车辆出入库管理PLC系统设计毕论论文.doc

本科生毕业设计（论文）（ 2014 届 ） 学 生 姓 名 院 （系） 专 业 学 号 导 师 设计（论文）题目 车辆出入库管理PLC系统设计 目 录摘要. 1Abstract.21 引言.3 1.1PLC的特点.3 1.2 PLC的基本结构.51.3 PLC的工作原理. .52 车辆出入库管理系统的构成. .62.1整体框架. .62.2传感器的布置. .62.3显示电路. .7 3 器发卡与IC卡读写器的设计. 8 3.1 MIFAREI非接触式IC卡读写器系统的基本功能. . .9 3.2 非接触式IC卡的分类. . . .94 PLC的I/O端口接线. .85 I/O口地址分配.126 程序设计.145.1 课题内容.145.2 计数逻辑.155.3 程序流程图.165.4 梯形图. 177 元器件清单. . 20总结. . 21致谢. . 22参考文献. . 23 车辆出入库管理PLC系统设计【摘 要】本设计采用光传感器采集信号，使用完全PLC控制，完成了车辆出入库时的统计和显示工作。能够准确无误的进行计数，无论单个车辆怎样的往返运动，都不会出现误计数和漏计数，而且在人通过光传感器时不会误计数。为了节省单片机IO口数以及数码管驱动，采用了HD7279键盘显示芯片。PLC采用了循环扫描的工作方式。最后采用两个LED做显示，能够显示车库内车辆的实际数量。为了防止意外计数错误，本系统采用反复程序校验，来提高系统的可靠性。 首先，注意控制两个传感器之间的距离，用程序验证进出车库的是否是车辆，当人通过传感器时不计数；其次，采用逻辑互锁方式，启动加计数则要锁定减计数，产生加计数脉冲时则要锁定减计数脉冲，如此以保证可靠性；最后，及时的进行复位处理，以免车辆在传感器附近作往返运动时错误计数。【关键词 】PLC；读卡器；光传感器；智能控制；车辆出入库管理 Vehicle storage management of PLC system【Abstract】This design uses the light sensor signal acquisition, use PLC control, complete vehicle storage and display of statistical work. To be able to accurately count, whether a single vehicle to move back and forth, there are no error count and counting loss, but also in people through the optical sensor without error count. In order to save chip I / O port number and the digital tube driver, using HD7279keyboard display chip. PLC uses a circular scanning mode. Finally, using two LED display, can display the actual number of the vehicles in the garage. In order to prevent accidents counting error, the system used repeatedly checking procedures, to enhance the reliability of the system. First of all, pay attention to control the distance between the two sensor, program verification of whether a vehicle into the garage, when through the sensor does not count; secondly, the logical interlock manner, starting with counting is to lock the minus count, and count pulse when the lock by counting pulses, so as to ensure the reliability of the final;, timely reset treatment, so as to avoid the vehicle in the vicinity of the sensor makes reciprocating motion error count.【Key words】PLC; card reader; optical sensor; intelligent control; vehicle out of storage management1 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自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度的提高了生产效率，又进一步的促进了生产力快速发展，并不断的丰富着人们的生活。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（Programmable Logic Controller），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DCS(Distributed Control System)、现场总线控制系统FCS(Field bus Control System)，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。随着汽车特别是私有汽车的普及使用，公共场所和社区汽车流转数量激增，这对车辆的安全停放和管理提出了更高的要求，引进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，实现车辆出入库控制、数量统计、信息查询过程的自动化，就显得十分必要。1.1 PLC的特点PLC之所以能够发展，除了它顺应了工业自动化的客观要求之外，更重要的一方面是由于它具备许多适合工业控制的优点，较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它具有以下几个显著特点：1.1.1可靠性高，抗干扰性强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一1.1.2功能强大，性价比高一台小型PLC内有成百上千种可供用户使用的编程软件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能，与相同的继电控制系统相比，具有很高的性能价格比。1.1.3编程简易，现场可维修梯形图是使用最多的PLC的编程语言，其图形符号和表达方式与继电控制电路图相似。梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电控制电路图的电气人员，只需要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制程序，而且可以根据现场的情况，在生产现场一边调试边修改程序，以适应生产需要。1.1.4寿命长，体积小，能耗低PLC平均无故障时间可达到数万小时以上，使用寿命可达几十年。对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，因此，控制柜的体积可以缩小到原来的一半到10分之1。特别是小型PLC的体积仅相当于两个继电器的大小，且能耗仅为数瓦，所以它是机电一体化设备的理想控制装置。1.1.5功能强，性能价格比高 一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 1.2 PLC的基本结构 1、中央处理单元(CPU):中央处理单元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.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。 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。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。 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，在我们实际涉及到的信号当中，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 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得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。如FX1S额定电压AC100V240V，而电压允许范围在AC85V264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。1.3 PLC的工作原理PLC是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。 1.3.1 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。 1.3.2 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。 1.3.3 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。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一。2 车辆出入库管理系统的构成2.1 整体框架图2.1 整体框架2.2 传感器的布置 图2.2 传感器的布置 （1#、2#为传感器）2.3 显示电路 序号名称地址注释序号名称地址注释1X0I0.0入口栏杆上升13Y4I1.4绿灯2X1I0.1入口栏杆下降14Y5I1.5红灯3X2I0.2出口栏杆上升15Y10I2.0七段译码器输出4X3I0.3出口栏杆下降16Y11I2.1七段译码器输出5X4I0.4入口栏杆上升停止17Y12I2.2七段译码器输出6X5I0.5入口栏杆下降停止19Y14I2.4七段译码器输出7X6I0.6出口栏杆上升停止19Y14I2.4七段译码器输出8X7I0.7出口栏杆下降停止20Y15I2.5七段译码器输出9Y0I1.0入口栏杆上升移动21Y16I2.6七段译码器输出10Y1I1.1入口栏杆下降移动22Y17I2.7七段译码器输出11Y2I1.2出口栏杆上升移动12Y3I1.3出口栏杆下降移动 这种控制方式做过实验，在欧姆龙PLC软件上模拟运行，运行一切正常，因为欧姆龙PLC操作简单，方便控制，易于在软件上进行修改，保证在实验中出现问题可以立即解决。车辆出入库控制要求： （1）入库车辆前进时，经过1#2#传感器后计数器加1，后退时经过2#1#传感器后计数器减1，单经过一个传感器则计数器不动作。 （2）出库车辆前进时经过2#1#传感器后计数器减1，后退时经过1#2#传感器后计数器加1，单经过一个传感器则计数器不动作。 （3）设计一个由两位数码管及相应的辅助元件组成的显示电路，显示车库内车辆的实际数量。变量约定：10001-启动 10006-1#传感器 10002-停止 10007-2#传感器 10003-清零 0001-仓库显示空 10004-=“1”入库操作 10004-=“0"出库操作 10005-=”1“前进操作 10005-=”0“后退操作 图2.3 显示电路3 发卡器与IC卡读写器的设计 介绍了MIFARE1ICS50非接触式IC卡的结构，描述了车辆出入库管理系统的基本模块及功能。介绍了发卡器的配置卡与用户卡的功能，并给出了2种卡的工作流程。针对IC卡读写器的设计，给出了流程图和硬件电路图，并给出了在PIC16F876单片机上测试通过的程序源代码。文中发卡器与IC卡读写器的设计，依据实际要求还可以开发更多的功能。随着科技和中国经济的高速发展，人民生活水平不断提高，城市汽车增长迅猛，车辆出入库成为人们生活中必不可少的一部分。非接触式IC卡车辆出入库管理系统以射频卡技术和计算机技术为核心，加上精密的控制设备，实现了车辆出入库的收费现代化管理，具有方便灵活、准确安全的特点。 MIFARE1非接触式IC卡的核心,是Philips公司的MIFARE1ICS50(-01，-02，-03，-04)系列微模块(微晶片)。它所具有的独特的MIFARERF(射频)非接触式接口标准已被定为国际标准：IS0IEc14443TYPEA标准。该卡片上有8kbEEPROM存储容量，并划分为16个扇区，每个扇区划分为4个数据存储块。各扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。因此一张卡可以同时运用在16个不同的系统中，且可以根据每个系统的实际情况决定各区的密码及数据形式。卡片上还内建有增值、减值的专项的数学运算电路，非常适合于各种收费场合。文中所介绍的发卡器与IC卡读写器所使用的卡就采用MIFARE1卡。3.1 MIFAREI非接触式IC卡读写器系统的基本功能非接触式IC卡车辆出入库管理系统最基本的功能是车辆进出放行和费用核算管理，基本模块介绍如下：1.PC机中心管理系统它是整个车辆出入库管理的控制核心，由计算机、发卡器、通讯线路和管理软件等组成，主要完成发卡、费用统计与结算、接收与发送控制信号等。发卡器完成2种卡的发行：一是对用户卡进行发行登记、收费充值、财务报表记录等；二是对配置卡进行发行登记、配制信息填写等。2.用户IC卡作为信息载体，记录车主标识、消费余额、系统特征等，完成每次停车费用扣减及重复充值功能。3.IC卡读写器通过读取配置卡，更改IC卡读写器中的配制信息和权限信息；通过校验方式完成读写用户IC卡、记录并向计算机传输数据、控制道闸等功能。4.电子开关由自动挡车道闸、数字式地面车辆检测器、防砸车检测系统组成，完成接收控制信号、开启道闸、车通过后落下道闸等功能。3.2 非接触式IC卡的分类1.配置卡配置卡由车辆出入库管理中心拥有。它主要用来对车辆出入库中各个IC卡读写器设备进行配制，例如信息调制、权限和数据更改等。当需要更改IC卡读写器的内部数据时，首先通过发卡器把要更改的数据信息和配制信息写入配置卡，然后将配置卡贴近各个IC卡读写器，刷卡1次，就完成了数据的更改。2.用户卡用户卡由用户拥有。在发卡时，管理中心将车主信息、消费余额等写入此卡，并决定该卡的使用范围和权限。在车辆出入库入口，车主将用户卡在IC卡读写器前刷一下，IC卡读写器对卡中的信息进行密码校验并判断该卡是否有权限进入此系统。当校验通过时，系统确认有效后撤除路障，开启自动道闸，允许其通行，并将卡的信息传送到管理中心进行存储。在出口，车主将用户卡在IC卡读写器前刷一下，IC卡读写器从卡中扣减相应金额，系统确认有效完成后撤除路障，开启自动道闸，允许其出闸。3.3 发卡器与IC卡读写器的基本工作流程图发卡器与卡片之间采用一对一通信方式，发卡程序流程见图3-1所示，图3-2所示。读卡过程是一个很复杂的程序执行过程，要执行一系列的操作指令，调用多个函数，包括装载密码、验证密码、鉴别卡、读卡等。这一系列操作必须按固定的顺序进行。读卡程序设计流程图见图3-3所示。初始化读串口，将配置密码与配置信息存入MCU EEPROM中将配置密码写入配置卡的数据模块中将配置卡的密码改为厂家密码开始结束 读串口，将配置密码与配置信息存入MCU EEPROM中读取用户卡卡号将用户信息写入用户卡的数据块中将卡号与配置密码通过算法合成用户密码将用户卡的密码改为用户名初始化结束开始图3-1 发卡器配制配置卡 图3-2 发卡器配制用户卡NY图3-3 IC卡读写器读写配置卡与用户卡3.4 IC卡读写器的硬件图图3-4所示为IC卡读写器的硬件连接图。系统所使用的硬件主要由两部分组成，PIC16F876单片机与芯片MF RC500组成。该系统采用PIC16F876单片机为控制核心，主要完成数据采集、处理、存储及控制系统工作的功能，通过RB0-7与RC500的D0-7数据总线相连，可实现与非接触式IC卡数据的无线传输。RC7、RC6用来连接RS232，最终与计算机相连。RK3作为MF RC500的片选端，低电平有效。RK5、RC0分别控制MF RC500的读写，RA4接收来自非接触式IC卡的中断请求并执行中断程序。该系统的工作频率为13.56MHz，由石英晶体振荡器产生，用于给MF RC500提供时钟信号，同时也驱动天线基频载波信号。MF RC500是与非接触式IC卡实现无线通信的核心模块，也是IC卡读写器读写非接触式IC卡的关键接口芯片。它根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制，得到发送的信号，通过由TX1、TX2脚驱动的天线以电磁波的形式发出去，非接触式IC卡采用RF场的负载调制进行响应。MF1卡放在距离射频天线100mm内，天线拾取非接触式IC卡的响应信号，经过天线匹配电路送到RX脚，MFRC500内部接收缓冲器对信号进行检测和解调，并根据寄存器的设定进行处理。处理后的数据发送到并接口由单片机读取。读卡器电路图如图3-4所示。图3-4 读卡器电路图4 PLC的I/O端口接线在本设计中，总共需要8位LED数码管和l6个按键，为了节省单片机IO口数以及数码管驱动问题，键盘与PLC通过数据线连接，键盘输入的信号通过电信号的方式输入PLC，在此采用HD7279键盘显示芯片。7279键盘显示芯片为SPI接口，具有连线简单、无需另加数码管驱动、自身电路简单等优点。显示部分采用1组4位一体共阴数码管，共设置l6个功能键。图4.1 I/O端口接线5 I/O 口地址分配根据系统控制要求，本系统需计数器1个，定时器2个，16个输入点和16个输出点，所选PLC类型满足系统要求。输入信号输出信号传感器1#I0.1发光二极管Q0.2传感器2#I0.2接LED脚bQ1.0悬空I0.3接LED脚aQ1.1接LED脚cQ1.2接LED脚dQ1.3接LED脚eQ1.4接LED脚fQ1.5接LED脚gQ1.6接LED脚bQ2.0接LED脚aQ2.1接LED脚cQ2.2接LED脚dQ2.3接LED脚eQ2.4接LED脚fQ2.5接LED脚gQ2.6图4.1 I/O 口地址分配6 程序设计6.1 课题内容 1.入库车辆前进时，经过1# 2#传感器后计数器加1，后退时经过2# 1#传感器后计数器减1，单经过一个传感器则计数器不动作。 2出库车辆前进时经过2# 1#传感器后计数器减1，后退时经过1# 2#传感器后计数器加1，单经过一个传感器则计数器不动作。 3设计一个由两位数码管及相应的辅助元件组成的显示电路，显示车库内车辆的实际数量。变量约定：10001-启动 10006-1#传感器10002-停止 10007-2#传感器10003-清零 00001-仓库空显示10004- =“1”入库操作 10004- =“0”出库操作 10005- =“1”前进操作10005- =“0”后退操作6.2 计数逻辑1.光传感器的接收光被遮断时定义为“有信号”；2.传感器1#有信号时启动增计数逻辑；3.传感器2#有信号时启动减计数逻辑；4.传感器1#完成脉冲同时2#有信号，则启动增计数逻辑；5.传感器2#完成脉冲同时1#有信号，则启动减计数逻辑；6.传感器1#和传感器2#都完成脉冲后进行相应计数动作；7.传感器1#和传感器2#都没有信号时进行小复位动作；8.增计数与减计数的启动逻辑互锁；9.增计数和减计数的进行逻辑互锁。10.计数值超过+99后从零开始计数并报警（发光二极管）其中：条件2和条件3为“方向判定条件1”； 条件4和条件5为“方向判定条件2”；6.3 程序流程图车辆入库操作流程 图6.1 车辆入库操作流程 6.4 梯形图 图6.2 梯形图指令表如表 6-3 所示:表5-3 指令表地址指令操作数00000LDM800000001SUB00002K9900003D20000004D000005BCD00006D000007K2Y400008ZCP00009K100010K9800011D000012M000013LD0000500014AND-NOT1000000015INCP00016D20000017LD0000700018AND-NOT1000200019DECP00020D20000021LD1000000022OUT1000800023LD1000100024OR1000200025OUT1000700026LD0000000027AND-NOT0000100028AND-OUT0000400029OUT1000400030OUT1000300031LD0000400032OUT1000300033LD0000100034AND-NOT0000000035AND-NOT0000500036OUT1000300037OUT1000400038LD0000500039OUT1000400040LD0000200041AND-NOT0000300042AND-NOT0000600043OUT1000600044OUT1000500045LD0000400046OUT1000300047LD0000100048AND-NOT0000000049AND-NOT0000500050OUT1000300051OUT1000400052LD0000500053OUT1000400054LD0000200055AND-NOT0000300056AND-NOT0000600057OUT1000600058OUT1000500059LD0000600060OUT1000500061LD0000300062AND-NOT0000200063AND-NOT0000700064OUT1000500065OUT1000600066LD0000700067OUT1000400068END指令编程LD M8000SUB K99 D200 D0BCD D0 K2Y4ZCP K1 K98 D0 M0LD 00005AND-NOT 10000INCP D200LD 00007AND-NOT 10002DECP D200LD 10000OUT 10008LD 10001OR 10002OUT 10007LD 00000AND-NOT 00001AND-NOT 00004OUT 10004OUT 10004OUT 10003LD 00004OUT 10003LD 00001AND-NOT 00000AND-NOT 0000