基于PLC的车辆出入库管理系统的设计.docx
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基于PLC的车辆出入库管理系统的设计
基于PLC的车辆出入库管理系统的设计
摘要：
该设计针对目前车辆出入库管理系统中存在的系统管理落后、自动化程度低、安全性较差、人性化和运行效率不足等问题提出改进方法，设计了一种基于PLC的车辆出入库管理系统。
设计的思想立足于车辆管理系统的可靠性、安全性和高效性，使车辆出入库管理系统实现以下要求：
车辆出入库的自动化、数量统计的自动化、信息查询的自动化。
本文叙述基于PLC控制车辆出入库系统的一个基本思路和方法。
着重介绍了PLC工作特点和运行原理，介绍了西门子S7-200可编程控制器系列CPU226型PLC控制器的主要特点。
叙述车辆出入库电气控制和自动控制系统中所用传感器的特点和使用，在设计中采用光电传感器输入信号，通过PLC控制，完成了车辆出入库时的统计和显示工作，能够准确可靠的进行计数统计。
车库内信息使用七段数码管显示出总车位和实时车辆数目，简单清晰，让用户一目了然。
本文主要针对车辆出入库进行了智能化设计，采取PLC技术对车辆出入库管理系统进行设计，使车辆出入库系统实现的高度自动化。
关键词：
可编程控制器；传感器；自动化
ThedesignofstoragemanagementsystemofvehiclebasedonPLC
ABSTRACT:
ThispaperdesignavehiclemanagementsystembasedonPLC,putforwardtheimprovementmethodsofthefollowingquestionsthatthevehiclemanagementsystemhavesomeproblemslikebackwardmanagement,lowdegreeofautomation,poorsecurity,lackhumanizationandefficiencyatpresent.Thedesignthoughtbasedonthevehiclemanagementsystemreliability,safetyandefficiency,sothatthevehiclemanagementsystemtoachievethefollowingrequirements:
thevehicleoutofthewarehouse,statisticsthenumberandinformationqueryofautomation.
ThispaperdescribesoneofthebasicideasandmethodsofthevehiclestoragesystembasedonPLC.IntroducedthePLCcharacteristicandoperationprinciple,themaincharacteristicsofSiemensS7-200CPU226PLCcontrollerisalsopresented.Anddescribethesensor’scharacteristicsandapplicationthatisusedinthevehiclestorageelectriccontrolandautomaticcontrol.InthedesignthesignalinputthroughthePLCcontrol,tofinishingdisplayingtheresultofvehiclestorage’sstatisticsandaccurateandreliablecountingstatistics.Usingtheinformationofsevendigitaltubedisplaynumber,totalparkingspacesandreal-timevehiclegarageissimpleandclear,letusersstickoutamile.Thispapermainlyaimsattheintelligentdesignofvehiclegarage,adoptPLCtechnologyforvehiclemanagementsystemdesign,makethevehicleoutofstoragesystemishighlyautomatic.
KEYWORDS：
PLC；Sensor；Automation
1.1课题设计的背景1
1.2课题设计的意义1
1.3课题设计的要求1
2.1车库管理系统的示意图1
2.2车库管理系统的自动化2
2.3车库管理系统的工作步骤3
2.4车库管理系统的工作流程图3
2.5车库管理系统的功能构成3
3.1PLC的分析和选择5
3.2传感器的分析和选择8
3.3电路元件的选择11
3.4摄像头的选择13
3.5显示装置的选用15
4.1PLC框架设计16
4.2PLCI/O编号的分配17
4.3PLC外部接线图的设计18
4.4电器控制原理图的设计18
5.1PLC编程指令19
5.2梯形图设计和分析19
5.3语句表26
5.4程序的调试27
1绪论
1.1课题设计的背景
随着科学技术的不断发展，车辆的生产成本越来越低，导致车辆的价格普遍下降，因此拥有汽车人群越来越广、数目越来越多，在公共场所和生活小区中的车流量激增。
在这样的大背景下对车辆的出入库管理提出了更高的要求，引进一流的控制技术和先进管理方式，实现车辆出入库管理系统的自动化和智能化已经成为停车管理服务的必然趋势。
应用最先进的全自动化技术，投入最少的资金，获得最好的自动化效果。
目前，PLC和传感器的发展已经到了相当高的程度，使用也已经越来越成熟，将PLC和传感器技术应用到车辆出入库管理系统当中已经有了足够的条件。
1.2课题设计的意义
本设计针对目前车辆出入库管理系统中存在的管理方式落后、自动化程度低、安全性较差、人性化和效率不足等问题提出解决方案，设计了一种基于PLC的车辆出入库管理系统。
新型管理系统使用传感器将让车库的管理实现：
车辆出入库的自动化、数量统计的自动化、信息查询的自动化。
这种基于PLC的车辆出入库管理系统具有更高可靠性、安全性和高效性，能够更好的服务于用户，让用户更加满意和放心。
1.3课题设计的要求
基于PLC的车辆出入库管理系统将使用传感器来实现汽车出入库道闸的打开和关闭，并且对车库内车辆的情况进行自动统计，通过数码管可显示出车库内现有车辆数目和总车位数目，对车库内越界停车也使用传感器进行检测，一旦发生越界即发出声音报警，提示用户重新调整入库。
本设计要求车辆出入库能够实现自动、手动两种工作方式，电源接通和满库状态均有信号指示。
2车库管理系统的设计
2.1车库管理系统的示意图
根据资料显示，小型汽车的标准尺寸长度5m左右，宽度为2m左右。
据此设计车库进出通道为3.5m，停车位的大小为6m×3m，足以应对日常停车需求。
在车库进出口处使用4个传感器，道闸的打开和关闭全部由传感器控制。
1#传感器进行车辆进库检测，为了车辆进库的安全2#传感器设置距道闸6m，避免车辆未完全入库道闸就关闭，造成事故。
出口检测通过3#传感器，同理为了安全4#传感器距离道闸6m。
车辆进库身份确认的则由摄像头识别完成。
车库管理系统示意如图2.1所示。
图2.1车路管理系统示意图
2.2车库管理系统的自动化
2.2.1车辆出入库的自动化
车辆出入库管理，将出入库车道设计为单行道，分开管理，利于车库内情况的自动统计和计数。
在车辆出入库时，设置光电传感器检测车辆是否到位，通过PLC和识别装置控制道闸的打开和关闭，以实现车辆出入库的自动控制。
2.2.2数量统计的自动化
在车辆出入库时，通过光电传感器的检测，并且光电传感器与PLC的连接，用来统计车库现有车辆的数目，实现车辆计数的自动控制。
2.2.3信息查询的自动化
车辆出入库情况与车库统计的数量，通过PLC与七段显示器连接，在显示屏上显示，实现信息查询的自动控制。
2.2.4越界停车的自动报警
在车辆进入车位时，通过光电传感器的检测，并且光电传感器与PLC的连接控制，用来识别车辆是否越界。
且PLC连接报警装置，停车越界发出声音报警，实现车辆越界停车报警的自动控制。
2.3车库管理系统的工作步骤
（1）系统实时显示车库内现有车辆和总车位的数目情况，车辆入库时，如有空车位，则放行，车辆数目显示自动加一；
（2）车辆进入车库内，停入车位时，如果有停车越界情况，报警器发出声音，提示重新调整入库；
（3）车辆出库时，自动放行，车辆数目显示自动减一；
（4）车库道闸的开和关由PLC和传感器自动控制；
（5）车库道闸的开和关也可实现手动控制。
2.4车库管理系统的工作流程图
设计车辆出入库管理系统的工作流程图，其中包括的功能有：
车辆的检测识别功能、道闸的自动开关功能、车辆数目自动统计功能，还有一个越界报警系统功能，在下文独立说明。
工作流程如图2.2所示。
2.5车库管理系统的功能构成
2.5.1汽车检测功能
汽车检测的功能主要表现在对车辆身份的识别与车辆到位的检测,当检测功能完成时，启动道闸开关系统，使用的设备仪器主要有光电传感器和摄像头。
身份识别：
当车辆触发1#传感器准备进入车库时，停在摄像区，摄像头拍照通过电脑图库自动识别身份，检测到正确的车主信息，传到PLC控制器中，完成身份识别。
到位检测：
当车辆触发1#光电传感器时，管理系统检测到光电信号，有车辆准备进库；当车辆触发3#光电传感器时，管理系统检测到光电信号，有车辆准备出库。
2.5.2道闸开关功能
道闸开关主要是通过PLC，光电传感器和行程开关控制电机正反转实现。
当车辆准备进库，触发1#光电传感器，在完成汽车检测后，PLC控制电动机正转，道闸打开；车辆开进并触发2#光电传感器，PLC控制电动机反转，道闸关闭。
当车辆准备出车库，在车辆触发3#光电传感器时，PLC控制电动机正转，道闸打开；车辆出道闸并触发4#光电传感器，PLC控制电动机反转，道闸关闭。
道闸的关闭通过电动机安装的行程开关控制。
图2.2车辆出入库管理流程图
2.5.3车辆计数功能
车辆计数主要是通过PLC处理两个光电传感器信号，完成车辆计数功能。
当车辆触发2#光电传感器，PLC计数器加1，当车辆触发4#光电传感器，PLC计数器减1。
2.5.4越界报警功能
报警感应传感器同样采用光电传感器，当车辆停车越界触发传感器，PLC接收到信号进行处理，同时输出一个报警信号，提示重新调整入库（报警功能流程见图2.3）。
图2.3越界自动报警流程图
3元器件的分析和选择
3.1PLC的分析和选择
3.1.1PLC的基本组成
PLC是一种工业控制计算机，比一般的计算机具有更强的与工业过程相连的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。
PLC具有中央处理器（CPU）、储存器、输入/输出（I/O）接口、电源等。
如图3.1所示。
（1）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心。
它的运行按照PLC系统程序所赋予的任务进行的。
其主要任务有：
控制从编程器输入的用户程序和数据的接收与存储；诊断电源、PLC内部电路的故障和编程程中的语法错误等功能。
（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。
系统程序存储器用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，用户不得访问和修改。
系统程序相当于个人计算机的操作系统，关系到PLC的性能；用户程序存储器用于存放用户经编程器输入的应用程序，分为用户程序区、数据区、系统区三个部分。
图3.1PLC的基本组成
（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，在实际使用中涉及到的信号，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。
（5）电源
电源单元是PLC的电源供给部分。
它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。
PLC的电源输出分为两部分：
一部分供PLC内部电路的工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。
3.1.2PLC的工作原理
PLC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。
工作原理如图3.2所示。
（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。
图3.2PLC工作原理图
（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。
由上可知，PLC的一个工作周期由输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成，循环往复。
3.1.3PLC型号的选定
选用西门子公司的S7-200PLC，S7-200是一种叠装式结构的小型PLC。
它指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展、性价比高，在自动化系统中充分发挥着其强大功能，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
选择S7-200PLC的CPU模块为226，CPU226型集成24输入/16输出共40个数字量I/O点；可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；13K字节程序和数据存储空间；6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器；2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力；I/O端子排可很容易地整体拆卸，用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点、更强的模块扩展能力、更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统（见图3.3）。
图3.3S7-200CPU226
3.2传感器的分析和选择
3.2.1传感器类型的选择
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
（见图3.4）
图3.4光电传感器
3.2.2光电传感器的特点
（1）检测距离长。
如果在对射型中保留10m以上的检测距离，便能实现其它检测手段（磁性、超声波等）无法远距离的检测。
（2）对检测物体的限制少。
由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。
（3）响应时间短。
光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。
（4）分辨率高。
通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。
（5）可实现非接触的检测。
无须机械性地接触检测物体实现检测，不会对检测物体和传感器造成损伤。
因此，传感器能长期使用。
（6）可实现颜色判别。
通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。
利用这种性质，可对检测物体的颜色进行判别。
（7）便于调整。
在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。
3.2.3分类和工作方式
（1）槽型光电传感器
将一个发光器和一个收光器面对面地装在一个槽的两侧组成槽型光电开关。
发光器可发出红外光或可见光，在无阻情况下收光器能收到光，但当被检测物体从槽中通过时阻挡光路，光电开关便动作输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。
槽形光电开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
（2）对射型光电传感器
将发光器和收光器分离开，可使检测距离加大，一个发光器和一个收光器组成对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。
对射式光电开关的检测距离可达几米至几十米，使用对射式光电开关将发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，光电开关就动作输出一个开关控制信号，从而完成一次控制动作。
（3）反光板型光电传感器
把发光器和收光器装入同一装置内，在前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制，称为反光板反射式光电开关。
正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来再被收光器收到；一旦被检测物挡住光路，收光器收不到反射光，光电开关就动作输出一个开关控制信号。
（4）扩散反射型光电传感器
扩散反射型光电开关的检测装置中也装有一个发光器和一个收光器，但扩散反射型光电开关前方没有反光板。
正常情况下发光器发出的光收光器是接收不到的；在检测时，当检测物通过挡住了光，并把部分光反射回来，收光器就收到光信号，光电开关就动作输出一个开关信号。
3.2.4光电传感器选用
邦纳是光电传感器领域的革新者和领导者，目前邦纳的产品已用于所有的制造500强的企业中，邦纳可提供多达12000种业界最为完整的光电传感器。
在连续20年，超过50项独立的机构的评比中，邦纳被列为最受欢迎的传感器厂商。
选择邦纳精巧型光电传感器Q23系列，技术规格：
（1）可选择垂直和水平两种外型；
（2）递送高能量在一个小的外型中；（3）使用高能量看得见的红色感测光线为容易的装置和对准；（4）有对射式﹑带偏振反射板式,聚焦式﹑扩散和塑料光纤可选择；（5）10到30V直流供电带有双极性NPN/PNP输出,取决接线方式；（6）提供边沿指示和输出报警。
（具体参数见表3.1）
表3.1Q23系列光电传感器参数
传感器名称
Q23系列对射型
光源颜色
红色
发光器（E）型号
Q236E
输出形式
互补型固态NPN
收光器（R）型号
Q23SN6R
接线形式
电缆式或接插件式
检测距离
8m
诊断功能
自诊断LED指示
供电电压
24VDC
防护等级
IP67和NEMA6
3.3电路元件的选择
3.3.1电机的选择
选择由苏州西格玛机电有限公司生产的道闸专用低速电机90TYD系列。
90TYD三相永磁低速同步电机主体结构由定子和转子两部分组成，电机定子分布三相正弦多极对称绕组，转子由高性能纯稀土永磁体组成，无鼠笼结构，无起动绕组，温升低，损耗小，效率较高。
电机运转方式：
三相交流电源直驱运转，调速方式：
使用单三相变频器调速（见图3.5）。
图3.590TYD三相电机
3.3.2电机的特性
（1）电机是同步的、运转精度高；电机是永磁同步电机，外面负载发生变化、电压出现波动时，电机转速不变，几台电机都能保持同步运行，电机运转精度高，运转稳定。
（2）电机在过载、缺相、卡住时候不会烧机；电机恒电流运转，在起动、空载、缺相、卡死的情况下，电流保持不变，不会产生线圈烧坏现象。
（3）电机采用高极数\无减速齿轮直接输出，低转速、大扭矩；可频繁正反转和频繁启动、断电后可以人工轻松转动电机轴、无减速齿轮装置也就无润滑油泄漏的隐患、免维护；电机采用的高极数、没有减速齿轮、可直接获得低速和很大的扭矩，不需要保养维护，不会因减速齿轮润滑油泄露而带来污染。
（4）高性能、高品质、高效率、节能、温升很低、损耗小、直接输出扭矩大；转子是采用高性能稀土永磁材料，无鼠笼、无起动笼、没有涡流产生的损耗，定子采用导磁率较强的冷轧硅钢片，感应强度大、线圈电阻率低，整机效率比同类异步电机效率更高，电机温升很低，热能耗很小，节能明显。
（5）噪音低、振动小；电机本身是高极数，电机转速很低，又无减速齿轮的摩擦，所以噪音很低，基本在35-55dB，振动小，或基本无振动。
（6）体积小，外形美观，也可加工成空心轴、双出轴的、方便用户的安装；轴可以做成空心轴，可直连传动轴、丝杠等，可替换NMRV蜗轮减速器。
（7）适应性强；可适用于各种恶劣工况，可以长期低速运转、频繁启动、频繁正反转等场合。
（8）调速性能比较好，调速范围比较大；恒扭矩一般是3Hz-60Hz。
（9）使用年限长；由于电流恒定，电机温升很低，电机转速低、磨损小，使得电机寿命延长，可连续运转几万小时。
3.3.3电机的参数（见表3.2）
表3.290TYD三项电机参数
电机型号
90TYD-S30
电机温升
额定电压
380v
绝缘等级
B级
额定功率
1000w
防护等级
IP54
电源频率
50Hz
冷却方式
IC410（自冷）
额定扭矩
3.2N/m
工作时间
连续
同步转速
30r/min
安装方式
水平或垂直
3.3.4控制电器的选择
道闸开关由电机控制，控制线路由一些元器件和单元电路组成。
交流接触器用来接通和断开电动机的主电路，实现正反转；热继电器用来保护电动机使其免受长期过载伤害；熔断器是最简单且有效的短路保护装置。
元件的选择均与电机额定电流有关。
（各控制电器型号见表3.3）
主回路的额定电流计算：
I＝
＝
≈2.7A（3.1）
选用交流接触器应注意额定电流、线圈电压及触点数量等。
选择CJ10系列，主触点额定电流5A，额定电压220V。
热继电器的主要数据是整定电流。
整定电流就是热元件中通过的电流超过此值的20%时，热继电器应当在20min内动作。
整定电流与电动机的额定电流基本一致，选择5A。
主电路在正常工作情况下，熔断器中的熔丝或熔片不应熔断。
一旦发生短路或严重过载时，熔断器中的熔丝或熔片应立即熔断。
熔丝电流
＝6.75A（3.2）
故选择熔丝的额定电流为8A。
表3.3控制电器选择
符号
名称
型号
规格
数量
FU
熔断器
RL1-15
500V8A
2
QF1、2
断路器
C65N3P
C10A
2
KM1、2、3、4
交流接触器
CJ10-5
220V5A
4
FR
热继电器
JR15-10
5A
2
3.4摄像头的选择
3.4.1视频摄像头介绍
摄像头（CAMERA）是一种视频输入设备数字摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。
（见图3.6）
图3.6视频摄像头
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