PLC停车场控制系统设计

1 PLCPLC 停车场控制系统设计停车场控制系统设计 系 部 电子信息工程系 专 业 应用电子 班 级 12 应用电子 学生姓名 李仁志 指导教师 刘国富 职称 副教授 完成时间 2014 11 25 前前 言言 随着进口汽车大量涌人和国内汽车工业的不断发展 大中城市的汽车数 量剧增 从而引发了停车管理问题 近几年 我国的停车场管理技术不断 完善 计算机技术 通信技术 网络技术的发展又促进了停车场管理系统 功能的强大 但是 现时某些小区小型停车场如要运用大量高新技术就会 出现资金不足 维护管理不完善的问题 有时考虑也不够全面 所以目前 2 车辆管理成本高 服务效率低等问题 采用 PLC 编程无疑就能解决这些问 题 PLC 就是可编程控制器 programmable logic controller PLC 是一种以微型计算机为核心的通用工业控制器 它是继承了继电器控制器 装置的部分突出性能 并与现代的计算机技术和通行技术结合为一体 代 表了当前电器控制技术的世界先进水平 本文阐述了停车场车位控制系统的 PLC 控制 自动计数 数码显示的一 些基本思路和方法 介绍了关于 PLC 工作特点及运行原理 以及介绍了三 菱可编程控制器系列的 FX 系列 PLC 控制器主要功能模块及应用 FX 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 然后设计了停车场车位控制系统的 基本模块及功能 并对系统的主回路和控制回路的硬件部分进行了详细介 绍 最后程序分析测试论证停车场车位控制的设计 关键词 PLC 停车场 车位控制 三菱 FX 2n 目目 录录 第一章第一章可编程控制器可编程控制器 PLC PLC 简简 介介 5 1 1 PLC 的诞 生 5 3 1 2 PLC 组 成 5 1 3 PLC 特点 5 1 4 PLC 的应 用 6 第二章第二章 FXFX 系列所用基本指令的类系列所用基本指令的类 型型 8 2 1 逻辑取及线圈驱动指令 LD LDI OUT 8 2 2 取脉冲指令 LDP LDF 8 2 3 接点串联 指令 AND AN 8 2 4 接点并 联指令 OR ORI 8 2 5 加一 指令 INC 减一指令 DEC 9 2 6 比 较指令 CMP 9 第三章第三章 停车场车位控制的功能要求及设计方案介停车场车位控制的功能要求及设计方案介 绍绍 10 3 1 设计要 求 10 3 2 系统 工作过程 11 第四章第四章 控制系统的设控制系统的设 计计 12 4 1 车辆入库与出库流程图设 12 4 1 1 车辆入库流程图 12 4 1 2 车辆出库流程 图 13 4 2 硬件配置 13 4 3 PLC 的 I O 分配 表 14 4 4 控制程序设计分析 14 4 5 接线图 17 4 6 编程元件的解析 18 4 第五章第五章 系统调试及结果分析系统调试及结果分析 20 5 1 硬件调试 20 5 2 软件调试 20 5 3 性能分析 20 5 4 设计的结果 20 第六章第六章 设计总结设计总结 21 附录附录 22 附录一 22 附录 二 23 参考文献参考文献 25 5 第一章第一章 可编程控制器可编程控制器 PLC PLC 简介简介 1 11 1 PLCPLC 的诞生的诞生 随着计算机控制技术的不断发展 可编程控制器的应用已广泛普及 成为自 动化技术的重要组成 可编程控制器最先出现在美国 1968 年 美国的汽车制 造公司通用汽车公司 GM 提出了研制一种新型控制器的要求 并从用户角度提 出新一代控制器应具备以下十大条件 1 编程简单 可在现场修改程序 2 维护方便 最好是插件式 3 可靠性高于继电器控制柜 4 体积小于继电器控制柜 5 可将数据直接送入管理计算机 6 在成本上可与继电器控制柜竞争 7 输入可以是交流 115V 即用美国的电网电压 8 输出为交流 115V 2A 以上 能直接驱动电磁阀 9 在扩展时 原有系统只需要很小的变更 10 用户程序存储器容量至少能扩展到 4KB 条件提出后 立即引起了开发热潮 1969 年 美国数字设备公司 DEC 研制出了世界上第一台可编程序控制器 并应用于通用汽车公司的生产 线上 当时叫可编程逻辑控制器 PLC Programmable Logic Controller 目 的是用来取代继电器 以执行逻辑判断 计时 计数等顺序控制功能 紧接着 美国 MODICON 公司也开发出同名的控制器 1971 年 日本从美国引进了这项新 技术 很快研制成了日本第一台可编程控制器 1973 年 西欧国家也研制出他 们的第一台可编程控制器 6 1 21 2 PLCPLC 的组成的组成 PLC 主要由 CPU 模块 输入模块 输出模块 电源和编程器组成 CPU 模块通过 输入模块将外部控制现场的控制信号读入 CPU 模块的存储器中 经过用户程序 处理后 再将控制信号通过输出模块来控制外部控制现场的执行机构 1 31 3 PLCPLC 特点特点 1 编程简单 使用方便 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言 其符号与继电器电路 原理图相似 有继电器电路基础的电气技术人员只要很短的时间就可以熟悉梯 形图语言 并用来编制用户程序 梯形图语言形象直观 易学易懂 2 控制灵活 程序可变 具有很好的柔性 可编程序控制器产品采用模块化形式 配备有品种齐全的各种硬件装置供用 户选用 用户能灵活方便地进行系统配置 组成不同功能 不同规模的系统 可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器 时间 继电器 计数器等器件 硬件配置确定后 可以通过修改用户程序 不用改变 硬件 方便快速地适应工艺条件的变化 具有很好的柔性 3 功能强 扩充方便 性能价格比高 可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件 有很强的逻辑判 断 数据处理 PID 调节和数据通信功能 可以实现非常复杂的控制功能 如 果元件不够 只要加上需要的扩展单元即可 扩充非常方便 与相同功能的继 电器系统相比 具有很高的性能价格比 4 控制系统设计及施工的工作量少 维修方便 可编程序控制器的配线与其它控制系统的配线比较少得多 故可以省下大量 的配线 减少大量的安装接线时间 开关柜体积缩小 节省大量的费用 可编 程序控制器有较强的带负载能力 可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器 一般可用接线端子连接外部接线 可编程序控制器的故障率很低 且有完善的 自诊断和显示功能 便于迅速地排除故障 5 可靠性高 抗干扰能力强 可编程序控制器是为现场工作设计的 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施 硬件措施如屏蔽 滤波 电源调整与保护 隔离 后备电池等 例如 西门子 公司 S7 200 系列 PLC 内部 EEPROM 中 储存用户原程序和预设值在一个较长 时间段 190 小时 所有中间数据可以通过一个超级电容器保持 如果选配电 池模块 可以确保停电后中间数据能保存 200 天 软件措施如故障检测 信息 保护和恢复 警戒时钟 加强对程序的 1 41 4 PLCPLC 的应用的应用 目前 可编程序控制器已经广泛地应用在各个工业部门 随着其性能价格比 的不断提高 应用范围还在不断扩大 主要有以下几个方面 1 1 逻辑控制 逻辑控制 可编程序控制器具有 与 或 非 等逻辑运算的能力 可以实现 逻辑运算 用触点和电路的串 并联 代替继电器进行组合逻辑控制 定时控 制与顺序逻辑控制 数字量逻辑控制可以用于单台设备 也可以用于自动生产 线 其应用领域最为普及 包括微电子 家电行业也有广泛的应用 7 2 2 运动控制 运动控制 可编程序控制器使用专用的运动控制模块 或灵活运用指令 使运动控制与 顺序控制功能有机地结合在一起 随着变频器 电动机起动器的普遍使用 可 编程序控制器可以与变频器结合 运动控制功能更为强大 并广泛地用于各种 机械 如金属切削机床 装配机械 机器人 电梯等场合 3 3 过程控制 过程控制 可编程序控制器可以接收温度 压力 流量等连续变化的 模拟量 通过模 拟量 I 0 模块 实现模拟量 Analog 和数字量 Digital 之间的 A D 转换和 D A 转换 并对被控模拟量实行闭环 PID 比例 积分 微分 控制 现代的大中型 可编程序控制器一般都有 PID 闭环控制功能 此功能已经广泛地应用于工业生 产 加热炉 锅炉等设备 以及轻工 化工 机械 冶金 电力 建材等行业 4 4 数据处理 数据处理 可编程序控制器具有数学运算 数据传送 转换 排序和 查表 位操作等功 能 可以完成数据的采集 分析和处理 这些数据可以是运算的中间参考值 也可以通过通信功能传送到别的智能装置 或者将它们保存 打印 数 据处理 一般用于大型控制系统 如无人柔性制造系统 也可以用于过程控制系统 如 造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 5 5 构建网络控制 构建网络控制 可编程序控制器的通信包括主机与远程 I 0 之间 的通信 多台可编程序控制 器之间的通信 可编程序控制器和其他智能控制设备 如计算机 变频器 之间 的通信 可编程序控制器与其他智能控制设备一起 可以组成 集中管理 分 散控制 的分布式控制系统 当然 并非所有的可编程序控制器都具有上述功 能 用户应根据系统的需要选择可编程序控制器 这样既能完成控制任务 又 可节省成本和资金 8 第二章第二章 FXFX 系列所用基本指令的类型系列所用基本指令的类型 2 12 1 逻辑取及线圈驱动指令逻辑取及线圈驱动指令 LDLD LDILDI OUTOUT LD 取指令 表示一个与输入母线相连的常开接点指令 即常开接点辑运 算起始 LDI 取反指令 表示一个与输入母线相连的常闭接点指令 即常闭接点逻 辑运算起始 OUT 线圈驱动指令 也叫输出指令 LD LDI 两条指令的目标元件是 X Y M S T C 用于将接点接到母线 上 OUT 是驱动线圈的输出指令 它的目标元件是 Y M S T C 对输入继电 器 X 不能使用 OUT 指令可以连续使用多次 LD LDI 是一个程序步指令 这里的一个程序步即是一个字 OUT 是多程序 步指令 要视目标元件而定 OUT 指令的目标元件是定时器 T 和计数器 C 时 必须设置常数 K 2 22 2 取脉冲指令取脉冲指令 LDPLDP LDFLDF LDP 取脉冲上升沿 指在输入信号的脉冲上升沿接通一个扫描周期 LDF 取脉冲下降沿 指在输入信号的脉冲下降沿接通一个扫描周期 这两条指令都占两条程序步 他的目标元件为 X Y M S T C LDP LDF 指令的使用说明如下图所示 使用 LDP 指令 元件 Y0 只在 Y0 的 上升沿时 由 OFF 到 ON 时 接通一个扫描周期 使用 LDF 指令 元件 Y1 尽在 X1 的下降沿时 由 OFF 到 ON 时 接通一个扫描周期 2 32 3 接点串联指令接点串联指令 ANDAND ANIANI AND 与指令 用于单个常开接点的串联 ANI 与非指令 用于单个常闭接点的串联 AND 与 ANI 都是一个程序步指令 它们串联接点的个数没有限制 也就是说 这两条指令可以多次重复使用 这两条指令的目标元件为 X Y M S T C 2 42 4 接点并联指令接点并联指令 OROR ORIORI OR 或指令 用于单个常开接点的并联 ORI 或非指令 用于单个常闭接点的并联 OR 与 ORI 指令都是一个程序步指令 它们的目标元件是 X Y M S T C 这两条指令都是并联一个接点 OR ORI 是从该指令的当前步开始 对前面的 LD LDI 指令并联连接 并联 的次数无限制 9 2 52 5 加一指令加一指令 INCINC 减一指令 减一指令 DECDEC 表 2 1 INC DEC 指令的助记符 功能 操作数和程序步 2 62 6 比较指令 比较指令 CMPCMP CMP 指令有 3 个操作数 两个源操作数 S1 和 S2 一个目标操作数 D 该指令将 S1 和 S2 进行比较 结果送到 D 中 CMP 指令使用如下所示 当 X10 为 ON 时 比较 100 和 C20 当前值的大小 分三种情况分别使 M0 M1 M2 中的一个为 ON 另外两个为 OFF 若 X10 为 OFF 则 CMP 不执行 M0 M1 M2 的状态保持不变 表 2 2 CMP 比较指令 操作数助记符功能 D 程序步 INC FNC24 加 1 把目标原件当 前值加 1 DEC FNC25 减 1 把目标元件当 前值减 2 KnY KnM Kn S T C D V Z INC INCP D EC DECP 三 步 DINC DINCP DDEC DDEC P 五步 10 第三章第三章 停车场车位控制的功能要求及设计方案介绍停车场车位控制的功能要求及设计方案介绍 3 13 1 设计要求设计要求 1 如图 3 1 所示 假设有一停车场共有 16 个车位 1 2 3 4 9 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16 尚有车位指示灯 车位已满指示灯 出口检测传感器 入口检测传感器闸栏 七段灯显示车辆数 图 3 1 控制系统设计图 2 在入口处装设一传感器 用来检测车辆进入的数目 3 在出口处装设一传感器 用来检测车辆出去的数目 4 有车位时 入口闸栏才将门开启让车辆进入 并有指示灯示表示尚有车位 5 车位满时 则有一指示灯显示车位已满 且入口闸栏不能开启让车进入 6 可以用七段数码显示管上显示目前停车场共有几部车 11 3 23 2系统工作过程系统工作过程 1 入库车辆前进时 经过 1 传感器 此时车位尚未满的话 栅栏向上打开 当 达到上限位置时 栅栏打开停止 同时车辆进入 经过 2 传感器 栅栏门向下 关闭 达到下限位置时 栅栏门停止关闭 同时计数器 A 加 1 2 出库时 先经过 2 传感器 栅栏门向上打开 当达到上限的时候停止打 开 同时车辆出闸门再经过 1 传感器 栅栏门向下关闭 当达到下限位时 栅 栏门停止动作 计数器 B 减 1 计数器 B 的初始值由计数器 A 送来 只经过 一个传感器则计数器不动作 3 仓库启用时 先对所有用到的存储单元清零 并应有仓库空显示 4 若设仓库容量为 16 辆车 则仓库满时应报警并显示 5 若同时有车辆相对入库和出库 即入库车辆经过 1 传感器 出库车辆经 过 2 传感 器 应避免误计数 12 第四章第四章 控制系统的设计控制系统的设计 4 14 1 车辆入库与出库流程图设计车辆入库与出库流程图设计 4 1 14 1 1 车辆入库流程图车辆入库流程图 车 进 接近开关闭合 D0 清 0 D0 1 到 D0 数码显示 D0 大于 16 结束 电机正转 电机反转 N Y 图 4 1 车辆入库流程图 仓库启用时 先对所有用到的存储单元清零 并应有仓库空显 若设仓库 容量为 16 辆车 则仓库满时应报警并显示 入库车辆前进时 经过 1 传感器 此时车位尚未满的话 栅栏向上打开 当达到上限位置时 栅栏打开停止 同时车辆进入 经过 2 传感器 栅栏门向 下关闭 达到下限位置时 栅栏门停止关闭 同时计数器 A 加 1 13 4 1 24 1 2 车辆出库流程图车辆出库流程图 车出库 接近开关闭合 D0 1 到 D0 数码显示 电机正转 电机反转 图 4 2 车出模块流程图 4 24 2 硬件配置硬件配置 1 本系统采用的是日本三菱 PLC 选用的是 FX2n 48MR 它属于继电器输出 有触电 可带交直流负载 输入点数 24 输出点数 24 总共 48 个输入输出点 PLC 三菱 FX2N 48MR 根据控制要求统计系统所需的输入点数与输出点数 并考虑要有一定的余量 在本系统中我们采用了三菱 FX2N 48MR 型 PLC 该型 号 PLC 是 FX 系列 PLC 家族中比较先进的系列 它具备如下特点 最大范围的包 容了标准特点 程式执行更快 全面补充了通信功能 适合世界各国不同的电 源以及满足单个需要的大量特殊功能模块 它可以为系统提供最大的灵活性和 控制能力 传感器 它是一种测距的光电传感器 具有测距远 最远可达到 5 米 采 用反射镜反射的检测方式 DC12 24V 供电 NPN PNP 同时输出 遮光 ON 入光 ON 选择 3 七段数字译码显示器 由于在 PLC 系统中工作的是二进制的数字信号 而人们习惯十进制的数字或运算结果 因此需要数字显示器 显示出便于人们 观测 查看的十进制数字 因此本设计选择了七段数字译码显示器 译码显示 14 器主要由译码器和驱动器两部分组成 通常二者都集成在一块芯片中 该硬件 的原理如下图 4 3 SEGD码显示译码器 驱动器 七段数码管 显示十进制数 图 4 3 七段数字译码显示器原理框图 4 34 3 PLCPLC 的的 I OI O 分配表分配表 输入 输出 SB0 SB0 SQ0 SQ1 X0 X1 X2 X3 Y0 Y1 Y2 Y3 Y10到Y16 尚有车位指示灯 正转开启闸栏 个位数码管显示 启动按钮 入传感器 停止按钮 出传感器 HL1 HL2 KM1 KM2 车位已满指示灯 反转关闭闸栏 Y20到Y26 十位数码管显示 图 4 4 I O 分配表 4 44 4 控制程序设计分析控制程序设计分析 方案一方案一 根据设计要求 启动按钮开关 X0 辅助继电器 M0 得电 M0 常开触点闭合 自锁 M0 闭合一个扫描周期 将数据寄存器 D0 到 D2 清 0 当有车辆靠近入口 的接近传感器 X2 时 接触器线圈得电 电机正转 同时行成自锁 门开启 车辆可入口 M9 是当 D0 为 16 时 表示停车场闸门不能打开 15 图 4 5 判断车辆能否入库程序图 当车到 SQ2 位置时 数码管显示加一 同时延时 3 秒 完成关闸栏 从而完 成了一次车入库的动作 见下图 图 4 6 车辆入库程序图 当有车出库的时候 其原理与出库的时候一致 不同之处是 D0 的内容减 1 当车到 SQ1 位置时 数码管显示减一一 同时延时 3 秒 完成关闸栏 从而 完成了一次车入库的动作 见下图 4 7 在数码管显示的时候 我设计了两组数据的比较指令 CMP 其一是 D0 与 10 的比较 当 D0 小于 10 的时 就只显示个位数码管的数值 当等于 10 的时 候 个位显示 0 十位显示 1 见下图 4 8 当 D0 的数值大于 10 的时候 M6 状态为 1 从而 D0 与 16 比较 当 D0 小于 16 时 D0 减去 10 余数在 D2 中 让个位显示 D2 中的数 十位显示 1 同时 当 D0 中的数小于 16 的时候有车位指示灯 HL1 亮 当 D0 等于 16 的时候 HL2 亮 16 图 4 7 车辆出库程序图 图 4 8 CMP 比较指令程序图 图 4 9 数码管显示车位程序图 17 方案方案 2 2 出库和入库的原理与方案一样 不同的是数码器计数的问题做了不同的修 改 出库入库就不在重复分析了 就分析一下数码管计数的问题 将 D0 里面存的数与 16 进行对比 比 16 大将接通 Y3 无法开启闸门 将看 10 存入 D2 寄存器中 将 D0 的数除以 D2 得到的数存 D4 于是得到商输出十位数 码管显示 余数输出个位数码管显示 见下图 4 10 4 10 数码管显示车位程序图 4 54 5 接线图接线图 下图 4 11 为停车场控制系统的接线图 在该接线图中 X1 是该系统的总开 关 BEN5M DT 传感器 1 接 X3 输入端 BEN5M DT 传感器 2 接 X4 输入端 X6 X7 是行程开关 分别接 X6 X7 输入端 L1 是停车场车满指示灯 L2 是车未满指 示灯 QS 是电机正转的总开关 KM1 是电机正转的继电器线圈 KM2 是电机反 转的继电器线圈 Y5 至 Y12 输出的是 BCD 码 直接接入七段数字译码显示器 下图为 4 12 主电路控制图 当车辆靠近 QS 闭合时 KM1 开关开始闭合 KM2 开关断开电机开始正转 这时候停车场的闸门便开始开启 从外面行驶金停车 场的车辆便可通过 当 KM2 开关开始闭合的时候 KM1 的开关变开始断开 这 时候电机开始反转 闸门闭合 车辆不可通过 停车场控制系统图如下 4 11 主电路控制图如下图 4 12 18 X0 X1 X2 X3 X4 X5 COM COM Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 SB0 SB1 SQ1 SQ2 FU HL1 HL2 KM2 KM1 KM1 KM2 a b c d e f g GND LED1 a b c d e f g 停停 停停 N L FU 220V a b c e f a b c d e f g LED2 a b c d e f g FR 24V 停 停 停 停 停 停 220V GND 图 4 11 控制系统接线图 4 64 6 编程元件的解析编程元件的解析 1 X X 为输入继电器 它的作用是接受并存储外部输入的开关量信号 和对应的输入端子相连 同时提供无数的常开和常闭软触点用于编程 2 Y Y 为输出继电器 它的作用是具有一常开硬触点用于向外部负载发 送信号 每一输出继电器的常开硬触点与可编程控制器的一个输出点相连直接 驱动负载 它也提供了无数的常开和长闭软触点用于编程 3 M M 为辅助继电器 它是由软件来实现的 用于状态暂存 移位辅助 运算及赋予特殊功能的一类编程元件 其作用类似于继电接触控制系统中的中 间继电器 绝大多数的继电器线圈由用户程序驱动 19 4 T T 为定时器 作用相当于继电接触控制中的通电延时型时间继电器 5 D D 为数据寄存器 可编程控制器在模拟量检测与控制以及位置控制 等许多场合都需要数据寄存器来存储数据和参数 6 SQ SQ 为传感器 作用是用来感应进出停车场的车辆 能够在一定的距离 感应到车辆并反馈给控制电路 使之能开闸关闸 UVW FU KM1KM2 FR M 3 QS 图 4 12 主电路控制图 20 第五章第五章 系统调试及结果分析系统调试及结果分析 5 15 1 硬件调试硬件调试 PLC 内部为输入电路所提供的电压是 24V BEN5M DT 光电传感器的驱动电压 为 24V 其输出电路能配置 220V 的交流电源 恰好可以直接驱动负载 满足其 输出指标 按接线图接好线 七段数码显示器能实时显示数据 证明 PLC 选型 正确 光电传感器的选择符合要求 5 25 2 软件调试软件调试 按接线图接好线后 将程序的指令用 FX GX 编程软件输入到 PLC 系统中 编 程器直接对 PLC 的用户程序储存器进行读写操作 采用脱机编程方式将所编制 的用户程序存入编程器的 ROM 中后 经过多次调试 5 35 3 性能分析性能分析 本设计是基于 PLC 的停车场车位控制系统 光电传感器能够迅速将采集到的 信号传输给 PLC 中的计数器 计数器进行加减计数存储 并以 SEGD 码传输给七 段译码显示器 显示器能够实时显示停车场的停车数目 PLC 具有可靠性高 控制程序可变 具有良好的柔性 功能强 性能价格高等特点 该系统自动化 程度高 可靠性高 用 PLC 可以使该设计的要求全能满足 5 45 4 设计的结果设计的结果 入口处的传感器能检测所进车辆的数目 出口处的传感器能检测所出车辆的 数目 当车辆在要进出门 5 米处 闸门会自动开启让车辆进入或出去 当停车 场车满时 车满指示灯会亮 当停车场车位没停满时 车未满指示灯会亮 能 够提醒人们是否还可以停车 显示器能都实时显示停车场所停车辆数 并且车 辆已经停满时 闸门自闭 不会让车辆进入 自己设计的两个方案的控制系统 都达到了设计要求 21 第六章第六章 设计总结设计总结 通过刘国富老