基于PLC的车辆出入库管理控制系统

　　近年来，随着我国城市化的建设脚步越来越加快，城市的车辆也越来越多，对交通的需求越来越严苛。交通问题主要存在两个问题，公路交通问题和停放车辆交通问题。由于城市的土地资源严重紧缺，对地下广场和停车区的建设变得越来越重要，与此同时车辆出入库的管理问题也需要解决，本论文的研究目的是针对车辆的出库入库管理系统设计，对存入车辆进行统计，对出库车辆进行统计，并且显示目前空车位，达到自动化控制的目的。

　　可编程控制器以其许多优越性获得制造业广泛应用，在许多工业先进的国家，可编程控制器的应用已经成为标志国家自动化程度高低的衡量标准之一。可编程控制器专门为工业控制而开发，集微电子技术，传统电气控制技术，自动化仪表于一体，是个实现机电一体化最理想的设备。本系统的设计主要通过可编程控制器来实现车辆出库入库管理系统的设计，通过此设计过程的锻炼，对大学所学课程进行全面的复习巩固，为以后的工作打下基础。

　　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。

　　通过任务书的课题要求，结合车辆出入库管理的工艺分析，对论文进行以下部分设计，对本设计控制系统的工艺控制要求详细分析，在此基础上提出设计方案，并且对单片机系统和可编程控制器系统进行比较，根据本系统的具体要求，设计出总体思路和方案，根据总体思路和方案对可编程控制器的原理进行介绍并选型，对传感器的原理进行介绍和选型。满足该控制系统的硬件设计要求；根据具体工艺设计对可编程控制器进行硬件方面的图纸设计，包括可编程控制器图纸设计以及主电路和辅助控制图纸设计；对本系统进行软件设计，在软件设计部分对可编程控制器的I/O进行分配，并且对工艺流程进行详细设计和分析，对程序进行编写设计，通过设计的要求和工艺，实现了本设计控制系统的基本要求。

　　根据本设计的工艺流程和设计要求，根据本系统设计，设计思路如下所示，本文的研究思路如下：

　　（1）学习了解本设计控制系统的各个环节，主要包括工艺要求、选型要求等。

　　（2）对控制系统进行总体设计方案，包括对可编程控制器的介绍及选型、传感器的介绍及选型。在此基础上进行总体方案的设计。

　　（3）对控制系统进行硬件设计，硬件设计部分进行可编程控制器硬件图、主电路图的设计和分析。

　　（4）对控制系统进行软件设计，软件设计部分包括控制流程分析、I/O分配的设计和分析、梯形图的设计及分析等。

　　通过下图2-1的示意，对停车场的空位显示，实现全自动运行。停车场的空位假设为99个，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。整个停车场的车位有99个。

　　图2-1传感器布置图

　　通过以上要求，入口有两个传感器，分别是1号和2号传感器，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，此停车场的车位已满。如果未达到99，表示此停车场还有停车位。

　　根据上述对车辆出入库管理系统的工艺要求，对本控制系统进行控制设计，可供选择的方案有：

　　1、人工控制方案

　　根据车辆出入库管理的工艺要求，如果采用人工控制方案，就是属于手动控制，需要操作人员观察车库的的运行状态，并且根据当前的状态做出相应的判断，控制按钮和开关对系统进行干预。这种控制方式比较落后，而且需要有经验的操作人员进行操作，对管理的质量把握不够，容易造成有车位却不能让车辆进入，或者没车位，却让车辆进入，没地停车。特别对车辆出入库管理方面，人的主观性很强，往往会导致管理不能达到精确控制，可靠性不高，也需要操作人员一直守在停车场，对系统进行实时控制，工作效率比较低。此方案不适合自动化控制方案。

　　2、单片机控制方案

　　根据车辆出入库管理的工艺要求，采用单片机控制方案，单片机控制有优点也有缺点，优点：对象控制的精度比较高、算法比较方便灵活，也可以进行参数调整，性价比较高。缺点：研发的周期比较长，耗费人力物力，程序一旦固化，修改不方便，灵活性比较差，现场干扰对系统影响比较大。本系统使用停车场现场，需要经常扩展并修改程序，所以不选用此方案。

　　3、可编程控制器控制方案

　　可编程控制器是专用于工业现场开发的智能控制器，使用比较灵活方便，通信方便而且方式多样，也方便和其他系统进行联网，完成数据交换和连锁控制等。可编程控制器的设计为模块化设计，具有很好的扩展性能，可以根据系统的不同需求和功能的增加进行扩展。根据可编程控制器的硬件设计，需要根据该品牌的硬件手册进行查询，并且能够对可编程控制器进行硬件方面的接线。当现场工艺发生改变时，可以很方便的采用编程软件对程序进行修改，调试方便，开发周期比较短。可编程控制器在现场的应用中，对现场的干扰因素有很好的抵抗作用，稳定性好，可靠性比较高。所以可编程控制器很适用于工业现场的各个应用场合。根据可编程控制器的功能实现而划分，一般分为系统的顺序控制功能，现场总线的通讯功能，对现场连续性变量进行模拟量控制输出功能，对步进电机或者伺服电机进行运动控制功能。根据可编程控制器的控制功能，实现该系统的工艺流程往往比较合适，能达到控制工艺的目的和要求。

　　根据可编程控制器的原理，该产品结合了最新研发的计算机控制技术，自动化控制理论技术和工业现场通信技术等，依靠该内部的微处理器进行现场工业控制的产品。可编程控制器结构比较简单，工作性能比较优越，可靠性能也比较高并且维护比较方便。可编程控制器在工业现场的应用随处可见，比较广泛。在现代社会的自动化工厂中，都可以发现可编程控制器在各个系统中的具体应用，根据发展趋势来看，可编程控制器已经成为目前工业现场控制技术的主导产品，其发展和应用很广阔，市场空间很大。本文设计的控制系统，将采取可编程控制器进行设计，可靠性高，维护方便。关于PLC选择问题，还要考虑PLC网络通信功能，价格因素。系统可靠性也是一个重要的考虑因素。在具体的工业现场中，有非常多的逻辑控制变量开关，他们按照具体的工艺要求进行逻辑顺序控制和联锁保护等，在传统的工业控制电器中，采用继电器控制系统比较复杂，并且维修不方便，不具备扩展性能。在二十世纪六十年代，X通用汽车公司研发了一种控制器，取代了现场的继电器控制系统，根据当时的数字电路和集成电子电路的发展，研发出用于现场逻辑控制的简易控制器，这种简易控制器属于第一代的逻辑编程控制器，简称PLC。

　　2.3.1PLC的特点

　　编程控制器的应用比较广泛，并且受到广大工程师的好评，主要原因是可编程控制器具有以下特点：

　　1.可靠性比较高，对现场的抗干扰能力比较强，能在软件编程中多次的使用逻辑控制继电器，继电器触点克服故障导致接触不良;低压直流的投入使用，更可靠，更安全;在工业使用的环境，必须采用屏蔽措施，隔离措施等抗干扰方面的措施。可编程控制器可以适应比较恶劣的工作环境，其可靠性强于一般的计算机系统和传统继电器系统。

　　2.PLC的编程语言易懂简单。PLC采用和继电器逻辑控制相似的梯形图编程模式，具有直观，简单，易掌握的优势。

　　3．功能丰富，方便使用。可编程控制器的技术一直在不断地向前发展，使用的各种功能更加完善，不但有逻辑控制的功能，还有具体数值的计算，以及PID计算功能，模拟量处理方面的功能等。在操作过程中，控制逻辑可以在系统功能的任何时间，增加或减少改性。

　　4.空间小，质量好，功耗比较低。可编程控制器采用集成电路开发，所以可编程控制器的体积比较小，设计结构比较紧凑方便，现场安装比较方便。

　　可编程控制器的基本原理如下：

　　1现场信息输入；在可编程控制器循环扫描中，对现场的输入信息情况进行逐个扫描。

　　2按照既定程序执行命令：可编程控制器对现场信息进行识别后，按照设定好的逻辑控制条件和运算条件进行计算，将计算结果进行输出。

　　3对程序处理后的结果进行逻辑或模拟量输出：PLC将通过内部的逻辑程序或者计算程序将对条件进行处理，并且将计算的结果输出值外部端子，对外部的各种执行元件进行控制，包括各种继电器、电磁阀、蜂鸣器、指示灯等。

　　2.3.2PLC机型的选择

　　对于工厂中任何电气控制系统，目的是为了达到自动化控制的工艺要求，为了提高设备的自动化程度，保证设备的质量，在可编程控制器系统的硬件设计中，需要根据以下原则进行分析：

　　（1）要选择的可编程控制器必须符合技术规范，而且有良好的技术支持。在设计该系统局部它有一个更便捷的技术服务，根据当前系统的要求和可编程控制器的硬件性能，选择主流的可编程控制器型号

　　（2）要对控制对象进行分析，满足控制对象的控制要求，所以在系统设计之前，要对控制对象进行详细调查和分析，并且根据资料查询，与设计师和机械操作者，电控紧密合作，共同研制，做出总体设计方案，互相沟通，对控制对象的每个环节的工艺要求进行详细了解。

　　（3）根据工业控制对象的现场条件，满足现场工艺生产的控制要求，必须使控制系统的研发设计简单可靠方便，而且达到经济使用的要求和效果，便于维护。要达到系统符合工业设计要求，降低研发成本。

　　（4）在进行现场控制系统的程序研发的时候，要确保现场操作安全和人员使用的安全，对设备要起到保护作用，系统运行要稳定可靠，正确的程序调试，充分考虑到恶劣的环境条件，选择可靠性比较高的可编程控制器，并且要对可编程控制器进行保养和维护

　　（5）在对现场生产工艺进行系统改进和开发，在可编程控制器设计时，必须要对以后的研发和改进留够一定的空间，要针对不同的生产工艺要求和设计思路，所采取的程序处理方法有所不同，为了对现场工艺产品的质量有所把握，对现场设备的安全性能有所保证，就应该充分考虑控制系统的可靠性能设计。

　　西门子S7-200系列可编程控制器产品性价比高，功能强大，可以适应各种情况的现场，甚至是一个完整的网络遇到了各种各样的控制任务。可编程控制器的应用范围比较广泛，对一些简单的工厂逻辑控制功能进行程序编写和使用，也可以对比较复杂的网络系统工程之类的控制系统进行编写和应用。在实际工程应用中，使用比较多的是西门子公司生产的S7-200系列可编程控制器，该可编程控制器属于小型PLC，在结构设计上比较紧凑，价格合理，功能强大，对一些小型控制系统的开发和设计，是最佳的选择。根据本系统控制要求，以及实验室现有的可编程控制器调试台，选用西门子S7-200CPU226可编程控制器。24个DC输入点，16个DC晶体管输出点。

　　根据本系统的设计工艺要求，选用Q23系列偏振反射板式传感器，该传感器由发射器部分和接收器部分组成，检测的距离长达8米范围，采用的供电电压为直流24V，信号输出的形式为NPN型。该产品的外观图如下图2-2所示。

　　图2-2Q23系列光电传感器

　　关于光电传感器的原理如下：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。

　　根据本系统的设计工艺及方案，将光电传感器布置安装在总入口和总出口，这样就可以防止误计数或者漏计数的可能性。而且在安装的时候，要考虑两个传感器之间的距离，不能大于8米，否则无法正常工作，采用程序验证车库是否有空位，空位数量和车辆数量，而当人通过时，光电传感器不能进行计数，在程序中要采用程序逻辑互相联锁的方式，如果进行数字增加，就要锁定数字减小，这样可以保证系统的运行可靠性以及数据的准确性。最后要及时的进行复位处理，不然会导致车辆在传感器附近运动时导致计数错误。

　　本系统采用西门子S7-200CPU226可编程控制器进行程序编写，24个DC输入点，16个DC晶体管输出点。采用光电传感器对车辆进行感应计数，具体设计思路如下：

　　1.车辆入库时，车辆前进时，先后经过1号传感器、2号传感器进行计数，在原来数目基础上加1；在车辆后退时，车辆先后经过2号传感器、1号传感器进行计数，在原来数目的基础上减1。如果车辆只经过一个传感器，则不做计数。

　　2.车辆出库时，车辆前进时，车辆先后经过2号传感器、1号传感器进行计数，在原来数目的基础上加1；在车辆后退时，车辆先后经过1号传感器、2号传感器进行计数，在原来数目的基础上加1。如果车辆只经过一个传感器，则不做计数。

　　3.为了方便观察显示，采用两位光电数码管组成显示的电路，对车库的实时车辆数目进行显示。

　　本系统的设计主要通过光电传感器对信号进行采集，将采集的信号传送到可编程控制器内部，可编程控制器经过一些列的数据处理，将该数据通过数码管进行显示，通过这样的方式来实现车辆的入库出库管理，达到本课题的设计目的。其系统整体框图如下：

　　图2-3系统方案示意图

　　本系统设计的控制电路部分，主要是给可编程控制器提供可靠的直流电源，光电传感器的电源采用DC24V,数码显示管的电源也为DC24V。如图3-1所示，在系统电路图中，QF00为系统总开关，当系统上电后，合上QF001断路器，隔离变压器TV001得电，通过变压转换，可以得到稳定的隔离电压，系统电源灯亮。开关电源V001供电输出直流24V，为可编程控制器，光电传感器，数码显示管供电。

　　图3-1控制电路图

　　可编程控制器的接线分为三部分，第一部分为可编程控制器的电源输入部分，该部分根据可编程控制器的硬件手册进行查询，选用交流220V进行电源供电，在接线的时候，要注意火线和零线不能接错，在实际应用中，经常遇到接错的现象，导致可编程控制器烧毁；第二部分为可编程控制器的外部输入部分，根据硬件手册的查询和了解，该外部输入部分的公共线为直流24V的正极，正极接入开关或者外部检测元件的一端，另一端接入可编程控制器的外部输入端子上；第三部分为可编程控制器的外部输出部分，根据硬件手册的查询和了解，该输出部分公共线为24V的负极，将负极接入执行元件的一端，另一端接入可编程控制器的输出部分。本系统的输入部分为两个光电传感器的信号输入，I0.1为1号传感器的信号输入，I0.2为2号传感器的信号输入。当外部传感器有信号时，可编程控制器的输入点灯亮，系统接受到信号。输出部分为两个数码管，本系统采用七段数码管，每个段的数码管输出依靠可编程控制器的输出点得电。如下图3-2所示。

　　图3-2可编程控制器接线图

　　根据车辆出入库管理控制系统的设计要求，以及硬件设计，对可编程控制器的输入输出点进行分配，分配的目的有两个，1.可以方便程序编写时，对外部输入输出点进行动作查询，防止程序出错；2.在调试程序时，通过外部输入输出点进行接线，并记录信号的功能。在实际程序编写中，为了对外部变量信号输入输出进行管理，便于程序编写不易出错，经常讲外部输入输出信号写进符号表，并注释信号的功能，在实际编写程序中，就自动将信号的功能注释显示出来。对控制系统的软件开发和设计，对外部I/O进行分配成为必不可少的一步。本系统的I/O数据记录如下，如表4.1所示。

　　表4.1I/O点的分配表

　　本系统的工艺实现要求：1.车辆入库时，车辆前进时，先后经过1号传感器、2号传感器进行计数，在原来数目基础上加1；在车辆后退时，车辆先后经过2号传感器、1号传感器进行计数，在原来数目的基础上减1。如果车辆只经过一个传感器，则不做计数。2.车辆出库时，车辆前进时，车辆先后经过2号传感器、1号传感器进行计数，在原来数目的基础上加1；在车辆后退时，车辆先后经过1号传感器、2号传感器进行计数，在原来数目的基础上加1。如果车辆只经过一个传感器，则不做计数。3.为了方便观察显示，采用两位光电数码管组成显示的电路，对车库的实时车辆数目进行显示。通过以上工艺，设计的程序流程图如下图4-1所示。

　　图4-1程序流程设计图

　　当程序运行初始，先进行程序初始化，对所有信号进行复位处理，之后开始进行程序扫描。当车辆入库时，先接通1号传感器再接通2号传感器，通过此逻辑条件进行方向的判断，可以判断出车辆处于入库状态，此时通过电平/脉冲转换，进行方向判断，产生加计数信号；当车辆出库时，先接通2号传感器再接通1号传感器，通过此逻辑条件进行方向的判断，可以判断出车辆处于出库状态，此时通过电平/脉冲转换，进行方向判断，产生减计数信号；将计数信号进行LED输出显示。

　　西门子的编程软件为STEP7-MICRO/WIN32，该软件主要用来开发S7-200可编程控制器的软件程序，这种软件使用方便，功能丰富，具有监控程序功能，也有复杂控制的功能模块。使用STEP7-Micro/WIN32，帮助用户完成工程应用中的软件程序开发，可以在软件中实现以下功能。

　　（1）可以根据此软件进行工程创建，创建后进行程序编辑，根据设计的系统工艺进行程序编写，当程序设计完成后，进行保存。在调试的时候，需要设置好通讯，对系统进行配置。

　　（2）当在的时候，就直接讲PLC和电脑进行通讯，进行下载、上传程序操作，并且进行系统监控。

　　（3）在程序编辑的过程中，可以对程序进行编译检查，如果有错误，将会提示，通过提示进行程序修改。

　　（4）用户程序文件管理、加密处理。

　　（5）设置可编程控制器的工作参数和运行监测方法。

　　4.4.1复位处理程序

　　当外部传感器1和外部传感器2都没有检测到车辆时，将产生复位信号，如下梯形图所示，当I0.1为常闭点，I0.2为常闭点时，将M0.0得电，产生复位信号。

　　4.4.2车辆进库出库判断程序

　　当1号传感器先I0.1接通，表示车辆要进库；当2号传感器I0.2先接通，表示车辆要出库。车辆进库时，M0.1得电。车辆出库时，M0.2得电。

　　4.4.3车辆计数程序

　　当1号传感器I0.1接通后，计数器C3开始计数，C3计数超过2个后，就自动执行复位命令；当2号传感器I0.2接通后，计数器C4开始计数，C4计数超过2个后，就自动执行复位命令。当C3达到设定值时，就满足了车辆进库的条件，当C4达到设定值时，就满足了车辆出库的条件。如果1号传感器I0.1完成脉冲后，2号传感器I0.2接通，就表示车辆入库，M1.1继电器接通，表示车辆入库使能接通；如果2号传感器I0.2完成脉冲后，1号传感器I0.1接通，就表示车辆出库，M1.2继电器接通，表示车辆出库使能接通。入库条件满足后，C6计数器加1；出库条件满足后，C6计数器减1.

　　4.4.4数码显示程序

　　首先将计数器C6的数据传送到AC1，将AC1转换为BCD码传送到AC2；AC2将转换为七段码传送到QB1，AC3将转换为七段码传送到QB0，表示数码显示C6计数器的数字内容。

　　（1）常规检查：在本系统的硬件设计完毕和软件编程结束后，就开始对系统进行实物仿真运行，根据接线图进行系统的实物接线，硬件手册和设计的原理图正确接线。在接线完毕后，进行通电前的详细检查，详细检查主要包括图纸的检查，硬件接线的检查，绝缘部分的检查以及接地电阻部分的检查。特别要强调的是，在硬件检查的时候，要注意电源输入部分，否则会烧毁控制模块。

　　（2）系统调试：在系统调试的时候，首先对系统进行上电，看接线是否正确无误。检查无误后，就开始进行调试阶段，首先根据可编程控制器的通讯协议，采用上位机电脑对程序进行下载。在下载程序的时候，查看程序是否有问题，按照I/O分配表进行详细核对，输入输出部分不能有错误。通过通讯电缆将程序进行下载，如果有上位机部分，将对上位机程序进行下载，并做好通讯接线和软件组态设计。当以上问题都解决后，就开始进行运行仿真。打开上位机，将程序处于监控状态，这样在调试的时候，很方便的观察程序的运行情况，并能准确的排查错误，及时修改错误。在调试系统，首先进行手动调试，在手动调试的时候，先按下手动控制的按钮或旋钮，看控制部分有没有输出，如果有输出，再观察输出是否正确。手动调试完毕后，再进行自动调试，在自动调试的时候，要谨记工艺流程，在操作运行的时候详细观察，看动作是否正确，是否按照预想的工艺流程进行运行。如果有错误，就进行检查和排除。

　　(3)调试分析：在系统调试完毕后，对调试过程中遇到的问题进行分析和解决，在分析的时候，主要看设计的程序部分是不是有错误。程序设计方法是不是有漏洞，对分析的结果进行尝试。

　　使用S7-200的仿真软件，将程序导出后，打开该仿真软件，并且设置好CPU型号，添加扩展模块。在程序中将源文件装载进去，然后点击PLC运行按钮，程序进入运行状态。打开监控按钮，看到程序的监控，仿真过程如下图4-2所示：

　　图4-2程序仿真示意图

　　通过以上的程序仿真步骤，通过仿真软件进行仿真结果调试，完全满足了本系统设计的工艺要求。

　　根据本课题的工艺流程，对相关的资料进行翻阅和记录，包括本课题的发展现状和发展趋势；本课题的工艺研究和改进思路；对可编程控制器的学习和选型，以及其他部件的选型和介绍。对工艺流程图的分析方法；对可编程控制器的编程软件进行详细学习，特别是对编程指令的学习和编程方法的了解，通过网上下载大量程序实例，学习功能指令的使用方法和使用目的等。通过以上的设计思路和流程，对本毕业设计进行设计和调试，这对本人的收获很大。首先本人认识了可编程控制器在自动化控制领域的不可替代的作用；其次本人通过本次毕业设计，了解和掌握了工程设计的基本步骤；再次本人对电气自动化控制领域的工作产生了极大的兴趣，为今后的学习和能力提供了很好的基础。根据本设计的思路和设计步骤，深深地认为自动化控制系统的设计是个一丝不苟的过程，如果学习态度不严谨，设计工作不细心，将不会达到自动化控制系统设计的最终工艺目的。

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　　本人在本次毕业设计中，得到指导老师的悉心指导和支持。老师的帮助对本人完成这篇论文提供了很多帮助，老师高度敬业的工作态度和严谨的教学，对本人影响巨大。在本人设计毕业论文的过程中，遇到过许多难以解决的问题，本人通过查询大量资料外，还求教于老师的详细讲解。为了本次毕业设计，老师提供了尽可能的帮助，帮助我顺利完成论文。本人感谢和我一起学习的同学，在他们的帮助下，本人许多问题和他们一起讨论解决。特别是可编程控制器的接线问题和程序设计问题，我们一起研究学习，一起大胆实验，一起系统仿真等。这个过程我们学到了不少东西，也对电气方面的知识和技能产生了浓厚的兴趣。最后，本人感谢所有关心帮助我的人！