自动化PLC实训项目——基于PLC的停车场控制系统的设计

题目要求

原题目

（1）停车场有80个车位。当有空位时停车场门口的绿灯亮，当没有空位时红灯亮。其中，L1：绿灯；L2：红灯。
（2）系统启动时，首先按下复位按钮，计数器复位（复位成80）。然后按下启动按钮，智能停车场控制系统开始工作，按下停止按钮，智能停车场停止工作。
（3）当车辆进入停车场时，停车场入口传感器SQ1感应，栏杆LG1抬起，LED计数器减1；当车辆驶离停车场时，停车场出口传感器SQ2感应，栏杆LG2抬起，LED计数器加1。当停车场车位已满时，车辆不能再进入停车场（栏杆LG1不抬起）。
（4）停车位被占用时，上方的指示灯显示红色；如果本车位空闲，则上方的指示灯显示绿色。
（5）通过操作台来实现监控系统画面的运行，最后实现了停车场控制系统的操作（选做）。

补充

为完成题目要求，需要规定传感器和执行部件的规则。本项目默认规定：

1. 门口的传感器检测到车辆后，输入到PLC的信号为高电位，则PLC输出到栏杆的信号为高电位，栏杆抬起；检测到无车辆，输入为低电位，则输出低电位，栏杆落下。
2. 若有车辆停在车位，安装在车位上的车位传感器将立即检测到，输入到PLC的信号为高电位；车辆离开时，传感器输入给PLC低电位。
3. 启动、复位、停止按键为按下自动弹起的按钮，按下均为高电位。
4. 所有的指示灯均为高电位亮，低电位灭。
   除了要求的功能，系统还增加和优化了另外的功能：
5. 优化逻辑。按下复位键时，数码管显示的剩余车位为车位数量减去已占用车位。
6. 增加功能。若数码管显示的剩余车位大于实际剩余车位，表明计算错误，将亮起黄色指示灯。
7. 优化程序可编辑性。由于车位众多，程序编辑非常不方便，因此使用数组加循环的方式，代替手动绘制一个一个车位的监测和控制梯形图，使用此种方法，增加或减少车位数量时只需在程序中修改常量值即可。

系统组态与硬件设计

扩展模块

由于车位众多，使用的车位传感器和车位指示灯，需要20个I点和40个Q点。另外两个数码管显示需要14个Q点，而本项目使用的S7-1214C PLC只有I点14个和Q点10个，因此需要添加扩展模块进行IO扩展。使用2个DI 1624模块和5个DQ 1624个模块将IO点扩展为I点46个，Q点90个，足够系统使用，且留有一定余量，方便在IO映射时位对齐，也方便后期加入更多车位或者其他功能。

网络组态

使用本地PC工作站，通过PROFINET协议和PLC进行通信。另外使用WinCC软件组态绘制上位机画面。

硬件接线

IO分配

由于增加了扩展模块，IO点数更多，且留有足够的余量，方便后期对程序进行扩展。

程序设计

设计思路

程序逻辑比较简单，但因为数码管、车位等需要用到大量重复性语句，因此使用函数进行封装。程序基本按照分层、分块的设计流程，尽可能避免使用繁琐的程序段，可读性更好，便于维护。使用数据类型更丰富的DB块作为中间量，简化程序设计步骤。程序中多次用到DB块的数组数据类型代替I/O变量，使运算更加方便。最后使用SCL块的PEEK、POKE指令将数组全部映射到IO域上。

注意：因为博图V15在能流仿真和WinCC界面中不能直接修改I点的值，所以程序中使用M中间继电器代替所有的I触点，变量名字不变。若要进行实物连接，在变量表中可以很方便的修改输入变量的地址为I点。

启保停复位

经典的启保停作为程序的开始。
项目还要求有复位按钮，系统先按复位键将计数器复位再启动。在此设计了按下启动时自动复位，简化了操作步骤。
直接复位可能出现显示计数值为车位数量，但有的车位依然被占用的情况，因此将程序改进为按下复位，数码管显示的值=车位数量-已占用车位数，更加贴合实际情况。

车辆计数与出入

此部分是系统的主要功能。车辆入库时，入口传感器检测到车辆后接通，若车库未满，则入门栏杆抬起，直到车辆进入。此时为能流的下降沿，计数器将执行减1操作。对于车辆出库，原理相似。
当计数器记到0时，表明车库容量已满，禁止车辆再次进入，亮起红灯。
当计数器为20时，说明车库中无车辆，此时如果检测到车辆出库，说明有计数错误，计数器将不再增加。此处为容错设计。
当计数器中的剩余车位数量大于实际未占用车位数量时，说明有计数错误，错误指示灯黄灯亮起。此处为错误报警设计。

数码管显示

系统中需要使用两个数码管表示两位数，而每个数码管的控制程序除了IO不同其他都一致，因此将数码管显示的程序封装为一个函数，简化了程序设计步骤。
将计数器数字个位和十位分离，分别作为IN参数填入函数。定义个位数码管和十位数码管的7位数组参数，将个位、十位数码管输出的7个Q点暂用对应的数组的不同位来表示，其地址作为IN/OUT入口参数填入函数，在函数中就可以把要显示数字的段码输出到对应数组的各个位中了。之后再将数组映射到I点，就可以控制数码管显示数字了。
数码管函数就是根据输入的数字决定数码管的哪一段亮，对应的段码如下：

车位管理

由于车位众多，一个一个赋值程序会特别繁琐，且如果要更改车库数量，需要修改很多程序段。本程序将车位指示封装为函数，使用循环语句，对对应车库的数组元素进行赋值，然后经过IO映射完成功能。
主程序调用如下：

车位指示函数一开始对循环变量i和累计占用车位数sum给0，然后进入循环体，对应的车位传感器数组元素接通后，对应的停车位红灯得电，同时sum自增。每次循环将循环变量i自增。直到i=车位数量20循环终止，输出已占用车位数和未占用车位数，退出函数。
车位指示函数如下：

IO映射

在前面提到，7个数码管段，20个车位传感器，40个车位红绿灯都使用DB块的数组代替原来的Q点。此步就是完成从数组到对应Q点的映射。
如果一个一个映射还是太繁琐，此处使用变址寻址，用S7-1200 SCL 编程语言的PEEK_BOOL和POKE_BOOL指令，实现对I/O和DB数据块的读取或写入。

参数area，根据数据所在区域的不同有四种取值。

如果映射的地址是连续的存储空间，这种方法可以使用FOR循环赋值。容易发现规律，数组元素下标从0开始逐个加1，如果I/O点是从0.0开始，对应的输入地址的位变量是从0到7再往复，而字节地址是先是8个0，然后是8个1……所以总结是字节地址是下标整除8的商，位地址是下标整除8的余数，换成编程语言就是字节地址是下标/8，位地址是下标MOD8。如果字节地址不是从0.0开始，在循环的开始加一个偏移量就可以了。然后就可以利用FOR循环来快速实现逐个位的赋值。[2]
部分程序如下：

仿真与结果分析

仿真与上位机

使用博图自带的仿真软件对系统进行调试，通过手动控制各个开关的通断来模拟系统运行，通过观察能流导通情况，和监视变量值，最终验证了程序的正确性。
根据题目要求绘制的WinCC控制台可以更加方便的仿真与调试。
左上最大的区域是车位情况，中间的按钮表示车位传感器，背景为指示灯，被占用为红灯，未被占用为绿灯；
车位下方是车辆的出入口。按钮表示传感器，箭头表示栏杆起落情况。当有车进入且车库未满时，检测到车辆，箭头亮起代表栏杆抬起；
最下方是准入指示灯（绿色）和禁入指示灯（红色），另外还有错误指示灯（黄色）；
右侧是控制和计数显示区，数码管每一段都连接到对应Q点，实时显示剩余容量情况。按钮控制停车场的运行状态。

遇到的问题

1. IO点数不够用
   解决办法：使用扩展模块，进行点数扩展。
2. 数组元素不能对应到I点和Q点
   解决办法：使用SCL语言的变址寻址语句PEEK和POKE来实现。
3. 仿真时输出I点不能修改
   解决办法：博图限制仿真时I点只能由外部改变或强制修改，换成DB块中的变量或M即可修改。
4. 仿真变量变化缓慢
   解决办法：在WINCC变量中将变量更新时间由1s修改为0.1s，仿真响应变快。

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