课程设计基于plc的地铁自动售票机控制系统设计大学论文.docx

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课程设计基于plc的地铁自动售票机控制系统设计大学论文

基于PLC的地铁自动售票机控制系统设计

摘要：

随着社会经济的迅速发展，地铁列车也开始广泛出现于人们视野中。

地铁列车具有形式速度快，价格低廉的优势，因此在各大城市中得到了较快的发展。

PLC系统自推出以来，便在人们的生活与工作中得到了较好的发展，已受到人们广泛的关注。

文章从PLC的角度出发，对地铁售票系统进行相应的科学设计，已此为地铁建设提供重要的帮助，促进地铁产业的发展。

关键词：

售票系统，优势，PLC

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofthesocietyandeconomy,thesubwaytrainhasbeguntoappearinpeople'svision.Subwaytrainhastheadvantageoffastspeedandlowprice,soithasbeendevelopedrapidlyinmajorcities.SincetheintroductionofPLCsystem,ithasbeenwelldevelopedinpeople'slifeandwork.FromthepointofviewofPLC,thispapermakesascientificdesignofthesubwayticketingsystem,whichhasprovidedimportanthelpfortheconstructionofthesubway,andpromotedthedevelopmentofthesubwayindustry.

Keywords:

Ticketingsystem，advantage，PLC

1前言

地下铁道，简称地铁，亦简称为地下铁，狭义上专指在地下运行为主的城市铁路系统或捷运系统；但广义上，由于许多此类的系统为了配合修筑的环境，可能也会有地面化的路段存在，因此通常涵盖了都会地区各种地下与地面上的高密度交通运输系统。

绝大多数的城市轨道交通系统都是用来运载市内通勤的乘客，而在很多场合下城市轨道交通系统都会被当成城市交通的骨干。

通常，城市轨道交通系统是许多都市用以解决交通堵塞问题的方法。

随着中国城市的迅速发展，地铁承担着越来越重要的任务----缓解城市交通压力。

可编程序控制器（PLC）是以微机技术为核心的通用工业控制装置，具有功能强大，环境适应性好、编程简单、使用方便等优点，因此，近年来在工业自动控制、改造传统产业等方面得到广泛的应用。

易控组态软件是一种通用的工业监控软件，它集过程控制、现场操作以及工厂资源管理于一体，实现最优化管理。

本设计就是一种采用了PLC实现的地铁售票机控制系统以及使用易控组态实现监控系统的设计。

2.地铁售票机系统方案设计

2.1地铁售票机的设计要求

地铁自助售票机系统功能分要求：

在本控制系统中,自助售票机根据乘客选择的起点站和终点站的不同，只售4种不同价格的车票：

3元、4元、5元、6元。

自助售票机设有两种投币口，纸币投币口可识别“1元”、“5元”“10元”的纸币；硬币投币口只能识别“1元”的硬币。

退币设有一个出币口，当金额多于所需金额时可以退出“1元”、“5元”“10元”三种币。

其控制原理是：

首先由乘客从面板上点击“购票”，线路被激活，此时乘客可以从线路上选择起点站和终点站，车票张数默认为“一张”，如乘客需要，可以通过手动按钮来增加车票张数，当面板上显示“请投币”时，乘客根据“应付金额”的提示进行投币。

若在30秒内为收到“应付金额”的钱币数，则系统自动回到初始界面。

当投入钱币后，面板上显示出“确认”和“放弃”两个选项，当点击“确认”时，则输出车票；若此时点击“放弃”，则停止购票，直接退币。

当乘客点击了“确认”，面板上显示“请取票”，乘客根据提示取出车票，若此时还有余额，则面板上显示出“继续购票”和“退币”两个选项，若点击“继续购票”，这再次进入购票。

以两条地铁线，每条线9个站点为设计对象。

2.2地铁售票机的方案比较及论证

2.2.1继电器及可编程控制器的方案比较论证

本次设计的题目为地铁售票机的控制方案设计，结合前期对皮带运输机的了解，以及通过专业课所学的知识考量，首先使用继电器作为地铁售票机的控制器。

虽然地铁售票机控制简单，但是如果用继电器的话，会造成控制柜接线复杂，并且接线柜体积庞大，不利于在现场的安装，也不利于后期的修改维护。

因此本次设计选用PLC作为控制器，目前国内常见的PLC有许多种，比如三菱，西门子，欧姆龙等，因为学校设计更多的PLC是三菱，因此本次选择三菱PLC作为控制器，型号为FX-2N-32MR,本次设计所选用的PLC为以后的升级改造留下了充足的I/O点余量。

2.2.2单片机及可编程控制器的方案比较论证

（1）单片机控制方案

单片机本来抗干扰能力较低，从现在所要求的I/O总数来看，不论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。

　　单片机的售价并不贵，以目前市场价，较有名气的ATMEL也不过十几元钱一片而已，但简单从这表面上看这个问题是不妥的，以本人几年来单片机开发经验可知，要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要开模制版等，这都是一笔不小的费用。

加上开发周期长所投入的人力物力，其价钱已远远地超过应用PLC开发的费用。

另外由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性较强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不值得。

　　单片机的开发周期较长，从电路设计、开模制版、编程、仿真、调试等经历非常长的周期，工程师往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，对最为重要的工艺过程往往没有更多的时间考虑。

　　利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场上往往不能找到可替代的备件，所以不便于维护，这是用户最不愿看到的。

对于此种方案，本课程设计中方不合适

（2）PLC控制方案

　　PLC诞生就是应用于工业现场控制，PLC的可靠性得到了工控业界的认可。

据最近行业统计显示，目前采用PLC控制的设备份额达90％。

就此设备的控制来说，采用PLC来进行的设备开发和控制费用都要远远低于采用单片机或IPC的费用，其系统可大可小，小的几点，大的数千点，甚至上万点，很好解决工业控制问题，适用于很多场合。

　　采用PLC进行设备控制，工程师无须花太多的精力在硬件的处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路，大部分精力集中在工艺的了解处理和程序的编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑、修改和调试也都可随时进行，缩短了开发时间。

　　随着微电子控制技术的发展，PLC的处理能力也越来越强，其通讯能力、运算处理能力、容量（I/O容量和程序容量）等都有长足的发展。

（3）方案选择

如果使用单片机作为控制器，虽然同样可以实现地铁售票机的各项功能，但是单片机属于C语言编程，不利于前期开发，并且后期维护很难找到专业人员，往往坏了一个小小的电子元器件就需要更换整块电路板。

并且单片机的稳定性远不如在工业上早已使用成熟的PLC。

综上所述，本次设计采用PLC作为控制器。

2.2系统方案设计

本设计是一个基于PLC的地铁售票控制系统，系统主要核心是利用了PLC来进行地铁售票的整个流程控制，我们可以利用手动或者自动来进行控制。

通过PLC的输出信号来驱动不同的执行机构，在地铁售票系统的工作过程中，应注重以下功能的实现：

第一，对目标站点的准确解释；第二，对售卖票数的选择；第三，买票；第四；找零。

但是，在地铁售票系统的正常运作过程中，其系统的稳定性应该如何确保？

票价的确定与调整又该如何进行？

这些问题都应在系统的编程过程中进行确定。

在地铁售票系统中，，为避免出现混乱状况，应在整体程序中用输入继电器进行表示。

如此一来，便需要输入端口16个，输出端口4个，还要预留备用端口为以后扩容所用。

本次选择的硬件是三菱FX-2N-32MR，能够对设计的需求进行满足。

。

本设计在整个系统的运行过程中采用了上位机来进行监控，借助了计算机的组态软件易控来实现。

3.地铁售票机的系统分析

3.1地铁售票机的功能分析

地铁售票机采用PLC控制，用上位机组态软件实现监控显示，在功能上，以两条地铁线，每条线9个站点为设计对象。

使用者可以选择出发站点以及目的站点，也可以选择购买车票的数量。

可售4种不同价格的车票：

3元、4元、5元、6元。

自助售票机设有两种投币口，纸币投币口可识别“1元”、“5元”“10元”的纸币；硬币投币口只能识别“1元”的硬币。

退币设有一个出币口，当金额多于所需金额时可以退出“1元”、“5元”“10元”三种币。

其控制原理是：

首先由乘客从面板上点击“购票”，线路被激活，此时乘客可以从线路上选择起点站和终点站，车票张数默认为“一张”，如乘客需要，可以通过手动按钮来增加车票张数，当面板上显示“请投币”时，乘客根据“应付金额”的提示进行投币。

若在30秒内为收到“应付金额”的钱币数，则系统自动回到初始界面。

当投入钱币后，面板上显示出“确认”和“放弃”两个选项，当点击“确认”时，则输出车票；若此时点击“放弃”，则停止购票，直接退币。

当乘客点击了“确认”，面板上显示“请取票”，乘客根据提示取出车票，若此时还有余额，则面板上显示出“继续购票”和“退币”两个选项，若点击“继续购票”，这再次进入购票。

3.2地铁售票机的工艺流程图

地铁售票机工艺流程图如图3-1所示：

图3.1地铁售票机的工艺流程图

3.3地铁售票机输入控制信息分析

本次设计采用上位机组态软件进行系统的操作监控，在输入上极大地减少了PLC输入点的使用量，改为使用组态王直接对PLC程序中的中间继电器进行赋值。

手动调试可以对售票机的功能进行出票手动调试，找零1元手动调试，找零2元手动调试，找零3元手动调试，方便设备的维护或者初期调试。

在PLC方面，输入点主要有系统启动，系统停止，1元纸币识别，5元纸币识别，10元纸币识别，1元硬币识别，已找零检测，屏幕操作感应传感器，手动模式，自动模式，出票手动调试，找零1元手动调试，找零2元手动调试，找零3元手动调试，分别占用X0到X15这14个输入点。

3.4地铁售票机输出控制信息分析

在输出点部分，地铁售票机因为采用了上位机显示监控，因此输入点占用比较少，具体输出点包括出票口出票，退钱1元，退钱5元，退钱10元。

3.5PLC输入输出表的设计

PLC输入输出表的设置如图3-2所示

图3-2：

输入输出表

序号

I/O地址

I/O地址名称

1

X0

系统启动

2

X1

系统停止

3

X2

1元纸币识别

4

X3

5元纸币识别

5

X4

10元纸币识别

6

X5

1元硬币识别

7

X6

已找零检测

8

X7

屏幕操作感应传感器

9

X10

手动模式

10

X11

自动模式

11

X12

出票手动调试

12

X13

找零1元手动调试

13

X14

找零2元手动调试

14

X15

找零3元手动调试

15

Y0

出票口出票

16

Y1

退钱1元

17

Y2

退钱5元

18

Y3

退钱10元

3.6PLC的选型

本次设计是基于PLC的地铁售票机控制系统设计，设计共占用15个PLC的输入点，5个PLC的输出点。

并且输入与输出全部采用开关量继电器控制。

出于成本考虑，首选国产品牌的PLC，比如台达，信捷，永宏，汇川。

但是国产品牌的PLC运行不稳定，时间久了容易出故障，虽然价格要比进口的要便宜许多，但后期的维护成本却更高，而且地铁售票机在地铁站，属于基建工程，对使用要求比普通工业产品更高，地铁售票机设备长期频繁使用，时间长了之后很容易出现故障。

除此之外，在地铁售票机使用年限到期后，安装在地铁售票机控制柜内的PLC可以拆下来回收利用，国产品牌的PLC市场价值更低。

综上所述，本次设计不采用便宜的国产品牌的PLC，选择国际上的知名品牌。

我们常用的知名品牌PLC有三菱，西门子，欧姆龙，施耐德，ABPLC等。

每种PLC都有各自所擅长的控制领域。

三菱适合做开关量以及定位控制，特别是开关量控制，对于三菱FX系列PLC，其控制稳定，编程简单，后期维护修理简单，并且价格低廉。

西门子PLC在编程上都是模块化运行，程序看起来一目了然，方便简洁，特别适合做模拟量过程控制，在温度，压力，流量等工业控制领域占据半壁江山，与DCS平分秋色。

结合前期对地铁售票机的详细调查与整体分析，本次选用三菱FX系列PLC作为机械手的控制器，共需要15个输入点，5个输出点，考虑后期的升级改造，选型时需留有一定的备用点余量，设计使用共32个输入输出点的PLC。

该PLC的型号为FX-2N-32MR，继电器输出型，共有16个输入点以及16个输出点，在保证余量的同时，完全满足本次设计的需求。

4控制系统硬件设计

4.1系统总图设计

在这次设计中的地铁售票控制系统中，主接线采用的是220V电源供电，PLC模块的输出信号端采用24V供电，在主接线配电装置中采用了断路器、熔断器以及紧急按钮。

考虑到乘客购票时，投入不同的金额，通过PLC控制相对应的控制回路得电。

如图4-1所示（主接线回路、电源回路、PLC控制回路）

图4-1系统总体设计电路图

4.2电器元件的选型

4.2.1交流接触器的选型

接触器是一种适用于远距离频繁接通和分断交直流主电路和大容量控制电路的自动切换电器。

在PLC控制系统中，接触器在此作为输出执行元件，用于控制电动机、加热器、加湿器等负载。

因为该主触点电流性质为交流，所以选用交流接触器，主要控制电压为380V以下、电流为600A以下的交流电路的通断，频繁地起动和控制交流电动机。

因交流负载频繁动作时则选用直流线圈的交流接触器。

4.2.2熔断器的确定与选择

熔断器用于供电线路和电气设备的短路保护的保护电器。

使用时串接在被保护的电路中，当电路发生短路故障，通过熔断器的电流达到或超过某一规定值时，以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动分断电路，起到保护作用。

4.2.3按钮的确定与选择

本次设计中按钮按功能分有：

急停按钮、手动按钮、自动切换按钮、开始按钮。

按钮分为复合按钮开关和动合按钮开关，复合按钮开关，未按下时，常闭触点是闭合的，常开触点是断开的，按下按钮时，常闭触点首先断开，常开触点后闭合又称自锁型按钮；动合按钮开关未按下时，触头是断开的，按下时出头出头闭合接通；按钮开关在复位弹簧的作用下复位断开。

4.3电气元器的选择

主要电气元件选型如表4-2所示，

表4-2：

电气元件选型

序号

电气元器件名称

型号

品牌

数量

1

PLC

FX-2N-32MR

三菱

1

2

交流接触器

CJ20-10

正泰

4

3

空气开关

C65N-AC10A3P

施耐德

1

4

按钮开关

NP2

正泰

2

6

熔断器

RT14-20

正泰

2

7

24V开关电源

PBA150F-24

苏剑

1

4.4控制柜的安装布置设计

本次课程设计选择的是三菱PLC的FX-2N-32MR，有PLC模块，开关电源，接触器、端子排、线槽等装置。

根据以上的内容进行控制面板的设计。

控制面板的设计图如图4-3所示：

图4-3：

控制面板的设计图

5控制系统软件设计

5.1控制流程图设计

此次课程设计的程序采用的判断编程法来控制，通过对题目的分析可以列出相应的逻辑顺序来控制，然后根据该逻辑控制顺序来编写相应的程序。

首先通过一段程序控制在开始时进入地铁售票机售票的过程，避免误操作而造成的干扰。

在设备启动初始化后，当有乘客进行购票时，系统在确定选择的站点以及投入的金额多少后，进行不同程序。

一段程序是判断投入的金额多少，另一段是所到站点所需投入金额，进行判断，投入金额足够购票成功，金额不足，退出投入的钱。

5.2中间元件表

主要元件表如图5-1所示：

表5-1：

中间元件表

序号

软元件地址

软元件地址名称

1

M0

系统启动中继

2

M1

1号线1站选择

3

M2

1号线2站选择

4

M3

1号线3站选择

5

M4

1号线4站选择

6

M5

1号线5站选择

7

M6

1号线6站选择

8

M7

1号线7站选择

9

M8

1号线8站选择

10

M9

1号线9站选择

11

M10

2号线1站选择

12

M11

2号线2站选择

13

M12

2号线3站选择

14

M13

2号线4站选择

15

M14

2号线5站选择

16

M15

2号线6站选择

17

M16

2号线7站选择

18

M17

2号线8站选择

19

M18

2号线9站选择

20

M19

购票选择

21

M20

手动模式中继

22

M21

自动模式中继

5.3编程平台的介绍

我们所用到的编程平台是GXdeveloper。

他是可以用于FX系列PLC汉化软件，可以使用梯形图和指令表。

该软件是三菱PLC的专用编程平台，能够在线将程序写入PLC和调试程序，也可以用该软件对编写的梯形图进行仿真调试。

可以观察到每一个程序中的变量值如X,Y,M,T等寄存器。

5.4控制程序设计

首先阐述的是地铁售票机的过程，这是本次设计的重点。

在启动按钮X0开启后，中间接触M0置1，M0信号使机子保持运行，投入1元纸币，系统自动模式下识别，投币金额寄存器加1给D0，再投入5元，同上进行加入5元给D0。

自动模式下程序设计，如图5-2所示：

图5-2自动模式下程序设计

在手动模式下时，中间接触M0置1，选择在1号线1站购票，将数据传送到站点地址寄存器中，同理2~9站购票也是将站点地址传送到寄存器中。

如图5-3所示：

图5.3购票程序设计图

当MO置1同时处于自动模式下中继M21闭合，延时继电器进行延时操作，延时3S；若选择手动模式是X10闭合中间继电器M20的电，保持该状态；同理选择自动模式是中间继电器M21得电使此状态保持。

如图5.4所示：

图5.4购票程序设计图

5.4程序的仿真调试

当按下启动按钮后，PLC执行地铁售票机的启动程序，中间继电器M0得电并自锁。

当处于自动模式下，投入5元纸币时，投币金额寄存器存入数值5，表示投入金额为五元。

如图5.5所示。

图5.5购票投入纸币设计程序

点击按钮X10此时系统为手动模式，M20得电并自锁，手动模式下，操作者可对设备进行手动调试。

如图5.6所示。

图5.6模式设计程序图

6.监控系统软件设计

6.1组态软件介绍

6.1.1易控简介

易控（INSPEC）是一种面向工业自动化的通用数据采集和监控软件，即SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）软件，亦称人机界面或HMI/MMI（HumanMachineInterface/ManMachineInterface）软件，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。

简单地说，易控（INSPEC）软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。

它能从自动化过程和装备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种手段传送到相关人员，对信息执行必要分析处理和存储，发出控制指令等等。

易控（INSPEC）软件提供了丰富的用于工业自动化监控的功能，用户根据自己工程的需要进行选择、配置等较为简单的工作来建立自己所需要的监控系统。

易控（INSPEC）既可以完成对小型的自动化设备的集中监控，也能由互相联网的多台计算机或易控完成复杂的大型分布式监控。

还可以和工厂的管理信息系统有机整合起来，实现工厂的综合自动化和信息化。

易控以功能强大、性能稳定、图形精美等优点为自动化系统提供了理想的监控解决方案。

易控以通信的方式和控制系统相连，能读写控制系统内部的信息，并以图形和动画等直观形象的方式呈现这些信息，以方便控制流程的监视。

也可以通过易控直接对控制系统发出指令、设置参数干预控制流程，易控能对控制系统的数据进行运算处理，将结果返回给控制系统，协助控制系统完成复杂的功能。

一空还能对从控制系统得到的以及自己产生的数据进行存储、报表等其他功能，从而延伸控制系统的能力和弥补控制系统的不足。

比如易控可以作为中间桥梁，将控制系统和工厂的企业管理信息系统连接起来，将多个控制系统连接起来，使它们之间能交换数据、共享资源，协调和管理控制系统。

从而在更大范围内优化了控制结构，提高综合自动化效率。

易控可以应用于机械制造、化工、电力、冶金等任何自动化控制的领域，它本身没有行业的限制，只要它和控制系统之间进行数据交换即可。

易控内置了对常见PLC、DCS、PC板卡、智能仪表等设备的通信支持。

易控主要由开发环境和运行环境组成，两部分互相独立，又紧密相关。

开发：

在开发环境中建立并正确配置一个工程，并对配置的结果进行一定前期处理的过程，被称为“开发”。

开发环境可以开发不同的工程，并对多个工程进行管理。

运行：

使一个开发完成的工程的各项功能，按照开发者所配置的要求工作起来，取得预期效果，并将工程配置的各个部分有机的结合到一起的过冲鞥称为“运行”一个工程。

编译：

对于已经开发完成的工程在运行之前所进行的预处理过程，以检查开发过程中可能出现的错误，并提高工程的运行效率。

画面：

画面是用户使用易控绘制的一幅图形，用以描述用户的监控对象。

画面的基本构成元素称为“图形”，或“图形对象”。

属性、动画、事件：

属性使一个选定对象的固有特性；动画是画面上图形对象的一些诸如位置、颜色、大小、角度等特性可以随着系统的一些状态变化而变化的特性；事件是画面上图形对象的一些可以选择配置的特别属性，表明了当前图形对象上发生的一些诸如鼠标点击、拖动等操作后。

系统中将发生哪些变化的属性。

变量：

变量即可以变化的数值。

在易控中，变量是系统的核心驱动力量，比如变量的变化引起画面上图形对象的动画，图形队形的操作事件引起变量的改变等等。

易控还包括：

IO通道、用户程序、报警等相关应用以实现不同的功能。

易控的核心研发团队具有丰富的组态软件开发、使用和大型自动化系统工程的经验。

他们在上世纪九十年代初就开发过国内最早的组态软件，多年跟踪组态软件的发展，从事过国内外的大型自动化系统工程，真正了解最终用户的需求。

其界面如图6.1所示：

图6.1易控界面

6.1.2易控功能介绍

易控组态软件作为通用的监控软件，易控提供了对工业自动化系统进行监视、控制、管理和集成等一系列的功能。

同时也为用户实现这些功能的组态过程提供了丰富和易于使用的手段和工具。

利用易控，可以完成的常见功能有：

（1）易控可以读写各种各样的PLC、DCS、仪表、智能模块和板卡，采集工业现的各种信号，从而对工业现场进行监视和控制。

（2）易控可以对从控制系统得到的以及自己产生的数据进行记录存储。

在工程发生事故和故障的时候，利用记录的运行工况数据和历史数据，可以对系统故障原因等进行分析定位，责任追查等。

通过对数据的质量统计分析，还可以提高自动化系统的运行效率，提升产品质量。

（3）易控可以通过因特网发布监控系统的数据，实现远程监控。

（4）一切以用户为中心、友好、简单、容易、高效的设计原则（COFSEE设计）使易控上手容易、二次开发过程轻松愉快而且富于效率。

界面简洁统一：

风格简洁，所见即所得，配置统一，学