车辆出入库电气控制新版专业系统设计.doc

电气控制与PLC
课程设计阐明书

题 目： 车辆出入库电气控制系统设计
专业班级： 电气自动化
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成绩：

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日期：

电气控制与PLC 课程设计任务书
学生姓名

专业班级

学号

题 目
车辆出入库电气控制系统设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指引教师

重要内容
（参数）
运用PLC设计一种车辆出入库电气控制器，实现如下功能：
1．运用2位LED显示车库剩余停车位个数；
2．入库车到达刷卡后能自动控制栏杆机容许进入；
3．出库车到达刷卡后能自动控制栏杆机容许驶出。
任务规定
（进度）
第1-2天：熟悉课程设计任务及规定，查阅技术资料，拟定设计方案。
第3-4天：按照拟定设计方案绘制原理图。
第5-6天：依照原理图和设计方案绘制接线图。
第7-8天：依照设计方案、原理图和接线图选取器件，列写元件清单。
第9-10天：撰写课程设计阐明书。规定内容完整、图表清晰、文理流畅、
格式规范、方案合理、设计对的，篇幅合理。
重要参照
资料
[1]电气控制与PLC系统．北京：机械工业出版社，
[2] 三菱FX2N系列PLC使用阐明书
[3] 陈宇.可编程序控制器基本及编程技巧.广州:华南理工大学出版社，.
[4] 孙岩. Visio图形设计从新手到高手. 北京：清华大学出版社，
审查意见

系（教研室）主任签字： 年 月 日

目 录
1 概述 2
1.1 自动控制应用背景和意义 2
1.2 设计思想及基本功能 2
2 方案设计 3
2.1系统框图 3
2.2 方案选用 4
2.3 总体方案设计 7
3 硬件电路设计 8
3.1 系统原理方框图 8
3.2 主电路 9
3.3 I/O分派 12
3.4 I/O接线图 14
3.5 元器件选型 15
4. 软件设计 16
4.1 程序流程图 16
4.2 程序梯形图 17
4.3 程序指令表 18
5. 系统调试 21
设计心得 22
参照文献 23

1 概述
1.1 自动控制应用背景和意义
随着社会经济发展，人们生活水平提高，汽车已越来越多进入家庭，汽车消费时代已悄然来临，停车场建设也是方兴未艾。停车场作为交通设施构成某些，随着交通运送繁忙和不断发展，人们对其管理规定也不断提高，都但愿管理可以达到以便、快捷以及安全效果。
初期自动控制系统是依托继电-接触器来实现，其特点是构造简朴、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，又采用触点开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。1969年浮现了可编程逻辑控制器PLC，其特点是具备逻辑控制、定期、计数等功能，编程语言采用直观梯形图语言，软件更改以便通用性和灵活性好。
当前可编程控制器PLC重要是朝着小型化、便宜化、原则化、高速化、智能化、大容量化、网络化方向发展，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功能更强、可靠性更高、使用更以便、合用范畴更广.
先进控制技术和管理方式实现对大型停车场系统集中化和智能化安全性管理控制已经成为大规模停车服务管理必然趋势。针对既有停车系统管理中存在缺陷及PLC技术和传感器技术迅猛发展所带来新控制方式和管理方式变革，采用先进、科学、合理设计办法建立一套基于PLC车辆出入库管理系统，最大限度地提高了停车场使用率。此外，由于设计尽量减少人工参加，从而最大限度减少人员费用和人为失误导致损失，大大提高整个停车场安全性与使用效率。自动化停车场这些长处使得对其设计就是十分必要了。
1.2 设计思想及基本功能
停车场管理系统重点要做到精确批示车辆进出，车辆进入时予以司机精确车位数量，车辆进入后记录车辆总量，车辆离开时减少车辆数量。车辆进出批示可完全由PLC作为中央控制解决。对既有停车系统管理实现如下规定：车辆出入库自动化、数量记录自动化、信息查询自动化。
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，控制器可以输出一种开关信号，当车辆离开时，控制器输出开关信号打开）、出库车辆存在车辆检测器、出库栏杆机、库里车辆数显示屏（2位7段数码管，车库共有50个车位）构成。栏杆机由单向异步电机拖动250W，AC220V。
详细规定如下：
1、车辆入库时，车辆检测器检测到车辆，司机并取出入库卡后，栏杆机电机正转，栏杆机抬起，车位显示屏车位数减1。
2、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。
3、车辆出库时，车辆检测器检测到车辆，司机并取投入库卡后，栏杆机电机正转，栏杆机抬起，车位显示屏车位数加1。
4、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。
5、控制器采用PLC控制。

2 方案设计
2.1系统框图
依照设计规定实现数码管显示车库剩余停车位；入库时，车辆驶入自动检测，刷卡后栏杆机打开容许驶入；出库时，车辆检测，刷卡后自动打开栏杆机；咱们可以得出系统构造框图如图2-1所示。

图2-1系统框图
2.2 方案选用
本设计重要某些是一种停车场车辆检测系统，通过度布在进出口车辆检测器，实现对闸杆机控制和车位提示等功能。依照设计规定和系统框图可咱们可以懂得设计由如下基本硬件构成：出入库车辆存在检测器、控制器、出入库栏杆机、出入库刷卡器、显示屏
2.2.1出入库车辆检测器选取
在设计选定阶段，我查阅了大量出入库车辆检测有关资料，并从海量检测方案中选出比较常用几种，加以比较。
方案一：选用光电传感器对车辆进出进行检测。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给PLC。具备非接触，无触点无机械构造特点，但是露天环境由于风雨影响，不在密封环境下用就很容易被污染失效。
方案二：选用称重传感器对车辆进出进行检测。
对称重传感器设定车辆检测范畴，当检测到车辆到位，将信号传到PLC，运营相应程序。运用称重传感器可以对车辆与否到位进行较好检测，但是称重传感器价格昂贵，安装维护十分不便。
方案三：选用地感线圈传感器对车辆进出进行检测。地感线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理车辆检测器。地感线圈Ll埋在路面下，通有一定工作电流环形线圈，由多匝导线绕制而成，埋设在道路中地感线圈作为检测器谐振电路中一种电感元件，与车辆检测器振荡回路一起形成LC谐振。当有车辆通过时，将会使线圈中单位电流产生磁通量增长，从而导致线圈电感值发生变化。把这个信号传送给PLC，执行有关程序，判断与否有车通过。地感线圈具备安装维护以便，受外界因素影响小，价格便宜特点。
通过对以上方案综合考虑，本设计最后选用采用地感线圈，作为检测车辆存在检测器。
2.2.2控制器选取
由于PLC具备功能强、可靠性高、使用以便、合用范畴广特点，设计规定中明确规定，需要使用PLC作为车辆出入库电气控制系统控制核心。结合个人实际状况，对三菱公司PLC熟悉限度相对较高。因此本次设计选用三菱系列PLC。又综合考虑设计规定和也许存在功能扩展，保存了一定I/O功能余量，本次设计选用三菱FX2N-32MR型PLC作为控制核心。FX2N-32MR型PLC实物如图2-2所示。

图2-2 FX2N-32MR型PLC实物图
2.2.3车库车位余量显示方案选取
系统明确规定采用两个七段数码管显示屏用来显示所剩停车位个数。而数码管显示由于占用I/O口太多，也是阻碍咱们本次设计难点所在。查阅了大量PLC控制数码管显示资料后，咱们基本归纳出，如下几种显示方案。
方案一：直接使用PLC输出端口分别控制数码管各段显示。缺陷是占用输出端口太多，而I/O点数又是影响PLC价格一种重要因素，因此这种方案成本过高。
方案二：借鉴单片机LED数码管动态扫描显示原理，循环点亮数码管。采用PLC直接输出数字量驱动数码管，将PLC开关量输出分为两某些，一某些用作数据输出，另一某些用作控制数码管公共端信号输出，运用人眼余辉效应，循环点亮每个数码管。但是考虑到PLC周期性扫描特点，在编程时要做到每个周期只能点亮一种数码管，如果程序较短，扫描周期很短状况下，人眼感觉每个数码管都是均匀通电亮着，没有拖尾现象，但是如果扫描周期加长，会浮现拖尾现象。
方案三：选用译码器控制数码管显示。为节约PLCI/O口资源及显示以便，选用CD4511七段译码器2个，输入数据为 一位BCD码，输出为相应输入数数码管七段输出。 共阴极数码管二个，选用大尺寸数码管放在明显地方。
综合考虑各种要素，最后显示采用由PLC输出并经解码器解码后输出到数码管方式。这种办法操作简朴、成本低廉，显示电路如图2-3所示。

图2-3 数码管显示电路
2.2.4出入库栏杆机选取
栏杆机示意图如图2-4所示，设计规定通过单相直流电动机正反转控制来实现栏杆机自动升降。

图2-4 栏杆机示意图
2.2.5刷卡器选取
IC卡刷卡器是用于辨认身份装置，当车主刷卡辨认后，信号传到PLC，通过程序运营栏杆机打开，容许车辆驶入。市面上惯用IC卡刷卡器如图2-5所示。

图2-5 惯用IC卡刷卡器
2.3 总体方案设计
通过上述讨论咱们可以看出，本设计车辆出入库电气控制系统是基于满足设计规定前提下，并且依照理论上可实现性和硬件上经济实用性，综合考虑各种因素状况下，而得来系统方案。方案详细工作过程如下。系统总体方案示意图如图2-6所示。

图 2-6 车辆出入库电气控制系统总体方案示意图
3 硬件电路设计
3.1 系统原理方框图
1）车辆入库
车辆经入库车道入库，当车辆压线时，采用1#地感传感器检测到车辆后，司机取出入库卡刷卡后，控制器PLC发出开信号，栏杆机电机正转，栏杆机抬起。
随着车辆进入，2#地感传感器检测到车辆后触发PLC，PLC得到计数信号，数码管显示屏显示数减1，同步PLC向自动栏杆机发出关信号，栏杆机电机反转，栏杆机自动下落。
（2）车辆出库
车辆经出库车道出库，当车辆压线时，采用3#地感传感器检测到车辆后，司机取出入库卡刷卡后，控制器PLC发出开信号，栏杆机电机正转，栏杆机抬起。
随着车辆驶出，4#地感传感器检测到车辆后触发PLC，PLC得到计数信号，数码管显示屏显示数加1，同步PLC向自动栏杆机发出关信号，栏杆机电机反转，栏杆机自动下落。
系统原理方框图如图3-1所示：

图3-1 系统原理方框图
3.2 主电路
由于设计规定中明确规定栏杆机要由250W，AC220V单向异步电机拖动，而单向异步电机又不像三相电机控制那么简朴，因此查阅了大量单相异步电冬季有关资料，详细与本设计有关重要资料有其工作原理和正反转控制。
工作原理：单相异步电动机是指用单相交流电源供电异步电动机，当单相正弦交流电通入定子单相绕组时，就会在绕组轴线方向上产生一种大小和方向交变磁场。这种磁场空间位置不变，其幅值在时间上随交变电流按正弦规律变化，具备脉动特性，称为脉动磁场，单相异步电动机脉动磁场，不同于三相异步电动机中旋转磁场。
启动原理：单相异步电动机由于启动转矩为零，不能自行启动，外力给转子一种正向初速度后，就会继续正向旋转；而外力给转子一种反向初速度时，电机就会反转。为理解决单相异步电动机启动问题，可在电动机定子中加装一种启动绕组。如果工作绕组与启动绕组对称，即匝数相等，空间互差90°电角度，通入相位差90°两相交流电，则可在气隙中产生旋转磁场，转子就能自行启动。实际应用中，如果在绕组中串入一种电容器，就构成了单相电容异步电动机，图3-2是它原理线路图。由于电容器作用，使启动绕组中电流超前于工作绕组电流一定相位差。当电容量适当时，可使相位差接近90°。这样可使电动机在启动时获得最佳旋转磁场。因此这种单相异步电动机启动转矩较大，启动电流较小，启动性能最佳。合用于各种满载启动机械。同步串联了电容，工作时还提高电动机功率因数和效率。

图3-2 单相电容器异步电动机启动原理图

正反转原理：要使单相异步电动机反转必要使旋转磁场反转，有两种办法。
（1）将工作绕组或启动绕组首末端对换。
由于单相异步电动机转向是由工作绕组与启动绕组所产生磁场相位差来决定，普通状况下，启动绕组中电流超前于工作绕组电流，从而启动绕组产生磁场也超前于工作绕组，因此旋转磁场是由启动绕组轴线转向工作绕组轴线。如果把其中一种绕组反接，等于把这个绕组磁场相位变化180°，若本来启动绕组磁场超前工作绕组90°，则改接后变成滞后90°，因此旋转磁场方向也随之变化，转子跟着反转。这种办法普通用于不需要频繁反转场合。
（2）将电容器从一种绕组改接到另一种绕组。
在单相电容运营异步电动机中，若两相绕组做成完全对称，即匝数相等，空间相位相差90°电角度，则串联电容器绕组中电流超前于电压，而不串联电容器那相绕组中电流落后于电压。转向由串联电容器绕组转向不串联电容器绕组。电容器位置改接后，旋转磁场和转子转向自然跟着变化。用这种办法来变化转向，由于电路比较简朴，因此用于需要频繁正反转场合。

图3-3单相电容器异步电动机正反转控制原理图

考虑到停车场频繁有车进出，咱们采用将电容器从一种绕组改接到另一种绕组办法，使得控制栏杆机单相交流异步电动机正反转，从而控制栏杆起落。如图3-4为车辆出入库电气控制系统主电路原理图。

图3 -4 车辆出入库电气控制系统主电路原理
3.3 I/O分派
在对车辆出入库电气控制系统进行周密考虑，并对核心控制PLC保存一定I/O裕量，以便日后对系统进行功能扩展之后，咱们PLC控制电路进行了详细I/O分派，系统I/O分派如下表1所示。

表1 I/O分派表
输入点
相应外围设备
X000
地感传感器1#（入库检测）
X001
地感传感器2#（入库检测）
X002
地感传感器3#（出库检测）
X003
地感传感器4#（出库检测）
X004
刷卡器1#（入库刷卡器）
X005
刷卡器2#（出库刷卡器）
X011
栏杆限位开关1#（入库栏杆机上限位）
X012
栏杆限位开关2#（入库栏杆机下限位）
X013
栏杆限位开关3#（出库栏杆机上限位）
X014
栏杆限位开关4#（出库栏杆机下限位）
输出点
相应外围设备
Y000
入库栏杆机正转控制接触器（KM1）
Y001
入库栏杆机反转控制接触器（KM2）
Y002
出库栏杆机正转控制接触器（KM3）
Y003
出库栏杆机反转控制接触器（KM4）
Y010
十位数码管显示译码器输入A端口
Y011
十位数码管显示译码器输入B端口
Y012
十位数码管显示译码器输入C端口
Y013
十位数码管显示译码器输入D端口
Y014
个位数码管显示译码器输入A端口
Y015
个位数码管显示译码器输入B端口
Y016
个位数码管显示译码器输入C端口
Y017
个位数码管显示译码器输入D端口

3.4 I/O接线图
依照I/O分派成果，对车辆出入库控制系统进行设计，I/O接线如图3-5所示。

3.5 元器件选型
由电机功率和工作电压选2个250W,AC220V单相异步电机。查询资料后最后选定使用奉化市溪口三和电机有限公司JZ7124-250W单相异步电机。该电机额定工作电流3.2A，额定转速1400r/min，功率因数0.63。依此为根据选用其他器件。
表2 电气元件一览表
序号
名 称
型 号
数量
品牌
1
PLC
FX2N-32MR-001
1
三菱
2
主电机
JZ7124-250W
2
奉化市溪口三和电机有限公司
3
交流接触器（KM1）
LC1-D06008M5C
1
施耐德
4
交流接触器（KM2）
LC1-D06008M5C
1
施耐德
5
交流接触器（KM3）
LC1-D06008M5C
1
施耐德
6
交流接触器（KM4）
LC1-D06008M5C
1
施耐德
7
热继电器（FR1）
LR2-D1310C
1
施耐德
8
热继电器（FR2）
LR2-D1310C
1
施耐德
9
熔体（FU1）
RL1-15T10
1
德力西
10
熔体（FU2、FU3）
RL1-15T6
2
德力西
11
熔座（FU1、FU2、FU3）
RL1-15Z
3
德力西
12
限位开关（1#）
D4A-1209N
1
欧姆龙
13
限位开关（2#）
D4A-1209N
1
欧姆龙
14
限位开关（3#）
D4A-1209N
1
欧姆龙
15
限位开关（4#）
D4A-1209N
1
欧姆龙
16
栏杆（入库、出库）
DSJ-LG-3
2
深圳鼎盛佳科技有限公司
17
地感线圈传感器
DSJ-JCQ
4
深圳鼎盛佳科技有限公司
18
IC卡刷卡器
QS-IC01
2
松下
19
电容器
10uF-250V
4
爱普科斯
20
大尺寸数码管
HD
2
宏达
21
铜导线(红、黑)
1.0m㎡
若干米
正泰

4. 软件设计
4.1 程序流程图
软件设计分别为车辆入库流程图和车辆出库流程图两某些。

图4-1 车辆入库流程图 图4-2 车辆出库流程图
4.2 程序梯形图
按照设计流程图，在查询BCD功能指令用法后，通过一番努力，编写出系统程序梯形图如图4-3所示：

图4-3 车辆出入库电气控制系统梯形图程序
4.3 程序指令表
依照编写好梯形图程序，运用GX Develop软件，咱们很容易就变换出车辆出入库电气控制系统指令表程序，如图4-4所示。

图4-4 车辆出入库电气控制系统指令
5. 系统调试
在本次设计过程中，咱们运用GX Develop和GX-Simulator软件联合，进行了重复调试与修改。使得最后设计基本满足车辆出入库电气控制系统设计规定。在重复调试过程中，通过GX-Simulator软件进行梯形图逻辑测试和软元件测试。通过强制X0闭合仿真通过地感线圈1#，X4闭合入库刷卡，发现Y0亮栏杆机正转；强制X11闭合，Y0不再亮阐明栏杆及停止；强制X2闭合发现Y1亮，阐明栏杆机反转；
强制X12闭合，Y1不再亮阐明栏杆机停止。同样强制X2闭合仿真通过地感线圈3#，X5闭合入库刷卡，发现Y2亮栏杆机正转；强制X13闭合，Y2不再亮阐明栏杆及停止；强制X3闭合发现Y3亮，阐明栏杆机反转；强制X14闭合，Y3不再亮阐明栏杆机停止。通过调试可以看出最此设计基本可以满足车辆出入库控制规定。调试过程如图5-1所示。

图5-1 系统调试过程简图
设计心得

本次PLC课程设计历时10余天，从刚开始刚拿到题目懵懵懂懂，不知如何下手，到日后通过查阅大量有关资料，对整个系统有了一定结识，在通过与同伴讨论、争辩，有了清晰思路，然后设计、修改，到最后拟定整个设计方案，做出完整设计报告，在这个过程中让我收获诸多。本次课程设计不但是对前面所学知识一种总结，并且也是对自己能力一种提高。通过这次课程设计，我明白了自己本来知识还比较欠缺。自己要学习东西还诸多，课程设计让我结识到了自己眼高手低。通过这次课程设计，我还结识到学习是一种长期积累过程，因而在后来工作、生活中我都会不断学习，努力提高自己动手能力和综合素质。此外，在本次设计过程中，我还发现了诸多平时不容易发现了此前学习中漏掉知识，例如BCD、BIN功能指令。此外，通过查阅大量关于资料，与同窗交流经验等方式，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知识，为将来毕业设计打下了一定基本，也培养了我独立工作学习能力。相信这次课程设计会对此后学习、工作生活有很重要影响。这次课程设计大大提高了我动手能力，使我充分体会到在创造过程中摸索艰难，同步也让我尝到了成功时喜悦。虽然这个设计做尚有局限性，但是在设计过程中所学到知识是这次课程设计最大收获，也将成为我财富，这些都将为后来继续学习提供一种较好基本。

参照文献

[1] 任胜杰.电气控制与PLC系统．北京：机械工业出版社，
[2] 三菱FX2N系列PLC使用阐明书
[3] 陈宇.可编程序控制器基本及编程技巧.广州:华南理工大学出版社，.
[4] 孙岩. Visio图形设计从新手到高手. 北京：清华大学出版社，
[5] 阮友德.电气控制与PLC实训教程[M].北京：人民邮电出版社..
[6] 谢克明、夏路易.可编程控制器原理与程序设计.北京：电子工业出版社。
[7] 高钦和，可编程控制器应用技术及其设计实例[M].北京:高等教诲出版.