车辆出入库PLC自动控制系统设计167.docx
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车辆出入库PLC自动控制系统设计167
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明达职业技术学院
毕业设计（论文）
－ 学年度
机电工程 系 电气自动化技术 专业
课题名称汽车车库自动门电气控制系统的设计
学生姓名 程超
指导教师 茅红霞
2011年12月18日
目录
引言.....................................................1
第一章可编程控制器（PLC）的简介
1.1可编程控制器的定义..................................2
1.2PLC的基本结构......................................2
1.3PLC程序设计方法....................................3
1.4PLC程序控制器与其他工业比较........................4
第二章汽车车库自动门电气控制系统的控制要求
2.1可编程控制器PLC的选型.............................5
2.2汽车车库自动门电气控制系统的平面图.................6
2.3汽车车库自动门电气控制系统的主电路图...............7
第三章汽车车库自动门电气控制系统的设计
3.1汽车车库自动门电气控制系统的顺序流程图.............7
3.2汽车车库自动门电气控制系统的I\O分配表.............8
3.3汽车车库自动门电气控制系统的外部接线图.............9
3.4汽车车库自动门电气控制系统的梯形图设计............10
小结..................................................12
参考文献..............................................12
致谢..................................................13
汽车车库自动门电气控制系统的设计
程超
【摘要】随着汽车产业的发展，人们对车库的需求量日益增长。
对车库门自动控制是今后车库向智能化发展的必然趋势。
本文主要阐述了车库自动门的设计思想与程序编制,对该系统进行了各方面的分析，对各方面要求的系统加以详细叙述，控制的说明、系统流程图、外部接线图、梯形图必要的文字说明介绍了以PLC为应用的车库自动门的系统软件设计。
此系统对车库的管理有很大的帮助、对疏导交通流量、提高道路通行能力有明显的效果，有很大的实用价值。
【关键字】可编程控制器S7-200自动门控制系统
引言
随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量的使用了自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度上提高了生产效率，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。
早期的自动化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；有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，形成工业控制及系统、分布式控制系统DCS（DistributedControSystem）、现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem），这将是PLC的功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广。
在超级市场、公共建筑、银行、别墅车库门，经常使用自动门控制系统。
早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已经逐渐被淘汰。
PLC控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。
由于直流电动机的调速范围宽广，调速性能平滑，直流电动机超载能力较强，热动和制动转矩较大，所以执行时使用直流电动机。
本设计主要是针对别墅型车库自动门的自动开关控制而论，自动门控制装置系统有检测元件、可编程控制器（PLC）、电动机、声控开关、光控开关、灯、电子锁组成。
第一章可编程控制器（PLC）的简介
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。
1.2PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
a、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
b.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；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。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
c、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
d、输入输出接口电路
1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
e、功能模块
如计数、定位等功能模块。
f、通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
1.3PLC程序设计方法
1、分析控制系统的控制要求
熟悉被控对象的工艺要求，确定必须完成的动作及动作完成的顺序，归纳出顺序功能图。
2、选择适当类型的PLC
根据生产工艺要求，确定I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等），并列出I/O点清单。
进行内存容量的估计，适当留有余量。
根据经验，对于一般开关量控制系统，用户程序所需存储器的容量等于I/O总数乘以8；对于只有模拟量输入的控制系统，每路模拟量需要100个存储器字；对于既有模拟量输入又有模拟量输出的控制系统，每路模拟量需要200个存储器字。
确定机型时，还要结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定性能价格比好一些的PLC机型。
3、硬件设计
根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。
按随机提供的资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电气控制系统原理接线图。
4、软件设计
（1）软件设计的主要任务是根据控制系统要求将顺序功能图转换为梯形图，在程序设计的时候最好将使用的软元件（如内部继电器、定时器、计数器等）列表，标明用途，以便于程序设计、调试和系统运行维护、检修时查阅。
（2）模拟调试。
将设计好的程序下载到PLC主单元中。
由外接信号源加入测试信号，可用按钮或小开关模拟输入信号，用指示灯模拟负载，通过各种指示灯的亮暗情况了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，直到满足设计要求为止。
5、现场调试
在模拟调试合格的前提下，将PLC与现场设备连接。
现场调试前要全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。
在保证整个硬件连接正确无误的情况下才可送电。
将PLC的工作方式置为“RUN”。
反复调试，消除可能出现的问题。
当试运一定时间且系统运行正常后，可将程序固化在具有长久记忆功能的存储器中，做好备份。
1.4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。
第二章汽车车库自动门电气控制系统的控制要求
用PLC控制车库大门的自动打开和关闭，以便于让汽车进入车库。
本车库与住宅相连，人进出车库通过车库与住宅之间的门进入。
（1）用电子锁控制车库门自动打开，自动打开车库内照明灯，小车进入后自动关门。
用电子锁关掉照明灯。
（2）可以用声控控制照明灯打开，延时10秒后熄灭。
（3）当室内光线较好时，照明灯不工作，反之工作。
2.1可编程控制器PLC的选型
PLC目前主要的品牌有：
美国AB，比利时ABB，松下，西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷创研等。
本设计中采用西门子公司的S7-200型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。
1.S7-200的特征
（1）体积小,尺寸:
160×80×62mm由于其紧凑的设计,S7-200可以适合于任何机器控制环境。
（2）易于使用:
通过STEP7-Micro/Dos软件可以非常方便地为S7-200编程,而且该软件能够在任何一台IBM兼容个人计算机上使用,哪怕是一台286的微机,要求MS-DOS5.0以上。
（3）灵活多用:
S7-200的输入/输出点可以支持各个领域的设备,如:
光电传感器,驱动马达按钮开关,灯,泵,搅拌器等。
2.S7-200的主要组成部件
（1）中央处理器（CPU）:
是控制系统的大脑,它根据用户程序进行控制,此次选择CPU224作为本设计的主机。
（2）输入和输出（I/O）:
是系统的控制点,输入用于监视现场装置，输出用于控制执行机构。
（3）编程口:
用于连接编程设备,例如,一台计算机或一个手持编程器如图2-1所示。
图2-1S7-200简易组成连接图
3.编程软件
S7-200的编程软件叫做STEP7-Micro/Dos它基于MS-Dos5.0上的版本。
STEP7-Micro/Dos的编程语言有两种表示方法:
指令表和梯形图。
2.2汽车车库自动门电气控制系统的平面图
汽车车库自动门电气控制系统控制的平面图如图2-2所示。
图2-2车库自动门平面图
2.3汽车车库自动门电气控制系统的主电路图
要使车库自动门自动工作，需要使用一台电动机正反转驱动卷帘门打开和关闭。
车库自动门电动机正反转主电路图如图2-3所示。
图2-3车库自动门主电路电路图
第三章汽车车库自动门电气控制系统的设计
3.1汽车车库自动门电气控制系统的顺序流程图
图3-1车库自动门控制流程图
3.2汽车车库自动门控制系统的I∕O分配表
当车到达车库门口时，用电子锁打开车库库门，电动机正传卷帘门打开，同时自动或声控（延时10秒）打开照明灯（当室内光线差时）。
碰到上限位开关时，电动机停止转动。
当汽车进入到车库里时，按下电子锁关门，电动机反转关闭卷帘门。
碰到下限位开关，电动机停止反转库门关闭。
最后用电子锁关掉照明灯。
当汽车要出库时，动作与入库一致。
根据控制要求，输入输出分配表如下所示。
输入
输出
名称
功能及作用
编号
名称
功能及作用
编号
SB1
电子锁开门
I0.0
M1
电动机正传（开门）
Q0.0
SQ1
上限位开关
I0.1
SQ2
下限位开关
I0.2
M2
电动机反转（关门）
Q0.1
SB2
电子锁关门
I0.3
SB3
光控开关
I0.4
HL
照明灯
Q0.2
SB4
电子锁关灯
I0.5
SB5
声控开关
I0.6
表3.2输入输出分配表
3.3汽车车库自动门控制系统设计的外部接线图
图3-3外部接线图
3.4汽车车库自动门电气控制系统的梯形图设计
控制过程：
按下电子锁开关I0.0，电动机正转卷帘门打开，同时照明灯打开。
当电动机正转碰到上限位开关I0.1时，电动机停止转动卷帘门停止打开。
汽车开始驶进车库。
全部进入后，按下电子锁I0.3关门，电动机反转卷帘门开始关闭。
当到达下限位开关I0.2时，电动机停止转动，卷帘门关闭完成。
最后按下I0.5关闭照明灯。
或者有一个声音信号I0.6声控开关促使照明灯打开，计时器开始计时，10秒后照明灯自动关闭。
如此循环。
小结
拿到这个课题时，我第一次读过去，脑袋里留下了大概的设计要求。
就是电动机正反转控制自动门的打开与关闭，还有就是限位开关控制自动门电动机的到位停止。
这是汽车进出库必须的要求。
还有就是室照明灯的要求。
这些都是一些简单的控制，看一下就可以想象出来车进出的情况。
但是到了真正编写程序的时候，发现并不是那么的容易。
车库门电子锁打开，如果光线差的话照明灯也打开。
然后车进入库内，门自动关闭。
到了这一环节，我一开始是考虑用两个压力传感器库外库内各一个，当车入库时，碰到外面的传感器时自动门不动作，而碰到室内的压力传感器时门就会关闭，车出库时反之。
可是，当我在编程序的时候，发现并不是那么简单，编着编着发现我自己就被绕进去了。
后来没办法去求助了一下同学，研究了好长时间，发现我们能力有限，虽然很简单，但是却很饶人。
于是我就回来继续思考，我想到了另一个方案，就是在自动门的下面放一个压力传感器，然后用一个定时器，30秒左右的时间，当汽车走到车库门口时，碰到压力传感器，然后计时器开始工作，30秒后接收到信号，门开始自动关闭。
并且简化了程序，避免了两个传感器交叉使用时会产生的混乱。
但是，我又发现另一个问题，如果车行道门口突然停住了，定时器五秒后门开始关闭，这样的话就出现了一个致命的错误，而且上网查了一下压力传感器的价格，发现他不是太便宜，用在家用车库中不切实际。
结果发现不可行。
后来，经过老师的指导，用电子锁控制自动门的关闭，结果发现可行，并且能达到要求的控制要求。
【参考文献】
【1】PLC技术应用北京理工大学出版社主编白娟娟郭军.
【2】PLC控制系统设计与调试人民邮电出版社主编王成福
【3】例说西门子PLCS7-200人民邮电出版社编著李晓宁
【4】西门子S7-200CNPLC编程技术及工程应用电子工业出版社作者高正中张仁彦隋涛
【5】西门子S7-200从入门到实践电子工业出版社作译者李方园
【6】AutoCAD2008中文版电气制图教程化学工业出版社作者杨雨松
致谢
在此设计完成之际，我要衷心感谢三年来一直真心爱护我，热情帮助我的老师和同学们。
在这个设计中我既感到了很多的不足，也学到了很多的知识。
在此，我非常感谢在毕业设计期间给与我帮助的人们。
我首先向指导老师茅红霞老师表达诚挚的谢意，她严谨的治学态度，广博的理论知识，丰富的工作经验，务实的工作态度，使我受益匪浅。
我不仅从她的身上学到了许多的学习方法，还学会了很多做人的道理，这将是我终身受益。
在整个设计过程中，茅老师提出来宝贵的意见和建议，指导我如何准备材料，整理文章以及写设计过程中提出了许多解决方案，才使我的毕业设计获得全面改进，顺利完成。
最后，谨向所有曾经关心和帮助我的老师和同学表示感谢。
向审阅本设计的各位老师表示深深地谢意。
祝愿母校飞黄腾达！
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