车辆出入库电气控制系统设计.docx

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车辆出入库电气控制系统设计

电气控制与PLC

课程设计说明书

题目：

车辆出入库电气控制系统设计

专业班级：

电气自动化

姓名：

学号：

指导教师：

评语：

成绩：

指导老师签名：

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

指导教师

主要内容

（参数）

利用PLC设计一种车辆出入库电气控制器，实现以下功能：

1．利用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允许进入；

3．出库车到达刷卡后能自动控制栏杆机允许驶出。

任务要求

（进度）

第1-2天：

熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。

第3-4天：

按照确定的设计方案绘制原理图。

第5-6天：

根据原理图和设计方案绘制接线图。

第7-8天：

根据设计方案、原理图和接线图选择器件，列写元件清单。

第9-10天：

撰写课程设计说明书。

要求内容完整、图表清晰、文理流畅、

格式规范、方案合理、设计正确，篇幅合理。

主要参考

资料

[1]电气控制与PLC系统．北京：

机械工业出版社，2013

[2]三菱FX2N系列PLC使用说明书

[3]陈宇.可编程序控制器基础及编程技巧.广州:

华南理工大学出版社，2002.

[4]孙岩.Visio2007图形设计从新手到高手.北京：

清华大学出版社，2008

审查意见

系（教研室）主任签字：

年月日

目录

1概述2

1.1自动控制的应用背景和意义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方案选取4

2.3总体方案设计7

3硬件电路设计8

3.1系统的原理方框图8

3.2主电路9

3.3I/O分配12

3.4I/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

参考文献23

1概述

1.1自动控制的应用背景和意义

随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，汽车已越来越多的进入家庭，汽车消费时代已悄然来临，停车场的建设也是方兴未艾。

停车场作为交通设施的组成部分，随着交通运输的繁忙和不断发展，人们对其管理的要求也不断提高，都希望管理能够达到方便、快捷以及安全的效果。

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，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.

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。

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。

此外，由于设计尽量减少人工的参与，从而最大限度的减少人员费用和人为失误造成的损失，大大提高整个停车场的安全性与使用效率。

自动化停车场的这些优点使得对其设计就是十分必要的了。

1.2设计思想及基本功能

停车场管理系统重点要做到准确指示车辆进出，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。

车辆进出指示可完全由PLC作为中央控制处理。

对现有的停车系统管理实现以下要求：

车辆出入库自动化、数量统计自动化、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，控制器可以输出一个开关信号，当车辆离开时，控制器的输出开关信号打开）、出库车辆存在车辆检测器、出库栏杆机、库里车辆数显示器（2位7段数码管，车库共有50个车位）组成。

栏杆机由单向异步电机拖动250W，AC220V。

具体要求如下：

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，车位显示器的车位数减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，车位显示器的车位数加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

根据设计要求实现的数码管显示车库剩余停车位；入库时，车辆驶入自动检测，刷卡后栏杆机打开允许驶入；出库时，车辆检测，刷卡后自动打开栏杆机；我们可以得出系统结构框图如图2-1所示。

图2-1系统框图

2.2方案选取

本设计主要部分是一种停车场车辆检测系统，通过分布在进出口的车辆检测器，实现对闸杆机的控制和车位提示等功能。

根据设计要求和系统框图可我们可以知道设计由以下基本硬件组成：

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、显示器

2.2.1出入库车辆检测器选择

在设计选定阶段，我查阅了大量出入库车辆检测相关的资料，并从海量的检测方案中选出比较常见的几种，加以比较。

方案一：

选用光电传感器对车辆的进出进行检测。

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。

具有非接触，无触点无机械结构的特点，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的进出进行检测。

对称重传感器设定车辆检测范围，当检测到车辆到位，将信号传到PLC，运行相应的程序。

利用称重传感器能够对车辆是否到位进行很好的检测，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的进出进行检测。

地感线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器。

地感线圈Ll埋在路面下，通有一定工作电流的环形线圈，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的一个电感元件，与车辆检测器的振荡回路一起形成LC谐振。

当有车辆通过时，将会使线圈中单位电流产生的磁通量增加，从而导致线圈电感值发生变化。

把这个信号传送给PLC，执行相关程序，判断是否有车经过。

地感线圈具有安装维护方便，受外界因素影响小，价格便宜的特点。

通过对以上方案的综合考虑，本设计最终选取采用地感线圈，作为检测车辆存在的检测器。

2.2.2控制器的选择

由于PLC具有功能强、可靠性高、使用方便、适用范围广的特点，设计要求中明确规定，需要使用PLC作为车辆出入库电气控制系统的控制核心。

结合个人实际情况，对三菱公司PLC熟悉程度相对较高。

所以本次设计选用三菱系列PLC。

又综合考虑设计要求和可能存在的功能扩展，保留了一定的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2-2FX2N-32MR型PLC实物图

2.2.3车库车位余量显示方案选择

系统明确要求采用两个七段数码管显示器用来显示所剩的停车位个数。

而数码管显示由于占用I/O口太多，也是阻碍我们本次设计的难点所在。

查阅了大量PLC控制数码管显示的资料后，我们基本归纳出，以下几种显示方案。

方案一：

直接使用PLC输出端口分别控制数码管各段显示。

缺点是占用输出端口太多，而I/O点数又是影响PLC价格的一个重要因素，所以这种方案成本过高。

方案二：

借鉴单片机的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开关量输出分为两部分，一部分用作数据输出，另一部分用作控制数码管公共端信号的输出，利用人眼的余辉效应，循环点亮每个数码管。

但是考虑到PLC的周期性扫描的特点，在编程时要做到每个周期只能点亮一个数码管，如果程序较短，扫描周期很短的情况下，人眼感觉每个数码管都是均匀通电亮着的，没有拖尾现象，但是如果扫描周期加长，会出现拖尾现象。

方案三：

选用译码器控制数码管显示。

为节省PLCI/O口资源及显示方便，选用CD4511七段译码器2个，输入数据为一位BCD码，输出为对应输入数的数码管七段输出。

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，最终显示采用由PLC输出并经解码器解码后输出到数码管的方式。

这种方法操作简单、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出入库栏杆机选择

栏杆机的示意图如图2-4所示，设计要求通过单相直流电动机的正反转控制来实现栏杆机的自动升降。

图2-4栏杆机示意图

2.2.5刷卡器选择

IC卡刷卡器是用于识别身份的装置，当车主刷卡识别后，信号传到PLC，通过程序的运行栏杆机打开，允许车辆驶入。

市面上常用的IC卡刷卡器如图2-5所示。

图2-5常用的IC卡刷卡器

2.3总体方案设计

通过上述讨论我们可以看出，本设计车辆出入库电气控制系统是基于满足设计要求的前提下，并且根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，综合考虑各种因素的情况下，而得来的系统方案。

方案具体工作过程如下。

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系统的原理方框图

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。

随着车辆的进入，2#地感传感器检测到车辆后触发PLC，PLC得到计数信号，数码管显示器显示数减1，同时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。

随着车辆的驶出，4#地感传感器检测到车辆后触发PLC，PLC得到计数信号，数码管显示器显示数加1，同时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。

系统的原理方框图如图3-1所示：

图3-1系统的原理方框图

3.2主电路

由于设计要求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单，所以查阅了大量单相异步电冬季的相关资料，具体与本设计相关的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的异步电动机,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个大小和方向交变的磁场。

这种磁场的空间位置不变，其幅值在时间上随交变电流按正弦规律变化，具有脉动特性，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的旋转磁场。

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,外力给转子一个正向的初速度后，就会继续正向旋转；而外力给转子一个反向的初速度时，电机就会反转。

为了解决单相异步电动机的启动问题，可在电动机的定子中加装一个启动绕组。

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°的两相交流电，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个电容器，就构成了单相电容异步电动机，图3-2是它的原理线路图。

由于电容器的作用，使启动绕组中的电流

超前于工作绕组电流

一定的相位差。

当电容量合适时，可使相位差接近90°。

这样可使电动机在启动时获得最佳的旋转磁场。

所以这种单相异步电动机的启动转矩较大，启动电流较小，启动性能最好。

适用于各种满载启动的机械。

同时串联了电容，工作时还提高电动机的功率因数和效率。

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须使旋转磁场反转，有两种方法。

（1）将工作绕组或启动绕组的首末端对换。

因为单相异步电动机的转向是由工作绕组与启动绕组所产生磁场的相位差来决定的，一般情况下，启动绕组中的电流超前于工作绕组的电流，从而启动绕组产生的磁场也超前于工作绕组，所以旋转磁场是由启动绕组的轴线转向工作绕组的轴线。

如果把其中一个绕组反接，等于把这个绕组的磁场相位改变180°，若原来启动绕组的磁场超前工作绕组90°，则改接后变成滞后90°，所以旋转磁场的方向也随之改变，转子跟着反转。

这种方法一般用于不需要频繁反转的场合。

（2）将电容器从一个绕组改接到另一个绕组。

在单相电容运行异步电动机中，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，则串联电容器的绕组中的电流超前于电压，而不串联电容器的那相绕组中的电流落后于电压。

转向由串联电容器的绕组转向不串联电容器的绕组。

电容器的位置改接后，旋转磁场和转子的转向自然跟着改变。

用这种方法来改变转向，由于电路比较简单，所以用于需要频繁正反转的场合。

图3-3单相电容器异步电动机正反转控制原理图

考虑到停车场频繁的有车进出，我们采用将电容器从一个绕组改接到另一个绕组的方法，使得控制栏杆机的单相交流异步电动机正反转，从而控制栏杆的起落。

如图3-4为车辆出入库电气控制系统的主电路原理图。

图3-4车辆出入库电气控制系统主电路原理

3.3I/O分配

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保留一定的I/O裕量，以便日后对系统进行功能扩展之后，我们PLC控制电路进行了详细的I/O分配，系统I/O分配如下表1所示。

表1I/O分配表

输入点

对应外围设备

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

对应外围设备

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

3.4I/O接线图

根据I/O分配结果，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

由电机的功率和工作电压选2个250W,AC220V的单相异步电机。

查询资料后最终选定使用奉化市溪口三和电机有限公司的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。

依此为依据选用其它器件。

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部分。

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

按照设计的流程图，在查询BCD功能指令的用法后，经过一番努力，编写出系统的程序梯形图如图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

根据编写好的梯形图程序，利用GXDevelop软件，我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

在此次设计过程中，我们利用GXDevelop和GX-Simulator软件联合，进行了反复调试与修改。

使得最终设计基本满足车辆出入库电气控制系统设计的要求。

在反复调试过程中，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不再亮说明栏杆及停止；强制X2闭合发现Y1亮，说明栏杆机反转；

强制X12闭合，Y1不再亮说明栏杆机停止。

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不再亮说明栏杆及停止；强制X3闭合发现Y3亮，说明栏杆机反转；强制X14闭合，Y3不再亮说明栏杆机停止。

通过调试可以看出最此设计基本能够满足车辆出入库控制要求。

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的懵懵懂懂，不知如何下手，到后来的通过查阅大量相关资料，对整个系统有了一定的认识，在经过与同伴讨论、争辩，有了清晰的思路，然后设计、修改，到最终确定整个设计方案，做出完整的设计报告，在这个过程中让我收获很多。

此次课程设计不仅是对前面所学知识的一种总结，而且也是对自己能力的一种提高。

通过这次课程设计，我明白了自己原来知识还比较欠缺的。

自己要学习的东西还很多，课程设计让我认识到了自己的眼高手低。

通过这次课程设计，我还认识到学习是一个长期积累的过程，因此在以后的工作、生活中我都会不断的学习，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，我还发现了很多平时不容易发现了以前学习中遗漏的知识，比如BCD、BIN功能指令。

另外，通过查阅大量有关资料，与同学交流经验等方式，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，为将来的毕业设计打下了一定的基础，也培养了我独立工作学习的能力。

相信这次课程设计会对今后的学习、工作生活有很重要的影响。

这次课程设计大大提高了我的动手能力，使我充分体会到在创造过程中探索的艰难，同时也让我尝到了成功时的喜悦。

虽然这个设计做的还有不足，但是在设计过程中所学到的知识是这次课程设计的最大收获，也将成为我的财富，这些都将为以后的继续学习提供一个很好的基础。

参考文献

[1]任胜杰.电气控制与PLC系统．北京：

机械工业出版社，2013

[2]三菱FX2N系列PLC使用说明书

[3]陈宇.可编程序控制器基础及编程技巧.广州:

华南理工大学出版社，2002.

[4]孙岩.Visio2007图形设计从新手到高手.北京：

清华大学出版社，2008

[5]阮友德.电气控制与PLC实训教程[M].北京：

人民邮电出版社.2006.

[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。

2010

[7]高钦和，可编程控制器应用技术及其设计实例[M].北京:

高等教育出版.2004