车辆出入库管理西门子PLC系统设计--电气工程技术专业毕业论文.doc

目 录
第一部分 设计任务与调研 1
第二部分 设计说明 2
第三部分 设计成果 8
第四部分 结束语 20
第五部分 致谢 21
第六部分 参考文献 22

第一部分 设计任务与调研
1、毕业设计的主要任务
设计一个车辆出入库管理的西门子PLC自动控制系统。通过LED显像管，可以实时的显示车库车辆的数量。同时，设置的指示灯模块，能够实时显示是否可以进行停放车辆，方便车主查找确定停车地点。
2、设计的思路、步骤、方法
设计的思路
充分运用三年所学专业知识和实践技能，图书馆相关资料查询，依托西门子S7-200的强大功能，采集车库的输入数据，经过CPU的逻辑与算数运算处理过程，实现对车库系统的合理控制。
设计的步骤
分析车库系统的基本结构、主要功能、运动形式、控制顺序、控制要求、分析原理图、确定车库系统整体布局图、PLC的选型、硬件系统和软件程序设计、PLC的I/O分配、绘制PLC的外部接线图和控制系统接线、S7-200的模拟仿真等内容。
设计的方法
通过网上文献搜寻、图书馆查阅、中国知库材料的搜集、了解分析8位的开关量输出口以BCD码形式输出车库内现存车辆的数量的控制方式、PLC编程及仿真调试等内容。通过车库管理系统的实物图，控制原理图，外部接线图，梯形图等内容确定，能够方便读者从直观的角度了解本设计的主旨思想和脉络。
3、调研的目的和总结
通过调研能让我们对车库管理系统的控制和性能多方面进行清晰的解读，性能特点，技术指标，优缺点等等，增强我们实践能力，培养了自主探索精神，加强了设计说服力，在这次调研中，我们体会到：调研的重要性，在实践中学习，在操作中发现问题、解决问题。通过调研，能不断提高我们应对和突发事件的应变能力和水平，大大的提高了工作的效率，降低成本，最后带来更多的利润。

第二部分 设计说明
2.1 车辆进出库管理系统
车库管理系统主要由四部分组成，依次为指示灯显示单元、开入检测单元、开出检测单元、显示车库中车辆数量单元。

图2-1 车辆出入库系统结构示意图
指示灯显示单元：入口处设置红绿两色指示灯，指示停车场是否有空位。如果绿灯亮，表示有车位可供停放；红灯亮，表示没有车位可供停放。
车辆开入/开出检测单元：此单元通过压力传感器来实现对进入与开出车辆的检测数据处理。系统梯形图的编写中，通过使用PLC中的增减计数器，来实现对车库中车辆数目的计数控制。工作原理图见下图所示。
显示车库中车辆数量单元：PLC通过控制一组8位的开关量输出口以BCD码形式输出车库内现存车辆的数量，由显示器中的电路实现译码显示。

图2-2 车辆开入开出检测单元工作原理图
2.2 车库管理系统的硬件选型
可编程逻辑控制器
西门子PLC:
SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。
分析发现，德国西门子PLC更加具有灵活性，采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程简单、应用面拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。更容易与MCGS组态显示屏进行配合监控。综合考虑本系统任务只需完成相对简单的编程控制，对I/O点数要求不高，因此确定选用西门子S7-200系列的224型号的PLC产品。

图2-3 西门子PLC组成图
PLC的基本单元主要由中央处理器（CPU）、输入输出单元（I/O）、存储器、供电单元、拓展模块单元、编程器和编程器接口等模块共同组成。详细模块的位置如下所列：
1. 电源模板 2. 后备电池
3. 模式开关（钥匙操作） 4. 状态和故障LED
5. 存储器卡 6. 有标签区的前连接器
7. CPU 1 8. CPU 2
10. I/O模板 11. IM接口模板
PLC（可编程逻辑控制器）的性能指标：
（1）输入/输出(I/O)点数
输入输出点数是一项重要的性能指标，是PLC与外界连接的端子。点数越多，表示PLC可连接的输入和输出器件就越多，控制的规模也相应的增大。
（2）存储容量
存储容量通常用K字或K字节、K位来表示。这里所说的1K=1024，即2的10次方。存储容量的大小，表示PLC可以存放多少用户程序。有些PLC的存储容量可以根据需要进行配置，而有的PLC的存储容量则可以进行拓展。
（3）内部寄存器（继电器）
在可编程逻辑控制器的内部，有许多寄存器用来存放变量、中间结果、数据等，还有一些辅助寄存器可供用户使用。所以，寄存器配置也是用来衡量PLC的一个标准。
正是因为PLC具有上述的性能指标，使得可以将计算机技术应用于控制系统。不仅可以大幅度的提高生产效率，改善工作条件，节约能源，降低生产成本，还具有结构性能稳定，安全性好，出错率低等优点。
压力传感器
MSP300系列（MSP300-010-B-5-W-1）压力传感器为大批量、低成本、民用及工业用产品建立了新的性能价格比典范。本产品广泛适用于对物压、气压、液压的检测，甚至较恶劣的介质环境，如污水、蒸汽、轻度腐蚀性液体和气体。

图2-4 MSP300压力传感器图
MSP300压力传感器（MSP300-010-B-5-W-1）的压力腔采用17-4PH不锈钢单件一体式结构加工而成。其标准压力接口采用1/4NPT外螺纹接头，因而可以保证较好的密封性能。本产品的特点是无○形圈、无焊缝、无硅油或其他有机物，经久耐用。MEAS采用独有的微熔技术，引进航空应用科技，利用高温玻璃将微加工硅压敏电阻应变片熔化在不锈钢隔离膜片上。玻璃粘接工艺避免了温度、湿度、机械疲劳和介质对胶水和材料的影响，从而提高了传感器在工业环境中的长期稳定性能，同时也避免了传感器在传统微机械加工制造工艺过程中出现的P-N结效应现象。
MSP300压力传感器是（MSP300-010-B-5-W-1）不锈钢单件一体化结构，压力范围高达10K Psi或700Bar毫伏或放大输出，工作温度范围宽能适应一年四级的各种气候。主要应用于普通压力测量、自动检测系统、液压/气动系统等。
BCD码显示器

图2-5 BCD码显示器图
BCD是一种显示器，这种显示器非常的节约电，体型轻薄简单，适用于随身携带。通过将显示的a、b、c、d、e、f、g共七个引脚接在PLC的输出接线端子上，来实现对显示器实时显示车辆数目的控制。本为了研究的简便，设计车库最多只能停放9个车辆。超过停车控制要求的，系统会控制显示单元的红灯亮起，提示待停车的车主此车库无停放车辆的车位。
指示灯

图2-6 红绿指示灯图
通过将红绿灯放置在车库的进入口，来实时提示车主是否可以停车。当车库中的车辆达到最大停放停放数量时，红灯常亮，表示车库已经停满。若绿灯常亮，则表示车库中还有停车位供车主停放车辆。

第三部分 系统软硬件规划设计
3.1 车库系统流程图
车库系统中的车辆开入与开出单元中的压力传感器的信号，作为增减计数器的输入口，实时计算车库中的车辆停放数。系统通过实时采集计数器中的数值，并与车库所能容纳的最大停车数进行比较，选择确定是否复位绿色指示灯及置为红灯指示灯。详细流程图如下所示。
开始

N

有空余车位？

Y

绿灯常亮

N
车库已满？

Y
红灯常亮

结束

图3-1 车库系统流程图

3.2 I/O分配表
表3-1 车库系统I/O分配表
序号
输入地址
名称
序号
输出地址
名称
1
I0.0
启动按钮
1
Q0.0
BCD码a端
2
I0.1
停止按钮
2
Q0.1
BCD码b端
3
I0.2
急停按钮
3
Q0.2
BCD码c端
4
I0.3
单线联机
4
Q0.3
BCD码d端
5
I0.4
车辆开入压力传感器
5
Q0.4
BCD码e端
6
I0.5
车辆开出压力传感器
6
Q0.5
BCD码f端

7
Q0.6
BCD码g端

8
Q0.7
车辆开入抬杆

9
Q1.0
车辆开出抬杆

10
Q1.1
绿色指示灯

11
Q1.2
红色指示灯

3.3 电气部分接线图

图3-2 电气部分接线图

3.4 逻辑梯形图编程
主程序：

图3-3 主程序1梯形图
如上图梯形图所示，以常开停止按钮作为调用红绿灯单元及BCD码显示单元。若按下停止按钮，则同时复位这两个单元，停止系统的显示工作。
接下来的是车辆进出车库的梯形图，共由两部分组成，为车辆进入顺控步及开出顺控步。

图3-4 主程序2梯形图
红绿灯单元子程序：

图3-5 红绿灯单元梯形图
如上图梯形图所示，把车辆计数器C0来作为调用红色指示灯和绿色指示灯的条件。若车辆计数器的值为9时，表明车库已经装满，无法继续停入车辆。若车辆计数器的值不等于9，即未达到系统设定的上限停车值时，绿灯常亮，提示车主可以继续停入车辆。
BCD码显示单元子程序：
下图所示的梯形图4-4中，系统使用的是CTUD增减计数器来实现对进出车辆数目的统计工作。其中，车辆开入压力传感器是增计数的输入模块，车辆开出压力传感器是减计数的输入模块。

图3-6 BCD码显示单元CTUD指令图

图3-7 BCD码显示单元梯形图

3.5 仿真调试
仿真软件简介：
S7-200仿真软件，是西门子200系列型号的PLC所专用的仿真软件，可以直接进行使用。适用在无PLC的条件下，进行仿真调试，起到检查程序正确与否及正常运行的目的。
双击打开该款仿真软件后，出现的界面如下图所示。

图3-8系统仿真软件图
当用户把所编写的梯形图语句转换为STL语句时，保存为文本文档的形式。当利用软件中的工具栏，则可以将保存的程序倒入至仿真软件中，进行实时调试。使用者通过拨动程序中所对应的开关，观察显示模块指示灯的闪烁与熄灭情况，就可检查所编写的程序是否正确。
使用方法： 
1.本软件无需安装，解压缩后双击S7_200.exe即可使用； 
2.仿真前先用STEP 7 - MicroWIN编写程序，编写完成后在菜单栏“文件”里点击“导出”，弹出一个“导出程序块”的对话框，选择存储路径，填写文件名，保存类型的扩展名为awl，之后点保存;
3.打开仿真软件，输入密码“6596”，双击PLC面板选择CPU型号，点击菜单栏的“程序”，点“装载程序”，在弹出的对话框中选择要装载的程序部分和STEP 7 - MicroWIN的版本号，一般情况下选“全部”就行了，之后“确定”，找到awl文件的路径“打开”导出的程序，在弹出的对话框点击“确定”，再点那个绿色的三角运行按钮让PLC进入运行状态，点击下面那一排输入的小开关给PLC输入信号就可以进行仿真了。
使用步骤：
1. 配置PLC型号：

图3-9配置PLC型号图
选择型号的下拉框，选中CPU224后，点击确定，即完成对PLC型号的配置。
2. 载入程序：
通过载入Step7中导出的awl格式的程序后，点击确定，即可开始对程序进行仿真调试。
3. 运行：
单机下图的运行按钮，仿真软件就开始对程序的仿真运行。拨动下方对应的输入按钮，既可以看到上方输出单元的运行情况。

图3-9 启动仿真调试图

第四部分 结束语
本次毕业设计已经结束，我不仅收获了知识还锻炼了品质，通过此次认真而细致的毕业设计的研讨与制作，我对待事情的态度更加严谨更加有信心，并且我希望把所有事情做好做完美，我想这将是一种很重要的财富。 从刚开始的积极拓展信息资源渠道，广泛搜集与车库管理系统相关的前沿发展动态。再到确定控制器的选型，相关PLC产品性能的不同对比分析，直至确定与之系统相配套的辅助部件。最后，借助于西门子的强大数据的处理能力和逻辑编程的高稳定运行，完成了该系统的全部工作。
再次深深感谢各位老师和同学的指导与帮助，再次深深的表达感谢。同时，本设计系统因为本人能力水平有限，仍然存在些许问题，欢迎各位提出批评意见。谢谢。

第五部分 致谢
在毕业设计完成之际，我首先向指导我毕业设计的老师表示衷心的感谢和崇高的敬意！在毕业设计中得到了老师的耐心指导，她在忙碌的教学工作中挤出时间来指导我的毕业设计。
另外，感谢院校给予我这样一次机会，让我能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种帮助，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。
感谢三年陪伴在我身边的同学朋友，感谢他们为我提出有益的建议和意见，有了他们的支持丶鼓励和帮助，我才能充实的度过三年的学习生活。
在他们的帮助下使我顺利的完成了毕业设计，在这里也向他们报以真挚的感谢。

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第六部分 参考文献
【1】电气控制与PLC应用.王少华.中南大学出版社.2013年7月.P113-P193
【2】电气控制及PLC.周军.机械工业出版社.2001年8月.P100-P130
【3】工厂电气控制技术.熊幸明.清华大学出版社.2005年10月.P20-P100
【4】电气控制与PLC应用技术.刘长春.科学出版社.2008年7月.P99-P150
【5】机床电气控制系统改造.王建.中国劳动社会保障出版社.22011年2月.P100-P155
【6】电气控制与PLC应用技术.刘长春.科学出版社.2008年7月.P99-P150
【7】电气与PLC控制技术.蔡红斌.清华大学出版社.2007年8月.P11-P50
【8】机电一体化技术.张建平.湖南大学出版社.2011年10月.P17-P111
【9】电气控制技术与机床电路检修技术.殷培峰.化学工业出版社.2011年10月.P10-P100