基于PLC的電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張曉培，毛旭寶，崔傳真

基于PLC的電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張曉培1，毛旭寶2，崔傳真1

（1.欽州學(xué)院，廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西欽州535011；2.中糧油脂（欽州）有限公司，廣西欽州535008）

針對(duì)電動(dòng)自行車智能充電的問題，采用西門子PLC、單片機(jī)和SUKON觸摸屏設(shè)計(jì)了電動(dòng)自行車投幣充電系統(tǒng)。在進(jìn)行需求分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，硬件由采樣電路、PLC接口電路等組成，軟件包括采樣、PLC編程和通訊等。通過軟硬件調(diào)試結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)的可行性，從而有效地實(shí)現(xiàn)了電車充電的智能化。

PLC；觸摸屏；單片機(jī)；智能控制；自動(dòng)化

近年來，電動(dòng)自行車作為新型城市交通工具的一個(gè)重要組成部分，它在人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾栽絹碓矫黠@[1]。電動(dòng)自行車具有便捷、綠色環(huán)保、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多人的青睞[2]。然而作為電動(dòng)自行車基本的能源服務(wù)設(shè)施充電站，目前普遍處于純粹人員管理的狀況。PLC是一種新型的控制器，它具有使用方便、功能強(qiáng)、通用性好等特點(diǎn)，它可以有效地提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，人機(jī)界面（HMI）在儀器設(shè)備和現(xiàn)場操作中使用的越來越多，而PLC控制器強(qiáng)大的功能也亟待需求有一種與之匹配而操作方便的人機(jī)界面[4]。觸摸屏的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問題。它不僅可以顯示數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)，而且可以通過動(dòng)態(tài)曲線來直觀地反映系統(tǒng)的控制過程；同時(shí)它擴(kuò)展了PLC的功能，有效地減少了按鈕、儀表等硬件的使用，因此提高了經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。為了提高電動(dòng)自行車充電運(yùn)行和管理的智能化程度，在分析了自助充電系統(tǒng)性能要求的前提下，本文設(shè)計(jì)了基于PLC和觸摸屏的自助充電方案。該系統(tǒng)充分利用了PLC的穩(wěn)定可靠、觸摸屏靈活界面以及兩者具有良好兼容性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無人自助式充電，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、安全的通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)充電站的智能化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集與控制和數(shù)據(jù)通信兩大模塊。這兩大功能模塊主要通過投幣器、單片機(jī)、PLC和觸摸屏、繼電器等硬件電路完成。在整個(gè)設(shè)計(jì)中單片機(jī)與投幣收費(fèi)模塊相互通信，完成自助充電站的投幣收費(fèi)功能，單片機(jī)檢測投幣器的投幣信號(hào)，投幣成功后給PLC一個(gè)反饋信號(hào)，PLC收到單片機(jī)發(fā)出的收幣信號(hào)后累計(jì)投幣款數(shù)和確定充電時(shí)間，同時(shí)它與觸摸屏相互通信，控制充放電管理電路中開關(guān)管的開通與關(guān)斷，觸摸屏起到了人機(jī)交互的界面，通過觸摸屏可以選擇通電的端口和修改相應(yīng)的參數(shù)。

圖1 電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)模塊圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 投幣信號(hào)采樣電路

由于投幣信號(hào)是時(shí)間很短的脈沖信號(hào)，而PLC的數(shù)字I/O端口無法快速有效地捕獲到產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，所以設(shè)計(jì)一個(gè)有效的采樣電路是系統(tǒng)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。本文通過STC89C52單片機(jī)的P3.0端口來捕獲投幣裝置產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。

2.2 繼電器電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)投幣器投幣成功后，單片機(jī)將信號(hào)捕獲成功后產(chǎn)生中斷，從而控制繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的響應(yīng)。當(dāng)繼電器響應(yīng)時(shí)，指示燈LED0亮。繼電器的控制電路圖如圖2所示。

圖2 繼電器的控制電路

2.3 PLC的選擇

本文在考慮充電系統(tǒng)需求和性價(jià)比的基礎(chǔ)上，選用了西門子公司的S7-200系列PLC.根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的多少，PLC主機(jī)選用CPU224XP.它具有14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。

2.4 PLC輸入輸出接線圖

PLC主機(jī)及擴(kuò)展模塊輸入輸出點(diǎn)分配及外部接線圖如圖3所示。

圖3 PLC輸入輸出點(diǎn)分配及外部接線圖

數(shù)字量輸入端I0.0-I1.1是1-10號(hào)端充電按鈕，Q0.0-Q1.0是對(duì)應(yīng)的1-10號(hào)端充電端口。投幣信號(hào)確定后，通過單片機(jī)產(chǎn)生中斷來控制繼電器的切換電路，從而可以通過PLC的數(shù)字量輸入端I1.2識(shí)別出有效的信號(hào)，而達(dá)到信息的處理控制。系統(tǒng)根據(jù)所接收的投幣信號(hào)的次數(shù)來決定充電時(shí)間的長短，每接收到一個(gè)投幣信號(hào)，則延長一定的充電時(shí)間。用戶可以通過觸摸屏或充電按鈕選擇對(duì)應(yīng)的充電端口，從而完成自助充電的過程。

2.5 觸摸屏的選擇

系統(tǒng)采用上海鴻昶電子科技有限公司的SUKON系列工業(yè)級(jí)觸摸屏，型號(hào)為：HC-SuK07L.該觸摸屏擁有7.0英寸TFT真彩液晶顯示屏，分辨率為800 ×480.配有多功能串口，支持232/422/485通訊，串口都支持各種PLC協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，可以方便的連接各種PLC和智能儀表。

2.6 PLC與觸摸屏的通信

S7-200系列的PLC與上位機(jī)通信時(shí)，采用的是異步通信的方式，本設(shè)計(jì)中通過一根兩端9針D型連接器線進(jìn)行通信端口連接。設(shè)置好通信參數(shù)后即可實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏的通信。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序流程圖的設(shè)計(jì)

在整個(gè)電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單片機(jī)與投幣收費(fèi)模塊相互通信，完成自助充電系統(tǒng)的投幣收費(fèi)功能。單片機(jī)通過控制繼電器的開、關(guān)狀態(tài)把是否有投幣的信息反饋給PLC.單片機(jī)程序流程圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)控制程序的流程圖

3.2 PLC控制程序流程的設(shè)計(jì)

PLC在充電系統(tǒng)中起到了控制的作用。當(dāng)PLC檢測到投幣成功時(shí)，它確定投幣款數(shù)和充電時(shí)間，同時(shí)它與觸摸屏相互通信。電車自助充電PLC控制的流程圖如圖5所示。

圖5 PLC控制程序的流程圖

3.3 觸摸屏畫面的設(shè)計(jì)

根據(jù)充電系統(tǒng)的控制要求，采用Sukon觸摸屏編輯軟件設(shè)置了以下幾個(gè)組態(tài)畫面：主頁面、狀態(tài)顯示界面、操作界面和管理員界面。用戶可以通過觸摸屏界面查看指示狀態(tài)和充電時(shí)間等，并可以在操作界面選擇充電端口。而管理員不僅可以通過觸摸屏查看充電次數(shù)和總的營業(yè)額，而且可以進(jìn)行清零和復(fù)位等操作。

4 系統(tǒng)調(diào)試

當(dāng)PLC、觸摸屏和投幣器等模塊的軟硬件準(zhǔn)備好后，接通電源上電。經(jīng)過操作測試，系統(tǒng)完全可以正常，安全，穩(wěn)定運(yùn)行，符合設(shè)計(jì)的要求和指標(biāo)。系統(tǒng)調(diào)試觸摸屏運(yùn)行界面如圖6所示。圖（a）為觸摸“工程案例”后跳出的系統(tǒng)首頁，按照提示觸摸圖（a）中的“下一步”跳出如圖（b）的充電端口實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示窗口。圖（c）為投幣成功或者管理員登陸成功后的操作界面，在此界面用戶可以選擇相應(yīng)的充電端口，選擇端口后界面會(huì)自動(dòng)跳回首頁，防止一幣多充的現(xiàn)象。圖（d）為管理員登陸成功后的界面，該界面是管理員所有的操作權(quán)限。例如管理員可以查看充電的次數(shù)、充電的收入、當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)、可以清零、復(fù)位系統(tǒng)等。

圖6 觸摸屏運(yùn)行界面

5 結(jié)束語

本文采用PLC、觸摸屏和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)測試，該設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)的PLC或繼電器的充電系統(tǒng)，更加穩(wěn)定，安全，容易改造移植，為提高電動(dòng)自行車充電智能化提供了一個(gè)有效的解決方案。

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[6]薛迎成.PLC與觸摸屏控制技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.

Design of Electric Bicycle Charging System Based on PLC

ZHANG Xiao-pei1，MAO Xu-bao2，CUI Chuan-zhen1
（1.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory Breeding Base of Coastal Mechanical Equipment Design，Manufacturing and Control，Collegeof Mechanical and Marine Engineering，Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535011，China；2.Cofco Oils（Qinzhou）Co.，Ltd.，Qinzhou Guangxi 535008，China）

Aiming at the problem of intelligent charging of electric bicycle，this paper designs a electric bicycle charging system based on siemens PLC，single chip microcomputer and touch screen.The design of the hardware and software are introduced on the basis of requirement analysis.The hardware consists of the single chip microcomputer，PLC，and touch screen.The software includes sampling，PLC programming，communication，and data processing，etc.The system design are proved to be valid and feasible by means of experiments，which can efficiently implement the intelligent of the electric bicycle charging system.

PLC；Touch screen；SCM；intelligent control；automation

TP302.1

A

1672-545X（2017）07-0105-04

2017-04-01

欽州學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（2014XJKY-23B）；廣西教育廳一般項(xiàng)目（KY2016YB478，KY2016LX421）；廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地主任課題基金資助項(xiàng)目（GXLH2014YB-03）

張曉培（1984－），女，河南許昌人，碩士，講師，研究方向?yàn)橹悄軝z測與控制。