【《基于PLC的车辆出入库系统设计》10000字】

基于PLC的车辆出入库系统设计摘要：本设计是由PLC调节的立体车库双停车库控制系统。该课题设计了一套以PLC为核心的汽车出入库管理系统，PLC智能高效响应快、操作简单。设计中实现了利用光电传感器检测车辆信号以进出车库的车辆计数、追尾报警、道闸控制，实现停车场的全方位智能控制功能。因为人们生活质量的不断提升，车辆逐年增加，车库的管理方面还需要进一步的优化，这一情况下，以PLC为核心设计车辆出入库管理系统。综合应用已学习的基本理论知识和有关电子元器件连接图，完成了该设备的构思、实施说明、设计、方案制定。完成了车辆进出检、数字时钟、车位数量显示、道闸升降的设计。关键词：PLC系统；立体车库；智能控制目录TOC\o"1-3"\h\u14379第1章绪论 页第1章绪论1.1选题背景与意义1.1.1选题背景停车场管理模式出现了由人工管理向智能化管理转变趋势。目前国内大多数城市都在积极建设或正在进行规划设计中。停车场的管理水平将对整个交通系统的运行效率和服务水平产生直接影响。传统的管理方式主要是通过人工管理来进行收费和停车等工作，这种模式存在着很多弊端：人工计费工作量大。自动化程度不高，管理随意性大。在人类文明步入信息时代的今天，现代建筑已经步入智能建筑时代，以计算机技术为核心的网络互连技术、现代通信技术、信息发布技术、数据库技术等已经成为智能信息获取、处理、传输以及应用的关键途径，而自动化控制技术则是其中的关键技术之一。尤其是IC卡技术在最近几年得到了大量的使用，使停车场的成本逐渐降低。所以，全人工进行停车场管理已经很难满足时代发展的需要，对停车场进行监控、自动化和智能化管理是有必要的。该自动化传输设备具有对数据进行收集，储存以及传输的功能，并且能够自动地完成对车辆进行访问，托举以及计时。整个停车场的装置智能化程度高、停取车流程自动化程度高、停车场的空间利用效率高。同时这种停车场需要在建筑上进行专业化规划，对停车场设备提出了更高的专业化需求。1.1.2选题意义伴随着社会的进步，城市中汽车也在不断增加。车辆的中央存储和控制点是必要的，以确保车辆进入有序，车辆安全存储，车辆存储和转向可以补偿。停车场控制系统就是以现代电子与信息技术为依托，设置于停车场入口与出口处，用于车辆判断、引导、装载、登记、识别、进出/拒行、放行等功能的自动识别设备，并通过非接触式卡片或者车牌识别等方式驶入与驶出本地区。旨在对车辆的通行进行有效的管控，人员记录所有细节并自动计算税款金额，以便实施车辆安全管理和现场纳税。所以研究停车控制系统有一定的理论与实际意义。基于PLC的自动控制系统以其操作性强、灵活性好、结构简单、可靠性高等优势得到了大量的使用。用于停车场控制系统能够大大提高停车场的设计效率，缩短维护周期，提高系统的可靠性。很有实用价值。停车管理系统要注意车辆出入的规范指示，为司机提供车辆驶入时停车位的精确数量及具体地点，同时要记录好车辆驶入后总人数，从而减少行车过程中车辆的数量。进入车辆的指示可以完全由PLC控制和处理，这大大减少了现代社会的“停车困难”问题。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状机械停车库首先在美国兴起，并于二十世纪初建成。经过几十年的发展，机械停车场已经成为一个成熟行业，并获得了较好的社会效益与经济效益。但在社会经济飞速发展的今天，车辆停放要求也在不断提高，这就促使机械立体仓库不断增加。后来因为私人汽车逐渐流行，机械车库在欧洲较发达地区开始推广使用，停车设备研究逐步增多，科技和工业设备较先进的国家为德国与意大利，较知名的公司包括德国Palis公司、意大利Sotefin公司，受益于欧美国家土地辽阔、资源较丰富，他们多使用巷道堆垛式立体设备。韩国和日本汽车工业水平比较发达，汽车人均拥有量也相对较多，停车问题特别突出，在数十年的发展过程中，参与立体停车设备生产的企业规模也在逐步扩大，此后一直在稳定发展中。并将车辆管理系统作为专业数据库应用软件进行开发。该管理系统由车辆管理公司自主研发，运用了先进技术与手段，通过计算机实现了数据分析，处理与储存，保证了数据的完整性和安全性。人员操作方便，代替以往烦琐手动操作。软件数据比以往更加准确可靠，完全摆脱了人工管理带来的弊端。从国外的研究成果来看，美、德、日、英、韩等国对停车场管理的软硬件设施都有较大的研究投入，效果明显。迄今为止，国外停车场管理系统已开发半个多世纪，基本上已步入人工智能化收费阶段。而国内停车场管理还处于起步阶段，与国外相比还有很大差距。国外停车场收费系统使用高度智能化专业设备，能够很好的完成出入收费操作。其产品技术水平已达相当水平。目前国外一些停车设备制造商都在对“网络化存储”停车场管理系统进行研究与试验。主要功能是对车位资源进行统一调度和交易结算。司机司机在家可预选停车位，在线支付相关费用。无可否认，停车场管理系统若使用了许多前沿的科学技术，其系技术难度及统造价都将提高。1.2.2国内研究现状最近几年，我国许多企业都根据国内行业现状与特点研发出了比较低的装备水平，相关的技术也有了很大提升。此前全国约200个停车场，40家具一定研发水平企业。在北京、上海、广州、深圳停车管理系统产业中，该技术已开始使用。虽然如此，但国内停车管理系统行业在核技术和装备方面仍有一定距离。国际停车管理在理论上能够对出入口进行智能化管理，但是已经付诸了实践。受构造或者设计等外在因素影响，车辆信息、位置剩余信息等都会引发众多问题，需要对车辆信息、位置信息进行再记录，这些都会严重影响系统功能发挥，进而给车库管理带来额外人力支出。伴随着我国数量众多的公共停车场不断涌现，我国停车场管理系统逐步得到开发。国内过去停车管理系统均是从国外同类系统中逐渐发展而来，并对国外的原基础进行改进。开发之初许多关键设备国内还不能制造，所以停车管理系统硬件基本上都是产于国外，而家用停车管理系统则呈现出中西结合。我国对立体停车库的开发相对较晚，多数仍沿用上世纪其他各国的工艺。现有的技术在存取车辆方面的效率很低，极大的降低了住户的使用体验，很多立体停车库都是依赖进口的，售后服务也得不到保证，要想突破这一现状，必须对现有的技术进行改革与创新，所以，将立体车库作为研究对象，有着十分重要的作用。通过本文的设计能够部分解决车位不足的问题，为后续车库发展提供了部分市场，再加上我国人工智能、芯片等技术的持续进步，或许能够让立体车库的应用更智能和高效，将来势必取代传统停车方式。所以本论文对于以PLC为核心的出入库系统进行研究有一定的实际意义。第2章出入库管理系统功能分析2.1信息管理系统该系统在智能车库管理中，可以实现日常数据维护、人机交互、工作任务指派与工作状态监视功能。另外，系统中最关键的环节是系统数据库的操作、管理和维护功能。同时，本系统主要包括异常管理模块、停车卡管理模块和其他功能模块。2.1.1停车卡管理对模块进行了设计，以ID卡、智能立体车库为主，共同完成用户及其车辆的信息管理。所述模块涵盖信息查询；发放、回收和挂失ID卡；初始化及其他对应功能操作。2.1.2临时停车管理本模块主要用于实现临时车辆信息管理，手工录入用户与车辆信息，并将其存储到数据库中，同时与上位机监控系统相连。2.1.3异常管理对模块进行了设计，主要是针对智能立体车库在进行管理的过程，可能存在的未知问题或者情形，例如，对存放时间不正常的问题、车辆异常对应问题件的处理、远程预约异常处理、库位异常及设备故障、停车卡信息进行异常情况处理。2.2出入库控制系统2.2.1入库控制只有单位职工已登记并且处于有效期的汽车才有条件自动触发道闸开关，未登记的汽车或者非正常进入车库需经过车库管理员检查后人工打开放行。有汽车到车库门口的时候，先通过高清摄像头获取影像，并利用动态视频流实时识别技术对汽车进行认证，如果认证成功，系统确定是犯注册的汽车同时发送信号给PLC控制器，准备执行下一步操作，如果认证不成功，反馈提示信息：“未注册的汽车无法通行”。2.2.2出库控制为了提高出库效率，在汽车出库阶段，不需要进行身份验证，只要凭借地感线圈触发信号，就可以告知PLC控制器下达命令：汽车驶人地感线圈时，触动控制器下达电机正转命令，杆升闸开启，当汽车经过时，地感线圈磁通量又会改变，控制器下达电机反转命令，杆落闸关闭。车辆出库结束。2.2.3智能自动车辆存取此功能由可编程控制器完成，实现汽车的自动智能存取。使用移动软件的用户端，能够实现对附近车位进行搜索，有助于提高使用者寻找车位时存放效率，减少车辆能耗。同时，该软件具有使用方便、可操作性强的特点，既能做到集中管理，也可以由使用者自行操作。让用户通过移动软件导航进车库，进入之后记住自动识别系统，确定用户车辆车牌号，由此经载车盘移至人车交接处。所以，使用者在取车作业的过程中，就把车停在安全地方，接着在灯亮停正常指示灯时，取车作业结束，而立体车库门自动闭合。因此，车辆存取全过程十分连贯一致，在某种程度上，极大地减少了车辆存取所需时间。然而，在立体车库车辆载盘行驶中，该系统将严格测试它们，一旦出了问题，整个智能立体车库载车盘将停止工作，直至故障问题得到解决，车库才能恢复正常的工作运行。2.3LCD及车位状态显示系统2.3.1LCD显示模块LCD显示器以低功耗，易色彩化和显示信息量丰富的特点，将LCD显示屏组装于车库人口的显着位置，以显示每层车库的车位（见图2.1），便于驾驶员查找车位和节省时间。PLC控制器可以依据车位探测器的反馈信号自动完成寄存器数据的加减操作，比如：当某层有汽车离开停车位时，探测器指示灯由红色变为绿色，PLC中寄存器收到此信号时，会自动增加该层余下的可用停车位数1，否则探测器指示灯由绿色变为红色，寄存器会减少该层余下可用停车位数1。再把对应每层车位空闲数量信号传送到LCD显示屏上，亮起该显示屏，就可以在车库门口直观清晰地展示出全部楼层车位。图2.1LCD车库车位数量显示2.3.2车位状态指示模块为了更清楚地了解可利用停车位的位置，给找停车位的驾驶员点亮了一盏“指路明灯”，各停车位正上方设有停车位探测器与停车位状态指示灯。目前一般使用超声波车位探测器或者红外线车位探测器进行探测，并使用超声波车位探测器探测汽车，当车辆行驶到一定距离时，穿过这个探测器收到的超声波所发出的反射波，向周围放射，并将其反射回地面，从而使反射面与地面接触，再由该探测器进行系统分析来判断是否有车辆进入该车位。如果探测距离比较大（如1.7米以上），若车位为空闲状态，则车位指示灯显示绿色，如果探测距离比较小（如0.8米以下），判断该位置已经被占，对应指示灯显示红色。用户可以依据车位指示灯状态快速定位可用车位。图2.2是车位状态图。图2.2车位状态图2.4关键控制算法车库关键控制算法可分为交接调度、定位控制、行走速度控制、车位分配4类算法。首先，车位分配算法是指综合考虑车库内车位分布情况和入库车辆储存的属性等因素采用自学习算法进行车辆自动定位，从而确保取车效率的最佳。其次，交接调度算法，它通过在按用户访问车辆时，执行的交接过程之一。结合车库设备目前的工作情况和对的应效率，在调度算法下，达到车辆交接的最高效率。再者，行走速度控制算法采用双闭环控制模型，并进行相应参数控制调整等，保证了车辆能够在速度和位移的控制下顺利地达到停车目的。该系统主要包括四个模块：第一模块为车速检测电路；第二模块为电机驱动电路；第三模块为刹车控制电路；第四模块为制动解除信号接收与发送电路。最后，定位控制算法是将速度和检测出的数据相结合来实现，由此计算出立体车库的当前操作位置范围，结合目标位置，对结果进行比较分析，并据此判断其到位与否，从而达到控制车辆位置的目的。2.5安全保护子系统设计该系统的设计，主要借助于检测系统的自诊断功能，对传感器信号进行检测，通过采用自检算法，达到实时诊断传感器系统有无问题的目的，以此来保障用户车辆访问过程。就电气系统的检测而言，也采用了该算法，达到实时检测常规电气系统及关键元器件是否存在故障的目的。从而推动超速保护装置、车库安全保护装置、供电系统诊断保护装置等的配置和防护。第3章基于PLC的出入库控制系统设计3.1PLC控制系统框架设计3.1.1PLC选型及I/O点分配（1）PLC的选型PLC从产生到现在，它的技术已经有了一个质的跨越，应用领域越来越广，已经成为当今自动化技术中的三大主柱。同时，又具有不同于其他工业控制器的独特之处。传统的继电器控制系统都是基于硬件的硬接线逻辑和机械式触点，这种方式虽然可以提高继电器的控制精度，但存在着容易造成冒险竞争、增加了系统的成本、增大了系统的时间常数、易产生误动作等缺点，而且在使用过程中还会降低系统的可靠性和维护性。并在PLC中使用软件代替继电器触点，用它的内部存储器把控制逻辑保存为数据形式，它的行动用程序来完成，以便于对系统进行更新和改造。时限控制采用了数字计时器来提高计时精度。该系统指令执行量异常快，大约在数十微秒乃至更少的时间内，加之其内在严格同步，因而没有误动作发生。另外，PLC与继电器相比，具有结构简单、易于实现步进控制和AD/DA转换等优点。为了满足系统更新快、维护方便性、可靠性及维护性好以及提高系统控制精度和功能性等方面的要求，PLC控制系统已经逐步替代了传统继电器控制系统。相对于通用计算机，虽然两者均使用计算机系统，但是PLC专用于工业控制，通用计算机专用于科学计算及数据处理。因此它们的结构千差万别，使用对象与环境各不相同。PLC抗干扰能力强，能够适应多种恶劣情况下的运行，特别适用于工业现场对振动要求较高的场合。它的输出、输入是通过光电隔离技术或者其他隔离技术来实现的，同时还配备有输出继电器或者输出晶体管之类的输出部分，因为这些输出部分能承受更大的负荷，所以它能直接带动小型电机之类的负荷。PLC采用了特殊的编程语言来面对工业对象，这使得程序编制与修改变得十分容易。它与通用计算机相比，具有速度快、精度高、体积小等优点，但由于没有进行数模转换，所以不能直接应用于工业负载上。其抗干扰能力及工作可靠性远不及PLC,并且对于工业现场的湿度、温度、噪声、振动等环境适应性较差。鉴于此，基于PCI总线温湿度监测系统设计。本系统为模块化结构，采用AT89C51单片机为核心控制单元，实现对温湿度数据的采集和显示。此外通用的计算机编程语言也比较复杂，需经过专业训练才可掌握。可编程控制器（PLC）的分类较多，按照其控制规模PLC可分为3类，即大型机、小型机和中型机。小型机1/0点通常小于256，价格低廉，尺寸小，功能丰富，适合小规模开关量情况下，顺序控制。小型机可完成简单的算术运算和少量的模拟量处理，并能进行高速的数据通信。1/O点数在1024以上为大型机，其功能较强，组网能力强，可用来进行大范围过程控制、全厂集散控制系统或者组成分布式控制系统。本课题的PLC出入库系统要求1/O点位数较少，控制流程比较简单，信息处理量不大，针对以上情况选择西门子S7-200系列PLC中S7-226为现场控制器。（2）I/O点分配从系统控制的要求来看，该系统需要一个计数器，两个定时器，十六个输入点，十六个输出点，所选用的PLC型号符合系统的要求。图3.1基于PLC的出入库系统结构3.1.2PLC控制系统框架设计以PLC技术为核心，设计了智能化立体车库控制系统，集升降功能、旋转功能、横移功能为一体。并且，所述控制系统主要包括横向移动装置、PLC主控制系统、载车板、PC机、上下升降装置、转动圆盘装置、整体支撑框架，人机交互操作界面几部分组成，其具体结构如图3。由系统的框架可知，控制系统采用PLC作为控制的核心，通过此核心将信息输出到下位机（人机界面与PC机）上，再与变频器二者构成双向通讯。通俗地讲，就是PLC控制系统在变频器中的功能，而变频器又发作用于PLC。最后变频器经过驱动电机旋转频率，实现车库装置旋转、左右横移和上下升降的任务。3.2PLC控制系统功能设计3.2.1PLC输入电路设计PLC根据收到的汽车检测信号来判断汽车能否经过道口，所以汽车检测器选择和输入通道接口电路设计十分重要。（1）车辆检测器车辆检测器又叫地感感应器等，它是由一组带电流感应的数字电路板环线圈组成，地感线圈埋设于道口栏杆正面以下5~10cm范围之内，在线圈上方无车辆的情况下，车辆感应器与地感线圈形成平衡点，车辆感应器向CPU输出低电平，在地感线圈内有车辆情况下，地感线圈产生的磁场分布将发生变化，车辆感应器向中央处理器输出高电平。PLC通过检测和判断上述两种信号就可以获得需要的车辆检测信号。（2）输入接口电路为确保能够在恶劣的环境中投入使用，PLC的输入接口要隔离。光电耦合器为电流输入型，能够有效地避免输入端引线上可能会引发辐射干扰和电磁场干扰。3.2.2PLC输出电路设计PLC控制着直流电动机的调速、正转、停止、启动以及反转，带动道闸根据需要升降，使进出道口车辆放行或者禁止。另外通过控制指示灯来指示车辆的行驶状态，控制显示牌来展示车库内储存的车辆。3.2.3读卡器系统设计读卡器系统采用8051单片机进行控制，加入了其他功能芯片组成了完整的读卡控制系统。（1）读/写基站设计读写基站主要采用美国Atmel公司生产的IDIC读写基站专用电路U2270B，辅以相应线路。它内部安装了一个能量变换电路，它包括振荡器、线圈激励器以及片上电源，它可以向应答器提供能量，信号处理电路可以把微小的输入信号转换成微控制器要求的信号。属非编程电路，由5V单电源提供电源，外围电路相对简单，只需配置好读写天线、谐振电容器、输入电容器即可正常工作。（2）看门狗(watchdog)电路设计管理系统运行时，一般会碰到各种现场干扰问题，抗干扰能力作为系统性能好坏的重要标志，看门狗电路设计就成为自行监控系统工作情况的重要保障。因为系统采用普通型8051系列单片机所以，必须精心设计看门狗电路。x25045是美国xicor公司推出的一款标准化8脚集成电路（eeprom），使系统硬件设计大为简化，系统可靠性得到了提高，降低成本和系统功耗和印制电路板空间需求，很适用于单片机外围芯片的设计。（3）时钟电路设计运用美国DALLAS公司的DS1302时钟电路，性能优良，功耗低，带有RAM，可实现时、分、秒、年、月、日、星期日的计时，并带有闰年补偿功能，工作电压在2.5V~5.5V之间。利用三线接口和CPU实现同步通信，并且可以利用突发方式，进行多字节时钟信号或RAM数据的并发。（4）键盘、显示电路设计本设计总共需要8位LED数码管和16键，为了节省单片机I/O口数，采用数码管驱动，此处采用HD7279键盘显示芯片。7279键盘显示芯片使用了SPI接口，连线方便，不需要额外的驱动数码管，本身的电路也非常简单。显示部分使用一组4位一一体的共阴数码管，共有16个功能键。（5）串行通信设计读卡器是由单片机控制，不能直接使用RS232串口协议进行通信。由于单片机输入输出均为TIL电平，并且PLC组态具有RS232规范串行接口，二者的电气特性并非完全一致，所以要完成PLC系统与读卡器系统之间的数据通信就必须实现电平的转换并在读卡器和PLC间使用MAX232芯片进行通信联系。在此基础上设计了一种基于PC机和DAC0809系列芯片的智能IC卡管理系统。系统包括下位机软件和上位机软件。以读卡器为辅助控制器，PLC为主控制器。通过电缆连接PLC和读卡器控制器中单片机串行口，可组成简单通信网络。3.2.4车辆计数程序设计在该程序设计中，主要利用光电传感器采集车辆信号，从而达到增减车辆计数。图3.2车辆加计数程序流程图图3.2所示为车辆入库加计数运动流程图，传感器1#感应到车辆信号出现后，加计数器即开始工作，若这时传感器2#也出现了信号，加计数器就会开始工作，从而完成加计数工作。图3.3车辆减计数程序流程图如图3.3为车辆减计数程序流程图，传感器2#感应到车辆信号生成后，减计数器即开始工作，若这时传感器1#也出现了信号，减计数器就会开始工作，减计数工作流程结束。3.2.5LCD显示子程序本设计规划使用了显示模块，将系统检测到的信息精确地显示出来，便于及时观察和更直观地显示。在实际应用过程中发现，由于数码管本身性能有限，不能满足长时间的显示工作要求，因此需要更换新的数码管。为了弥补这个不足，我们设计了基于LCD显示屏的背光模式。LCD模块分为前后两栏，前两栏用于程序编写和调试。LCD做为系统输出显示部分，可显示字符或数字，具有更丰富的显示内容，对本设计的显示内容能较好地完成。显示屏编写程序需按照初始化设置配置，需区分显示屏状态，若在不忙状态下才执行读写操作时，则由写指令来决定所显示位置和写内容函数来决定所显示数据。图3.4LCD显示流程图 图3.5车辆出库流程图上图3.5所示为汽车出库道闸打开动作流程图，传感器2#感应到车辆信号生成后，cpu发出命令电动机正转、道闸打开，传感器1#发出信号生成为、cpu发出命令电动机逆转、道闸闭合道闸启动闭合动作，从而完成汽车出库道闸的打开过程。3.3PLC控制系统硬件设计3.3.1通信程序鉴于计算机通信网络日趋成熟，监控设备自动化程度要求日益提高，自动控制系统从传统集中式过渡到分布式或集散式。根据不同的应用场合和地理位置可将计算机连接到现场控制器或其它各种数据采集设备，构成全面的数据通信系统，完成数据传送、信息交换和通信处理。该系统造价低、结构简单，易于操作。数据处理能力较强，有较强的开放性。在工业控制领域有着广泛的应用前景。该课题设计并研制了一套以嵌入式技术为核心的数据通信系统。在本文系统中，读卡器与现场控制器配合使用，主要承担现场数据信息采集并传送给通信接口程序，通过通信接口程序对数据信息进行加工，然后分发给数据库或者控制器。3.3.2复位程序首先，因为PLC技术本身所具有的优势，内部继电器及大部分寄存器中均有记忆功能，所以，车库作业过程中PLC控制器内部数据复位初始化是必要的，并借此避免与防止一些事故分发生。3.3.3车位号输入程序用户请求进入智能立体车库之前的车辆时，通过上位机监控界面可实现，采用人工或自动方式录入车辆车位号，以此由控制系统来判断车位，使用所述搬运机访问所述车辆。3.2.4电机控制程序本设计主要是为了解决PLC控制车库内具有的电机进行工作，从而达到访问用户汽车的目的。一般立体车库当中会配置4台电机。在这些起重机中，起重机将根据车辆尺寸设计出对应移动路径以实现横向和纵向移动。而提升机与升降架二者将各自实现车位升降活动。然而，这些电机在正、反状态下工作均通过开关量达到控制目的。3.2.5车库主电路设计针对立体库存控制系统，主电路设计主要可以分为两个部分构成，即弱电控制电路和动力回路。造使用期间，由于升降机具有转速大、减速时间短、功率较大等优点。为了能够高效的实现升降机的控制，制动电路与制动单元可以利用动力回路进行配置，从而实现升降机在加减速时的，能够需要的大电流。同时为有效规避弱电回路造成的扰动问题，设计过程中，主回路变频器以及该变频器的前、后端加上滤波器都可以进行选型，实现对其信号回路进行磁环编码，压制干扰。而降电机做为系统中最核心的组成部分，为了进一步确保它的安全运行，可实行上下左右双极限的保护方式，增加了断绳保护开关、强制减速开关来保护它。另外，还应确保轿厢平面与停车位平面两者的平层度符合搬运器工作需要。弱电控制系统可选用远程10网络模式来实现控制系统的建设。第4章总结该课题设计通过PLC控制系统实现车辆进出库管理，在此采用西门子S7-200系列PLC（S7-226）。在这篇文章中，我们也描述了用LCD16O2进行液晶显示，本显示屏用于地