车辆出入库管理PLC系统设计优秀设计.doc

毕业设计 车辆出入库管理PLC系统设计
目 录
第1章 概述 1
1.1 国内外状况及发展趋势 1
1.2 PLC的发展历史 2
1.3 PLC发展新动向 3
1.4 PLC的基本结构 3
1.5 PLC的特点 4
1.6 PLC的工作原理 5
1.7 PLC的选型 6
第2章 技术参数及方案的设计 7
2.1 技术参数和条件 7
2.2 整体方案设计 7
第3章 系统的硬件设计及端口分布 8
3.1整体框架 8
3.2 传感器型号参数 8
3.3 PLC电路设计 10
3.4 PLC选型机I/O点分配 11
第4章 程序设计 13
4.1 控制要求 13
4.2 计数逻辑 13
4.3 程序流程图 14
4.4 梯形图 15
4.5 指令语句表 19
结 束 语 22
致 谢 23
参考文献 24

第1章 概述
1.1 国内外状况及发展趋势
近20年来，随着我国城市建设速度的加快，城市交通需求量也日益增大。由于私家车、出租车比重呈现逐年上升的趋势，因此车辆停放依旧是市民最为关注的问题。
据有关方面统计，截止2008年统计，我国生产汽车934.5万辆，同比增长5.2%，我国国内汽车销量为938.05万辆，同比增长6.7%。由于汽车数的增长远远高于停车位的增长，我国每年停车位的缺口高达300多万个，城市停车位远远不能满足需要。当前我国的汽车与车位数量之比约为5:1，而正常的平衡比例应当是1:1.2，差距很大，需要大量增加停车位，在城市土地资源紧缺的情况下通过地面增加车位已难以满足要求。
在寸土寸金的城市中心不可能浪费大面积土地来用于停泊车辆的广场型停车场或者路边停车区；地下停车场存在着施工周期长及造价较高的局限性。此状况下机械式立体车库的优点十分明显。
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（Programmble Logic Controller），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、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DCS（Distributed Control System）、现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System），这将使PLC得功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广。
近几年，随着停车需求的不断增长，车辆出入库的规模也越来越趋于大型化。因此车辆出入库管理系统也向大型化、复杂化和高科技化方向发展。自动化的车辆出入库已经成为智能交通和智能建筑的重要组成部分。随着经济的发展和停车需求的增长，车辆出入库管理系统的下一个技术发展方向将是智能化、网络化、集成化、人性化。提高车辆出入库的运行效率、加强安全性以及与智能交通系统的信息互动，把相关科学技术发展领域的最新成果合理有效的应用到智能车辆出入库的完善和发展中是当前车辆出入库研究领域的首要任务。

1.2 PLC的发展历史
起源：1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程序控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14
1971年，日本研制出第一台DCS-8
1973年，德国研制出第一台PLC
1974年，中国研制出第一台PLC
发展：20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程序控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程序控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller （PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程序控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠地工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
1.3 PLC发展新动向
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。
1：产品规模向大、小两个方向发展 大：I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。 小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。
2：PLC在闭环过程控制中应用日益广泛
3：不断加强通讯功能
4：新器件和模块不断推出 高档的PLC除了主要采用CPU提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。
5：编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化，有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统
6：发展容错技术，采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
7：追求软硬件的标准化。

1.4 PLC的基本结构
1.4.1中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能：a.接受并存储从用户程序和数据；b.检测电源，存储器，I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
1.4.2 I/O模块
输入模块和输出模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁
输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开光量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。卡关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。
1.4.3 编程装置
在对S7-200编程时，应具备一台安装有STEP7-MicroWIN编程软件的计算机、一根连接计算机和PLC的RS-232/PPI通信电缆或USB/PPI电缆。用它来编辑、检查、修改用户程序，并监视用户程序的执行情况。
使用编程软件，可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上载到计算基金，程序可以存盘或打印。
1.4.4 电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。一般小型PLC的电源输出为两部分：一部分供内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。

1.5 PLC的特点
PLC之所以能够发展，除了它顺应了工业自动化的客观要求之外，更重要的一方面是由于它具备许多适合工业控制的优点，较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它具有以下几个显著特点：
1.5.1 编程方法简单易学
梯形图是使用最多的PLC的编程语言，其图形符号和表达方式与继电控制电路图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电控制电路图的电气人员，只需要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制程序，而且可以根据现场的情况，在生产现场一边调试边修改程序，以适应生产需要。
1.5.2 功能强，性价格比高
一台小型PLC内有成百上千种可供用户使用的编程软件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能与相同的继电控制系统相比，具有很高的性能价格比。
1.5.3 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同功能和不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
1.5.4 可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器盒时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10—1/10，因触点接触布朗造成的故障大为减少。
1.5.5 系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件等，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统系统电路图的时间要少的多。
1.5.6 维修工作量小，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。
1.5.7 体积小，能耗低
PLC平均无故障时间可达到数万小时以上，使用寿命可达几十年。对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，因此，控制柜的体积可以缩小到原来的一半到10分之1。特别是小型PLC的体积仅相当于两个继电器的大小，且能耗仅为数瓦，所以它是机电一体设备的理想控制装置。

1.6 PLC的工作原理
PLC则是采用循环扫描的工作方式。；一个扫描周期主要可分为3个阶段。
1.6.1 输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新阶段后，将关闭出入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一步周期的输入刷新阶段才能被读入。
1.6.2 程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入端的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助存储器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入刷新阶段。
1.6.3 输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出影像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，因此称为循环扫描方式。显示扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新，所以系统存在输入输出之后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备。

1.7 PLC的选型
现在应用最广泛的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、松下等。三菱PLC结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、成本低、实用面广但是数据处理比西门子弱。
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。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。最大特点之一。

第2章 技术参数及方案的设计
2.1 技术参数和条件
利用PLC控制停车场的空位显示，实现全自动运行。停车场的空位假设为99个，停车场全控是启动按钮SB1后，根据出口，入口的车辆检测传感器1#、2#的检测，计算是否有空位？若有空位，点亮入口的绿色指示灯L1，否则点亮入口的红色指示灯L2。

图 2-1 传感器布置图
停车场的空位有99个。
启动按钮SB1在停车场全空时按下，另设停止按钮SB2。
出口、入口的车辆检测传感器各1个，用来检测车辆的进出。
入口的指示灯两个，用来指示有无空位。
2.2整体方案设计
整个系统有一个启动按钮和一个停止按钮，按下启动按钮，整个控制系统运行，按下停止按钮则系统停。入口有两个灯，分别是红灯和绿灯作为输出，电路中还有个加减计数器，它的设定值是99。加减计数器随着车辆的进出而加减，一旦计数器达到99，入口处的红灯就亮，提醒司机朋友此停车场的车位已满。而其他时候都为绿灯，表示此停车场还有停车位。

第3章 系统的硬件设计及端口分布
3.1整体框架
1. 入库车辆前进时，经过1#2#传感器计数器C6加1，后退时经过2#1#传感器计数器C6减1，单经过一个传感器则计数器C6不动作。
2．出库车辆前进时，经过2#1#传感器计数器C6减1，后退时经过1#2#传感器计数器C6加1，单经过一个传感器则计数器C6不动作。
3. 设计一个由两位数码管及相应的辅助元件组成的显示电路，显示车库内车辆的实际数量。
本系统设计通过光传感器进行信息采集之后，传到可编程控制器进行处理，然后经过一系列相关处理之后，在数码管显示相应的车辆数，以此来实现车辆输入库管理。其系统整体框图如下：

图 3-1 系统整体框图
3.2 传感器型号参数
3.2.1 光电传感器：
Q23系列偏振反射板式
Q23系列反射板式发射器 (E) 型号：
Q23系列反射板式接受器 (R) 型号：
检测距离： 供电电压：24V DC 输出形式：互补型固态
特点： 聚焦式焦距为 供电电压
短距离和长距离直接反射式以及光钎式 互补型输出
可见红色光源易于安装及对准 防护等级IP67和NEMA6
带自诊断功能，有LED状态指示灯 产品附带安装支架
树脂封电路及坚固的ABS外壳 可选电缆式或接插件式接线方式

图 3-2 Q23系列偏振反射板式实物图 图 3-3 偏振反射板光度分布图
原理分析：偏振镜头与可见光的反射板式传感器配合使用，能很好解决光亮物体的检测问题。两个偏振镜头分别安装在发射器和接收器镜头的前面，偏振方向互相垂直。
　　发射光经发射器垂直偏振镜头偏振后，变成垂直振动的光波，此光波经反射板反射（去偏振）后，变为水平方向振动的光波，这种光波可通过接收器的水平偏振镜头被接收器接收。
　　偏振镜头虽然解决了传感器检测光亮物体时的误动作问题，但同时也大大减弱了有效光束的能量，这一点对于检测环境灰尘较大或需要较长检测距离的应用场合尤为重要。偏振反射板式传感器仅能与带几何棱镜的反射板配合使用。
光电传感器的布置方案：光传感器的布置安装需要考虑误计数和漏计数问题，注意控制两个传感器之间的距离，用程序验证进出车库的是否是车辆，当人通过传感器时不可以计数；其次，采用逻辑互锁方式，启动加计数则要锁定减计数，产生加计数脉冲时则要锁定减计数脉冲。如此以保证可靠性；最后，及时的进行复位处理，以免车辆在传感器附近作往返运动时错误计数。

图 3-4 光电传感器布置图

3.2.2 桥式测力称重传感器：
型号CYB-605S 供电桥电压：
输出灵敏度 、 、
非线性： 重复性： 蠕变：输出阻抗： 绝缘电阻：
温度补偿范围： 工作温度范围：
安全过载能力: 极限过载能力：
传感器材料：不锈钢/合金钢 引线方式：直线引线

图 3-5桥式测力称重传感器实物图 图 3-6桥式测力称重传感器受力方式图
原理分析：对称重传感器设定车辆检测范围，当称重传感器检测车辆到位，信号传到PLC，进行相应的程序运行。结构合理，使用简单，安装方便。主要适用于车载专用秤、天车秤及车辆轮、轴力的测量。

3.3 PLC电路设计
3.3.1 PLC输入电路设计
PLC依据接收到的车辆检测信号判断是否允许车辆通过道口，因此车辆检测器的选用与输入通道的接口电路设计是非常重要的。
3.3.2 输入接口电路
为了保证能在恶劣的环境中使用，PLC输入接口需采用隔离措施。采用光电耦合器为电流输入型，能有效地避免输入端引线可能引入的电磁场干扰和辐射干扰。
3.3.3 PLC输出电路设计
通过控制指示灯指示车辆通行情况，控制显示牌显示车库存放车辆情况。故PLC的接线图如下：

图 3-7 PLC外部接线图图

3.4 PLC选型机I/O点分配
设计中采用内存为3.2K，最大I/O点数640点的微处理器，电源使用带有24VDC和AC1 10-120/220-240V的使用电源根据系统控制要求，本系统需计数器3个，16个输入点和16个输出点，所选PLC类型满足系统要求。

表3-1 I/O接口地址分配表
输入信号
输出信号
传感器1#
I0.1
发光二极管
Q0.2
传感器2#
I0.2
接LED脚b
Q1.0
报警
I0.3
接LED脚a
Q1.1

接LED脚c
Q1.2

接LED脚d
Q1.3

接LED脚e
Q1.4

接LED脚f
Q1.5

接LED脚g
Q1.6

接LED脚b
Q2.0

接LED脚a
Q2.1

接LED脚c
Q2.2

接LED脚d
Q2.3

接LED脚e
Q2.4

接LED脚f
Q2.5

接LED脚g
Q2.6

第4章 程序设计
4.1 控制要求
（1）入库车辆前进时，经过1#→2#传感器后计数器加1，后退时经过2#→1#传感器后计数器减1，单位过一个传感器则计数器不动作。
（2）出库车辆前进时经过2#→1#传感器后计数器减1，后退时经过1#→2#传感器后计数器加1，单经过一个传感器则计数器不动作。
（3）设计一个由两位数码管及相应的辅助元件组成的显示电路，显示车库内车辆的实际数量。

4.2 计数逻辑
1.光传感器的接收光被遮断时定义为“有信号”；
2.传感器1#有信号时启动增计数逻辑；
3.传感器2#有信号时启动减计数逻辑；
4.传感器1#完成脉冲同时2#有信号，则启动增计数逻辑；
5.传感器2#完成脉冲同时1#有信号，则启动减计数逻辑；
6.传感器1#和传感器2#都完成脉冲后进行相应计数动作；
7.传感器1#和传感器2#都没有信号时进行小复位动作；
8.增计数与减计数的启动逻辑互锁；
9.增计数和减计数的进行逻辑互锁。
10.计数值超过+99后从零开始计数并报警（发光二极管）
其中：
条件2和条件3为“方向判定条件1”；
条件4和条件5为“方向判定条件2”；

4.3 程序流程图

图4-1 程序流程图

4.4 梯形图

4.5指令语句表

结 束 语
本设计采用光传感器采集信号，使用PLC控制，用数码管显示，本设计可以可靠准确的完成了车辆出入库时的统计和显示工作，无论车辆往返情况如何，都不会出现误计和漏计数，在外界干扰情况较大的情况下，都不会出现相关的误计数。两个LED数码管显示，既经济实用又方便。
本设计具有以下优点:计数动作准确可靠，设备安装简单，性价比高，自动化程度高，抗干扰能力强，剩余端口便于其他功能的扩展。
设计过程中，通过针对性地查找资料，了解有关PLC方面的资料，既增长了自己的知识面，补充最新的专业知识，又提高了自己的应用能力和实践能力，对学过的课本理论知识起到了很好的温习作用。通过对车库车辆出入库管理设计，让我很好的运用了PLC的知识，对课本知识进一步的消化和巩固。随着汽车特别是私有汽车的普及使用，对大型停车厂系统的集中化和智能化的安全性管理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挂历中存在的缺陷及PLC技术和传感器技术的迅猛发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车辆出入库管理系统，实现车辆出入库，数量统计、信息查询过程的自动化，就显得十分必要。
建立提高停车场利用率和方便驾车者的信息系统，通过信息显示牌向寻找停车场的驾车者提供空闲停车场的位置和停车位的满空状况，以及诱导路线指南等信息，最大限度地提高了停车场的使用率。
显示车库内车辆的实际数量外，同时还实现了系统的计算机化的科学管理。本设计中实现的双道闸自动抬、落（出口、人口均安装道闸）控制车辆自动进出：将交通系统中的车辆检测器、信号灯和智能门禁安全系统中的红外对射探测器引人系统；加人非接触式读卡器，使系统实现了智能化控制等属于具创新性的技术。
本设计采用光传感器采集信号，使用完全PLC控制，完成了车辆出入库时的统计和显示工作，能够可靠地准确的无误的进行计数，无论单个车辆怎样的往返运动，都不会出现误计数和漏计数，而且在人通过光传感器时不会误计数。最后采用两个LED做显示，能够显示车库内车辆的实际数量。
优点：本系统采用反复逻辑判断，计数动作准确可靠；设备简单安装方便；自动化程度高便于实现无人值守；抗干扰能力强，环保无污染；便于需要时进行扩展。
缺点：PLC的输出口资源有点过于浪费。

致 谢
在这次PLC课程设计制作中，指导老师以及同学们都给了我很多的帮助。在这里向他们表示感谢。通过此次的课设，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，培养了自学能力和动手能力。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，但是通过课程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。
为期七周的毕业设计结束了，在此由衷感谢尹老师的悉心指导，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，到相关模块的理解和应用，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，受益于老师的谆谆教导和同学的热心帮助，在此，衷心感谢！

参考文献
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