车辆出入库管理西门子PLC系统设计--电气工程及其自动化毕业设计论文.doc

目 录第一部分 设计任务与调研2第二部分 设计说明3第三部分 设计成果9第四部分 结束语21第五部分 致谢22第六部分 参考文献23第一部分 设计任务与调研1、毕业设计的主要任务 设计一个车辆出入库管理的西门子PLC自动控制系统。设置的门禁读卡器，可以实时识别进出库车辆的信息，是否属于本车库管理系统。同时，设置的指示灯模块，能够实时显示是否可以进行停放车辆，方便车主查找确定停车地点。2、设计的思路、步骤、方法设计的思路充分运用三年所学专业知识和实践技能，图书馆相关资料查询，依托西门子S7-200的强大功能，采集车库的输入数据，经过CPU的逻辑与算数运算处理过程，实现对车库系统的合理控制。设计的步骤分析车库系统的基本结构、主要功能、运动形式、控制顺序、控制要求、分析原理图、确定车库系统整体布局图、PLC的选型、硬件系统和软件程序设计、PLC的I/O分配、绘制PLC的外部接线图和控制系统接线、S7-200的模拟仿真等内容。设计的方法 通过网上文献搜寻、图书馆查阅、中国知库材料的搜集、了解门禁读卡器的工作原理、PLC编程及仿真调试等内容。通过车库管理系统的实物图，控制原理图，外部接线图，梯形图等内容确定，能够方便读者从直观的角度了解本设计的主旨思想和脉络。3、调研的目的和总结通过调研能让我们对车库管理系统的控制和性能多方面进行清晰的解读与深刻的认识，运行流程，技术指标，性能测试，优缺点等，对具体情况的个案性调查报告。同时，调研目的是为了把某一个具体问题进行解读与剥析。另一方面是为了反映基本情况的综合性调查报告,掌握车库管理的概貌在这次调研中，我深刻认识到调研的必要性，在实践中寻求真理，在操作的过程中不断的提高自己独立思考，解决问题的能力。通过此次调研，我学到很多课本上学不到的知识，遇到问题要沉着冷静，细心思考。不断的去完善缺陷。提高工作效率，扩大收益。第二部分 设计说明2.1 车辆进出库管理系统车库管理系统主要由四部分组成，依次为指示灯显示单元、开入检测单元、开出检测单元、门禁读卡识别单元。图2-1 车辆出入库系统示意图指示灯显示单元：入口处设置红绿两色指示灯，指示停车场是否有空位。如果绿灯亮，表示有车位可供停放；红灯亮，表示没有车位可供停放。车辆开入/开出检测单元：此单元通过压力传感器来实现对进入与开出车辆的检测数据处理。系统梯形图的编写中，通过使用PLC中的增减计数器，来实现对车库中车辆数目的计数控制。工作原理图见下图所示。门禁读卡识别单元：PLC对采集到的门禁单元的信息进行处理，检测判别车主是否属于已登记用户。对于外来车辆，一律需要进行登记注册，才可放行通过。图2-2 车辆开入开出检测单元主电路图 入口闸门电机由具有正反转的电机来实现，PLC通过控制对应继电器的置位与复位，来实现开关门动作的执行。2.2 车库管理系统的硬件选型可编程逻辑控制器 西门子PLC: SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。 分析发现，德国西门子PLC更加具有灵活性，采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用面拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。更容易与MCGS组态显示屏进行配合监控。综合考虑本系统任务只需完成相对简单的编程控制，对I/O点数要求不高，因此确定选用西门子S7-200系列的224型号的PLC产品。 图2-3 西门子PLC组成图 PLC的基本单元主要由中央处理器（CPU）、输入输出单元（I/O）、存储器、供电单元、拓展模块单元、编程器和编程器接口等模块共同组成。详细模块的位置如下所列： 1. 电源模板 2. 后备电池 3. 模式开关（钥匙操作） 4. 状态和故障LED 5. 存储器卡 6. 有标签区的前连接器 7. CPU 1 8. CPU 2 10. I/O模板 11. IM接口模板 PLC（可编程逻辑控制器）的性能指标： （1）输入/输出(I/O)点数 输入输出点数是一项重要的性能指标，是PLC与外界连接的端子。点数越多，表示PLC可连接的输入和输出器件就越多，控制的规模也相应的增大。 （2）存储容量 存储容量通常用K字或K字节、K位来表示。这里所说的1K=1024，即2的10次方。存储容量的大小，表示PLC可以存放多少用户程序。有些PLC的存储容量可以根据需要进行配置，而有的PLC的存储容量则可以进行拓展。 （3）内部寄存器（继电器） 在可编程逻辑控制器的内部，有许多寄存器用来存放变量、中间结果、数据等，还有一些辅助寄存器可供用户使用。所以，寄存器配置也是用来衡量PLC的一个标准。 正是因为PLC具有上述的性能指标，使得可以将计算机技术应用于控制系统。不仅可以大幅度的提高生产效率，改善工作条件，节约能源，降低生产成本，还具有结构性能稳定，安全性好，出错率低等优点。压力传感器MSP300系列（MSP300-010-B-5-W-1）压力传感器为大批量、低成本、民用及工业用产品建立了新的性能价格比典范。本产品广泛适用于对物压、气压、液压的检测，甚至较恶劣的介质环境，如污水、蒸汽、轻度腐蚀性液体和气体。图2-4 MSP300压力传感器图 MSP300压力传感器（MSP300-010-B-5-W-1）的压力腔采用17-4PH不锈钢单件一体式结构加工而成。其标准压力接口采用1/4NPT外螺纹接头，因而可以保证较好的密封性能。本产品的特点是无形圈、无焊缝、无硅油或其他有机物，经久耐用。MEAS采用独有的微熔技术，引进航空应用科技，利用高温玻璃将微加工硅压敏电阻应变片熔化在不锈钢隔离膜片上。玻璃粘接工艺避免了温度、湿度、机械疲劳和介质对胶水和材料的影响，从而提高了传感器在工业环境中的长期稳定性能，同时也避免了传感器在传统微机械加工制造工艺过程中出现的P-N结效应现象。 MSP300压力传感器是（MSP300-010-B-5-W-1）不锈钢单件一体化结构，压力范围高达10K Psi或700Bar毫伏或放大输出，工作温度范围宽能适应一年四级的各种气候。主要应用于普通压力测量、自动检测系统、液压/气动系统等。门禁读卡器:图2-5 门禁读卡器图读卡器以固定频率向外发出电磁波，频率一般是13.56MHZ，当感应卡进入读卡器电磁波辐射范围内时，会出发感应卡上的线圈，产生电流并触发感应卡上的天线向读卡器发射一个信号，该信号带有卡片信息，读卡器将电平信号转换成数字序号，传送给就地控制器，就地控制器将信息上传给上层控制器，最终上传给门禁服务器，门禁服务器将卡号与数据库内的信息进行比对，从而得到全部的卡片信息。图2-6 门禁系统工作原理图本系统中所用的门禁读卡器在接收到信号后，会与系统中登记的信息进行对比，辨别车主是否处于本车库用户。若判断车主是车库用户，门禁系统发出高电平信号给PLC，执行开闸的控制动作执行；若不是，则发出报警信号，提示车主及保安，进行登记处理。指示灯图2-7红绿指示灯图 通过将红绿灯放置在车库的进入口，来实时提示车主是否可以停车。当车库中的车辆达到最大停放停放数量时，红灯常亮，表示车库已经停满。若绿灯常亮，则表示车库中还有停车位供车主停放车辆。第三部分 设计成果3.1 车库系统流程图 主程序流程图：车库系统中的车辆开入与开出单元中的压力传感器的信号，作为增减计数器的输入口，实时计算车库中的车辆停放数。系统通过实时采集计数器中的数值，并与车库所能容纳的最大停车数进行比较，选择确定是否复位绿色指示灯及置为红灯指示灯。详细流程图如下所示。开始N门禁检测通过？Y调用登记子程序抬杆放行N车辆通过？Y放杆结束图3-1 车库系统主程序流程图子程序流程图：开始N登记完成？Y手动控制抬杆N车辆通过？Y手动控制放杆返回图3-2 车库系统子程序流程图车库系统中的车辆开入与开出单元中的压力传感器的信号，作为增减计数器的输入口，实时计算车库中的车辆停放数。系统通过实时采集计数器中的数值，并与车库所能容纳的最大停车数进行比较，选择确定是否复位绿色指示灯及置为红灯指示灯。详细流程图如上所示。3.2 I/O分配表表3-1 车库系统I/O分配表序号输入地址名称序号输出地址名称1I0.0启动按钮1Q0.0车辆开入抬杆2I0.1停止按钮2Q0.1车辆开出抬杆3I0.2急停按钮3Q0.2绿色指示灯4I0.3升降杆4Q0.3红色指示灯5I0.4车辆开入压力传感器6I0.5车辆开出压力传感器7I0.6门禁卡检测传感器3.3 电气部分接线图图3-3 电气部分接线图 3.4 逻辑梯形图编程主程序： 下图所示的梯形图中，系统使用的是CTUD增减计数器来实现对进出车辆数目的统计工作。其中，车辆开入压力传感器是增计数的输入模块，车辆开出压力传感器是减计数的输入模块。图3-4 主程序1梯形图 注：根据不同的出库的容纳能力不同，本系统设定车库的最大容纳量为20辆。图3-5 主程序2梯形图图3-6 主程序3梯形图门禁检测顺控步中，顺控步跳转的条件是门禁卡检测传感器是否处于高电平。门禁卡得电处于高电平时，说明车主属于车库中的一员。此时，系统将跳转至抬杆顺序控制步；若门禁卡得电处于低电平时，系统直接调用登记子程序。图3-7主程序4梯形图抬杆顺控步中，首先执行抬杆动作，等待汽车开入车库。当车辆开入压力传感器处于低电平时，表明汽车已经离开车库检测站。之后，系统复位车辆开入抬杆执行机构，顺控步跳转至S0.0门禁检测顺控步。图3-8主程序5梯形图出库抬杆顺控步与车辆进库抬杆顺控步工作原理相同，顺控步均跳转至门禁检测顺控步。红绿灯单元： 中间继电器M1.0和M1.1分别表示车库停车位已满、车库停车位未满两种情况。当车辆计数器C0等于20时，车库满继电器得点，红灯将以亮1S灭1S的方式进行闪烁，提示待进库车主车位已满（梯形图见图3-11）；而当车库未满时，绿灯常亮。图3-9主红绿灯单元1梯形图图3-10主红绿灯单元2梯形图图3-11主红绿灯单元3梯形图登记子程序：图3-12 登记子程序梯形图 车主做好登记信息后，管理人员拨动升降杆按钮，抬杆上升，等待车主驶入；车辆进库后，往相反方向拨动按钮，抬杆下降，回到初始状态。3.5 仿真调试 仿真软件简介： S7-200仿真软件，是西门子200系列型号的PLC所专用的仿真软件，可以直接进行使用。适用在无PLC的条件下，进行仿真调试，起到检查程序正确与否及正常运行的目的。 双击打开该款仿真软件后，出现的界面如下图所示。图3-13系统仿真软件图 当用户把所编写的梯形图语句转换为STL语句时，保存为文本文档的形式。当利用软件中的工具栏，则可以将保存的程序倒入至仿真软件中，进行实时调试。使用者通过拨动程序中所对应的开关，观察显示模块指示灯的闪烁与熄灭情况，就可检查所编写的程序是否正确。 使用方法： 1.本软件无需安装，解压缩后双击S7_200.exe即可使用； 2.仿真前先用STEP7-MicroWIN编写程序，编写完成后在菜单栏“文件”里点击“导出”，弹出一个“导出程序块”的对话框，选择存储路径，填写文件名，保存类型的扩展名为awl，之后点保存； 3.打开仿真软件，输入密码“6596”，双击PLC面板选择CPU型号，点击菜单栏的“程序”，点“装载程序”，在弹出的对话框中选择要装载的程序部分和STEP7-MicroWIN的版本号，一般情况下选“全部”就行了，之后“确定”，找到awl文件的路径“打开”导出的程序，在弹出的对话框点击“确定”，再点那个绿色的三角运行按钮让PLC进入运行状态，点击下面那一排输入的小开关给PLC输入信号就可以进行仿真了。使用步骤： 配置PLC型号：图3-14配置PLC型号图 选择型号的下拉框，选中CPU224后，点击确定，即完成对PLC型号的配置。 载入程序： 通过载入Step7中导出的awl格式的程序后，点击确定，即可开始对程序进行仿真调试。 运行： 单机下图的运行按钮，仿真软件就开始对程序的仿真运行。拨动下方对应的输入按钮，既可以看到上方输出单元的运行情况。 图3-15 启动仿真调试图仿真结果：图3-16 仿真结果图 拨动相应的仿真按钮后，对应的执行机构会在输出端进行相应的显示。第四部分 结束语 通过此次毕业设计的研讨与制作，对我的三年专业的学习生涯做了一个优秀的总结，也对我为学三年的大学生活做一个完美的总结。 从刚开始的积极拓展信息资源渠道，广泛搜集与车库管理系统相关的前沿发展动态。再到确定控制器的选型，相关PLC产品性能的不同对比分析，直至确定与之系统相配套的辅助部件。最后，借助于西门子的强大数据的处理能力和逻辑编程的高稳定运行，完成了该系统的全部工作。 在设计过程中，我通过查阅大量资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心。虽然这个设计也存在着些许问题，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我受用终身。第五部分 致谢 本次的毕业设计从选题到设计完成，通过上网广泛搜集资料和在图书馆查阅书籍，充分运用自己三年所学的专业知识，根据设计的要求记录相关的资料、数据信息，并在我的老师细心指导下完成的。 通过此次的的设计，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力与动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过此次设计，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。此次的毕业设计过程中，我由衷的感谢我的指导老师在百忙之中，不辞辛苦，细心认真的为我指导设计，老师严谨的科研和治学态度，我受益匪浅。在设计过程中，从对知识理论层次的理解，到实际的理解和应用，我学习了很多东西。从忙着查询相关资料，到相关模块的理解与应用。一下子使自己感到知识需要从理论到实际有很长的路要走，在这段路程中，受益于老师的孜孜教导和同学的热心帮助，在此，衷心感谢。23第六部分 参考文献【1】电气控制与PLC应用.王少华.中南大学出版社.2013年7月.P113-P193【2】电气控制及PLC.周军.机械工业出版社.2001年8月.P100-P130【3】工厂电气控制技术.熊幸明.清华大学出版社.2005年10月.P20-P100【4】电气控制与PLC应用技术.刘长春.科学出版社.2008年7月.P99-P150【5】机床电气控制系统改造.王建.中国劳动社会保障出版社.22011年2月.P100-P155【6】电气控制与PLC应用技术.刘长春.科学出版社.2008年7月.P99-P150【7】电气与PLC控制技术.蔡红斌.清华大学出版社.2007年8月.P11-P50【8】机电一体化技术.张建平.湖南大学出版社.2011年10月.P17-P111【9】电气控制技术与机床电路检修技术.殷培峰.化学工业出版社.2011年10月.P10-P100