制器接收到入口栏杆出现“抬杆落杆”的动作后，确认本次入库过程已经完成。2.1.2长期卡入库工作流程当持长期卡的用户车辆进入入口读卡器的感应范围时，读卡器即与射频卡之间建立起信息交换系统，射频卡向读卡器发送卡信息，读卡器判断射频卡的合法性和时间有效性，如有效则获取射频卡的id号，并将其上送至数据处理中心。同时，摄像系统和车辆识别系统将启动。摄入车辆图像，经车辆识别系统分析后，获得牌照信息、颜色信息、车型信息等；数据处理中心根据读卡器上传的id号，查询数据库中与此id号相关的车辆信息，并与刚才实时获取的信息进行对比，若不符合则拒绝放行，并给出告警信息和出错提示信息。另外，数据处理中心还会检查此固定卡是否过期，如果过期则会提示“用户余额不足，请尽快充值”等信息。若符合条件，则给入口控制器一个有效信号，抬起栏杆，用户驾车驶入车辆出入库。入口电动栏杆检测到配套车辆检测器信号出现“有车无车”变化后，将栏杆放下。入口控制器接收到入口栏杆出现“抬杆落杆”的动作后，确认本次入库过程已经完成。由于长期卡与读卡器的信息交换距离在从十米到数十米，并且都是在空间里完成的，时间花销短，所以当车辆到达入口时，电动栏杆已经抬起，这样便实现了固定用户的不停车操作。入库工作流程如图2.1所示。图2.1入库工作流程2.2 出库工作流程2.2.1临时卡出库工作流程用户驾驶车辆进入车辆出入库离场通道，停在出口处，车辆检测器检测到有车后，向出口控制器发出有车信号。摄像系统和车辆识别系统启动，摄入车辆图像，经车辆识别系统分析后获得相关的车辆信息等；用户将入库时取得的用户卡交给管理人员，管理人员通过出口读卡机读取用户卡id信息，并将用户卡收回循环使用。数据中心通过检索数据库中对应id号，获得该用户卡的类型(临时卡)、入库时间，并查询数据库中与此id号相关的车辆信息，并与刚才实时获取的信息进行比对，若不符合则拒绝放行，并给出告警信息和出错提示信息。若符合，数据中心根据车辆在场内停留时间和计费费率，计算出用户应缴费额，并显示在金额显示器屏幕上。同时语音提示设备提示用户应缴纳的金额，用户交纳相应费用后，管理人员将找零和打印的收费票据一并交给用户，按交易完成键，确认交易完成后，通过出库控制器打开出口电动栏杆，用户驾车驶出车辆出入库。出口电动栏杆检测到配套车辆检测器信号出现“有车无车”变化后，自动将栏杆放下。计算机接收到出口栏杆出现“抬杆落杆”动作后，确认本次出库过程已经完成，将先前获得的用户卡号、入库时间、出库时间保存到相应数据库中备查，完成一次出库过程。2.2.2长期卡出库工作流程持长期卡用户的车辆到来时，用户通过键盘输入密码，读卡器获取该卡的信息，将信息上送到数据处理中心，判断用户卡的有效性和密码，并将数据中心查询到的与此id号相关的车辆信息与车辆识别系统获取的信息进行比对，如果符合，则给出口控制器一个有效信号，由出口控制器控制抬起出口电动栏杆，用户驾车离开车辆出入库，完成一次出库过程，出口工作流程如图2.2所示。图2-2 出库工作流程2.3管理系统组成有了系统功能需求以后就可以确定系统的外部实体，根据系统功能和系统外部实体，可以从总体上对车辆出入库管理系统进行设计。车辆出入库智能管理系统结构图如2-3所示。图2.3车辆出入库智能管理系统结构2.4整体框架系统整体框架如图 2.4所示：图2.4 所示系统整体框架2.4.1传感器的布置传感器的布置如图 2.4.1 所示：如图 2.4.1 所示传感器的布置2.4.2显示电路显示电路如图 2.4.2 所示：如图 2.4.2所示显示电路2.5系统功能构成及相关元器件2.5.1 汽车检测功能汽车检测的功能主要表现在对车辆身份的识别与车辆到位的检测,当检测功能完成时，所启动了道闸开关系统，使用的设备仪器主要有刷卡仪器和称重传感器。身份识别：当车辆准备进车库时，停在刷卡区旁，车主使用ic信息卡，通过刷卡仪器，检测正确后将车主信号传到plc控制器中，完成身份识别。车辆到位检测：在车辆停在刷卡区的同时，汽车触动1#称重传感器，管理系统检测到压力传感信号，有车辆准备进入车库。2.5.2 道闸开关功能 道闸开关主要是通过plc控制电动机正反转与到位开关实现的，所使用的设备主要有电动机和到位开关。当车辆准备进车库，在完成汽车检测时，plc控制电动机正转，道闸打开，车辆开进并触动2#称重传感器，plc控制电动机反转，道闸关闭；当车辆准备出车库，在车辆触动2#光电传感器时，plc控制电动机正转，道闸打开，车辆出道闸并触动1#称重传感器，plc控制电动机反转，道闸关闭。2.5.3 车辆计数功能车辆计数主要是通过plc处理两个光电传感器信号，完成车辆计数功能。 当车辆触动1#光电传感器，再触动2#光电传感器，plc寄存器加1，当车辆触动2#光电传感器，再触动1#光电传感器时，plc寄存器减1，两个光电传感器的位置如图2.2所示。2.5.4 故障报警功能故障报警功能主要是错误信号通过plc处理控制显示屏警示灯开关与报警蜂鸣器的开关。错误信号1：在车辆检测中，ic卡信息检测错误，导致报警。错误信号2：在车辆出入库单道管理中，会出现车辆出入的同时，另一辆车准备出入，导致光电传感器几乎同时触发，故障报警启动。开始两光电传感器前后接通时间不超过10s检测到错误的ic卡信号报警排除故障按下报警解除按钮报警解除结束否图2.5.4 车辆报警系统流程图上图是车库管理系统报警流程图，在设计过程中，设置两个报警源，在其它情况下的报警员可以认为控制处理。第3章 plc设计3.1 硬件设计以下是plc电路图如图3.1所示、电机完整电路图如图5.2所示和i/o口分配表如表3.1所示。图3.1 plc电路图图3.1 电机完整电路图表3.1 i/o口分配表序号序号地址注释序号名称地址注释1x0i0.0入口栏杆上升13y4i1.4绿灯2x1i0.1入口栏杆下降14y5i1.5红灯3x2i0.2出口栏杆上升15y10i2.0七段译码器输出4x3i0.3出口栏杆下降16y11i2.1七段译码器输出5x4i0.4入口栏杆上升停止17y12i2.2七段译码器输出6x5i0.5入口栏杆下降停止18y13i2.3七段译码器输出7x6i0.6出口栏杆上升停止19y14i2.4七段译码器输出8x7i0.7出口栏杆下降停止20y15i2.5七段译码器输出9x0i1.0入口栏杆上升移动21y16i2.6七段译码器输出10x1i1.2入口栏杆下降移动22y17i2.7七段译码器输出11x2i1.3出口栏杆上升移动12x3i1.4出口栏杆下降移动 当车子来到入口处时，经ic卡验读器验读并收费完毕之后，主机会自动给plc芯片的pb1一个脉冲，则mc1 on 入口处的栏杆会升起，当栏杆升到极限位置时，会相应触动ls1 on时，则mc1 off 入口处栏杆停止，此时车子可进入停车场停车。如果用户卡或票据无效，则禁止车辆驶入，并发出告警信号。当车子通过栏杆后，光电传感器通过c200h-ad003 a/d转换器给plc芯片一个信号，则plc芯片会给pb2一个脉冲，则mc2 on栏杆会下降。极限时开关ls2 on，mc2 off栏杆停止下降。此时主机电脑上会显示停车场位置减少1。当车子来到出口处时，对于出口ic卡验读器，驾驶人员将用户卡送入验读器，验读器根据用户卡或者票据卡上的信息，核对持卡车辆与凭该卡驶入的车辆是否一致，并将出库的时间（年、月、日、时、分）打入用户卡，同时计算停车费用。当一切都符合时，主机通过给plc芯片的fb3一个脉冲，则mc3 on出口处的栏杆就会自动升起。当栏杆移动到达极限时，会相应触动ls3 on时，则mc3 off 入口处的栏杆就停止上升，此时车子可出停车场。如果用户卡或票据无效，则禁止车辆驶出，并发出告警信号。当车子出了停车场之后，光电传感器通过c200h-ad003 a/d转换器给plc芯片一个信号信号，则 plc芯片会给pb4一个脉冲，则mc4 on栏杆就会下降关闭，当栏杆到达下降的极限时会相应的触动开关ls4 on，当ls4 on时，mc4 off栏杆停止下降。停车场主机电脑上显示的停车位置就会加1。当停车场还有余位时，主机给ic卡验读器屏幕上显示的停车位是绿的，但车位满时，在ic卡验读器屏幕上的显示停车位是红的。当给系统送电之后读卡器的显示屏会显示当前剩余多少停车位(本设计为99台) ，这一个控制过程是由七段译码器来实现。车位数量电路图如图3.3所示：图3.3 车位数量显示器3.2 plc的组成常见的plc有整体式和模块式两类。不论哪种结构，其内部组成是相似的，硬件结构框如图3.4所示：图3.4 plc硬件结构框图(1)中央处理器cpu是plc的“大脑”，它控制所有其它部件的操作，一般由控制电路、运算器、寄存器等组成，通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、i/o接口电路连接。(2)存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路。plc的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序是控制和完成plc各种功能的程序。拥护程序是由使用者通过编程器输入到plc的读写存储器中，允许修改，由用户启动运行。(3)输入/输出接口电路输入/输出接口电路用来连接plc主机与外部设备。为了提高抗干扰能力，一般的输入/输出接口均有光电隔离装置，应用最广泛的是由发光二极管和光电三极管组成的光电隔离器。(4)电源部件电源部件用来将外部供电电源转换成供plc的cpu、存储器、i/o接口等电子电路工作所需要的直流电源，使plc能正常工作。3.3 plc的工作原理最初研制生产的plc主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点(包括其常开或常闭触点)在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。plc的cpu则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而plc扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，plc采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于i/o响应要求不高的场合，plc与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。plc的工作方式和通用微机不完全一样，因此用plc设计自动控制系统与微机的控制系统的开发过程也不完全一样。需根据plc的特点，以程序形式来体现其控制功能。3.4 plc型号的选择本课题采用的是c200h型欧姆龙型可编程控制器系列的c200h-oa223 plc控制器。c型机主要由基本单元、扩展单元和编程器三个部分组成。它采用整形式结构，同时配有i/o扩展、模拟量处理等模块，具有结构合理，功能强等特点。c200h不仅编程简单，通用性强，抗干扰能力强，可靠性高，而且具有易于操作及维护，设计、施工、调试周期短等优点。在此设计中应用的i/o端子数分别是：输入点数为16个，输出点数为16个。第四章 电气原理图4.1电气原理总图图4.1 车库管理电气原理总图电动机、plc、触摸屏共用220v电源，传感器通过开关电源接到公用的220v电源，如上图所示。低压电气元件选用如下表所示：表4.1 电气元件一览表符号名称型号规格数量m主电机j02-21-41.1kw 380v 1410r/min1fu熔断器rl1-15500v8a1qf1断路器c65n 3pc10a1qf2qf4低压断路器c65n 2pc8a3km1交流电机正转接触器jz7-445a线圈电压127v1km2交流电机反转接触器jz7-455a线圈电压127v1ips开关电源hts-25f-2424v 1.1a14.2 电动机正反转电路图电动机的正反转控制道闸的开关，电气图如下：图4.2 电动机正反转电气原理图电动机的正反转是通过继电器km1与km2实现的，km1线包控制电动机正传，道闸打开，km2线包控制电动机反转，道闸关闭。第五章 系统程序设计5.1道闸控制程序自动控制：车辆入库时，有正确的ic卡信号从x002输入后使m0、m3为on，且x005同时接通使y001置为on，电机正转使道闸打开，当到达规定的打开位置后触动到位行程开关x010使y001置为off,电机停止转动，车辆通过道闸，行至规定位置后，触动称重传感器2使x006置为on，使的y002置为on，电机反转使道闸关闭，当道闸碰到到位开关2后x011接通后使y002置为off，电机停止转动。汽车出库时，当光电传感器2得到信号后使x001得到信号后y001置为on，使电机正转，道闸打开，当碰到到位开关1时使得y001为off，电机停止正转，车辆通过道闸行置称重传感器1后使y002为on，电机反转使得道闸关闭，当碰到到位开关2时使y002为off，电机停止转动。m3为on时y003接通使正常运行指示灯工作。手动控制：当按下x003时使y001置为on道闸打开，当按下x004时使y002置为on道闸关闭。5.2车辆计数程序对m1、m2复位后，车辆入库时当光电传感器1得到信号后x000接通后，m1置为“1”，等到光电传感器2的到信号后x001为on时寄存器d1加1，同时对m1复位；在车辆出库时，光电传感器2得到信号后x001接通后m2置为“1”，等到光电传感器1得到信号后x000为on时寄存器d1减1，当x014接通后寄存器d1复位。5.3故障报警程序当m1被置1后定时器t0开始计数，在5s之内若光电传感器2所连的x001被接通，则使m4置为on且自锁,当m2被置1后定时器t1开始计数，在5s之内若光电传感器1所连的x000被接通，则使m5置为on且自锁；当ic卡的错误信号从x012传入后，使m6置为on且自锁；当m4、m5、m6中任意为on时有y000和y004输出使得报警灯和蜂鸣器同时工作并且通过y004自锁，按下x013使y000和y004关闭。5.4 a/d转换控制程序第六章 设计总结6.1方案可行性 单道对于小型停车库实用，小型车库车辆出入不拥堵，单道车辆出入库管理系统的自动化与信息自动化完全能够服务于各种社区小型车库。6.2方案优缺点信息自动化程度高，外来车辆无法进入车库。管理方便，车辆出入自动化。缺点表现在具有一定的局限性，不适用于大型车库的广泛应用，对于车辆也有限制，不能过长过重。单道设计虽简单，但是出现车辆拥堵情况，无法自动排除故障，对用户带来一定的不便，反