基于三菱PLC车库自动管理系统的研究设计.docx

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基于三菱PLC车库自动管理系统的研究设计

摘要……………………………………………………………………………………1

引言……………………………………………………………………………………1

第一章可编程控制器（PLC）的简介………………………………………………3

1.1可编程控制器的定义……………………………………………………………3

1.2可编程控制器与其他工业比较…………………………………………………3

第二章FX系列所用指令的类型……………………………………………………4

2.1逻辑取及线圈驱动指令LD、LDI、OUT…………………………………………4

2.2取脉冲指令LDP、LDF……………………………………………………………4

2.3接点串联指令AND、ANI…………………………………………………………5

2.4接点并联指令OR、ORI……………………………………………………………5

2.5串联电路块的并联连接指令ORB………………………………………………5

2.6并联电路块的串联连接指令ANB………………………………………………5

2.7加一指令INC，减一指令DEC……………………………………………………6

2.8比较指令CMP……………………………………………………………………6

2.9BCD变换、BIN变换指令…………………………………………………………7

第三章车库PLC自动管理控制……………………………………………………8

3.1任务介绍…………………………………………………………………………8

3.2控制要求…………………………………………………………………………9

3.3传感器的定义……………………………………………………………………9

第四章车库自动管理控制方案论证………………………………………………9

4.1设计方案比较……………………………………………………………………9

*4.2可编程控制器类型的选择……………………………………………………11

4.3开关量I/O模块的选择…………………………………………………………12

4.4方案简介………………………………………………………………………12

4.5输入/输出（I/O）接口分配……………………………………………………14

4.6可编程控制器基本单元外部接线图…………………………………………16

4.7可编程控制器扩展模块外部接线图…………………………………………17

4.8功能梯形图……………………………………………………………………18

4.9控制分析………………………………………………………………………20

设计心得……………………………………………………………………………21

感谢信………………………………………………………………………………23

参考文献……………………………………………………………………………23

基于三菱PLC车库自动管理系统的设计

作者：

程超

【摘 要】PLC可编程序控制器：

PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:

一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.

关键词：

可编程序的逻辑控制器（PLC）。

停车场。

控制

.Abstract    PLCprogrammablecontroller:

PLCEnglishfulltitleProgrammableLogicController,Chinesefulltitleastheprogrammablelogicalcontroller,thedefinitionis:

Onekindofdigitaloperationoperation'selectronicsystem,fordesignsspeciallyintheindustryenvironmentapplication.Itusesakindofprogrammablememory,usesinitsinternallystoredprogram,theactuatinglogicoperation,thesequentialcontrol,fixedtime,countingandarithmeticoperationandsoonfaceuser'sinstruction,andthroughdigitaleithersimulationtypeinput/outputcontroleachtypemachineryorproductionprocess.

Keywords:

programmablelogiccontroller（PLC）。

parking。

Control

引言

随着进口汽车大量涌人和国内汽车工业的不断发展，大中城市的汽车数量剧增，从而引发了停车管理问题。

近几年，我国的停车场管理技术不断完善，计算机技术、通信技术、网络技术的发展又促进了停车场管理系统功能的强大。

但是，现时某些小区小型停车场如要运用大量高新技术就会出现资金不足、维护管理不完善的问题，有时考虑也不够全面，所以目前就要解决车辆管理成本高、服务效率低等问题。

由于小区停车场供住户使用，收费是进行年租或月租形式，要求住户一次性缴费，所以小区停车场即时收费这一环节可省去。

小区停车场管理系统重点要做到准确指示车辆进出，车辆进入时给与司机准确的车位数量与具体位置，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，停车场空位指示可利用价格较不高的数码管显示。

PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。

它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。

入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。

入出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。

PLC程序既有生产厂家的系统程序（不可更改），又有用户自行开发的应用（用户）程序。

系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。

用户程序由用户按控制要求设计。

什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。

可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。

PLC的I/O电路，都是专门设计的。

输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。

而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。

输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。

输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。

I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。

PLC有多I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。

但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。

输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。

每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。

输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。

输出锁存器与输出点也是一一对应的。

这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。

它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。

把输人暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。

PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。

这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。

这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。

由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。

第一章可编程控制器（PLC）简介

1.1可编程控制器的定义    

PLC是一种可编程的数字逻辑控制设备，早期用于开关量的逻辑控制，多用作控制电动机正反转和电磁阀的开关动作，从而控制机械设备的运转。

只要合理分配输入、输出点，根据控制要求设计梯形图，采用基本指令和步进指令就可达到控制目标。

随着控制要求的不断提高，许多PLC生产厂家进一步优化和完善PLC的功能，增加了功能指令，大大拓宽了PLC的应用范围，使PLC在某种程序上可以代替控制器和计算机的协同工作系统，为工业生产和民用控制设计提供方便。

1.2可编程控制器与其他工业比较

基于PLC的别墅型车库自动门管理系统 ，PLC就物理结构来说有丰富的输入输出端，而从PLC的逻辑结构来看，内部有许多软元件，如输入输出继电器、辅助继电器、状态器、计时器和数据寄存器及器件所对应的常开常闭接点，方便对车辆进出、停放的信号输入。

大多数PLC的编程方式都有梯形图编程、指令表编程和顺序功能图（SFC）编程，特别是梯形图编程方式，直观易懂。

除了运用基本指令可以完成大量工作，功能指令的扩展更为系统开发、调试和维护带来许多便利，本文以梯形图编程方式设计停车场管理系统，无论从设计到功能分析都是极为方便的。

可编程控制器的原理是在确立了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描的工作方式，系统工作管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的。

一次循环可分五个阶段，分别为内部处理阶段、通信服务阶段、输入处理阶段、程序执行阶段、输出处理阶段。

第二章FX系列所用指令的类型

2.1逻辑取及线圈驱动指令LD、LDI、OUT

LD，取指令。

表示一个与输入母线相连的常开接点指令，即常开接点辑运算起始。

LDI，取反指令。

表示一个与输入母线相连的常闭接点指令，即常闭接点逻辑运算起始。

OUT，线圈驱动指令，也叫输出指令。

LD、LDI两条指令的目标元件是X、Y、M、S、T、C，用于将接点接到母线上。

OUT是驱动线圈的输出指令，它的目标元件是Y、M、S、T、C。

对输入继电器X不能使用。

OUT指令可以连续使用多次。

LD、LDI是一个程序步指令，这里的一个程序步即是一个字。

OUT是多程序步指令，要视目标元件而定。

OUT指令的目标元件是定时器T和计数器C时，必须设置常数K。

2.2取脉冲指令LDP、LDF

LDP取脉冲上升沿，指在输入信号的脉冲上升沿接通一个扫描周期。

LDF取脉冲下降沿，指在输入信号的脉冲下降沿接通一个扫描周期。

这两条指令都占两条程序步，他的目标元件为X、Y、M、S、T、C。

LDP、LDF指令的使用说明如下图所示，使用LDP指令，元件Y0只在Y0的上升沿时（由OFF到ON时）接通一个扫描周期。

使用LDF指令，元件Y1尽在X1的下降沿时（由OFF到ON时）接通一个扫描周期。

图2-1LDP、LDF指令的使用说明

2.3接点串联指令AND、ANI

AND，与指令。

用于单个常开接点的串联。

ANI，与非指令。

用于单个常闭接点的串联。

AND与ANI都是一个程序步指令，它们串联接点的个数没有限制，也就是说这两条指令可以多次重复使用。

这两条指令的目标元件为X、Y、M、S、T、C。

2.4接点并联指令OR、ORI

OR，或指令，用于单个常开接点的并联。

ORI，或非指令，用于单个常闭接点的并联。

OR与ORI指令都是一个程序步指令，它们的目标元件是X、Y、M、S、T、C。

这两条指令都是并联一个接点。

OR、ORI是从该指令的当前步开始，对前面的LD、LDI指令并联连接。

并联的次数无限制。

2.5串联电路块的并联连接指令ORB

两个或两个以上的接点串联连接的电路叫串联电路块。

串联电路块并联连接时，分支开始用LD、LDI指令，分支结果用ORB指令。

ORB指令与后述的ANB指令均为无目标元件指令，而两条无目标元件指令的步长都为一个程序步。

ORB指令有时也简称为或块指令。

ORB指令的使用方法有两种：

一种是在要并联的每个串联电路块后加ORB指令；另一种是集中使用ORB指令。

对于前者分散使用ORB指令时，并联电路块的个数没有限制；但对于后者集中使用ORB指令时，这种电路块并联的个数不能超过8个（即重复使用LD、LDI指令的次数限制在8次以下），所以不推荐用后者编程。

2.6并联电路块的串联连接指令ANB

两个或两个以上接点并联的电路称为并联电路块，分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用ANB指令。

分支的起点用LD、LDI指令，并联电路块结束后，使用ANB指令与前面电路串联。

ANB指令也简称与块指令，ANB也是无操作目标元件，是一个程序步指令。

2.7加一指令INC、减一指令DEC

表2.1INC、DEC指令的助记符、功能、操作数和程序步

助记符

功能

操作数

程序步

[D.]

INCFNC24加1

把目标原件当前值加1

KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z

INC、INCP、DEC、DECP:

三步

DINC、DINCP、DDEC、DDECP:

五步

DECFNC25减1

把目标元件当前值减2

INC、DEC指令操作数只有一个，且不影响零标志、进位标志和借位标志。

下图中的X0每次由OFF变为ON时由[D.]指定的元件中的数增加一。

如果不用脉冲指令，每一个扫描周期都要加1。

在16位运算中，32767再加1就变成了-32768。

32位运算时，2147483647再加1就变成了-2147483648.DEC指令与INC指令的处理方法类似。

图2-2INC、DEC指令的使用说明

2.8、比较指令CMP

表2.2CMP指令的助记符、功能、操作数和程序步

助记符

功能

操作数

程序步

[S1.]

[S2.]

[D.]

CMPFNC10比较

比较两个数的大小

K、H、KnX、KnM、KnS、T、C、D、V、Z

Y、M、S三个连续元件

CMP、CMPP：

7步DCMP、DCMPP:

13步

CMP指令有3个操作数：

两个源操作数[S1.]和[S2.]，一个目标操作数[D.]，该指令将[S1]和[S2.]进行比较，结果送到[D.]中。

CMP指令使用如下所示。

当X10为ON时，比较100和C20当前值的大小，分三种情况分别使M0、M1、M2中的一个为ON，另外两个为OFF；若X10为OFF，则CMP不执行，M0、M1、M2的状态保持不变。

图2-3CMP指令的使用说明

2.9、BCD变换、BIN变换指令

表2.3BCD指令的助记符、功能、操作数和程序步

助记符

功能

操作数

程序步

[S.]

[D.]

BCDFNC18

求BCD码

把二进制转换为BCD码

KnX、Kny、

KnM、KnS、5T、

S、D、V、Z

KnXKnM

KnSTC

DVZ

BCD、BCDP、BIN、BINP：

五步

DBCD、DBCDP、DBIN、DBINP：

九步

BINFNC19

求二进制码

把BCD码转换成二进制码

BCD是将原程序中的二进制数转化为BCD码送到目标元件中。

对于16位或32位二进制操作数，若变换结果超过0~99999999的范围就会出错。

BCD指令常用于将PLC中的二进制变换成BCD码输出以驱动LED显示器。

BIN是将原程序中的BCD码转换为而进制数，送到目标元件中。

常数K不能作为本指令的操作元件。

如果原操作数不是BCD码就会出错。

BIN指令常用于将BCD数字开关的设定值输入到PLC中。

第三章车库PLC自动管理控制

3.1任务介绍

课题名称：

车库自动管理系统

动作流程：

图3-1车库自动管理系统流程图

3.2控制要求：

当车库前有车,传感器感应动作后车门处于预打开状态，司机再将磁卡进行扫描确认无误，车库门此时才打开。

司机可以通过门口的指示板，方便快速的找到空位停放车辆。

当车驶入车库后，门自动关闭。

若有车需出车库,同样门开、车走、门关。

在此基础上还设置了照明灯与计数显示器。

即门开灯亮，门关灯灭；车来计数器加“1”，车走计数器减“1”。

但如果车库中的车到达设计所要求的数量，则即使车来、验证磁卡正确，车门也不会开。

3.3传感器的定义

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的另一种量的测量装置。

传感器的定义具体包含：

①传感器是测量装置，能完成检测任务；

②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；

③它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、传输、处理、显示等，它可以是气、光、电，但主要是电量。

第四章车库自动管理系统方案论证

4.1设计方案比较

通常传统电机控制采用落后继电接触器控制方式，中间继电器和时间继电器太多，体积大，功能少，寿命短，线路复杂，接点多，造成故障多可靠性差，维修困难；而采用微电子技术由于集成电路（IC）的系统芯片种类繁多，体积大，设计周期长，费用低，工艺复杂，抗干扰性差，可靠性差；而可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。

车库自动管理控制用PLC控制有很多优点，它主要通过软件控制，从而省去了硬件开发工作，外围电路很少，大大提高了系统的可靠性与抗干扰能力；由于它简单易行的可编程序功能，无须改变系统的外部硬件接线，便能改变系统的控制要求，使系统的“柔性”大大提高。

4.2可编程控制器类型的选择

目前市场上可编程控制器种类繁多，有三菱的、西门子的、欧姆龙的、飞利浦的等。

同一品牌的可编程控制器也有很多类型，仅三菱电机的FX系列FX1s、FX1N、FX2N、FX2NC这四个系列

4.2.1可编程控制器的结构选择

首先可编程控制器的基本结构分整体式、叠装式、模块式三种。

此设计预准备选择的是三菱FX2N系列可编程控制器，因其是FX中最高级的模块，它吸取了整体式与模块式的优点，不用基板仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体，输入输出点数的配置也相当灵活。

它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点。

FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。

非常适合我的多输入多输出容量选择。

4.2.2可编程控制器I/O点数的确定

一般来讲，可编程控制器控制系统的规模的大小是用输入、输出的点数来确定的。

在设计系统时，应准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后调整和工艺改进的需要，在实际统计I/O点数的基础上，一般应加上10%~20%的备用量。

对于整体式的基本单元，输入/输出点数是固定的，不过三菱的FX系列中不同型号的输入输出的点数的比例也不同，根据输入/输出点数的比例情况，可以选用只有输入或输出点的扩展单元或模块。

根据以上所描述的，我设计的输入有25个点数，输出有31个点数。

再加上10%-20%的备用量

输入约有25*（1+10%）=28到25*（1+20%）=30

输出约有31*（1+10%）=35到31*（1+20%）=38

经计算总共（25+31）*（1+10%）=62到（25+24）*（1+20%）=68

所以合计后大概一共需要62到68个输入输出点数。

4.2.3用户存储器容量的估算

用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算存储量、程序结构等。

因此，在程序设计之前只能粗略的估算。

根据经验，对于开关量控制系统，用户程序存储器的容量等于I/O信号总数乘以8。

可编程控制器的程序存储器容量通常以字或步为单位，例如1K字、2K步等。

程序由字构成的，每一个程序步占一个存储器单元，每个存储单元为两个字节。

由于程序已经经过开发、调试，所以可以清晰明了地看出程序存储器容量为102步。

4.2.4可编程控制器的处理速度应满足实时控制的要求

由于可编程控制器是采用顺序扫描的工作方式，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，即输入量的变化一般要在1~2扫描周期之后才能反映到输出端，这对于大多数应用场合来讲来说是允许的。

可编程控制器的类型选择基本据根据以上四点。

最后参考上述的选型要求再加上查找PLC的相关资料。

查表可看出FX2N-80MR-001型号的可编程控制器是最适合的。

但现在市面上FX2N-80MR-001型号的PLC较贵，所以最终我选择FX2N-64MR-001型号的PLC以及扩展模块FX2N-16EYR共同来完成本程序设计。

FX2N-64MR-001型号的含义

（1）“64”表示输入/输出总点数；

（2）“M”表示基本单元类型；

（3）“R”表示继电器输出形式；

（4）“001”表示专为我国生产的产品。

FX2N-16EYR型号的含义

（1）“16”表示输入/输出总点数；

（2）“EY”表示输出专用扩展模块；

（3）“R”表示继电器输出形式；

4.3开关量I/O模块的选择

开关量输入模块的电压一般为DC24V和AC220V两种。

直流输入可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接，三菱FX系列直流输入模块的公用端已接在内部电源的0V，因此直流输入不需要外接直流电源，所以我选择的是直流输入的。

开关量输出模块有继电器输出、晶体管输出、及双向可控硅输出。

继电器输出工作电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强。

一般控制系统的输出变化不是很频繁，就优先选用继电器型，并且继电器心输出价格最低，也容易购买。

所以输出模块我选择继电器型。

4.4方案简介

4.4.1车辆入库要求  

 在车库入口要安装身份识别装置和道闸，身份识别装置触发信号线连接到PLC的一个输入端，当车辆驶入车库门口时，司机插入身份识别磁卡，经读卡器识别身份，证明是该小区住户，读卡器发出信号告知PLC准予车辆通过，PLC驱动输出端，输出端发出信号使道闸打开。

道闸前的地下埋设车辆检测器，当车辆停在道闸前，检测器会向PLC发出信号告知将有车辆进入，道闸处于准备打开状态，只要身份识别正确，道闸立即打开，同时照明灯开启。

道闸后的地下也要埋设检测器，车辆通过后，告知PLC要增加一辆汽车的数量，并在车库门前数码显示管中显示出当前库内车辆数。

最后控制道闸反转，照明灯关闭。

4.4.2车辆出库要求  

车辆出库，要减少车辆数量记录，并且在车库口也要安装出口道闸和身份识别装置。

要使车辆数量减少，用DEC功能指令使记录车辆数的数据寄存器D0减l，最后道闸反转，灯灭。

图4-1是数码显示管示意图，它此时表示的是车库内有车12辆。

图4-1LED数码显示

4.4.3指示板要求

 车库入口处应该安装指示板，告知车辆司机整个车库的停放状况，包括数量和可停放的位置。

假设车库是5行4列的设计，占地面积大概800平方M，那么在指示板上也应该按照5行4列的方式安装指示灯，并把每一个车位编号。

当某—位置已经停放车辆时，相应编号的指示灯变亮，司机看见时就可以按照指示进入车库按位停车。

这个部分同样可以用梯形编程图来实现。

车位显示程序，相对比较简单，所用到的软元件有输入端元件Xl0～X17，X20～X27，X30～X33，输出端元件Y10～Y17，Y20～Y27，Y30～Y33，输入输出都是4排5列，共计20对。

只要在车位顶部安装红外检测装置，就可以对车位有无