基于PLC控制的8位自动停车系统设计.docx

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基于PLC控制的8位自动停车系统设计

目录

摘要

Abstract

第1章停车场车位控制流程分析1

1.1停车场建筑情况及其管理模式分析2

1.2车位控制流程图2

1.3停车场监控系统主要功能模块3

1.4平面停车场控制需求描述4

第2章控制系统硬件设计4

2.1现场控制器选型4

2.1.1PLC简介4

2.1.3PLC的选型7

2.2停车场出入口控制模块硬件设计7

2.2.1读卡器工作原理及选型9

2.2.2出入口控制系统相关设备选型10

2.3车位监控系统硬件集成设计10

第3章停车场控制系统软件设计12

3.1用户出入场控制程序设计12

第4章数据采集系统与计算机的通信18

4..1网络通信技术18

4.2数据通讯相关接口20

4.3读卡器与管理PC机通信20

4.4PLC与管理PC机通信21

第5章结束语22

参考文献

基于PLC控制的8位自动停车系统

摘要

本文提出一种运用可编程控制器（PLC）对停车场进出及停放指示进行管理的方案。

本停车场由八位停车位、入口检测器、出口检测器、道闸管理系统、七段数码管用来显示车库内车辆数、尚有车位指示灯、车位已满指示灯等部分组成。

采用PLC的自动控制系统，由于PLC具有可靠性、易操作性、灵活性等优点，因此，本控制系统与传统停车场相比，大大提高了设计效率，维护周期短、调试方便、成本较低、易操作、可靠性高，有很强的实用价值。

【关键词】：

PLC；停车系统；控制设计

8bitautomaticparkingsystembasedonPLCcontrol 

Abstract：

Thispaperproposesakindofusingtheprogrammablecontroller（PLC）andparkingforparkingandmanagestheinstructions.Thisparking

occupiesby8parkingspace,entrancedetector,exportdetector,themanagementsystem,thedigitalworkstodisplaytheseventhinthegarageparkinglightsandanumberofvehicles,theparkingisfullalreadyindicatorcomponents.AdoptingPLCautomaticcontrolsystem,PLCisduetothereliability,easyoperation,flexibility,therefore,theadvantagesofthecontrolsystemandthetraditionalparking,comparedtoimprovethedesignefficiencygreatly,maintenancecycleisshort,convenient,lowcost,easyoperation,highreliability,hasgreatpracticalvalue.

第1章停车场车位控制流程分析

1.1停车场建筑情况及其管理模式分析

停车场根据建筑形式及停车场位置的不同分为园区地面停车场、建筑物地下平面停车场、专用停车楼及路边临时占道停车场。

根据建筑物类型及建筑物功能的不同又可分为：

1.1.1市区公共建筑群大型停车场，该类型停车场规模庞大，停车位多，停车用户流动性大，用户通常皆为临时停车用户。

1.1.2综合建筑楼专用停车场，如各类大型商场及商务楼群地下专用停车场。

该类型停车场停车位数量适中，停车用户常分为办公楼固定停车用户人群及购物顾客或访客临时停车用户人群。

此类停车场通常白天工作时段车位紧张而夜晚非工作时段则车位大量空置。

因此在管理模式上可实行分片分区管理，划定专用的固定用户停车区域及临时用户停车区域，在夜晚非工作时段将临时用户停车区域车位提供给周边社区无配套停车位小区住宅用户计时停车，提高设施利用率以提高社会配套设施的社会效益，缓解停车位置紧张的市场供需矛盾。

1.1.3办公区域专用园区地面停车场。

该类型停车场用户也常分为固定用户及临时访客用户，由于园区露天管理模式使得对停车管理到固定车位的可能性很小，通常只能实现门禁管理出入权限。

此类型停车场为防止盗车现象的发生则可采用摄像监控，在出入口严格比对车辆摄像信息。

对多出入口园区停车场管理还需做好联网管理，数据共享，一卡通行。

1.1.4住宅小区专用停车场，该类型停车场规模通常依据小区总户数设计，停车类型绝大多数应为固定用户停车，在管理模式上可不采用计时收费而采用停车位相对固定，用户卡预先充值付费方式。

为防止乱停车位及盗车现象，可加强车位动态监控结合门禁管理以达到有效监控。

1.1.5专用停车楼的建筑在设计上为停车场专用，可采用专用托举设备结合现场控制器、传感器、计算机等智能设备实现停车、取车、车位监视等过程的全自动控制，并能做到空间的最高效利用。

该类型停车场需在建筑设计的初期即根据专用设备规划建筑的功能及形式，并且初期设备投入昂贵。

综上所述可知无论哪一类停车场地，其用户皆可归类为临时停车用户和固定停车用户两类。

对临时停车用户，由于用户流动性大，为防止盗车现象发生，通常采用摄像监控、比对出库车辆信息、计时收费的管理监控模式。

对固定停车用户则通常采用停车用户卡预先充值收费，门禁系统结合车位监控系统对停车车辆及车位动态监控的管理、监控模式。

鉴于此，本文在对典型停车场进行分析的基础上提出停车场管理及监控系统的功能规划及实施方案，并对其控制系统做详细设计。

1.2车位控制流程图

如下停车场有8个车位

图1-1车位局部示意图

1.在入口处装设一传感器,用来检测车辆进入的数目

2.在出口处装设一传感器,用来检测车辆出去的数目

3.尚有车位时,入口可以进入

4.用数码管显示车的数目

1.3停车场监控系统主要功能模块

要实现上述监控流程，停车场监控及管理系统的基本组成为出入口控制系统；车路、车位监控系统及管理系统。

系统框图如图2-3所示。

本文重点介绍管理监控系统中现场设备的功能设计、相关控制软件的设计。

对管理中心软件的设计则不作介绍。

1.3.1停车场入口控制系统

入口控制系统主要由入口票箱（内置出卡机、感应式读卡器）、自动道闸、车辆检测线圈、控制器等设备组成。

用户入场时在票箱处按键，票箱内发卡器发送一张IC卡至入口票箱出卡口，同时完成读卡过程。

读卡器与PC机通信，记录读卡事件相关数据如：

卡号、读卡时间等。

同时发信息通知控制器启动入口摄像机，拍摄入库车辆图像并依据相应卡号存入管理数据库。

控制器开启道闸放行车辆，车辆通过车辆检测传感器后，控制器关闭道闸并记录入库车辆数目，车位满时，红灯亮显示“满位”。

1.3.2停车场出口控制系统

出口控制系统部分主要由出口读卡器、自动道闸、车辆检测线圈、照相机及控制器组成。

用户车辆出场时，在出口读卡器处读卡，同时启动照相机拍照，PC机依据读取的卡号调用出入口两幅相同卡号的图像人工比对。

管理软件依据入场及出场时间及计费标准计费，司机缴费；在收费及图像比对无误后，管理人员按键开启道闸放行。

车辆检测传感器检测到车辆离场后道闸关闭，停车位计数器加一，管理系统将该车缴费信息记录到数据库。

1.3.3车位状态监控系统

在用户停车场管理中若按照通常系统构成仅利用出入口门禁系统进行出入权限管理，对车辆进入时的乱停放现象进行监控。

在本文系统设计中，利用车位传感器构成车位状态监控系统。

1.3.4停车场管理系统

停车场收费管理处内设备由管理PC机、系统管理软件、系统数据库、IC卡读写器、报表打印机、对讲系统、收费显示器组成。

管理PC机通过系统管理软件与IC卡读写器系统、出入口控制器通信，负责读写IC卡信息；存储并管理用户卡及车位信息；统计分析计费及管理情况；查询、打印报表；系统维护等功能。

1.4平面停车场控制需求描述

停车场的管理及控制包含管理及控制两部分运行系统。

管理包括对用户及其使用停车位情况等信息的管理；停车场运营基本情况信息的管理及设备基本信息的管理。

这些管理功能的实现由安装在管理PC机内的管理中心软件完成，包含如下功能：

在线监控所有各站点帐目状况：

如各时期收支情况、付款额度及次数、币卡数量、种类等、出入口当前状况、操作员姓名等；用户卡的管理数据库；帐目打印与数据库报表；系统配置及建立停车系统及费率设置等其他部件管理等；控制则主要是对现场设备的状态依据管理及控制流程进行监视与控制，该部分功能的实现由现场设备及现场控制器及相关监控软件完成。

主要包含如下功能：

1、自动采集车辆出入车库与车位的状态；

2、根据车辆出入库状态自动开、关道闸并自动开启；

3、对车位则自动计数并能启动满位红灯亮；

第2章控制系统硬件设计

上一章介绍了停车场控制系统的管理模式及管理、监控系统功能需求及监控流程。

停车场控制系统硬件是系统实现监控管理功能及流程的基本物质条件，本章主要对停车场控制系统各功能主要模块进行集成设计，对各功能模块进行工作原理设计及硬件选型。

2.1现场控制器选型

在停车场监控系统中，对现场设备的控制及现场各类信号的采集需由现场控制器完成，本文选用可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController）作为现场控制器。

上一章介绍了停车场控制系统的管理模式及管理、监控系统功能需求及监控流程。

停车场控制系统硬件是系统实现监控管理功能及流程的基本物质条件，本章主要对停车场控制系统各功能主要模块进行集成设计，对各功能模块进行工作原理设计及硬件选型。

2.1.1PLC简介

可编程控制器简称PC。

个人计算机也称PC，为了避免混淆，人脉将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC。

国际电工委员会在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

69年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功。

1969年，美国研制出世界第一台PDP-14。

1971年，日本研制出第一台DCS-8。

1973年，德国研制出第一台PLC。

1974年，中国研制出第一台PLC。

PLC的发展史：

第一代：

1969年~1972年，代表产品有

·美国DEC公司的PDP-14/L

·日本立石电机公司的SCY-022

·日本北辰电机公司的HOSC-20

第二代：

1973年~1975年，代表产品有

·美国GE公司的LOGISTROT

·德国SIEMENS公司的SIMATICS3、S4系列

·日本富士电机公司的SC系列

第三代：

1976~1983年，代表产品有

·美国GOULD公司的M84、484、584、684、884

·德国SIEMENS公司的SIMATICS5系列

·日本三菱公司的MELPLAC-50、550

第四代：

1983年~现在，代表产品有

·美国GOULD公司的A5900

·德国西门子公司的S7系列PLC的特点是体积小、重量轻、能耗低、可靠性高、抗干扰能力强、适用性强、易学易用、系统设计周期顿、维护方便、改造容易等，深受工程技术人员欢迎。

2.1.2PLC控制系统和其它控制系统的比较

PLC自诞生以来其技术发生了质的飞跃，应用领域也越来越广泛，成为今自动化技术的三大支柱之一。

同时它与其它工业控制器相比各有特点。

继电器控制系统采用硬接线逻辑，通过机械式触点及继电器来实现动作，但系统确定下来后要修改则非常困难，且控制精度低，易出现冒险竞争，且时间常数太大，故易出现误动作，可靠性、维护性都不高。

而PLC采用软件来替代电器触点，利用其内部存储器以数据的形式将控制逻辑存储起来，其动作由程序实现，便于系统更新、修改。

时限控制由数字计时器实现计时，其计时精度高。

系统指令执行速度极快，约为几十微秒甚至更低，再加上其内部严格的同步，所以不会出现误动作。

PLC还具有许多继电器所不具有的功能如：

步进控制、AD/DA转换、通讯等功能等。

因此，无论在系统更新的方便性、系统的可靠性、维护性及系统控制精度方面还是在功能性方面，PLC控制系统都远优于继电器控制系统。

PLC与单片机相比较而言，PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电路，可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是计算机应用系统的一个特例。

不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。

这正是PLC获得广泛应用的基础。

而单片机应用系统功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难，存在编程复杂、不易掌握的问题，还需要处理大量I/O接口的问题，且其输出带负载能力也较弱，要驱动工业负载需要复杂的外围电路。

优点在于它具有较强的数据处理能力，硬件成本较PLC低，然而工业过程要处理的是大量的开关量，因而运用在工业控制中它的长处得不到发挥，其可靠性也远不如PLC。

从工程的角度，对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。

同时与电气控制系统相比，PLC控制系统还有这更多的特点儿。

具体如下：

（1）从控制方法上看，电器控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连线多且复杂、体积大、功耗大，系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。

另外，继电器的触点数量有限，所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。

而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。

系统连线少、体积小、功耗小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC。

（2）从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。

而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方

（3）从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。

而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。

（4）从定时和计数控制上看，电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。

而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。

（5）从可靠性和可维护性上看，由于电器控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。

而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

综上所述，继电器控制系统无论在可靠性方面还是在系统构成灵活性，或是长期成本方面都已呈现被PLC控制系统取代的趋势；单片机系统则学习、使用、修改、维护难于PLC控制系统，可靠性低于PLC控制系统。

本文中选用计算机控制系统构成停车场数据管理信息系统以完成对停车场相关运作信息的管理并与读卡器及现场控制器PLC交换数据信息。

同时采用PLC作为现场控制器完成对停车场现场设备的信号采集及控制。

2.1.3PLC的选型

可编程控制器具有多种分类方式，根据控制规模PLC可分为小型机、中型机和大型机。

小型机的I/O点数一般在256点以下，价格低、体积小、功能少，适用于小规模开关量的条件、顺序控制等。

部分小型机也具有算数运算、模拟量处理及数据通信等功能。

中型机I/O点数在256～1024点之间，其功能强，配置灵19活，适用于具有诸如温度、压力、流量、速度、角度、位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂机械及连续生产控制工程场合。

I/O点数在1024点以上的为大型机，其功能更加强大，组网能力强，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统，或者整个工厂的集散控制系统。

本文停车场控制系统中如图3-3所示用户区域的控制管理采用出入口门禁系统结合入口照相机采集的图像比对防止盗车现象发生，未对车位状态进行逐一监控，因此用户区域控制系统所需I/O点位数少，控制流程相对简单，信息处理量小，根据上述情况选用西门子S7-200系列PLC的S7-226作为现场控制器。

在本文系统中系统采集的信号皆为逻辑量开关信号，没有对模拟量信号的处理。

输入点位数随停车场车位数的增加而增加。

同时由于车位与卡号一一对应，要实现对对应卡号车位的过程监控，卡号信息作为关键信息会随时在监控过程中通过系统传送、通信，因此系统内信息通信频繁，要求PLC具有较强的通信能力，具有较强的点位扩展能力，但对PLC的模拟量处理能力不作要求。

同时因车辆出入皆需处理卡号信息，并且该信息在过程中需多次双向传递，为避免信息传递相互干扰，故对系统的出入场控制采用不同的PLC作为控制器，综合考虑上述系统需求，选用4个S7-200系列的S7-226型PLC，分别作为固定用户出、入流程现场控制器、临时用户区域设备现场控制器。

其主要技术指标如下表3-1。

表2-1PLC的参数

本机输入（I）

24DI

本机输出（O）

16DO

定时中断

2个

外部硬件输入中断

4个

输入滤波时间

0.2～12.8ms

程序存储器

1024字

扩展I/O模板数量

7个

最大数字量（I/O）

128DI/DO

最大模拟量

28AI/7AO或14AO

内部继电器（M）

256

定时器总数（T）

256

计数器总数（C）

256

布尔指令执行速度

0.37us/step

本机通信口数量

2个

本机通信接口类型

RS485

自由口通信波特率

0.3/38.4kbps

从上述S7-226的技术指标可知，其各项功能指标皆可满足本文系统运行所需。

而且S7-200（CPU22X）PLC支持AS-I现场总线系统，通过一个AS-I主站通信处理器CP243-2最多可以连接31个AS-I从站，每个CP243-2的AS-I网络最多可以支持124点数字量输入（DI）和124点数字量输出（DO），一个S7-200可以接两个CP243-2，通过AS-I网络可以增加248点数字量输入/输出点数，加上CPU的本机输入/输出点数应该可以支持中小规模停车场车位监控对PLC输入/输出点位的需求。

对大规模及超大规模停车场车位的监控则需要选择更大规模的PLC作为现场控制器才能满足点位数的需求。

在本文系统设计中为简化前期设计工作，避免大量重复工作将监控车位数设为30个。

2.2停车场出入口控制模块硬件设计

在现代化停车场管理中，涉及到各方面的管理，其中车辆的管理是一个重要的方面。

尤其是对特殊停车场、大院而言，要求对各种车辆实时地进行严格的管理，对其出入的时间进行严格的监视，并对各类车辆进行登记（包括内部车辆和外部车辆）和识别，如为内部车辆则正常放行，如外部车辆则需要进行记录、检查后做出放行或阻挡的处理，并将各种信息输入到数据库。

对大规模的营区中，各种出入的车辆较多，如每辆车都要进行人工判断，既费时，又不利于管理和查询，保卫工作比较困难，效率低下。

为了改善这种与现代化停车场、大院不相称的管理模式，需要尽快实现停车场保安工作的自动化、智能化，并以计算机网络的形式进行管理。

停车场出入口控制模块是停车场用户出入权限管理与监控的关键功能模块，由读卡器、票箱、道闸、车辆检测器、车位数显示牌等部件构成。

在本文系统中读卡器直接与管理PC机通信，系统采集用户卡信息，现场控制器PLC则根据PC机传送的用户卡信息及现场采集的车辆经、停信息根据控制流程需求，控制票箱、道闸、车辆检测器、拍照系统等系统部件的动作。

停车场空位显示PLC控制系统设计采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。

车辆进出停车场是由PLC为中心控制系统工作的。

PLC是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。

因此在运用中，硬件也相对简单，提高了控制系统的可靠性。

另外它的编程语言也相对简单。

2.2.1读卡器工作原理及选型

停车场出入口控制实质是卡片识别方式的门禁控制系统。

卡片方式的门禁系统通过读卡或读卡加密码方式来管理进出权限。

该系统的出入凭证为各类卡片，包括磁卡、接触式IC卡、非接触式IC卡等，识别仪为相应的读卡器。

读卡器系统常分为磁卡、接触式IC卡、非接触式IC卡即射频卡系统。

磁卡与读卡器间有磨损，寿命较短，而且磁卡易被复制，卡内信息容易因外界磁场而丢失，使卡片无效，因此安全性一般。

接触式IC卡是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式，其外型与覆盖磁条的磁卡相似。

卡片内没有电源，但有存储器，可记录卡片号码，发行商信息，也可记录持卡人信息。

卡片表面从C1到C8共8个触点，使用者在进门前需要用读卡器读取持有的卡片，读卡器通过触点C1和C5给卡片提供电源，并从触点C7串行读取卡片内信息送入门禁控制系统，门禁控制系统根据法则执行比较判断，根据结果控制锁具的开启和闭合。

由于IC卡不会被磁化、不易复制，因此这种门禁系统的安全性高于磁卡门禁系统。

非接触式IC卡又称为射频卡，与接触式IC卡相似，卡内没有电源，有存储器，但非接触IC卡表面没有触点而是在卡片内增加一个电感线圈。

使用者在进门前将卡片靠近读卡器，电感线圈在读卡器内发射装置的激励下产生微弱电流，保证卡内芯片工作，并以电磁方式将信息返回给读卡器。

射频卡既具有IC卡的普遍优点，又具有自身的独特优点如：

无源、免接触、免操作、使用寿命长；数据交换不受除金属外的介质影响，使用方便；防水、防尘、防静电干扰、适应各种恶劣的环境；感应距离远，普遍射频卡可达5～15cm，远距射频卡可达5～10m；安全可靠，误读或不读卡的机率几乎为零，成百上千亿的密码，无法破译。

这种门禁系统的卡片与读写设备之间无接触，开门安全方便、使用寿命长，卡片难以复制、安全性高，可联微机实现双向控制。

是门禁系统的发展方向之一。

对于停车场采用门禁系统进行出入控制，至少需要实现以下基本功能：

（1）对通道口进出权限的管理，根据用户缴费及订购车位使用权限的情况设定用户卡进出通道的权限，门禁控制系统根据法则执行比较判断，根据结果控制道闸的开启和闭合。

（2）出入事件的记录、查询功能是系统进行管理的基础。

本文停车场控制系统亦采用无源非接触式IC卡构成门禁控制系统，经过比较，根据系统需求选用SENSE-182X型读写