《可编程控制器及运用》之车辆出入库管理系统设计大学论文.docx
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《可编程控制器及运用》之车辆出入库管理系统设计大学论文
2016年12月5日
任务书
课题:
车辆出入库管理
一、设计任务描述:
编制一个用PLC控制的车辆出入库管理梯形图控制程序。
根据PLC控制系统基本组成,有电源模块、操作面板输入模块、传感器信号输入模块、以及留下的扩展输入模块、LED显示控制输出模块。
二、设计控制要求:
1.入库车辆前进时,经过1#到2#传感器后计数器加1,后退时,经过2#到1#传感器后计数器减1,单经过一个传感器则计数器不动作。
2.出库车辆前进时,经过2#到1#传感器后计数器减1,后退时,经过1#到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,显示车库里车辆的实际数量
三、其他基本要求:
1、图形符号,文字符号应符合国家标准要求;
2、电路图布局合理、规范。
课程设计任务分配
课设成员
设计任务
设计前调研和方案讨论、主程序设计及程序编写调试、结果讨论分析
设计前调研和方案讨论、硬件设计和编写指令表、结果讨论分析
设计前调研和方案讨论、编写好设计说明书、结果讨论分析
摘要
随着生产力和科学技术的不断发展,当下汽车特别是私有汽车的越来越普及,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。
人们的日常生活和生产活动大量的使用自动化控制,不仅节约了人力资源,而且很大程度的提高了生产效率,又进一步的促进了生产力的快速发展,并不断的丰富着人们的生活。
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,就显得十分有必要。
无论是公共场所停车场,还是社区停车场的管理系统重点都是要做到更加人性化、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。
车辆出入库管理系统可完全由PLC作为中央控制处理,通过与显示器、译码器、电机、指示灯等设备元件结合组成。
本设计是基于PLC的车辆出入库管理系统,采用两位LED来显示车库内车辆的实际数量。
使用两个光传感器来监控车辆的进出并完成计数工作,车辆进入时经过两个传感器使显示数字加一,车辆外出时经过两个传感器使显示数字减一,但当车辆只经过一个传感器时不计数。
进出的同时,闸栏门开关启停,控制门的开闭。
目录
任务书I
课程设计任务分配II
摘要IV
一、引言1
1.1、自动控制系统的背景和发展1
1.2设计的目的1
1.3设计内容及要实现的目标1
1.4车辆出入库管理系统设计的意义1
二、控制系统硬件设计2
2.1、控制系统可核心PLC2
2.1.1、PLC的基本结构2
2.1.2、PLC的工作原理2
2.2、PLC类型的选择3
2.2.1、FX2N型PLC的主要种类3
2.2.2、FX2N系列PLC的特点:
3
2.2.3、FX2N系列PLC的选择3
2.3、外围硬件设备设计3
2.3.1、BCD译码器----CD45113
2.3.2、7段数码显示DISP4
2.2.3、光电传感器的设计方案:
5
3、系统组成图5
2.3.1、系统的原理方框图:
5
2.3.2、设计传感器布置图:
6
2.3.3、系统主流程图设计:
7
三、控制系统软件设计8
3.1、I/O分配表8
3.2、输入、输出硬件接线图9
2.3.1、数码显示DISP接线图9
2.3.2、电机正反转电路9
3.3、主要程序设计10
3.3.1、程序流程图设计10
3.3.2、程序时序图设计11
3.3.3、程序设计思路11
四、系统调试及结果分析11
4.1、系统调试及解决的问题11
4.2、结果分析:
12
五、元器件清单12
六、控制程序指令表13
七、课程设计总结以及心得体会15
八、参考文献16
《可编程控制器及运用》课程设计评阅书17
一、引言
1.1、自动控制系统的背景和发展
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(ProgrammableLogicController),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、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设计的目的
(1)可以准确、科学地计算车库中车辆的数目;
(2)给予司机准确的车位数量和进出指示;
(3)自动化管理更加节省人力、物力资源,实现无人值守;
(4)可有效维持车辆进出的通顺,避免车辆拥挤。
1.3设计内容及要实现的目标
(1)车辆入库时,车辆检测传感器1检测到车辆,并且车库有车位指示灯亮起,栏杆机电机正转,栏杆机抬起,车辆进入到检测传感器2检测到车辆后栏杆机电机反转,栏杆机自动下落,车位显示器的车位数加1。
(2)车辆出库时,车辆检测器3检测到车辆,栏杆机电机正转,栏杆机抬起,车辆驶出到检测传感器4检测到车辆后栏杆机自动下落,车位显示器的车位数减1。
(3)车辆进出库自动栏杆机上升到上限位置或自动杆下降到下限位置后,栏杆机电机将会自动停止等待车辆进出。
(4)在人或者其他动物通过光传感器时不会误计数。
(5)显示器准确科学显示车库内车辆数目。
(6)当车库没有车位时,禁止进入指示灯将亮起,同时禁止栏杆电机正转,栏杆无动作。
(7)控制器采用PLC自动控制。
1.4车辆出入库管理系统设计的意义
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,就显得十分有实际意义。
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,能够可靠的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。
车库入出口栏杆门可以有效地维持车辆出入车库的跌序,同时也保证了自动控制系统的准确可靠,体现现代化自动管理的科学性,最后采用两个LED做显示,能够显示车库内车辆的实际数量。
设计具有以下优点:
(1)系统采用反复逻辑判定,计数动作可以准确、科学地计算车库中车辆的数目;
(2)给予司机准确的车位数量;
(3)自动化管理更加节省人力、物力资源,实现无人值守;
(4)可有效维持车辆出入的通顺,避免车辆拥挤;
(5)设备简单安装方便;
(6)抗干扰能力强,环保无污染;
(7)便于需要时进行扩展等。
2、控制系统硬件设计
2.1、控制系统可核心PLC
2.1.1、PLC的基本结构
1、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制核心。
它按照PLC系统程序赋予的功能:
a.接收并存储从用户程序和数据;b.检查电源、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。
2、存储器可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
存放系统软件(包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序)的存储器称为系统程序存储器;存放用户程序(用户程序存和数据)的存储器称为用户程序存储器,所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。
3.输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种,在我们实际涉及到的信号当中,开关量最普遍。
4.输出接口电路:
可编程序控制器的输出有:
继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。
2.1.2、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.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。
完成输入端刷新工作后,将关闭输入端口,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工作周期的输入刷新阶段才能被读入。
2.程序执行阶段
在程序执行阶段,根据用户输入的控制程序,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寄存器和输出状态寄存器。
当最后一条控制程序执行完毕后,即转入输入刷新阶段。
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(输出映像寄存器),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,由此循环往复,因此称为循环扫描工作方式。
显然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一次,所以系统存在输入输出滞后现象,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。
这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行,PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的,而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的,误动作将大大减小。
但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象,这个一般PLC都会采取高速模块。
总而言之,PLC采用扫描的工作方式,是区别于其他设备的最大特点之一,在学习和使用PLC当中都应特别注意。
2.2、PLC类型的选择
2.2.1、FX2N型PLC的主要种类
FX2N型PLC按品种可分为基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊扩展设备。
基本单元由内部电源、内部输入/输出、内部CPU和内部存储器组成。
需要注意的是,只有基本单元可以单独使用,当输入/输出点数不足时可以进行扩展。
扩展单元由内部电源、内部输入/输出组成,他需要和基本单元一起使用。
扩展模块由内部输入/输出组成,自身不带电源,由基本单元、扩展单元供电,同时也需要和基本单元一起使用。
特殊扩展设备可分为3类:
特殊功能板、特殊模块和特殊单元,它们均是一些特殊用途的装置。
其中,特殊功能板用于通信、连接和模拟量设定等;特殊模块主要有模拟量输入/输出、高速计数、脉冲输出及接口模块;特殊单元用于定位脉冲输出。
2.2.2、FX2N系列PLC的特点:
(1)系统配置既固定又灵活
(2)编程简单
(3)备有可自由选择,丰富的品种
(4)令人放心的高性能
(5)高速运算
(6)使用于多种特殊用途
(7)外部机器通讯简单化
(8)共同的外部设备
2.2.3、FX2N系列PLC的选择
FX2N系列是小型化,高速度,高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。
根据控制系统的设计要求,需要10个输入点和7个输出点,选择FX2N-32ER型PLC作为控制系统的主控制器。
FX2N-32ER型PLC具有16个输入点和16个输出点,可以完全满足设计系统要求而又不浪费主控制器的节点。
2.3、外围硬件设备设计
2.3.1、BCD译码器----CD4511
(1)CD4511的端子说明:
LT:
灯测试端,加高电平时显示器正常显示,加低电平时显示器一直显示“8”。
BI:
消隐功能端,加低电平时所有都消隐,加高电平时正常显示。
LE:
锁存控制端,加高电平正常显示。
D、C、B、A、:
8421BCD码功能输入端。
g、f、e、d、c、b、a译码输出端,输入为高电平有效。
(2)限流电阻和上拉电阻的选择。
CD4511内部有上拉电阻,在输出端和数码管输入端接上限流电阻就可以工作。
LED发光管的限流电阻的选择方法,用公式表达为:
R=(U-Uled)/If
式中:
U——电源电压;
Uled——LED的正向压降,取3.3V;
If——LED的工作电流,取5mA。
当电源电压为DC5V时,
R=(U-Uled)/If=(5V-3.3V)/5mA=340Ω
可取阻值为300Ω的电阻当限流电阻。
2.3.2、7段数码显示DISP
数码显示器显示的数据与BCD码之间的关系如表2-1所示:
表2-1数据对应关系
端口输入数据
显示数字
D
C
B
A
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
0
1
5
0
1
1
0
6
0
1
1
1
7
1
0
0
0
8
1
0
0
1
9
数码管显示:
LDNM0.0
MOVD&C20,AC1
Network1
LDNM0.0
MOVWAC1,AC2
IBCDAC2
Network2
LDNM0.0
SEGAC2,QB2
Network3
LDNM0.0
MOVBAC2,AC3
RLBAC3,4
Network4
LDNM0.0
SEGAC3,QB1
2.2.3、光电传感器的设计方案:
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。
光电传感器型号参数:
表2-2
传感器名称
传感器参数
光电传感器:
Q23系列偏振反射板式
Q23系列对射板式发射器(E)型号:
Q236E
Q23系列对射板式接受器(R)型号:
Q23SN6R
检测距离:
8m
供电电压:
24Vdc
输出形式:
互补型固态NPN
特点:
聚焦式焦距为50mm
•短距离和长距离直接反射式以及光纤式
•可见红色光源易于安装及对准
•带自诊断功能,有LED状态指示灯
•10~30Vdc供电电压
•互补型输出
•树脂密封电路及坚固的ABS外壳
•防护等级IP67和NEMA6
•可选电缆式或接插件式接线方式
•产品附带安装支架
3、系统组成图
2.3.1、系统的原理方框图:
系统的原理主要是先由光传感器检测到信号,然后传输到PLC处理器,控制电机带动栏杆门摇杆动作实现开关栏杆门,让车辆进出车库;同时准确可靠记录车辆进出车库的数量,并通过显示屏显示出车库实际停有车辆的数量。
系统的原理方框图如下所示:
2.3.2、设计传感器布置图:
2.3.3、系统主流程图设计:
控制系统原理:
(1)车辆入库时,车辆检测传感器1检测到车辆,并且车库有车位指示灯亮起,栏杆机电机正转,栏杆机抬起,车辆进入到检测传感器2检测到车辆后栏杆机电机反转,栏杆机自动下落,车位显示器的车位数加1。
(2)车辆出库时,车辆检测器3检测到车辆,栏杆机电机正转,栏杆机抬起,车辆驶出到检测传感器4检测到车辆后栏杆机自动下落,车位显示器的车位数减1。
(3)车辆进出库自动栏杆机上升到上限位置或自动杆下降到下限位置后,栏杆机电机将会自动停止等待车辆进出。
(4)在人或者其他动物通过光传感器时不会误计数。
3、控制系统软件设计
3.1、I/O分配表
根据车库的功能要求确定控制电路的I/O分配,如下表3-1表所示.
表3-1车库车位控制系统电路的I/O分配表
输入设备
输入点编号
输出设备
输出点编号
系统启动按钮SB1
X001
闸栏门电机1正转(开门)
Y001
系统停止按钮SB2
X002
闸栏门电机1反转(开门)
Y002
入口检测器动作触点KA1
X003
闸栏门电机2正转(开门)
Y003
入口检测器动作触点KA2
X005
闸栏门电机2正转(开门)
Y004
出口检测器动作触点KA3
X004
尚有车位指示灯HL1
Y011
出口检测器动作触点KA4
X006
车位已满指示灯HL2
Y012
入口闸栏门打开位置开关KA5
X010
7段数码显示DISP
Y010
入口闸栏门关闭位置开关KA6
X011
出口闸栏门打开位置开关KA5
X012
出口闸栏门打开位置开关KA5
X013
3.2、输入、输出硬件接线图
2.3.1、数码显示DISP接线图
图3-1FX2N与数码显示DISP之间的接线图
2.3.2、电机正反转电路
系统中车辆入库的电机正反转是由Y001(KM1)、Y002(KM2)控制,出库的电机正反转是由Y003(KM3)、Y004(KM4)控制的,具体电路如下图2-3所示。
图3-2电机正反转电路
3.3、主要程序设计
3.3.1、程序流程图设计
3.3.2、程序时序图设计
3.3.3、程序设计思路
4、系统调试及结果分析
4.1、系统调试及解决的问题
在系统程序流程图设计好后,通过三菱PLC编程软件_GX_Developer_8.86把系统程序流程的梯形图画出来,再进行调试操作,检验系统是否可行时,我们发现两个问题:
问题一:
调试时系统当车辆进入或者驶出车库时,电机正转摇杆上升到位后,电机正转Y001一直处于得电状态并没有关闭。
解决方法:
在原来设计好的系统程序流程图基础上加上摇杆上升的上限位置,当摇杆上升到完全打开状态时,触动栏门打开位置开关X010,同时通过位置开关X010来控制正转电机Y010停止下来,摇杆下降原理也亦然。
问题二:
调试时系统当车辆驶出车库时,当车辆被出库车道的第1个光传感器检车到,即X004得电,在摇杆上升打开的同时,显示器显示的出库数量D0就马上减1了解决的方法:
在原来的系统程序梯形图的基础上,把出库车道的第2个光传感器串联到减1指令之前,即:
当X006得电后减1指令才执行。
4.2、结果分析:
从在系统最后的调试结果来看,系统采用反复逻辑判定来实现车库的自动化控制,准确显示车库内车辆的实际数量外,同时还实现了系统的自动化的科学无人管理。
当车辆入库时,车辆检测传感器1检测到车辆,并且车库有车位指示灯亮起,栏杆机电机正转,栏杆机抬起,车辆进入到检测传感器2检测到车辆后栏杆机电机反转,栏杆机自动下落,车位显示器的车位数加1。
当车辆出库时,车辆检测器3检测到车辆,栏杆机电机正转,栏杆机抬起,车辆驶出到检测传感器4检测到车辆后栏杆机自动下落,车位显示器的车位数减1。
期间车辆进出库自动栏杆机上升到上限位置或自动杆下降到下限位置后,栏杆机电机将会自动停止等待车辆进出。
系统所采用的元器件及其各种元器件的采用都取得比较好的效果,没有浪费元器件或放大化采用高功能的元器件,实际系统合理,取得的效果也比较理想。
总的来说,从结果显示,设计的系统可以完全实现实际的要求,同时也达到了预期的理想效果,可以说系统的设计很成功。
5、元器件清单
表5-1
元器件
数量
应用
LED显示屏
2个
显示
光电传感器
4个
用于计数
FX2NPLC
1个
主控制器
LED灯(红·绿)
2个
是否有车位显示
BCD译码器-CD4511
2个
转变电信号
行程开关
4个
控制电路
电动机
2台
开关门
栏杆门
2个
控制车辆进出
熔断器
1套
保护电路
接触器
2个
接通、断开电路
热继电器
1个
保护电路
中间继电器
4个
辅助控制
导线
若干
接线
6、控制程序指令表
1.LDX001
2.ANIX002
3.MCNOM100
4.LDX003
5.MPS
6.SEGLD0Y010K3
7.MRD
8.ANDX005
9.INCPD0
10.MPP
11.ZCPK0K99D0M0
12.LDX006
13.MPS
14.MCN0M100
15.SEGLD0Y010K3
16.MRD
17.ANDX004
18.INCPD0
19.MPP
20.ZCPK0K99D0M0
21.LDM0
22.ORM1
23.OUTY010
24.LDM2
25.OUTY011
26.LDX003
27.ANDY003
28.SETY001
29.LDX010
30.RSTY001
31.LDX005
32.SETY002
33.OUTT0K30
34.LDXO11
35.RSTY002
36.LDX006
37.SETY003
38.LDX004
39.SETY004
40.OUTT1K30
41.LDX013
42.RSTY004
43.LDY010
44.RSTY001
45.MCRN0
46.END
结束语
七、课程设计总结以及心得体会
通过这一周的电气编程PLC课程设计,我学到了不少课本上没有的知识,也锻炼了自己的动手能力,将以前学过的零散的知识串到一起。
个人觉得PLC还是非常有意义的,第一,能让我们把实际的与理论的知识做一个结合;第二,让我们对电气编程PLC这一个应用学科,学习的更“生动”,具体的感觉,了解操作,而不是在书本上念文字。
首先在课程设计刚开始的调研阶段,我学会了怎么通过各种方式查询相关的资料。
通过对这些资料的学习,我大致了解了自动控制系统的发展现状以及未来的发展趋势,认识到目前PLC方面的各种各样的发展,和它们之间的竞争。
我的课程设计主要涉及硬件和软件两方面的内容,通过这些我的硬件和软件开发能力都获得了提高。
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,能够可靠的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。
系统显示车库内车辆的实际数量外,同时还实现了系统的自动化的科学无人管理。
本设计中实现的双栏杆
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