车辆出入库电气控制系统设计

1、电气控制与PLC课程设计说明书题 目： 车辆出入库电气控制系统设计 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 评语：成绩：指导老师签名： 日期： 目 录1系统概述····································&#

2、183;·····················11.1课题背景···························

3、································11.2设计任务与要求················&

4、#183;·············································12方案设计与论证··

5、3;·················································

6、3;·33硬件设计···············································

7、3;···········83.1系统的原理方框图····································

8、3;··············83.2主电路图··································&#

9、183;························83.3 I/O分配·······················

10、3;···································103.4 I/O接线图············

11、3;············································113.5 PLC控制接线图···&#

12、183;··············································123.6 器件选型·

13、3;·················································

14、3;·····133.6.1 部分器件的参数计算··········································

15、;···133.6.2 材料清单·············································

16、;··········154软件设计······································

17、3;····················164.1 主流程····························&

18、#183;······························164.2程序梯形图·················

19、83;······································175.系统调试··········&

20、#183;················································20设计心得&

21、#183;·················································&

22、#183;··········20参考文献······································&

23、#183;······················21 1 系统概述1.1 课题背景随着汽车特别是私有汽车的普及，使用公共场所和社区汽车流转数量激增，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场系统的集中化和智能化的安全性管理控制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管理中存在的缺陷及PLC技术和传感器技术的迅猛发

24、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的车辆出入库管理系统，最大限度地提高了停车场的使用率，实现车辆出入库控制、数量统计、信息查询过程的自动化就显得十分必要。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，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

25、、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、现场总线控制系统，这将使PLC的功能更强、可靠性更高、使用更方便、适用范围更广。1.2 设计任务与要求具体要求为：1、车辆入库时，车辆检测器检测到车辆，司机取出入库卡后，栏杆机电机正转，栏杆机抬起，车位显示器的车位数减1。当入库车辆驶离入库自动栏杆机后，栏杆机电机反转，栏杆机自动下落。2、车辆出库时，车辆检测器检测到车辆，司机投入库卡后，栏杆机电机正转，栏杆机抬起，车位显示器的车位数加1。当入库车辆驶离出库自动栏杆机后，栏杆机电机反转，栏杆机自动下落。3、控制器采用PLC控制。停

26、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。车辆出入库控制系统由入库出卡器，车辆存在车辆检测器，入库栏杆机，入库车辆检测器（当有车辆压住检测线圈时，控制器可以输出一个开关信号，当车辆离开时，控制器的输出开关信号打开）、出库车辆存在车辆检测器、出库栏杆机、库里车辆数显示器（2位7段数码管，车库共有50个车位）组成。栏杆机由单向异步电机拖动250W，AC220V。车辆出入库如图1-1所示。 图1-1 车辆出入库

27、2 方案设计与论证由图1.1可知，设计要求中采用了双车道的方式。根据设计要求，可以设计如下的控制方案。入库时，称重传感器1放在栏杆前方1m处，埋在地下约5-15cm处，栏杆电路可以采用一个平衡电桥。没有入库车辆时，电桥处于平衡状态，传感器输出一个低电平到CPU。当传感器上有车辆时，平衡状态将被打破，输出一个高电平到CPU。当用户取出入库卡并刷卡后，将触发PLC，PLC发出控制信号使入库栏杆机正转，栏杆便被提起。同时，PLC控制计数值减1。在栏杆后面1m处，放置一个光电传感器1，当检测到汽车离开后，触发PLC，PLC发出控制信号使入库栏杆机反转，于是栏杆便被放下。出库时，称重传感器2放在栏杆前方

28、埋在地下约5-15cm处，栏杆电路可以采用一个平衡电桥。没有入库车辆时，电桥处于平衡状态，传感器输出一个低电平到CPU。当传感器上有车辆时，平衡状态将被打破，输出一个高电平到CPU。当用户投入入库卡后，将触发PLC，PLC发出控制信号使出库栏杆机正转，栏杆便被提起。同时，PLC控制计数值加1。在栏杆后面1m处，放置一个光电传感器2，当检测到汽车离开后，触发PLC，PLC发出控制信号使出库栏杆机反转，于是栏杆便被放下。传感器、显示器与栏杆的示意图如图2-1所示。方案确定：（1）PLC的选取，目前在国内市场上应用最广泛的有三种，三菱，西门子和台达。三菱FX2N系列PLC具有结构灵活，传输质量高、速

29、度快、带宽稳定 ，范围广，低成本，适用面广等特点。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，但是成本较高。台达系列是高仿三菱的，虽然价格相对便宜，但是可靠性不高。在此，综合各种因素，选用FX2N系列PLC，又由于输出端子的数量要求，这里选用了FX2N-48MR-001。其供电电压为AC220V，与单相电机的供电电压相同。FX2N-48MR-001是日本三菱公司的可编程控制器(PLC),继电器输出及输入24点,输出24点。FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊

30、功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。其外观示意图如图2-2所示。 图2-1 传感器、显示器和栏杆的相对位置 图2-2 FX2N-48MR实物图（2） 数码管在此选用了共阴极数码管。因为只用到了两根数码管，因此可以采用静态驱动电路。当然，为了方便司机能够看到，在这里选用了字长为80mm的大型数码管。一般来说，显示器的字符高度与眼睛到数码管的水平距离有如下关系。图2-3表示了在一定的角度时，字符高度与观察距离的关系。当高度角小于0.058度时，对观察者来说，字符的形状无法辨认。当观察角为

31、0.167度时，人眼的感觉比较舒服，这样根据选择的字符高度h,可以计算出合适的观察距离。 图2-3 观察距离与字符高度的关系对于字符高度为80mm的LED七段式显示器，适宜的观察距离应小于27m。因为数码管在市面上较为多见，因此对于其选型也没有特别严格的要求。（3）称重传感器在此选用了单臂式压力传感器。其原理在方案设计中已经说明，不再累述。在本设计中选用了日本的NMB CC002压力传感器，其参数如下表2-1所示。其结构示意图如图2-4所示。量程98.07KN10tf-294.2KN30tf零点输出±0.02 mV/V额定输出2.0mV/V±0.002mV/V非线性0.02

32、%R.O.滞后0.02%R.O.蠕变0.08%R.O./20min重复性0.01%R.O.灵敏度温漂0.03%R.O./零点温漂0.008%R.O./20min使用温度范围-2070温度补偿范围-1050输入阻抗700±5输出阻抗800±30绝缘阻抗5000M(50V DC)推荐激励电压12V DC/VC最大激励电压20V DC/VC最大载荷200%安全载荷150%防护等级IP68材料合金钢导线长度12m外观颜色蓝黑色导线颜色红(+E) 黑(-E) 绿(+S) 白(-S) 表2-1 NMB CC002参数表格 图2-4 NMB CC002结构图（4） 光电式传感器在此可以选

33、用遮光式光电传感器，光电开关有光导通，当车辆通过时，光电开关信号通过导线传送给PLC，从而使PLC通过传输的信号进行自动控制。在设计中选择了W9-3小型光电开关，其参数及特性如下：A.采用SICK独创的类激光PinPoint LED光源技术,光点明亮、精确、清晰B.提供漫反红光（350mm）/漫反射红外光背景遮蔽型(800mm)/镜反（5m）/对射（6m）工作方式C.针对透明物体提供了最大5米检测距离和阈值连续可调,确保最稳定卓越的性能D.优异的EMC性能,最大程度的应对来自现场的电磁干扰E.自动校准来自被检测物体和环境的差异,检测准确可靠其外观如图2-5所示。 图2-5 光电式开关W9-3外

34、观（5）刷卡器选取，在这里选用了接触式IC卡，它是一种近几十年发展起来的集成电路芯片技术。优点：相对于磁卡更加安全可靠（数据加密存储，加密读写），数据存储量大，可以一卡多用。可靠性及读写寿命比磁卡高，读写机构比磁卡读写机构简单，造价便宜，使用方便。这里选用卡得智能的KD-D23C/U型非接触式IC读写器。IC卡读写器通过COM口或USB口实现同PC机及相关设备的连接、采用USB2.0技术，即插即用、无须驱动。具有更简单、稳定和低成本的特点。随机提供各种平台的驱动开发包，附带的演示程序可操作射频卡的全部功能，并带有自动测卡操作。其技术参数如下：A.外形尺寸：150mm×100mm

35、15;30mmB.重 量：400gC.可读写13.56Mhz ISO14443 TypeA/B系列射频卡，如Mifare S50 、S70、MF1ICL10、Ultralight、SHC1102、FM08、SHC1104D.通讯协议：支持ISO14443 TyPeA/BE.遵循标准：TSO14443、ISO7816、PC/SC、GSM11.11、FCC、CEF.工作电压：DC5V±10%G.实时时钟显示，Beeper蜂鸣提示操作状态提示H.串口的波特频：9600BPS115200BPSI.接口方式：COM口/USB口J.读卡距离：5cm10cmK.操作系统：Windows2000、M

36、e、2K、XP、2003、2008及Unix和LinuxL.提供DEMO测试软件，dll动态库和开发包，提供C/VB/DP/PB示范程序M.使用环境：温度-2060，湿度10%-90% 3 硬件设计3.1 系统的原理方框图根据方案设计可以画出系统框图如图3-1所示。 图3-1 系统原理框图3.2 主电路图因为任务要求中要求的是用单相电机，单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋

37、转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。由此可知，单相异步电机虽无起动转矩，但有运行转矩。只要解决它的启动问题，便可以带负载运行。一般用得较多的启动方法是两相启动，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕

38、组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场。在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。其原理示意图如3-2所示。 图3-2 单相电机启动原理 在本设计中，因为要实现电机的正反转。可以采取两相分别作为启动绕组和工作绕组的方法。通过这种方法连接的主电路，如图3-3所示。注：主电路中采用1mm2的黑色导线。 图3-3 主电路原理图3.3 I/O点分配本设计中采用三菱FX2N-48M

39、R PLC，根据需要，I/O点的分配如表3-1所示。 输入/输出点 对应信号 X0 称重传感器1 X1 称重传感器2 X2 光电传感器1 X3 光电传感器2 X4入库栏杆电机正转到位开关 X5入库栏杆电机反转到位开关 X6出库栏杆电机正转到位开关 X7出库栏杆电机反转到位开关 X10 入库口刷卡器 X11 出库口刷卡器 X12 FR1 X13 FR2 X14 FR3 X15 FR4 Y0-Y6 个位数码管引脚a-g Y10-Y16 十位数码管引脚a-g Y21 入库栏杆机正转线圈 Y22 入库栏杆机反转线圈 Y23 出库栏杆机正转线圈 Y24 出库栏杆机反转线圈 表3-1 I/O点分配3.4

40、I/O接线图因为本设计中用到的是FX2N-48MR PLC，其控制部分连接原理图如图3-4所示。 图3-4 PLC控制原理图3.5 PLC控制接线图接线图是工作人员安装接线的标准，在接线图中给出了各个部件之间的连接，同时也给出了控制柜的大小，以及某些部分的大小。控制柜的设计要求能够容纳下指定的器件。在本次设计中，由于用到了PLC，因此，在控制柜中，除了考虑常规电气的安装外，还应考虑PLC的安装。考虑到了器件的形状大小，当然还要给接线留有一定的裕量。综合考虑各种因素，可以设计出如图3-5所示的PLC安装接线图。 图3-5 PLC控制柜的安装接线图3.6 器件选型3.6.1 部分器件参数计算1.单

41、相异步电机的确定 单相异步电机有五种形式，分别为电阻起动式，电容起动式，电容运转式，单相电容起动和运转异步电动机和单相罩极式。根据题目要求，最适合的一种为电容起动式。这种电动机在副相绕组中接入两个电容，其中一个电容通过离心开 关，在起动完了之后就切断电源；另一个则始终参与副绕组的工作。这二个电容器中，起动电容器的容量大，而运转电容的容量小。这种单相电容起动和运转的电动机，综合单相电容起动和电容运转电动机的优点，所以这种电动机具有比较好的起动性能和运转性能，在相同的机座号，功率可以提高12个容量等级，功率可以达到1.52.2kW。选择单相异步电机的功率因数为0.6，效率为0.49。其示意图如图3

42、-6所示。 图3-6 电容起动式单相异步电机2.熔断器选择由1可以计算单相异步电机的额定电流。根据公式 PN=UN*IN* 功率因数*效率 （3.6.1）可以求得电机的额定电流为3.9A。则熔体的额定电流由式（3.6.2）可知为5.9-9.8A。 IFU = IN（1.5-2.5） （3.6.2）由此可以选择熔体的额定电流为10A。查找参数手册可知，选择熔断器的额定电流为20A。3. 接触器的选择根据设计要求，可以选择交流接触器，其额定电压可选为220V。剩下便是对于接触器主触头额定电流的选取了，主触头的额定电流应等于或稍大于实际负载额定电流。对于电动机负载，有如式（3.6.3）所示的经验公式

43、。 I= （3.6.3）式中k为经验系数，一般选取1-1.4。计算I的取值范围0.8A-1.2A。因为交流接触器所有型号中，最小的额定电流也为10A，因此只能选择额定电流为10A。另外，查阅每种系列接触器与可控制电机容量的对应表也是选择交流接触器额定电流的有效方法。4. 线缆线径的选择不同截面、不同材料的电线每平方毫米的安全载流量是不同的，电线的长短、要求温升不同，载流也不同。根据电线长度、负载电流求线缆电阻，再根据允许电压计算选线截面。不过在实际中，一般选用经验公式去计算安全载流量，再进行线径的选择。导线的安全载流量是根据所允许的线芯的最高温度、冷却条件、敷设条件来确定的。根据经验可知每平方毫米的铜导线安全载流量为5-8A；铝导线的安全载流量为3-5A。线缆的通电电流可以通过查阅手册得到。在本设计中，因为电机容量较小，而且在2中计算可知电机的额定电流为3.9A。因此可以选择1mm2的铜导线。3.6.2 材料清单在本次设计中用到的器件，其