基于西门子plc停车场车位控制系统设计

江西理工大学应用科学学院

西门子PLC课程设计题目:停车场车位控制系统设计

专业：电气工程及其自动化

班级：电气144

姓名：周培福

学号： 27

2017年06月

1 引言

课题设计的目的：

近年来，我国的汽车产业飞速发展，汽车保有量持续攀升，又由于人口密度大，在很多时候会出现停车难等问题。为了满足日益增长的停车需求，大型、超大型停车场不断涌现，由于停车场规模大，传统的管理模式已经不满足需求。因此，设计一套行之有效的泊车系统。

随着科技的进步，电子技术、计算机技术、通讯技术不断地向各种领域渗透，当今的停车场车位控制系统已经向智能型的方向转变。先进可靠的停车场控制系统在停车场管理系统中的作用越来越大。

利用PLC控制停车的停车场管理系统是一种高效快捷、公正准确、科学经济的停车场管理手段，是停车场对于车辆实行动态和静态管理的综合。从用户的角度看，其服务高效、准确无误；从管理者的角度看，其易于操作维护、动化程度高、大大减轻管理者的劳动强度；从投资者角度看，彻底杜绝失误及任何形式的作弊，防止停车费用流失，使投资者的回报有了可靠的保证。系统以PLC为信息载体，通过智能传感器记录车辆进出信息，结合工业自动化控制技术控制机电一体化外围设备，从而控制进出停车场的各种车辆

本课题设计主要运用可编程控制器（PLC）对停车场进出及停放指示进行管理的方案。本停车场由16个停车位、入口检测器、出口检测器、道闸管理系统、尚有车位指示灯、车位已满指示灯等部分组成。在设计硬件的基础上，对软件进行设计，最后对系统进行调试，使控制车辆进出过程得以实现。

课题设计的内容：

1.如图1-1所示，假设停车场一共有停车位16个。

2.在入口处装设一传感器，用来检测车辆进入的数目。

3.在出口处装设一传感器，用来检测车辆出去的数目。

4.有车位时，入口闸栏将门开启让车辆进入，并有指示灯示表示尚有车位。

5.车位满时，则有一指示灯显示车位已满，且入口闸栏不能开启让车进入。

6.可以用七段数码显示管上显示目前停车场共有几部车。

图1-1 停车场模型图

课题设计的目标:

1．停车场由启动开关控制，车库启用时先对所有用到的存储单元清零，并且停车场车位空显示由数码管显示。

2.入库车辆前进时，经过传感器1，此时车位尚未满的话，栅栏向上打开，当达到上限位置时，栅栏打开停止，同时车辆进入，经过传感器2，栅栏门向下关闭，达到下限位置时，栅栏门停止关闭，同时计数器A加1。

3．出库时，先经过传感器2，栅栏门向上打开，当达到上限的时候停止打开，同时车出闸门再经过传感器1，栅栏门向下关闭，当达到下限位时，栅栏门停止动作，计数器B减1。（计数器B的初始值由计数器A送来）只经过一个传感器则计数器不动作。

4．仓库容量为16辆车，若停车场还有车位则可由车辆未满指示灯进行提醒，若车库车位已满则仓库满时有车位已满指示灯进行提醒并且七段数码管显示此时停车场停车数量。

5．若同时有车辆相对入库和出库（即入库车辆经过传感器1，出库车辆经过传感器2），应避免误计数。

2 系统总体方案设计

2.1系统硬件配置及组成原理

2.1.1设计硬件选择及原理

本次设计要求需要有开始按钮、停止按钮、2个行程开关和2个传感器共6个输入接口，满车位和有车位2个指示灯、三相异步电动机正反转、2个七段显示数码管共18个输出接口，所以选用CPU226DC/DC/DC（24输入/16输出）并扩展一个EM223(8输入、8输出)模块满足控制要求。除CPU226之外还需要24V/DC直流电源、两个复位按钮、两个红外传感器、两个指示灯、三相异步电动机。

由课程设计控制要求和内容，对于前两条要求，可以采用两个计数器来实现，即一个增计数器和一个减计数器；栅栏的开启与闭合可以有电动机的正反转来实现，并用指示灯显示停车场是否已经停满；车位满时应设计使栅栏不能开启，禁止汽车进入停车场；用七段数码管来显示目前停车场中停车的数目。主电路的实现比较容易，属于电动机的正反转。

2.1.2 系统组成图如图

图2-1 系统组成图

2.2系统变量定义及分配表

2.2.1 系统变量定义

控制系统变量有输入信号和输出信号两种类别：

输入信号有：1.开启按钮 2.关闭按钮3.入口传感器输入信号4.出口传感器输入信号5.栅栏上限位置开关（行程开关）6.栅栏下限位置开关（行程开关）

输出信号有：1.栅栏开启信号（电动机正转）2.栅栏关闭信号（电动机反转）

3.车位已满指示灯

4.尚有车位指示灯

5.七段数码管1（Q0.0-Q0.6）

6.七段数码

管2（Q1.0-Q1.6）

2.2.2 系统变量地址分配表

输入信号输出信号

启动（SB1）I0.0 栅栏开启Q2.0

停止（SB2）I0.1 栅栏关闭Q2.1

入口传感器I0.2 车位已满指示灯Q2.2

出口传感器I0.3 尚有车位指示灯Q2.3

栅栏上限位I0.4 七段数码管1显示Q0.0-Q0.6

表2-1 I/O地址分配表

2.3系统接线图设计

2.3.1系统接线图（PLC外部接线）

停车场控制系统的接线图如图2-2所示，在该接线图中，I0.0、 I0.1是系统的总开关，入口传感器接I0.2输入端，出口传感器接I0.3输入端。L1是停车场车未满指示灯，L2是车满指示灯，KM1是电机正转的继电器线圈，KM2是电机反转的继电器线圈，Q0.0-Q0.6接七段数码管1,Q1.0-Q1.6接七段数码管2。

图2-2 硬件接线图

2.3.2主电路控制图

停车场控制系统的主电路图2-3所示，当QS闭合时，KM1闭合KM2断开电机正转，闸门开启，车辆可通过。当KM2闭合KM1断开时电机反转，闸门闭合，车辆不可通过。

图2-3 主电路控制图

2.3.3 编程元件解析

1.I为输入继电器，它的作用是接受并存储外部输入的开关量信号，和对应的输入端子相连，同时提供无数的常开和常闭软触点用于编程。

2.Q为输出继电器，它的作用是具有一常开硬触点用于向外部负载发送信号，每一输出继电器的常开硬触点与可编程控制器的一个输出点相连，直接驱动负载，它也提供了无数的常开和常闭软触点用于编程。

3.M为辅助继电器，它是由软件来实现的，用于状态暂存、移位辅助运算及赋予特殊功能的一类编程元件,其作用类似于继电接触控制系统中的中间继电器，绝大多数的继电器线圈由用户程序驱动。

4.T为定时器，作用相当于继电接触控制中的通电延时型时间继电器.

5.D为数据寄存器，可编糖控制器在模拟量检测与控制以及位置控制等许多场合都需要数据寄存器来存储数据和参数。

2.4系统可靠性设计

PLC在工业过程控制中应用及其广泛，其可靠性高抗干扰能力强，配套齐全、功能完善、适用性强，易学易用、深受工程技术人员欢迎，系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造，体积小、重量轻、能耗低。

在工作原理方面，可编程序控制器采用周期循环扫描方式，在执行用户程序过程中与外界隔绝，从而大大减小外界干扰；在硬件方面，采用良好的屏蔽措施、对电源及I／O电路多种形式的滤波、CPU电源自动调整与保护、CPU与I／O电路之间采用光电隔离、输出连锁、采用模块式结构并增加故障显示电路等措施；在软件方面，设置自诊断与信息保护与恢复程序。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的"冒险竞争"，其控制结果总是确定的;而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。

为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了监控程序。运行用户程序开始时，先清定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时(一般不超过100ms)，则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现"死循环"而影响其工作的可靠性。

PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。

PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠稳定工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上;出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。

所以此停车系统能够稳定可靠的运行。

3控制系统设计

3.1控制程序流程图设计

根据课程设计要求可作出停车场车位控制系统的控制程序流程图，如图3-1所示。

图3-1 控制程序流程图

3.2控制程序时序图设计

根据课程设计要求可作出车辆入库时序图，如图3-2所示；车辆出库时序图，如图3-3所示；车辆同时出入车库时序图，如图3-4所示。

图3-2 车辆入库时序图

图3-3 车辆出库时序图

图3-4 车辆同时出入库时序图

3.3控制程序设计思路

PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。ＰＬＣ程序设计是指用户编写程序的设计过程，以指令为基础，结合被控制对象工艺过程的控制要求和现场信号，对照ＰＬＣ继电器编号，画出梯形图程序。

编程语言有以下特点图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。明确的变量常数：图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：西门子S7 200系列。简化的程序结构：PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。简化应用软件生成过程：只需要编辑一个过程，其余由系统软件本身生成。强化调试手段：无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。

本系统采用STEP 7 MicroWIN SP4（S7-200）V4.0软件编程并调试，程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序,子程序有三部分,分别表示车辆进入、车辆出去和车辆同时出入。中断程序由三个子程序控制当条件满足时立即执行关门或者开门计数器也执行相应动作。本程序共有个网络。

3.4创新设计内容

程序部分：本课题的控制程序部分采用了主程序、子程序和中断程序分别对三种不同的工作方式分别管理，子程序的使用使得整个程序更加清晰明朗，让更多的使用者明白其结构原理。中断程序的使用提高了整个系统的响应速度和控制系统的稳定。大大提高了程序的可读性和执行率，使整个控制系统更加稳定，提高了整个控制系统的效率，符合我们设计此控制系统的要求，也使得停车难问题得到一定解决。

硬件部分：采用了西门子S7200 CPU226和扩展模块EM223，西门子PLC功能丰富、使用方便，抗干扰能力比较强，也比较耐用，维护率，损坏率比较低DP通信效果特别好,技术支持服务比较好。还采用了红外传感器使得整个系统灵敏可靠。采用了继电器输出型电路，使得控制系统能控制大功率电路。还使用了七段数码管来显示车库当前车辆，让车主们能够很自主的知道是否有停车位，使得此系统更加智能化、人性化。使其能更好的服务于百姓。

4.系统调试及结果分析

4.1系统调试及解决的问题

将设计好的程序写入PLC后，我仔细检查了程序并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用强制来模拟，各输出量的通／断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。

根据系统要求选择相应的硬件设备，并根据I/O分配，按要求连接电路，并检查电路是否正确，确保电路安全后打开电源开关，等待软件调试和程序下载。之后操作各个输入量进行相应的功能检验。

按接线图接好线后，用STEP7编程软件编辑程序指令，采用脱机编程方式将所编制的用户程序存入编程器的ROM中后进行程序编译检查程序是否存在语法错误，无误后下载到PLC系统中，并点击运行，经过多次调试，观察运行过程。

在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。

解决了在变量表中不能修改参数?出现(D0A1)功能在当前保护级别中不被允许!解决方法将RUN切换到RUN-P。原因是RUN_P支持在线更改程序，RUN不允许更改程序。

4.2结果分析

调试过程当中虽然遇到一些问题，但在老师指导下同时自己也翻阅了许多资料解决了调试的问题。调试结果满足了此课程设计的全部要求，系统运行也稳定可靠。但是还是有些不足，如果要控制精度更高应该才用重力传感器，再就是使用单片机控制会更好。

本设计是基于PLC的停车场车位控制系统，将采集到的信号传输给PLC中的计数器，计数器进行加减计数存储，并以SEGD码传输给七段译码显示器，显示器能够实时显示停车场的停车数目。PLC具有可靠性高、控制程序可变，具有良好的柔性、功能强，性能价格高等特点。该系统自动化程度高，可靠性高，用PLC可以使该设计的要求全能满足。

设计总结

本次课程设计是在肖清老师的指导下进行的，在整个过程中遇到许多的难题，老师都给以认真的解释，为此，向肖老师表示最衷心的谢意。纵观两周的设计过程，可以说在这一过程中我的收获很大，充分认识到自己的薄弱环节，通过理论分析与实践的反复论证，许多问题都有了较好的解决方案。

程序部分采用梯形图方式编程，用此种方法编写程序条理清晰，连贯性强，方便调用和调试。在调试过程中虽然到一些问题，但也一一解决，实现了课程设计的要求有全部功能。硬件部分选取的是西门子plcS7200 cpu226，程序部分使用了主程序、子程序和中断程序使得整个程条理清晰可读性高，使得操作人员和维护人员工作更加轻松，并且控制系统稳定可靠响应速度快可操作性强，文中开头提过我国的汽车产业飞速发展，汽车保有量持续攀升，又由于人口密度大，在很多时候会出现停车难等问题，再加上传统的停车场管理模式有欠缺使得资源没能够被充分的利用，所以希望这套控制系统能够发挥出它的作用，服务于百姓。

参考文献

[1]王宗才. 机电传动与控制. 北京：电子工业出版社，2011.

[2]易传禄. 可编程序控制器应用指南. 上海: 上海科普出版社, 2006.

[3]王永华. 现代电气及可编程技术. 北京: 机械工业出版社, 1997.

[4]方承远. 工厂电气控制技术. 北京: 机械工业出版社, 2004.

[5]西门子公司 .SIMATIC S7-200系统手册 . 北京: 机械工业出版社, 2004.

[6]汤以范. 电气与可编程序控制器技术. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[7]胡学林. 可编程控制器原理及应用. 北京：电子工业出版社，2005.

附录

程序梯形图

主程序

子程序SBR_0

子程序SBR_1

子程序SBR_2

中断程序INT_0