基于PLC的小区车辆进出管理系统设计Word格式.docx
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二〇一二年月日
摘要
随着我国经济的快速增长以及汽车价格的下降，私家车的拥有量逐步攀升，这无疑会给小区的交通进出管理带来更多的工作量，往往造成高峰期出入口堵塞现象。
在此时用传统的道闸和近距离识别产品往往会增加堵塞现象，而给居民的生活添加不和谐的音符。
随着科学和信息技术的发展，许多智能化、信息化的设备进入到小区的管理当中，提高了小区车辆进出的效率。
基于PLC的小区车辆进出系统通过IC卡进行车辆的检测实现不停车自动出入。
IC卡采用先进的RFID射频技术，当车辆进入系统工作区时，通过系统识别程序进行比较自动放行。
同时通过PLC小区控制中心和住宅电话都可以控制车辆的进入，为访客车辆的通过提高了效率减少了等待时间。
充分发挥了小区智能化管理，使小区车辆出入管理的更加高效。
关键词：
可编程控制器，车辆管理系统，自动控制
TheDesignofVehicleAccessSystemBasedonPLCAbstract
Withtherapiddevelopmentoftheeconomicandthedeclineincarprices,theownershipofprivatecarsincreaseddramatically,and,thereisnodoubtthatthiswillbringmoreworktoresidentialtraffic.Thiswilloftencauseroadjams.Atthistimewithatraditionalsolution,suchasBarrierandintothedistancetoidentifytheproductwillnodoubtincreasethecloggingandtosocietycausedbythenotesofdiscord.Withthedevelopmentofcomputerandinformationtechnology,manyintelligentdevicescomeintothemanagementofdistrict,ismoreefficiencythanbefore.andmanyresidentialparkingmanagementsystemhassomelimitations.
ThevehicledetectionsystembasedonPLCcellvehiclesenteringandleavingthroughtheICcardwithoutstoppingtheautomaticaccess.ICcardusesadvancedRFIDradiofrequencytechnology,whenvehiclesfromenteringtheworkareaofthesystem,comparingthecarsandreleasethembyidentificationprocedures.ItcancontrolthevehiclethroughPLCdistrictcontrolcenterandresidentialtelephoneaccess,improveefficiencyandreducethewaitingtimeforvisitors'
vehicles.Givefullplaytotheintelligentmanagement,sothatresidentialvehicleaccessmanagementwouldbemoreefficient.
Keywords:
PLC,vehiclemanagementsystems,automaticcontrol
第一章绪论
1.1设计背景
近年来，随着经济的快速增长居民生活水平的提高，许多地方尤其是大型城市私家车拥有数量急剧增加。
并且不断呈现逐年上升的趋势，不仅增加了小区车辆进出管理的工作量，也带来个一些交通问题。
与此同时许多小区的管理系统确实存在着一定的局限性，因此小区车辆进出管理越来越收到大众的关注[1]。
随着计算机网络和信息技术的发展与应用，智能小区车辆进出管理系统逐渐进入到各个小区的车辆进出管理之中。
许多智能化、自动化的设备进入到小区车辆进出管理系统之中，解决了一定的交通问题的同时也提高了小区出入口进出效率。
可编程控制器以其实时性、高可靠性和简单灵活的系统配置的特点不断应用到小区进出系统的控制系统之中。
从一定程度上解决了车辆出入的拥堵现象，提高了小区的交通流畅性，提高了居民生活质量[2]。
1.2设计原理
小区车辆进出系统是基于PLC的进出系统控制。
PLC通过接受各个设备的输入信号从而控制自动道闸的升降达到进出系统的自动控制。
输入设备主要包含车辆检测识别系统、地感线圈、发卡系统和自动防砸系统。
各个输入系统通过自己的运行向PLC发出开关信号，PLC依据接收的车辆信号来进行各部分的处理。
输出部分主要是控制自动道闸的电动机，PLC通过对输入信号的响应控制自动道闸的直流电动机的启动、停止、反转以及调速来驱动道闸的升起和降落，达到对出入口车辆的放行和禁止。
在车辆进出系统的输入系统中，采用了当前较为先进的RFID技术，通过远距离的读取识别电子标签实现小区业主的自动放行。
这种非接触式的IC卡，在应用RFID技术的同时，融合了图像对比管理、字符叠加等先进技术，此种智能化系统主要由自动道闸、车辆识别器、远距离读卡系统、系统控制主机、车辆图像拍摄系统、控制软件等部分组成，使小区车辆进出控制系统不断走向高度智能化和自动化管理。
第二章系统总体方案设计
2.1系统主要研究内容
（1）本文旨在研究设计一套简单、实用、稳定的小区车辆进出系统，希望在易操作性，稳定性方面具有一定的特色，同时具有一定的扩展性，方便以后的改进和完善。
选用实时性强、稳定性好、抗干扰能力强的PLC来完成此系统的功能，可以满足小区车辆进出管理系统的功能需求。
（2）针对上下班高峰期车辆拥堵现象，并结合小区的实际情况，应用非接触式IC卡实现不停车自动进出小区。
同时采用了居民住宅电话控制，避免了访客车辆长时间停留造成出入口拥堵的问题。
从而提高了小区车辆进出系统的人性化程度。
（3）本文是基于PLC的小区车辆进出系统设计，通过车辆检测和识别提高了小区的出入口效率。
应用PLC作为主控系统，通过对输入信号的响应控制自动道闸的直流电动机的启动、停止、反转以及调速来驱动道闸的升起和降落，达到对出入口车辆的放行和禁止。
可以保证系统高效、方便、稳定的运行。
2.2小区车辆进出系统的总体方案设计
图2.1系统方案设计流程图
2.2.1车辆进出系统的方案规划
对小区车辆进出系统进行前期规划，详细了解本系统可能需要的输入输出设备。
主要包括设计主要设备部件的动作顺序、动作原理、必要的保护和连锁，对系统要求哪些工作方式进行选择，电机、电气开关以及各系统之间的关系，PLC与其他系统之间的关系。
通过参阅相关的文献材料如设计图、原理图和继电器电路图等对现有设备进行改造，并基本完成前期的方案准备工作[3]。
2.2.2车辆进出系统设计
车辆进出系统设计主要是对人机接口和通信方面的设计。
可以用计算机作为人机接口，普通的台式机价格比较便宜，对工作环境要求较高，通常放在小区控制中心使用。
通信方式的选择需要考虑网络允许的最大节点数和网络中单位时间可能的最大信息流量，并留有一定余地。
详细了解系统中应用的被控对象的基本功能，输入信号与PLC控制系统的兼容性，并掌握PLC驱动输出信号的基本运行方式。
2.2.3PLC及其硬件选型
在确定此系统的PLC型号时，通过对主要硬件功能、指令系统功能、物理结构的选择以及需要的I/O点数来对PLC进行选型。
PLC最大开关量I/O点数必须满足系统的要求，与此同时必须确定哪些信号需要输入给PLC，与其他硬件连接时需不需要信号转换，哪些负载由PLC驱动，是开关量还是模拟量，直流还是交流，并考虑是否有特殊要求本系统由于在小区车辆出入口由控制中心和居民住宅电话控制需要考虑使用远程I/O。
系统应用的是三菱FX2N-32MR型可编程控制器。
FX2N-32R是FX系列中功能比较强大的微型PLC。
可以适用于多个基本组件之间的连接、定位控制等多种用途，是一套可以满足于多样化广泛需求的PLC。
最大限度的包含了标准特点，执行速度更加迅速，对通信功能做出来比较好的补充，同时可以满足不同电源的应用。
它的基本执行时间可以达到0.08微秒，并可以扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块，具有很高的性能体积比和通信功能。
当小区管理系统需要与其他控制系统以及计算机连接时，PLC可通过配置RS-232标准串行接口得以实现。
小区车辆进出系统的PLC控制系统如图2.2所示：
图2.2系统控制图
2.2.4硬件调试和软件调试
系统全部设计完成之后需要对该系统进行总体硬件调试和软件调试。
硬件调试主要是对与PLC连接的硬件进行调试，并且对输入和输出信号进行总体调试。
观察对应输入输出开关信号是否正确。
软件调试通过三菱公司配套的SW3D5C-GPPW-C仿真软件[4]。
在仿真时按照系统的功能需求，将某些输入元件强制为ON或OFF，监视系统是否正常运行。
在调试过程中暴露出来系统的中硬件问题，以及梯形图中存在的一些软件问题，发现问题及时解决，参阅材料找到较好的解决方案，直到完全符合系统控制要求。
第三章小区车辆进出管理系统硬件设计
3.1管理系统
管理系统部分主要包括：
进出口管理系统、车辆识别系统、IC卡发卡系统、自动防砸系统等[5]。
各部分的设计如下所述。
3.1.1出入口管理系统
小区进出管理中心将IC卡分为长期用户卡和临时用户卡。
小区居民可以通过向小区管理中心申请得到长期用户卡，访客进入小区时会从发卡机获得临时卡，当离开小区时小区管理中心回收临时卡保留出入记录。
出入口通过读卡器判断IC卡是否有效，开启自动道闸。
长期用户运行方式如图3.1所示：
图3.1长期用户运行方式
访客进入小区需要联系业主，在小区的出入口自动道闸前安装有讲装置，实现访客与业主的对讲。
业主可以通过住宅电话控制自动道闸的开启。
这样，任何外来车辆必须经过小区业主的允许方可进入，有效防止外来车辆进入造成的管理混乱，有利于小区的安全管理。
访客进入小区运行方式如图3.2所示:
图3.2访客进入运行方式
3.1.2车辆识别系统
车辆识别工作主要由车辆识别器与读卡器完成，主要由触发单元、抓拍单元、处理单元组成。
但车辆检测器给出车辆到车辆信号时，处理单元就会启动一系列处理程序，主要包括对图像的抓拍、车牌的识别等程序。
图像抓拍后上传到计算机内存并进行简单计算对图像进行大范围搜索并寻找与汽车拍照相关的线索，多次寻找到若干区域，利用软件进行进一步比较，并选取最佳的拍照区域，分割出来储存数据，这样就可以完成车牌的识别过程。
当车辆离开小区时，小区进出管理系统根据管理中心发放的IC卡放行，即车辆在离开时向读卡器出示IC卡。
读卡器读出的IC卡的车辆信息与车辆识别器识别出的车辆信息进行比对，如果信息相符并且时间有效，便可开启电动门放行。
当车辆进入系统工作区，系统启动识别程序，远程天线寻找有效的小区机动车辆出入证，天线通过微波通信的方式进行车辆牌号数据交换和识别。
当IC卡关联的车牌号与牌号识别系统识别出的车牌号一致时，自动道闸开启，系统放行车辆，同时将车辆进、出场照片，时间等参数录入系统。
当IC卡关联的车牌号与牌号识别系统识别出的车牌号不一致时，系统报警并将存底的车辆资料、车主资料调出，与出场照片对比，供值班人员进行人工识别处理，如果是访客车辆或者特殊情况联系小区内业主发放访客的临时用户卡，离开时收回并做好详细的记录防止造成车辆被盗。
读卡器的主要性能指标如表3.1所示：
表3.1读卡器的主要性能指标
主要指标
性能参数
读卡准确率
>
99.98%
读卡时间
1-2S
整车牌识别率
98.8%
识别时间
2-3S
系统识别率
99.5%
系统识别时间
3-5S
3.1.3发卡系统
为了使用便利方便管理，采用非接触式IC卡作为居民车辆的长期用户卡[6]。
非接触IC卡又名射频卡，射频识别即RFID（RadioFrequencyIdentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种当前比较先进通信技术，可通过无线微波讯号识别特定目标并读写相关数据，并不需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便[7]。
管理中心可以通过线圈射频感应来读取车辆信息，小区业主不需要将长期用户卡伸出车外，就可以经过管理系统的车辆识别和信息对比，开启小区的自动道闸。
访客使用的临时用户卡为暂时使用，在进入小区时从自动发卡器中拿取。
为了小区内车辆的安全防盗与便于管理，访客采用接触式IC卡，管理系统通过机械触点读写车辆信息。
当访客车辆进入小区时，管理系统将拍摄到的车辆信息存储到访客暂时停车卡中，在访客车辆离开小区时将暂时停车卡放在读卡器中便可通过管理中心的车辆识别系统，开启自动道闸放行。
3.1.4自动防砸系统
PLC控制系统利用其地感线圈的检测控制自动道闸的降落，可以有效地防止小区自动道闸关闭时碰坏车辆，起到车辆防砸的作用。
管理系统根据设置在电动门两侧的地感线圈和设置在电动门处的红外线探测器传输的电信号来判断电动门是否可以关闭。
两个地感线圈之间的距离为一个车位长度，可以保证车辆之间的间距，在地感线圈的外侧需要安装减速带来控制车辆进出小区的速度，也有利于系统更加稳定准确的运行。
当车辆进入地感线圈的工作范围和自动道闸的红外线探测器中任何一个感应到车辆，则小区自动道闸不能降落。
当车辆通过后并到达安全范围时自动道闸降下，完成本次动作。
3.2管理系统的主要设备
3.2.1车辆图像识别器
车辆图像识别器主要用于对小区进出的车辆进行识别，将获得的车辆的图像信息传输到读卡器中，并完成读卡器内车辆信息的对比。
读卡器信息对比的结果将作为PLC控制系统的输入信号，驱动自动道闸的动作顺序。
提高车牌识别系统响应时间和识别精度的关键是:
第一，采用高分辨率及具有较强的抗干扰能力的图像采集设备，使采集的图像更加清晰、平滑、较少锯齿，如高清晰的摄像头和高性能的图像捕捉卡；
第二，图像的定位正确，分割处理完整，选择的识别算法简单快速，识别正确率比较高。
3.2.2出入口自动发卡器、回收器与读卡器
小区居民可以通过住宅电话控制自动道闸的开启，当访客车辆通过入口对讲装置联系到小区业主，业主通过电话信号远程开启入口自动道闸，同时会开启出入口自动发卡器。
自动发卡器此时将车辆图像识别器传送过来的车辆信息存储在访客的暂时停车卡上。
访客进入小区后，从自动发卡器中拿取出临时用户卡，在离开时访客车辆需要向出口读卡器出示有效临时用户卡，经确认信息有效方可离开，离开时停车卡会被系统自动回收。
为了访客使用方便，访客使用的临时用户卡发放器、回收器与读卡器功能应设置在同一设备中。
这样可以方便小区管理系统的管理，提高车辆进出效率。
3.2.3自动道闸
自动道闸又名挡车器，主要由减速箱、传送机构、电机、机箱、平衡装置、闸杆和支架等部分组成。
自动道闸安装在小区出入口，与控制机有3米左右距离。
挡车闸杆主要是采用铝合金制的八角方杆，杆体内有加强筋质量可靠。
自动道闸由停车场管理系统、小区居民住宅电话和控制中心联合控制。
通过PLC控制系统驱动电机正转、反转、停止实现对自动道闸的控制[8]。
自动道闸的电气原理图如图3.3：
图3.3自动道闸电气原理图
3.2.4地感线圈
地感线圈是埋设在小区出入口路面下在电动门前后的矩形线圈，是一个震荡电路，并且与车辆探测器相连接。
地感线圈的作用相当于LC振荡回路中的电感L。
当有大的金属物体如汽车靠近时，由于空间介质发生了变化使其其电感量发生变化，从而引起振荡频率的改变。
车辆探测器根据震荡频率的改变来判断埋设地感线圈的位置上方是否有车辆驶过[9]。
当车辆停在小区出入口处时，会挡在红外线探测器的红外线上，从而使探测器探测出车辆的存在，使系统进入工作状态。
3.4PLC外部接线图设计分析
在该设计中使用的是三菱FX2N-32MR型可编程控制器，拥有16个输入点和16个输出点。
PLC的I/O分配表如表3.1所示：
表3.1PLC的I/O分配表
序号
输入信号
注释
输出信号
1
X0
开门限位开关
Y0
自动道闸开启
2
X1
关门限位开关
Y1
自动道闸关闭
3
X2
发卡器无卡信号
Y2
开启识别器信号
4
X3
业主信息有效
Y3
开启发卡器信号
5
X4
信息对比相符
Y4
报警信号
6
X5
住宅电话控制
7
X6
开启回收读卡器
8
X7
地感线圈信号1
9
X8
地感线圈信号2
10
X9
红外探测器信号
硬件接线图如图3.4所示：
图3.4PLC硬件接线图
第四章软件设计
4.1PLC编程设计分析
4.1.1长期用户卡运行方式的软件设计
业主进入小区开启自动道闸的的运行方式梯形图如图4.1所示。
从图中可以看出自动道闸的开启信号Y0由读卡器居民的长期用户卡读出的有效信息X3决定的。
同时限位开关可以控制电动门的开启时间和防止道闸的损坏。
图4.1业主进入小区运行方式
4.1.2临时卡运行方式的软件设计
访客进入小区的PLC控制方式如图4.2所示。
可以看出自动道闸Y0的开启由居民住宅电话有效信息X5决定的，同时限位开关X0用于控制电动门的开启时间和防止损坏。
而自动发卡器是否空置X2的信息决定道闸的开启。
同时发卡器可以发出的数量由小区的车辆的容量决定的。
当发卡器空置说明小区内车辆容量已满，不能进入防止小区内车辆太多造成混乱，对居民的正常生活造成影响。
图4.2访客进入小区运行方式
当车辆离开小区的运行方式如图4.3所示。
图中X4表示图像识别系统通过与读卡器中的信息对比之后如果信息相符信号为1从而Y0得电驱动电动门打开自动放行。
图4.3离开时运行方式
4.1.3报警信号的PLC编程
小区电动门的报警信号编程梯形图如图4.4所示。
X7为地感线圈的信号，当车辆已经处在地感线圈区域，车辆没有入口的停车卡有效信息，没有出口的信息相符信息，或者没有住宅电话的控制信号都会使Y4得电。
Y4驱动报警设备蜂鸣器发出警报，供出入口值班人员及时处理[10]。
图4.4报警信号的梯形图
4.2系统的整体梯形图
小区车辆进出系统梯形图如图4.5所示。
图4.5系统梯形图
系统的PLC指令表如图4.6所示：
图4.6系统PLC指令表
结论
本设计主要是针对小区的车辆进出系统进行的设计，提高了上下班高峰期的车辆进出效率，同时解决了访客车辆的管理混乱状态，提高了居民的生活质量。
本设计的优点是运用PLC简单、稳定、高效的控制小区出入口，实现不停车自动出入。
对小区进出管理进行了一些可行性的探讨，应用PLC作为主控制系统同时辅有非接触式IC卡、读卡器等设备使系统更加可靠、智能。
研究发现系统还有一些功能不够完善。
本设计虽然采用无接触式IC卡达到不停车自动进出，但在车辆进出的高峰期车辆之间可能存在一定的干扰。
当业主车辆与访客车辆同时到达出入口时也可能造成干扰，影响车辆出入的效率。
车辆识别系统长时间工作准确率可能受到一定影响，系统的准确率以及稳定性可能产生问题。
本设计是基于PLC的智能控制系统，操作简单、系统稳定可靠，是对小区出入管理智能化的一次简单探究，主要应用于中小型生活小区的进出管理。
系统功能还有待扩展，更加符合小区的功能需求。
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1921-1935
谢辞
此次设计承蒙贾荣丛老师的悉心指导得以完成。
贾老师为论文课题的研究提出了许多关键的指导性的意见，从论文题目的选定、总体方案和框架的设定、再到正文详细内容的审定和殷切的指正，瑾致以由衷的感谢和敬意。
贾荣丛老师严谨细致、一丝不苟的工作作风，孜孜不倦的教导，都给我留下了深刻的印象，使我受益颇多在本文结束之际，特向我的指导老
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