自动车库门控制系统设计毕业设计.docx

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自动车库门控制系统设计毕业设计

毕业设计（论文）

题目名称：

自动车库门控制系统设计

摘要

随着汽车产业的发展，人们对车库的需求量日益增长。

车库门产品是在我国建筑市场发展过程中到迅速发展。

我国车库门业的现状是：

80年代初我国与世界各国的交流渐渐多了起来，当时的工业产品展览会上就有瑞典的车库门而且是上滑道车库门，那时，有超前意识的企业开始研制车库门，当然在20世纪80年代更多的还是卷帘门的市场占了80%，尽管卷帘门的噪音高达60-80分贝，但是卷帘门产品从结构上已经用上了弹簧钢带。

车库门不是说结构繁杂就是好产品，只要我们的设计理念是先进的，发展方向当然是以简便、耐用为根本原则。

这好比照相机发展到一定程度就有了很普及的傻瓜和数码照相机。

但是产品的品质不是落后而是向更先进和更趋于人性的智能、安全、耐用的方向发展智能车库将是信息社会最重要的基础设施之一，停车场管理控制系统则是现代建筑中不可或缺的一部分。

随着计算机控制技术的发展，停车场管理控制系统的功能及软硬件设施也伴随其发展而不断改进。

本文主要阐述了车库自动门的设计思想与程序编制,应用PLC作为现场控制器，对现场设备进行信号采集与控制。

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。

根据管理及控制功能需求，充分研究了相关系统组件的工作原理及性能指标，据此进行系统功能设计及硬件选型。

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。

关键词：

可编程控制器S7-200自动车监库控制系统；车库；监控系统

1.2车库门研究意义……………………………………………………………………1

2.2电动机的选型6

2.2.1直流电动机的优势……………………………………………………………………8

2.3汽车车库自动门电气控制系统的平面图及控制要求………………………………….9

附录二车库门控制系统指令表………………………………………….20

第1章绪论

1.1车库门研究现状

车库的发展，应该说从第一辆汽车诞生以来就随之产生。

公安部交通管理局的统计显示，截至2006年底，我国汽车保有量为2421万辆，与2005年相比，增长279万辆，增长率为13%。

在汽车快速增加的同时，“停车难”的问题越来越严重的凸显出来。

以上海市为例，截止2006年底，上海市己拥有机动车辆150万辆，其中汽车80万辆。

而目前全市各类停车场停车位加起来约为49万个。

而这种情况也挡不住上海市机动车辆以每年7万辆的数量迅猛增长。

据预测，到2012年机动车拥有量将达到200多万辆。

停车泊位的现状及发展速度远远不能适应客观发展的需求。

而对于快速发展的中国各个城市，停车难也随着城市经济的快速发展和汽车数量的激增接踵而来。

资料显示，全国36个大中城市停车位满足率不足20%，也就是说，目前我国城市每5辆机动车辆只有1个停车位。

国内家用汽车拥有量的迅速增加，使城市道路交通变得十分拥挤，各大城市高峰时塞车已经成为天天可见的一道景观。

家用汽车的停放也逐渐成为一个社会问题。

我国大城市中由于停车位少，而土地越来越紧缺的情况下，停车位价格十分昂贵，为解决城市停车难的问题，家用车库是必然出路。

我国家用车库发展虽经历了近几十年的发展，但仍处于初级的停车功能，是最原始的使用阶段，它的设计水平、经济价值还有待于完善和开发。

为此对家用车库设计方案优化具有重大的现实意义和潜在的市场经济效益。

1.2车库门研究意义

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。

近20年来，随着我国城市建设速度的加快，城市交通需求量也日益增大，城市人口相对密集，无论是私家车辆还是公交车辆都不能真正满足正常的停放，公交需求更很大。

因此车辆停放依旧是市民最关注的问题。

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。

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。

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。

所以在停车场智能管理领域，相应的也出现了PLC停车场智能管理的概念，即含有高科技的智能系统，与普通的停车系统不同的是，它能以PLC技术为基础来解决停车难的问题，直接为目标安全、迅速地到达目的地。

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,车辆进入车库后,记录车辆总量;车辆离开车库时,减少车辆数量。

车辆进出指示可完全由PLC进行中央控制处理,停车场空位指示可利用价格便宜的数码管显示。

因此，在大力加强车辆停放智能管理的建设方面，尤其在实现快捷、便利、安全这一点上拥有很大的发展空间和潜力。

第2章停车场控制系统硬件设计

2.1可编程控制器PLC的选型

一、PLC功能特点及选型

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。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1、开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

2、模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3、运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4、过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5、数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

6、通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

由于S7-200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，所以本设计中采用西门子公司的S7-200型PLC。

二、S7-200简介

1.概述

S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

2．S7-200优点

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

a极高的可靠性。

b极丰富的指令集。

c易于掌握。

d便捷的操作。

e丰富的内置集成功能。

f实时特性。

g强劲的通讯能力。

h丰富的扩展模块。

3.S7-200适用范围

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

----S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供选择。

4.CPU单元设计

集成的24V负载电源：

可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU224XP，CPU226分别输出280，400mA。

可用作负载电源。

a.不同的设备类型

　　CPU221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。

b.本机数字量输入/输出点

　　CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。

c.本机模拟量输入/输出点

　　CPU224XP具有2个输入点，1个输出点。

d.中断输入。

　　允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。

e.高速计数器

CPU221/222

4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器。

CPU224/224XP/226

6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。

CPU222/224/224XP/226

可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。

可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序，本设计选用CPU224。

5.模拟电位器

CPU221/2221个

CPU224/224XP/2262个

CPU221/222/224/224XP/226

6.脉冲输出

2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。

7.实时时钟

例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。

EEPROM存储器模块（选件）

可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。

8.电池模块

用于长时间数据后备。

用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。

选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。

电池模块插在存储器模块的卡槽中。

9.编程：

CPU221/222/224/224XP/226

STEP7-Micro/WIN32V3.1编程软件可以对所有的CPU221/222/224/224XP/226功能进行编程。

同时也可以使用STEP7-Micro/WIN16V2.1软件包，但是它只支持对S7-21x同样具有的功能进行编程。

STEP7-Micro/DOS不能对CPU221/222/224/224XP/226编程。

如果使用PG/PC的串口编程，则需要使用PC/PPI电缆。

如果使用STEP7-Micro/WIN32V3.1编程软件，则也可以通过SIMATICCP5511或CP5611编程。

在这种情况下，通讯速率可高达187.5kbit/s。

可以利用PC/PPI电缆和自由口通讯功能把S7-200CPU连接到许多和RS-232标准兼容的设备。

10.有两种不同型号的PC/PPI电缆：

带有RS-232口的隔离型PC/PPI电缆，用5个DIP开关设置波特率和其它配置项.

带有RS-232口的非隔离型PC/PPI电缆，用4个DIP开关设置波特率。

有关非隔离型PC/PPI电缆的技术规范，请参阅S7-200可编程控制器系统手册。

当数据从RS-232传送到RS-485口时，PC/PPI电缆是发送模式。

当数据从RS-485传送到RS-232口时，PC/PPI电缆是接收模式。

当检测到RS-232的发送线有字符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式。

当RS-232发送线处于闲置的时间超过电缆切换时间时，电缆又切换到接收模式。

这个时间与电缆上的DIP开关设定的波特率选择有关。

11.各型号优点

　　CPU221

　　本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。

无I/O扩展能力。

6K字节程序和数据存储空间。

4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

非常适合于小点数控制的微型控制器。

　　CPU222

　　本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。

可连接2个扩展模块。

6K字节程序和数据存储空间。

4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

非常适合于小点数控制的微型控制器。

　　CPU224

　　本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

是具有较强控制能力的控制器。

　　CPU224XP

　　本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。

20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。

是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。

CPU226

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。

可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

2.2电动机的选型

并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。

因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。

这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。

由直流电动机的转速公式：

　n=（U-IaRa）/KEΦ

可知，Ra、Φ和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。

但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。

现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。

（1）调磁法

　即改变磁通量Φ。

当保持电源电压U为额定值时，调节Rf，改变励磁电流If以改变磁通量，如图13所示。

由于

n=U/KEΦ-Ra/KTKEΦ·T

可知磁通Φ减少时，n0升高，转速降△n增大，但后者与Φ2成反比，所以磁通愈小，机械特性曲线愈陡，但仍具有一定硬度，如图14所示。

在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。

由于电动机在额状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通（Φ＜Φn），将转速往上调（n＞nn）。

调速的过程是：

当电压U保持恒定时，减小磁通Φ。

由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势E=KE·Φ·n就减小，Ia随之增加。

由于Ia增加的影响超过Φ减小的影响，所以转矩T=KTΦIa也就增加。

如果阻转矩Tc未变，则T＞Tc转速n上升。

随着n的升高，反电动势E增大，Ia和T也着减小，直到T=Tc时为止。

但这时转速已比原来升高了。

必须指出，若电动机在额定状态下运行，则电枢电流Ia为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变（为额定值），由于T=KTΦIa，故减小磁通量Φ后Ia必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。

这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变（恒功率调速）的场合。

这种调速方法有3个优点：

（1）调速平滑，可无级调速；

（2）调速经济，控制方便；

（3）机械特性较硬，稳定性较好。

这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。

因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。

在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。

（2）调压法

　即改变电压U。

当保持他励电动机的励磁电流If为额定值时，降低电枢电压U，则由

n=U/KT·Φ-Ra/KE·KT·Φ2·T

可见，n0变低了，但△n未改变。

因此改变U可得出一组平行的机械特性曲线。

在一定负载下，U愈低，则n愈低。

由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变，所以转速将下调（nn）。

调速的过程是：

当磁通Φ保持不变时，减小电压U由于转速不立即发生变化，反电动势E便暂不变化，于是电流Ia减小，转矩T也减小。

如果阻转矩Tc未变，则T＜Tc，转速n下降。

随着n的降低，反电动势E减小，Ia和T增大，直到T=Tc时为止。

但这时转速已比原来降低了。

由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电动机的输出转矩便是一定的（恒转矩调速）。

这种调速方法有下列优点：

（1）机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；

（2）调速幅度大；

　（3）可均匀调节电枢电压；得到平滑的无级调速。

这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。

近年来由于采用了可控硅整流电源对电动机进行调压和调速，使这种方法得到了广泛应用。

印刷设备中直流电动机的调速多采用这种方法。

2.2.1直流电动机的优势

因为直流电动机在调方面很简单，相对于异步电动机来说又有以下的优势：

（1）由于采用高性能永磁材料，无刷直流电机的转子尺寸得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。

（2）由于没用转子损耗（转子使用永磁材料），也无需定子励磁电流分量（应用新理论），所以无刷直流电机具有较高的效率和功率密度。

对于同等容量输出，交流异步电机需要更大功率的整流器和逆变器。

（3）由于没有转子发热，无刷直流电机也无需考虑转子冷却问题。

（4）交流异步电机由于其非线性本质，实现控制极为复杂。

无刷直流电机把其复杂的磁场定向控制简化为离散状态的转子位置控制，无需坐标变换，调速范围更宽，控制性能更好。

综上所述，无刷直流电机具有更大的功率密度（铁芯利用率高）、更高的效率和更好的控制性能，如将节能因素、省却变频器以及产能提高因素考虑在内，使用者的综合成本下降很大。

所以在本课题设计中选用了无刷直流电动机。

2.3汽车车库自动门电气控制系统的平面图及控制要求

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

说明：

超声波传感器：

红色区域为超声波的感应范围，当小车进入到这个范围，超声波开关被触发，常闭变常开，常开变常闭。

它的初始状态是上面为常闭触点，下面为常开触点。

光电传感器：

当有物体穿过开关，并遮住了光束，那么开关的状态常闭变常开，常开变常闭。

它的初始状态是上面为常闭触点，下面为常开触点。

门下限开关：

当门下降，碰到它时，门下限开关会有动作，那么开关的状态常闭变常开，常开变常闭。

由于现在门是关闭的，因此它的初始状态是上面为常开触点，下面为常闭触点。

门上限开关：

当门上升时，碰到它时，门上限开关会有动作，那么开关的状态常闭变常开，常开变常闭。

它的初始状态是上面为常闭触点，下面为常开触点。

门位电动机：

采用直流驱动，按正负方向接入电源，电动机正转（门上升），反之，电动机反转（门下降）。

2.4自动车库门控制要求

PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。

库门设计为卷帘式，用一个电机来拖动卷帘。

正转接触器KM1使电机开门，反转接触器KM2使电机关门。

在库门的上方装设一个超声波探测开关S01，超声波开关发射超声波。

1）按下启动按扭，当有人或车由外到内进入超声波发射范围时，超声波开关便检测出超声回波，从而产生输出电信号（S01=ON），由该信号启动接触器KM1，电机M正转使卷帘上升开门，当到达开门限位开关位置时，电机停止运行。

2）如果此时车不想停入车库，需要离开，车离开超声波发射范围，5秒后，车库门自动关闭。

如果此时车又想开进车库，再次进入超声波发射范围，车库门停止关闭，进行开门动作。

3）当车开到车库门下时，在库门的下方装设一套光电传感器S02，用以检测是否有物体穿过库门。

光电开关由两个部件组成，一个是能连续发光的光源；另一个是能接收光束，并能将之转换成电脉冲的接收器。

若行车（人）遮断了光束，光电传感器S02便检测到这一物体，产生电脉冲，在延时定时器3秒后，由该信号启动接触器KM2，使电机M反转，从而使卷帘开始下降关门，当门移动到关门限位开关时，电机停止运行。

4）在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外进入超声波发射范围时，则立即停止关门，并自动进入开门程序。

5）考虑到自动门在出现故障或在维修的时候，用自动控制存在一定问题，增加手动开门和关门开关。

2.4.1控制程序的编制，并画出硬件接线图

1主接线路如下图2.3