车辆出入库管理PLC系统设计

毕业设计 车辆出入库管理 PLC 系统设 计 目目 录录 第第 1 1 章章 概述概述 .1 1 1.11.1 国内外状况及发展趋势国内外状况及发展趋势.1 1 1.21.2 PLCPLC 的发展历史的发展历史 .2 2 1.31.3 PLCPLC 发展新动向发展新动向 .3 3 1.41.4 PLCPLC 的基本结构的基本结构 .3 3 1.51.5 PLCPLC 的特点的特点 .4 4 1.61.6 PLCPLC 的工作原理的工作原理 .5 5 1.71.7 PLCPLC 的选型的选型 .6 6 第第 2 2 章章 技术参数及方案的设计技术参数及方案的设计 .7 7 2.12.1 技术参数和条件技术参数和条件.7 7 2.22.2 整体方案设计整体方案设计.7 7 第第 3 3 章章 系统的硬件设计及端口分布系统的硬件设计及端口分布 .8 8 3.13.1 整体框架整体框架.8 8 3.23.2 传感器型号参数传感器型号参数.8 8 3.33.3 PLCPLC 电路设计电路设计 .1010 3.43.4 PLCPLC 选型机选型机 I/OI/O 点分配点分配 .1111 第第 4 4 章章 程序设计程序设计 .1313 4.14.1 控制要求控制要求.1313 4.24.2 计数逻辑计数逻辑.1313 4.34.3 程序流程图程序流程图.1414 4.44.4 梯形图梯形图.1515 4.54.5 指令语句表指令语句表.1919 结结 束束 语语 .2222 致致 谢谢 .2323 参考文献参考文献 .2424 . . 第 1 章 概述 1.1 国内外状况及发展趋势 近 20 年来，随着我国城市建设速度的加快，城市交通需求量也日益增大。由于 私家车、出租车比重呈现逐年上升的趋势，因此车辆停放依旧是市民最为关注的问 题。 据有关方面统计，截止 2008 年统计，我国生产汽车 934.5 万辆，同比增长 5.2%，我 国国内汽车销量为 938.05 万辆，同比增长 6.7%。由于汽车数的增长远远高于停车位 的增长，我国每年停车位的缺口高达 300 多万个，城市停车位远远不能满足需要。 当前我国的汽车与车位数量之比约为 5:1，而正常的平衡比例应当是 1:1.2，差距很 大，需要大量增加停车位，在城市土地资源紧缺的情况下通过地面增加车位已难以 满足要求。 在寸土寸金的城市中心不可能浪费大面积土地来用于停泊车辆的广场型停车场 或者路边停车区；地下停车场存在着施工周期长及造价较高的局限性。此状况下机 械式立体车库的优点十分明显。 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（Programmble 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（Fieldbus Control System） ，这将使 PLC 得功能更强，可靠性更高，使用更方 便，适用范围更广。 近几年，随着停车需求的不断增长，车辆出入库的规模也越来越趋于大型化。 因此车辆出入库管理系统也向大型化、复杂化和高科技化方向发展。自动化的车辆 出入库已经成为智能交通和智能建筑的重要组成部分。随着经济的发展和停车需求 的增长，车辆出入库管理系统的下一个技术发展方向将是智能化、网络化、集成化、 人性化。提高车辆出入库的运行效率、加强安全性以及与智能交通系统的信息互动， 把相关科学技术发展领域的最新成果合理有效的应用到智能车辆出入库的完善和发 展中是当前车辆出入库研究领域的首要任务。 . . 1.2 PLC 的发展历史 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序控制器 PDP-14，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，这是第一代可编程序控制器， 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 发展：20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程序控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装 置。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展 起来后，为了方便和反映可编程序控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller （PLC） 。 20 世纪 70 年代中末期，可编程序控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全 面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更 可靠地工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业 中的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生 产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志可编程控制器已步入成熟 阶段。 20 世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能 力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领 域处于统治地位的 DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时 期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界 面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。 1.3 PLC 发展新动向 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用 . . 可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数 和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。PLC 已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、 汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能 力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。 1：产品规模向大、小两个方向发展 大：I/O 点数达 14336 点、32 位为微处理 器、多 CPU 并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。 小：由整体结构向小型模 块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。 2：PLC 在闭环过程控制中应用日益广泛 3：不断加强通讯功能 4：新器件和模块不断推出 高档的 PLC 除了主要采用 CPU 提高处理速度外，还 有带处理器的 EPROM 或 RAM 的智能 I/O 模块、高速计数模块、远程 I/O 模块等专用 化模块。 5：编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化，有各种简单或复 杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的 PLC 指令系统 6：发展容错技术，采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 7：追求软硬件的标准化。 1.4 PLC 的基本结构 1.4.1 中央处理器（CPU） 中央处理器（CPU）是 PLC 的控制核心。它按照 PLC 系统程序赋予的功能：a.接 受并存储从用户程序和数据；b.检测电源，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。 1.4.2 I/O 模块 输入模块和输出模块简称为 I/O 模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系 外部现场设备和 CPU 模块的桥梁 输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、 数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开光量输入信 号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的 模拟量电流电压信号。卡关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、 数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等 执行装置。 . . 1.4.3 编程装置 在对 S7-200 编程时，应具备一台安装有 STEP7-MicroWIN 编程软件的计算机、 一根连接计算机和 PLC 的 RS-232/PPI 通信电缆或 USB/PPI 电缆。用它来编辑、检查、 修改用户程序，并监视用户程序的执行情况。 使用编程软件，可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并且 可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到 PLC，也可以将 PLC 中 的程序上载到计算基金，程序可以存盘或打印。 1.4.4 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。如 FX1S 额定电压 AC100V240V，而电压允许范围在 AC85V264V 之间。 允许瞬时停电在 10ms 以下，能继续工作。 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。一般小型 PLC 的电源输出为两部 分：一部分供内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。 1.5 PLC 的特点 PLC 之所以能够发展，除了它顺应了工业自动化的客观要求之外，更重要的一方 面是由于它具备许多适合工业控制的优点，较好地解决了工业控制领域中普遍关心 的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它具有以下几个显著特点： 1.5.1 编程方法简单易学 梯形图是使用最多的 PLC 的编程语言，其图形符号和表达方式与继电控制电路 图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电控制电路图的电气人员，只需 要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制程序，而且可以根据现场的情况， 在生产现场一边调试边修改程序，以适应生产需要。 1.5.2 功能强，性价格比高 一台小型 PLC 内有成百上千种可供用户使用的编程软件，有很强的功能，可以 实现非常复杂的控制功能与相同的继电控制系统相比，具有很高的性能价格比。 1.5.3 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用 户选用，用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同功能和不同规模的系统。PLC 的 安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。 1.5.4 可靠性高，抗干扰能力强 . . 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接 触不良，容易出现故障，PLC 用软件代替大量的中间继电器盒时间继电器，仅剩下与 输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的 1/101/10，因触点 接触布朗造成的故障大为减少。 1.5.5 系统的设计、安装、调试工作量少 PLC 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 器等器件等，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 PLC 的梯形图程序一般用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌 握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统系统电 路图的时间要少的多。 1.5.6 维修工作量小，维修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执 行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的信息迅速的查明 故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。 1.5.7 体积小，能耗低 PLC 平均无故障时间可达到数万小时以上，使用寿命可达几十年。对于复杂的控 制系统，使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，因此，控制柜的 体积可以缩小到原来的一半到 10 分之 1。特别是小型 PLC 的体积仅相当于两个继电 器的大小，且能耗仅为数瓦，所以它是机电一体设备的理想控制装置。 1.6 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。 1.6.1 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。 完成输入端刷新阶段后，将关闭出入端口，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 下一步周期的输入刷新阶段才能被读入。 1.6.2 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入端的控制程序，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存储器和输出状态寄存器。当最后一条控 制程序执行完毕后，即转入刷新阶段。 1.6.3 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 . . 出影像寄存器） ，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，因此称为循环扫描方式。显示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，所以系统存在输入输出之后现象， 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。总之，PLC 采用扫描的工作方式， 是区别于其他设备。 1.7 PLC 的选型 现在应用最广泛的 PLC 有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。三菱 PLC 结构灵活、 传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、实用面广但是数据处理比西门 子弱。 德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛， 在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的 PLC 产品包 括 LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI 人机界面，工业软件等。西门 子 S7 系列 PLC 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更 高。最大特点之一。 第 2 章 技术参数及方案的设计 2.1 技术参数和条件 利用 PLC 控制停车场的空位显示，实现全自动运行。停车场的空位假设为 99 个， 停车场全控是启动按钮 SB1 后，根据出口，入口的车辆检测传感器 1#、2#的检测， 计算是否有空位？若有空位，点亮入口的绿色指示灯 L1，否则点亮入口的红色指示 灯 L2。 . . 图 2-1 传感器布置图 停车场的空位有 99 个。 启动按钮 SB1 在停车场全空时按下，另设停止按钮 SB2。 出口、入口的车辆检测传感器各 1 个，用来检测车辆的进出。 入口的指示灯两个，用来指示有无空位。 2.2 整体方案设计 整个系统有一个启动按钮和一个停止按钮，按下启动按钮，整个控制系统运行， 按下停止按钮则系统停。入口有两个灯，分别是红灯和绿灯作为输出，电路中还有 个加减计数器，它的设定值是 99。加减计数器随着车辆的进出而加减，一旦计数器 达到 99，入口处的红灯就亮，提醒司机朋友此停车场的车位已满。而其他时候都为 绿灯，表示此停车场还有停车位。 第 3 章 系统的硬件设计及端口分布 3.1 整体框架 1. 入库车辆前进时，经过 1#2#传感器计数器 C6 加 1，后退时经过 2#1#传感器 计数器 C6 减 1，单经过一个传感器则计数器 C6 不动作。 2出库车辆前进时，经过 2#1#传感器计数器 C6 减 1，后退时经过 1#2#传感器 . . 计数器 C6 加 1，单经过一个传感器则计数器 C6 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。 本系统设计通过光传感器进行信息采集之后，传到可编程控制器进行处理，然 后经过一系列相关处理之后，在数码管显示相应的车辆数，以此来实现车辆输入库 管理。其系统整体框图如下： 图 3-1 系统整体框图 3.2 传感器型号参数 3.2.1 光电传感器： Q23 系列偏振反射板式 Q23 系列反射板式发射器 (E) 型号： 236Q Q23 系列反射板式接受器 (R) 型号： 623SNQ 检测距离： 供电电压：24V DC 输出形式：互补型固态 m8VDC24NPN 特点： 聚焦式焦距为 供电电压 mm50 VDC3010 短距离和长距离直接反射式以及光钎式 互补型输出 可见红色光源易于安装及对准 防护等级 IP67 和 NEMA6 带自诊断功能，有 LED 状态指示灯 产品附带安装支架 树脂封电路及坚固的 ABS 外壳 可选电缆式或接插件式接线方式 . . 图 3-2 Q23系列偏振反射板式实物图 图 3-3 偏振反射板光度分布图 原理分析：偏振镜头与可见光的反射板式传感器配合使用，能很好解决光亮物体的 检测问题。两个偏振镜头分别安装在发射器和接收器镜头的前面，偏振方向互相垂直。 发射光经发射器垂直偏振镜头偏振后，变成垂直振动的光波，此光波经反射板 反射（去偏振）后，变为水平方向振动的光波，这种光波可通过接收器的水平偏振镜头 被接收器接收。 偏振镜头虽然解决了传感器检测光亮物体时的误动作问题，但同时也大大减弱 了有效光束的能量，这一点对于检测环境灰尘较大或需要较长检测距离的应用场合尤为 重要。偏振反射板式传感器仅能与带几何棱镜的反射板配合使用。 光电传感器的布置方案：光传感器的布置安装需要考 虑误计数和漏计数问题，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 不可以计数；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。 图 3-4 光电传感器布置图 3.2.23.2.2 桥式测力称重传感器：桥式测力称重传感器： 型号 CYB-605S 供电桥电压：V2410 输出灵敏度 、 、 VmV /0 . 2mA204V51 非线性： 重复性： 蠕变：输FS%02. 0FS%015 . 0 min30/%02. 0FS 出阻抗： 5365 绝缘电阻： M500 . . 温度补偿范围： 5510 工作温度范围： 8535 安全过载能力: FS%150 极限过载能力： FS%200 传感器材料：不锈钢/合金钢 引线方式：直线引线 图 3-5 桥式测力称重传感器实物图 图 3-6 桥式测力称重传感器受力方式 图 原理分析：对称重传感器设定车辆检测范围，当称重传感器检测车辆到位，信号传 到 PLC，进行相应的程序运行。结构合理，使用简单，安装方便。主要适用于车载专 用秤、天车秤及车辆轮、轴力的测量。 3.3 PLC 电路设计 3.3.1 PLC 输入电路设计 PLC 依据接收到的车辆检测信号判断是否允许车辆通过道口，因此车辆检测器的选用 与输入通道的接口电路设计是非常重要的。 3.3.2 输入接口电路 为了保证能在恶劣的环境中使用，PLC 输入接口需采用隔离措施。采用光电耦合 器为电流输入型，能有效地避免输入端引线可能引入的电磁场干扰和辐射干扰。 3.3.3 PLC 输出电路设计 通过控制指示灯指示车辆通行情况，控制显示牌显示车库存放车辆情况。故 PLC 的接线图如下： . . 图 3-7 PLC 外部接线图图 3.4 PLC 选型机 I/O 点分配 设计中采用内存为 3.2K，最大 I/O 点数 640 点的微处理器，电源使用带有 24VDC 和 AC1 10-120/220-240V 的使用电源根据系统控制要求，本系统需计数器 3 个，16 个 输入点和 16 个输出点，所选 PLC 类型满足系统要求。 . . 表 3-1 I/O 接口地址分配表 输入信号输出信号 传感器 1# I0.1 发光二极管 Q0.2 传感器 2# I0.2 接 LED 脚 b Q1.0 报警 I0.3 接 LED 脚 a Q1.1 接 LED 脚 c Q1.2 接 LED 脚 d Q1.3 接 LED 脚 e Q1.4 接 LED 脚 f Q1.5 接 LED 脚 g Q1.6 接 LED 脚 b Q2.0 接 LED 脚 a Q2.1 接 LED 脚 c Q2.2 接 LED 脚 d Q2.3 接 LED 脚 e Q2.4 接 LED 脚 f Q2.5 接 LED 脚 g Q2.6 . . 第 4 章 程序设计 4.1 控制要求 （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，单位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。 4.2 计数逻辑 1.光传感器的接收光被遮断时定义为“有信号” ； 2.传感器 1#有信号时启动增计数逻辑； 3.传感器 2#有信号时启动减计数逻辑； 4.传感器 1#完成脉冲同时 2#有信号，则启动增计数逻辑； 5.传感器 2#完成脉冲同时 1#有信号，则启动减计数逻辑； 6.传感器 1#和传感器 2#都完成脉冲后进行相应计数动作； 7.传感器 1#和传感器 2#都没有信号时进行小复位动作； 8.增计数与减计数的启动逻辑互锁； 9.增计数和减计数的进行逻辑互锁。 10.计数值超过+99 后从零开始计数并报警（发光二极管） 其中： 条件 2 和条件 3 为“方向判定条件 1” ； 条件 4 和条件 5 为“方向判定条件 2” ； . . 4.3 程序流程图 图 4-1 程序流程图 . . 4.4 梯形图 . . . . . . . . 4.5 指令语句表 . . . . . . 结 束 语 本设计采用光传感器采集信号，使用 PLC 控制，用数码管显示，本设计可以可 靠准确的完成了车辆出入库时的统计和显示工作，无论车辆往返情况如何，都不会 出现误计和漏计数，在外界干扰情况较大的情况下，都不会出现相关的误计数。两 个 LED 数码管显示，既经济实用又方便。 本设计具有以下优点:计数动作准确可靠，设备安装简单，性价比高，自动化程 度高，抗干扰能力强，剩余端口便于其他功能的扩展。 设计过程中，通过针对性地查找资料，了解有关 PLC 方面的资料，既增长了自 己的知识面，补充最新的专业知识，又提高了自己的应用能力和实践能力，对学过 的课本理论知识起到了很好的温习作用。通过对车库车辆出入库管理设计，让我很 好的运用了 PLC 的知识，对课本知识进一步的消化和巩固。随着汽车特别是私有汽 车的普及使用，对大型停车厂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。针对现有的停车系统挂历中存在的缺陷及 PLC 技术和传 感器技术的迅猛发展所带来的新控制方式和管理方式的变革，采用先进的、科学的、 合理的设计方法，建立一套基于 PLC 车辆出入库管理系统，实现车辆出入库，数量 统计、信息查询过程的自动化，就显得十分必要。 建立提高停车场利用率和方便驾车者的信息系统，通过信息显