基于PLC的家用车库监控系统设计毕业论文

1、本本科科毕毕业业设设 计计（论论 文文） 题目题目基于基于 plcplc 的家用车库的家用车库 监控系统设计监控系统设计 学生姓名学生姓名学学号号 教学院系教学院系 专业年级专业年级 指导教师指导教师职职称称 单单位位 完成日期完成日期 2011 年年 6 月月 8 日日 摘要摘要 近年来随着社会的飞速发展，私家车的使用越来越多，家用车库的使用也越来 越广，本文介绍的是采用罗克韦尔 plc，通过 opc 连接，在 pc 机上实现力控组态画 面的监控。 本设计是基于罗克韦尔可编程控制器的模拟监控系统设计和实现。模拟监控系 统硬件采用 controllogix1756 控制器、1756 cnb/e

2、 模块。在模拟监控软件方面， 根据监控要求，利用 rslogix5000 软件并通过开关来模拟各传感器对小车信号的检 测，并通过信号灯来模拟道杆的升降和车库门的开关，利用 rsnetwork 实现控制网 的组态、并利用力控组态监控软件实现车库的远程监控。 本文设计的车库模拟监控系统，如果结合实际要求和条件进行改进和完善，可 以用于实际的车库监控，因此本系统对实际车库的监控系统的设计具有一定的参考 价值。 关键词： controllogix 控制器 ； 力控组态软件； 车库 ；监控系统 abstractabstract in recent years, with the rapid social

3、 development, the use of private cars more and more use of the family garage, more and more widely. this paper, by using rockwell plc is opc connections, pc realize force in the configuration screen monitor control. this design is based on rockwell programmable controller analog monitoring system de

4、sign and implementation. analog monitor system hardware controllogix1756 controller, 1756 by cnb/e module , in analog monitoring software, according to the monitoring requirements, use rslogix5000 software and through the switch to simulate various sensors to detect, car signal through lights to sim

5、ulate the way stem lift and the garage door, using the switch rsnetwork realize the configuration, control network and use the force control configuration monitoring software to realize remote monitoring of the garage. this paper designs the garage simulation monitoring system, if combined with actu

6、al requirements and conditions, and can be used to improve and perfect the actual garage, so this system to monitor actual garage monitoring system design to have the certain reference value. keywordskeywords ：controllogix controller ；force control configuration software；garage ；monitoring system 目录

7、目录 1 绪论绪论.1 1.1 课题的理论与实际研究意义.1 1.2 国内外现状.1 1.3 研究方法和研究内容.2 2 总体方案设计总体方案设计.2 2.1 功能要求.2 2.2 方案比较.3 2.3 方案选定.4 3 控制系统主要软硬件部分控制系统主要软硬件部分.4 3.1 控制系统主要硬件部分.4 3.2 相关开发工具和控制软件.5 3.2.1rslogix5000 .5 3.2.2 rsnnetworx for controlnet.6 3.2.3 rslinx .7 3.2.4 力控组态软件.8 4 系统软件设计系统软件设计.10 4.1 控制程序设计.10 4.1.1 流程图设计.

8、10 4.1.2 程序设计.10 4.2 监控画面设计.12 4.2.1 建立 opc 服务器.13 4.2.2 力控组态监控软件的操作.14 5 系统调试系统调试.16 6 结论结论.21 谢辞谢辞.22 参考文献参考文献.23 附录一附录一：车库监控流程图：车库监控流程图.24 附录二：梯形图控制程序附录二：梯形图控制程序.28 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题的理论与实际研究意义课题的理论与实际研究意义 随着社会经济的发展，城镇人口剧增，汽车拥有量日益提高。由于汽车数量的 快速增加，对停车场的需求必将日益提高，停车难的问题越来越突出，人们对停车 的要求也越来越迫切。车库的产生极大的解

9、决了停车难的问题，由于私家车的越来 越多，家用车库的方便众所周知，所以家用车库有很大的发展空间，如何采用合适 的控制方法，对车库进行自动化控制成为家用车库解决的主要问题。 1.21.2 国内外现状国内外现状 车库的发展，应该说从第一辆汽车诞生以来就随之产生。公安部交通管理局的 统计显示，截至 2006 年底，我国汽车保有量为 2421 万辆，与 2005 年相比，增长 279 万辆，增长率为 13%。在汽车快速增加的同时， “停车难”的问题越来越严重的 凸显出来。 以上海市为例，截止 2006 年底，上海市己拥有机动车辆 150 万辆，其中汽车 80 万辆。而目前全市各类停车场停车位加起来约为

10、 49 万个。而这种情况也挡不住 上海市机动车辆以每年 7 万辆的数量迅猛增长。据预测，到 2012 年机动车拥有量将 达到 200 多万辆。 停车泊位的现状及发展速度远远不能适应客观发展的需求。而对于快速发展的 中国各个城市，停车难也随着城市经济的快速发展和汽车数量的激增接踵而来。资 料显示，全国 36 个大中城市停车位满足率不足 20%，也就是说，目前我国城市每 5 辆机动车辆只有 1 个停车位。 国内家用汽车拥有量的迅速增加，使城市道路交通变得十分拥挤，各大城市高 峰时塞车已经成为天天可见的一道景观。家用汽车的停放也逐渐成为一个社会问题。 我国大城市中由于停车位少，而土地越来越紧缺的情况

11、下，停车位价格十分昂贵， 为解决城市停车难的问题，家用车库是必然出路。我国家用车库发展虽经历了近几 十年的发展，但仍处于初级的停车功能，是最原始的使用阶段，它的设计水平、经 济价值还有待于完善和开发。为此对家用车库设计方案优化具有重大的现实意义和 潜在的市场经济效益。 1.31.3 研究方法和研究内容研究方法和研究内容 通过收集相关资料，设计一个基于 plc 的家用车库监控系统。 本系统的监控画面图 1.1 如下： 图 1.1 2 2 总体方案设计总体方案设计 2.12.1 功能要求功能要求 （1）功能要求为： 1) 小车在车库门口刷卡，2 秒后道杆上升，小车开动，过道杆后，经过地磁传 感器

12、1，地磁传感器检测到小车信号，道杆下降； 2) 小车到达车库门口后停车，车灯闪三次，延时 2 秒后，车门打开，小车继续 运动，车到达车位后，车位传感器检测到车到位的信号，车库门关闭。 3) 小车倒车时，车位传感器检测到倒车信号，延时 2 秒，车库门打开，小车开 始移动，过车门后，小车打一声喇叭，门口声音传感器检测到信号，车库 门关闭； 4) 小车继续运动，当小车到达出口道杆处，停车刷卡，2 秒后道杆 2 上升，小 车继续运动，经过道杆后，地磁传感器 2 检测到小车信号后，道杆下降； 5) 开启、关闭车库门要有提示灯，并能手动控制。按下紧急按钮或车库门、道 杆电机过载时有报警灯； 6) 在微机上

13、用力控设计同步模拟仿真软件，要求与控制系统实现联机通讯，并 能根据不同的要求修改控制参数； 7) 同步模拟仿真软件应具有扩展功能，可以扩展添加其对他类似控制系统的同 步模拟仿真。 2.22.2 方案比较方案比较 本设计是基于 plc 的家用车库监控系统设计，有以下方案： （1）采用三菱 plc，通过 rs232/rs485 接口，在 pc 机上通过 vb 实现画面监控。三 菱 plc 不受环境的限制，有电即可组建网络,传输质量高、速度快、带宽稳定，能够 高质量的传输采集到的数据和信息，范围广，成本低的特点, 适用面广。vb 程序学 习复杂，由于其可视化编程 ，编号后可以立即去看程序效果； （2

14、）采用罗克韦尔 plc，通过 opc 接口，在 pc 机上通过力控组态软件实现画面监 控； 罗克韦尔 plc 采用 logix 多功能控制引擎，带浮点协处理器的 32 位多任务（事件任 务、连续任务和周期任务）实时控制内核，在高速逻辑运算以及复杂回路控制 （0.08ms/k 典型混合程序）等方面表现同样出色，力控软件使用方便，灵活已懂。 2.32.3 方案选定方案选定 通过以上比较，选用罗克韦尔 plc 和力控组态软件实现监控画面的设计。因为 罗克韦尔 plc 有高速运算逻辑，通过 opc 连接力控组态软件，实现画面的监控。总 体方案图 2.1 如下： 2.1 总体方案设计 3 3控制系统主要

15、软硬件部分控制系统主要软硬件部分 3 31 1 控制系统主要软硬件部分控制系统主要软硬件部分 (1) controllogix1756 系列 controllogix1756 系列模块包括 10 槽机架 1756-a10、电源模块 1756-pa75, 控 制器模块 1756-l61、工业以太网模块 1756-enbt 和控制网模块 1756-cnb。 机架部分:机架有 4, 7, 10, 13 和 17 个槽之分，所有的机架都采用后备的 安装方式，为控制器(logix6l)、电源模块、通讯模块(cnbr)、输入/输出模块等提 供了可容纳的框架。结合实验室所需的模块设备，本次设计选用 10 槽

16、机架。 logix6l 控制器: 是控制系统的核心模块，负责控制系统的控制工作，它采 集输入/输出模块、通信模块等的数据，运行功能程序，实现全程控制；控制器还为 各种人机界面提供了开放、方便自由的网络通道，可以简捷而快速的访问控制器的 内存，获取数据。 以太网(ethernet/ip):使用标准简单网络管理协议(snmp)，利用以太网处理 器内置的通信能力，使以太网和标准指令之间获得高性能的对等通信。计算机通过 rslinx 软件，其应用程序可直接与以太网处理器之间建立通信；并且使用 rslogixs000 编程软件对处理器控制程序进行远程编程和调试调试；用 rsview32 人 机界面软件对

17、其进行综合数据采集和信息管理。 控制网(controlnet): 主要实现控制器、输入/输出模块以及现场设备之间 的通讯，是连接 controllogix 系统、flex i/o 扩展端口和加工单元设备之间的桥 梁。 (2) 1794 flex i/o 1794 flex i/o 是 controllogix 系统的输入输出扩展端口之一，它的输入输出 模块上具有多个接口，有利于多个实验设备的输入、输出数据之间进行传递和交换， 为网络化实验室的建立提供了基础。分布式 1794 flex i/o 系列模块，包括电源模 块、适配器、输入模块和输出模块（数字量、模拟量） 。 3.23.2相关开发工具和

18、控制软件相关开发工具和控制软件 3.2.13.2.1 rslogix5000rslogix5000 rslogix5000 是 controllogix 系统的专用编程软件，功能强大易用，不仅可用 与对控制器进行常规的编程，也可用于组态和监控，所有的对外交换的信息，不管 是 i/o 刷新信息，还是对外设备的通讯信息，都要经过编程软件的组态或编程，更 重要的是它面对系统的监视功能和诊断功能，所有它属下模块的工作状态全在它的 监视之下，其诊断结果将明了告知问题所在，可正确迅速地查找原因，这是传统控 制器编程软件不能企及的。 (1) rslogix5000 编程方式：梯形图、功能块图、顺序功能图和结

19、构文本。本设 计采用梯形图编程。 (2) rslogix5000 编译环境 本设计梯形图编译环境如图 3.1 所示： 图 3.1 梯形图编译环境 3.2.23.2.2 rsnetworxrsnetworx forfor controlnetcontrolnet rsnetworx for controlnet 是罗克韦尔自动化公司提供的 controlnet 设置配置 软件，提供网络组态和监控，可用于在线配置和离线配置。 rsnetworx for controlnet 的运行需要依赖于 rslinx 通信软件。rslinx 为 controlnet 网卡提供驱 动，并且为 rsnetworx

20、 for controlnet 软件和 controlnet 网卡之间的数据交换提 供接口。 controllogix 通讯网络主要使用 controlnet，具有功能强大、控制灵活、安装 调试简便等特点，他的 nut 范围为 2ms100ms。controlnet 正常运行必须经过 rsnetworx 的网络调度，即在 rsnetworx 中对网络中的参数进行设置之后才能使用， 比如 nut。在实际的工业现场模拟控制系统之中，根据有关的原则进行灵活调整， 以能够做到通讯的准确可靠。 controlnet 基于 canbus 技术，可连接拖动装置、串并行设备、pc、人机界面等。 它用于 plc

21、 与计算机之间的通信网络，还可以用于逻辑控制系统和过程控制系统， 传输速率为 5mbps。 控制网是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。 它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它作为控制器和 i/o 设备之间的一条 高速通信链路，综合了现有各种网络的能力。 controlnet 是实时控制层网络，在单一物理介质链路上，可以同时支持对时间 有苛刻要求的实时 i/o 数据的高速传输，以及报文数据的发送，包括编程和组态数 据的上载/下载以及对等信息传递等。在所有采用 controlnet 的系统和应用中，其 高速的控制和数据传输能力提高了实时 i/o 的性能和对等通讯的能

22、力。 controlnet 是一种高度确定性网络，因为它能够可靠地预测报数据传递完成的 时间。同样，controlnet 也因其可重复特性而闻名，该特性保证了传输时间为可靠 的常量，且不受网络上节点的增加或减少的影响。这些都是保证实现可靠、高度同 步和高度协调的实时性能的至关重要的要求。不同于其他基于双绞线的网络。 controlnet 使用光纤介质的最远距离可达 30 公里，并且速度都始终保持在 5mbps 而不会随距离衰减，并可在噪声环境中使用。这些都使得 controlnet 当之无愧地成 为连接远程 i/o 和对等 plc 主站的最理想的网络。 3.2.33.2.3 rslinxrsl

23、inx 通讯工具软件是为计算机将设备配置、网络组态信息及程序传送至现场设备而 使用的软件，它可以将组态或程序信息根据总线协议/规范的通讯要求进行处理，再 从计算机通过网络接口传送至现场设备，同样也可以采集现场设备的数据。 rslinx 通讯软件是在 microsoft windows 操作系统下建立计算机与现场设备所 有通讯方案的工具，它是一个 32 位应用程序，充分利用了 windows 操作系统的多处 理性能。rslinx 为 a-b 公司的可编程序控制器及其他控制设备与各种罗克韦尔自动 化公司的软件及 a-b 公司的应用软件之间建立起通讯联系等。rslinx 作为通讯工具 软件，它可以通

24、过计算机的各种通讯接口，同时为所支持的多个应用程序组合运行 服务，使一台计算机同时与多种网络上的设备通讯。 rslinx 软件可以为所有 allen-bradley 网络提供完整的驱动程序，通过该软件， 用户可以通过一个窗口查看所有活动网络，也可以通过一个或多个通讯接口同时运 行任何所支持的应用程序的组合，并且 rslinx 提供快速的 opc, dde 和 custom c/c+的接口，可与第二方软件通信。在 rslinx 中集成了众多设备配置和监视工具， 仅需要用鼠标选取和点击所需设备就可以完成相应的操作。 3.2.43.2.4 力控组态软件力控组态软件 力控组态软件是一个既可以运行在 w

25、indows98/2000/nt 环境，又可以运行于 windows ce、dos 等嵌入式环境的控制功能软件模块。它采用功能框图的方式为用 户提供组态界面，具备与实时数据库、图形界面系统通讯的功能。 （1） 变量功能块 变量功能块用来为其他功能块提供初始操作数、最终运算结果的变量连接。在 每一个变量功能块的属性框中都可以选择变量数据源/目的名称及其参数名称。共有 常数、输入变量、输出变量、系统变量、全局输入变量和全局输出变量等 6 个变量 功能块。 （2） 数学运算功能块 数学运算功能块可完成变量的计算处理。共有加法、减法、乘法、除法、乘方、 取余、绝对值、正弦、余弦、正切、反正弦、反余弦、

26、反正切、自然底幂数、平方 根、常用对数、自然对数和取整等 18 个数学运算功能块。 （3） 逻辑功能块 逻辑功能块根据所选的算法执行逻辑功能，每个逻辑块最多有 4 个输入，并产 生单一布尔输出。功能块可以要求实型输入或布尔型输入。实型输入可以是外部输 入、内部输入和逻辑模块的输出。共有与、或、异或、非、与非、或非、2 个输入 on 限定或门、3 个输入 on 限定或门、3 个变量一致性检查、选择开关、定长脉冲、 最大时限脉冲、最小时限脉冲、延时、开延时、关延时、看门狗、rs 触发器、变化 检测、带死区的等于比较、带死区的不等于比较、带死区的大于比较、带死区的大 于等于比较、带死区的小于比较、带

27、死区的小于等于比较、选通器等 26 个逻辑功能 块。 （4） 程序控制功能块 程序控制功能块用于不同控制策略之间的嵌套。共有跳转、调用子策略、返回 和注释等 4 个功能块。 （5） 控制算法功能块 控制算法功能块主要用于完成各种模拟型的控制策略。共有纯滞后补偿、滤波 器、一阶传递函数、模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出、计时器、计数器、 pid 控制器、线性变换、开关控制器 51、开关控制器 13、三者取中、限值器、累计 器、比例器、温压补偿、高低选和平均、通用线性化、比值控制器、斜坡控制器、 数字组合点、计算器、条件动作表、加权平均等近 30 个功能块。 4 4 系统软件设计系统软件设计

28、 4.14.1 控制程序设计控制程序设计 4.1.14.1.1 流程图设计流程图设计 小车在车库门口刷卡，2 秒后道杆上升，小车开动，过道杆后，经过地磁传感 器 1，地磁传感器检测到小车信号，道杆下降；小车到达车库门口后停车，车灯闪 三次，延时 2 秒后，车门打开，小车继续运动，车到达车位后，车位传感器检测到 车到位的信号，车库门关闭。小车倒车时，车位传感器检测到倒车信号，延时 2 秒， 车库门打开，小车开始移动，过车门后，小车打一声喇叭，门口声音传感器检测到 信号，车库门关闭；小车继续运动，当小车到达出口道杆处，停车刷卡，2 秒后道 杆 2 上升，小车继续运动，经过道杆后，地磁传感器 2 检

29、测到小车信号后，道杆下 降； 车库工作流程图见附录一所示。 4.1.24.1.2 程序设计程序设计 首先，在 rslogix5000 编程软件工作环境下，它自带主程序，若要编写子程序， 则要建立新的任务和子程序例程，相关设置根据实际情况而定。 接着在任务栏的 i/o configuration 中按照 rslinx 的控制器网络连接方式进行 组态，其中需要特别注意设备所对应的槽号和编号要分别对应。本设计中所建立的 i/o 组态如图 4.1 所示: 图 4.1 车库单元的 i/o 组态 然后在 program tags 中对中间过程量建立标签，并注意数据类型，可以在描述栏对其进行 标签，这些标签

30、只能用于主程序中，而在 controler tags 中建立的标签可以运用于所有的程序。 对自动加工的加工单元编写梯形图程序，可建立标签如图 4.2 所示： 图 4.2 主程序中间量标签设置 在对系统进行 i/o 组态后，根据 rslinx 添加相应的控制器、控制网络和相应的 1794 flex i/o 输入输出端口或者本地 i/o 口。则会在 controler tags 中系统自动 生成标签，如图 4.3 所示。用户可以在相应端口进行标签设置，从而方便梯形图的 编写，如图 4.4 所示。 图 4.3 controler tags 车库监控流程梯形图程序,结果如附录二所示。 4.24.2 监

31、控画面设计监控画面设计 “组态” （configuration）的概念也是伴随着 dcs 而发展起来的，其含义是 使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先 设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。监控组态软件就是用于监控生 产等自动化过程的组态软件。监控组态软件最早出现时，hmi（human machine interface）或 mmi(man machine interface)是其主要内涵，即主要解决人机图形 界面问题。随着监控技术的快速发展，实时数据库、实时控制、scada、通信及联网、 开放数据接口、对 i/o 设备的广泛支持等已成为监控组态软件

32、的主要内容。 监控组态软件具有如下基本特点： （1）实时多任务：这是监控组态软件最突出的特点。在 scada 系统中，实时多 任务主要体现于数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实 时数据的存储、检索管理、实施通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行； （2）面向自动化工程设计人员：组态软件使工程设计人员可以方便快捷的设计、 编制和修改应用程序而不需要修改软件程序的源代码； （3）高可靠性：在正常情况下，软件系统应稳定可靠地运行。如果对系统的可 靠性要求得更高，可以利用冗余技术构成双机乃至多机备用系统。 本设计采用 rsview32 组态监控软件。 4.2.14.2.1 建立

33、建立 opcopc 服务器服务器 使用 rslinx 软件，点击 dde/opc，选择 topic configuration，在左边窗口中 新建一个标题名称，在右边窗口选择相应的处理器（注意：连接对象是处理器，不 是其他的模块） ，点击 apply 就建立好了，如图 4.4 所示： 图 4.4 opc 服务器的建立 4.2.24.2.2 力控组态监控软件的操作力控组态监控软件的操作 （1）打开力控组态软件，与罗克韦尔 plc 建立，开发系统数据库组态如下图 4.5 所示： 图 4.8 标签建立 （2）在力控组态软件上建立 opc 连接 图 4.8 创建 opc 进入程序: xiaoche1.

34、pv=0; xiaoche2.pv=0; 程序运行周期执行: if dg1.pv=1 then i=1; xiaoche1.pv=0; endif if i=1 endif if cs.pv=1 then j=1; endif if dg2.pv=1 then j=0; endif if dw.pv=1 endif 5 5 系统调试系统调试 控制网络与 1974 flex i/o 的实物连接图如图 5.1。 图 5.1 控制网络结构连接实物图 软件通讯连接图如图 5.2 所示。 图 5.2 软件通讯连接图 首先，rslinx 与下位机的控制器进行连接，读取控制器中各模块的位置及相互 的连接等信

35、息，如图 5.3 所示： 图 5.3 rslinx 通讯网络配置图 其次，rsnetworx for controlnet 通过 rslinx 在线读取控制器部分的信示， 如图 5.4 所示： 图 5.4 rsnetworx for controlnet 配置图 然后，在 rslogix5000 中按照 rslinx 中模块的顺序进行加载，加载时槽号 slot 必须与在 rslinx 中读取的一致，在配置 controlnet 时，需要加载 rsnetworx for controlnet 软件中配置好的文件，所有的这些配置结束后，就可以编写自己的程序， 从而对车库门和道杆进行控制。 最后，监控软件力控组态软件通过 rslinx 与 rslogix5000 中的变量等信息绑定， 在上位机上可以实时的显示小车变化过程以及输入/输出控制器中的各种控制命令， 使得对车库的监控更形象、简捷、实用。 本设计的系统调试主要为软件调试。为了使软件与硬件配合达到控制要求，采 用了 plc 的符号梯形图方式编程，这种方式直观，便于监控和局部修改。 当使用 rsnetworx for controlnet 网络组态软件将控制网完成优化以后，就可 以将程序下载到对应的控制器里边进行程序的运行调试了