智能停車場PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

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摘 要 本文提出一種運用可編程控制器（PLC）對停車場進出及停放指示進行管理的方案。本停車場由16位停車位、入口檢測器、出口檢測器、道閘管理系統(tǒng)、七段數(shù)碼管用來顯示車庫內(nèi)車輛數(shù)、尚有車位指示燈、車位已滿指示燈等部分組成。采用PLC的自動控制系統(tǒng)，由于PLC具有可靠性、易操作性、靈活性等優(yōu)點，因此，本控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)停車場相比，大大提高了設(shè)計效率，維護周期短、調(diào)試方便、成本較低、易操作、可靠性高，有很強的實用價值。 關(guān)鍵詞：PLC；停車場管理；車位控制 目 錄 第1章 平面停車場控制系統(tǒng)需求分析…………………………………………… 1 1.1車場建設(shè)情況及其管理模式分析…………………………………………………………… 1 1.2平面停車場管理分析及其控制模式………………………………………………………… 1 1.3平面停車場控制需求描述…………………………………………………………………… 2 1.4停車場監(jiān)控系統(tǒng)主要功能模塊……………………………………………………………… 3 1.5停車場管理監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備……………………………………………………………… 4 第2章 可編程控制器（PLC）簡介及發(fā)展趨勢…………………………………… 5 2.1PLC的起源……………………………………………………………………………………… 5 2.2PLC的特點……………………………………………………………………………………… 5 2.3PLC的發(fā)展的發(fā)展方向………………………………………………………………………… 6 2.4PLC的選型及簡介……………………………………………………………………………… 7 2.5PLC的總結(jié)……………………………………………………………………………………… 8 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計……………………………………………………………… 10 3.1七段數(shù)碼管的設(shè)計…………………………………………………………………………… 10 3.2車位傳感器…………………………………………………………………………………… 11 3.3道閘管理系統(tǒng)………………………………………………………………………………… 14 3.4車位指示版…………………………………………………………………………………… 15 第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計…………………………………………………………… 16 4.1PLC外部輸入輸出點（I/O）………………………………………………………………… 16 4.2車輛進庫……………………………………………………………………………………‥ 16 4.3車輛出庫……………………………………………………………………………………… 17 4.4車輛進出庫梯形圖…………………………………………………………………………… 18 4.5軟件程序……………………………………………………………………………………… 19 第5章 課題總結(jié)及展望…………………………………………………………… 21 5.1課題總結(jié)……………………………………………………………………………………… 21 5.2 展望…………………………………………………………………………………………… 21 感謝致辭……………………………………………………………………………… 22 參考文獻……………………………………………………………………………… 23 第1章 平面停車場控制系統(tǒng)需求分析 1.1 停車場建筑情況及其管理模式分析 停車場根據(jù)建筑形式及停車場位置的不同分為園區(qū)地面停車場、建筑物地下平面停車場、專用停車樓及路邊臨時占道停車場。根據(jù)建筑物類型及建筑物功能的不同又可分為： 1、市區(qū)公共建筑群大型停車場，該類型停車場規(guī)模龐大，停車位多，停車用戶流動性大，用戶通常皆為臨時停車用戶。 2、綜合建筑樓專用停車場，如各類大型商場及商務(wù)樓群地下專用停車場。該類型停車場停車位數(shù)量適中，停車用戶常分為辦公樓固定停車用戶人群及購物顧客或訪客臨時停車用戶人群。此類停車場通常白天工作時段車位緊張而夜晚非工作時段則車位大量空置。因此在管理模式上可實行分片分區(qū)管理，劃定專用的固定用戶停車區(qū)域及臨時用戶停車區(qū)域，在夜晚非工作時段將臨時用戶停車區(qū)域車位提供給周邊社區(qū)無配套停車位小區(qū)住宅用戶計時停車，提高設(shè)施利用率以提高社會配套設(shè)施的社會效益，緩解停車位置緊張的市場供需矛盾。 3、辦公區(qū)域?qū)Ｓ脠@區(qū)地面停車場。該類型停車場用戶也常分為固定用戶及臨時訪客用戶，由于園區(qū)露天管理模式使得對停車管理到固定車位的可能性很小，通常只能實現(xiàn)門禁管理出入權(quán)限。此類型停車場為防止盜車現(xiàn)象的發(fā)生則可采用攝像監(jiān)控，在出入口嚴格比對車輛攝像信息。對多出入口園區(qū)停車場管理還需做好聯(lián)網(wǎng)管理，數(shù)據(jù)共享，一卡通行。 4、住宅小區(qū)專用停車場，該類型停車場規(guī)模通常依據(jù)小區(qū)總戶數(shù)設(shè)計，停車類型絕大多數(shù)應為固定用戶停車，在管理模式上可不采用計時收費而采用停車位相對固定，用戶卡預先充值付費方式。為防止亂停車位及盜車現(xiàn)象，可加強車位動態(tài)監(jiān)控結(jié)合門禁管理以達到有效監(jiān)控。 5、專用停車樓的建筑在設(shè)計上為停車場專用，可采用專用托舉設(shè)備結(jié)合現(xiàn)場控制器、傳感器、計算機等智能設(shè)備實現(xiàn)停車、取車、車位監(jiān)視等過程的全自動控制，并能做到空間的最高效利用。該類型停車場需在建筑設(shè)計的初期即根據(jù)專用設(shè)備規(guī)劃建筑的功能及形式，并且初期設(shè)備投入昂貴。 綜上所述可知無論哪一類停車場地，其用戶皆可歸類為臨時停車用戶和固定停車用戶兩類。對臨時停車用戶，由于用戶流動性大，為防止盜車現(xiàn)象發(fā)生，通常采用攝像監(jiān)控、比對出庫車輛信息、計時收費的管理監(jiān)控模式。對固定停車用戶則通常采用停車用戶卡預先充值收費，門禁系統(tǒng)結(jié)合車位監(jiān)控系統(tǒng)對停車車輛及車位動態(tài)監(jiān)控的管理、監(jiān)控模式。 鑒于此，本文在對典型停車場進行分析的基礎(chǔ)上提出停車場管理及監(jiān)控系統(tǒng)的功能規(guī)劃及實施方案，并對其控制系統(tǒng)做詳細設(shè)計。 1.2 平面停車場管理及其控制需求分析 對停車場進行管理及控制需求分析是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，本節(jié)在分析停車場基本情況的基礎(chǔ)上分析該類型停車場的控制及管理需求。 1、停車場基本情況分析 在對典型停車場基本情況進行研究過程中由建筑設(shè)計單位提供圖形資料的一種典型的平面停車場在建筑形式上具有較好的代表性，本文以此停車場為例進行的停車場監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計亦具有較好的廣泛性與代表性。圖1是該住宅小區(qū)的地下停車場的總平面圖。 圖1 停車場的總平面圖 2、入庫車輛地點變更邏輯分析 停車場內(nèi)不同停車區(qū)域可提供不同的服務(wù)，但進入停車場的車輛皆會進行如圖2所示的地點變更。 圖2 入庫車輛地點變更邏輯圖 停車場車輛管理操作應該從車輛進入停車場開始，到車輛出停車場結(jié)束，并針對不同類型停車用戶的出入停車事件的發(fā)生做相關(guān)事件的記錄。車輛從入場到出場有固定的運動邏輯，從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)一般是不可逆的，這樣一來如果已知一個狀態(tài)就可準確地預計車輛的下一個狀態(tài)，可實現(xiàn)車輛的狀態(tài)追蹤。 1.3 平面停車場控制需求描述 停車場的管理及控制包含管理及控制兩部分運行系統(tǒng)。 管理包括對用戶及其使用停車位情況等信息的管理；停車場運營基本情況信息的管理及設(shè)備基本信息的管理。這些管理功能的實現(xiàn)由安裝在管理PC機內(nèi)的管理中心軟件完成，包含如下功能： 在線監(jiān)控所有各站點帳目狀況：如各時期收支情況、付款額度及次數(shù)、幣卡數(shù)量、種類等、出入口當前狀況、操作員姓名等；用戶卡的管理數(shù)據(jù)庫；帳目打印與數(shù)據(jù)庫報表；系統(tǒng)配置及建立停車系統(tǒng)及費率設(shè)置等其他部件管理等；控制則主要是對現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)依據(jù)管理及控制流程進行監(jiān)視與控制，該部分功能的實現(xiàn)由現(xiàn)場設(shè)備及現(xiàn)場控制器及相關(guān)監(jiān)控軟件完成。主要包含如下功能： 1、自動采集車輛出入車庫與車位的狀態(tài)； 2、根據(jù)車輛出入庫狀態(tài)自動開、關(guān)道閘并自動開啟； 3、對車位則自動計數(shù)并能啟動滿位紅燈亮； 4、車輛超過限制的車位區(qū)蜂鳴器報警，提示司機。 1.4 停車場監(jiān)控系統(tǒng)主要功能模塊 要實現(xiàn)上述監(jiān)控流程，停車場監(jiān)控及管理系統(tǒng)的基本組成為出入口控制系統(tǒng)；車路、車位監(jiān)控系統(tǒng)及管理系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖3所示。本文重點介紹管理監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備的功能設(shè)計、相關(guān)控制軟件的設(shè)計。對管理中心軟件的設(shè)計則不作介紹。 圖3 停車場監(jiān)控系統(tǒng)框架 1、停車場入口控制系統(tǒng) 入口控制系統(tǒng)主要由入口票箱（內(nèi)置出卡機、感應式讀卡器）、自動道閘、車輛檢測線圈、控制器等設(shè)備組成。 用戶入場時在票箱處按鍵，票箱內(nèi)發(fā)卡器發(fā)送一張IC卡至入口票箱出卡口，同時完成讀卡過程。讀卡器與PC機通信，記錄讀卡事件相關(guān)數(shù)據(jù)如：卡號、讀卡時間等。同時發(fā)信息通知控制器啟動入口攝像機，拍攝入庫車輛圖像并依據(jù)相應卡號存入管理數(shù)據(jù)庫。控制器開啟道閘放行車輛，車輛通過車輛檢測傳感器后，控制器關(guān)閉道閘并記錄入庫車輛數(shù)目，車位滿時，紅燈亮顯示“滿位”。 2、停車場出口控制系統(tǒng) 出口控制系統(tǒng)部分主要由出口讀卡器、自動道閘、車輛檢測線圈、照相機及控制器組成。 用戶車輛出場時，在出口讀卡器處讀卡，同時啟動照相機拍照，PC機依據(jù)讀取的卡號調(diào)用出入口兩幅相同卡號的圖像人工比對。管理軟件依據(jù)入場及出場時間及計費標準計費，司機繳費；在收費及圖像比對無誤后，管理人員按鍵開啟道閘放行。車輛檢測傳感器檢測到車輛離場后道閘關(guān)閉，停車位計數(shù)器加一，管理系統(tǒng)將該車繳費信息記錄到數(shù)據(jù)庫。 3、車位狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 在用戶停車場管理中若按照通常系統(tǒng)構(gòu)成僅利用出入口門禁系統(tǒng)進行出入權(quán)限管理，對車輛進入時的亂停放現(xiàn)象進行監(jiān)控。在本文系統(tǒng)設(shè)計中，利用車位傳感器構(gòu)成車位狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。 4、停車場管理系統(tǒng) 停車場收費管理處內(nèi)設(shè)備由管理PC機、系統(tǒng)管理軟件、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、IC卡讀寫器、報表打印機、對講系統(tǒng)、收費顯示器組成。管理PC機通過系統(tǒng)管理軟件與IC卡讀寫器系統(tǒng)、出入口控制器通信，負責讀寫IC卡信息；存儲并管理用戶卡及車位信息；統(tǒng)計分析計費及管理情況；查詢、打 印報表；系統(tǒng)維護等功能。 1.5 停車場管理監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備 停車場管理及監(jiān)控系統(tǒng)需要有如下的設(shè)備作為硬件支撐： 1、管理PC機 管理計算機配備相應的停車場系統(tǒng)管理軟件，實現(xiàn)日常運營管理如計時計費、車位及收費統(tǒng)計、報表、數(shù)據(jù)信息管理、圖像采集、顯示、對比等管理功能。 2、現(xiàn)場控制器PLC 本文系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場控制器，匯總現(xiàn)場設(shè)備及PC機傳來的各類輸入信息，根據(jù)管理及監(jiān)控流程進行信息處理，輸出控制信號，控制停車場現(xiàn)場設(shè)備的工作，并向管理PC機傳送現(xiàn)場信息。 3、讀卡器 在設(shè)有門禁控制的管理場所，讀卡器被廣泛應用，停車場的讀卡器根據(jù)所用卡片讀卡感應距離的不同分為短、中、長及遠距離讀卡器系統(tǒng)。讀卡器讀取與輛、車位一一對應的用戶卡信息，通過上述信息對車輛的出入進行記錄與管理。 4、車輛檢測器及地感線圈 車輛到達出入口的情況和位置需要系統(tǒng)能自動探測到，這就需要在出入口的適當位置設(shè)置光電傳感器作為檢測器。當汽車經(jīng)過時檢測器產(chǎn)生的感應信號作為輸入信號傳給現(xiàn)場控制器以便控制。 一般在停車場出入口各設(shè)置兩套車輛檢測器。一套在道閘前，檢查車輛到達情況啟動讀卡，一套在道閘后檢查車輛的離場或入場情況。同時還可在道閘桿下部設(shè)超聲波車輛檢測器，與擋車器的控制信號連鎖，防止閘桿下有車時閘桿落下砸傷車輛。 5、攝相設(shè)備 車輛進出停車場時，系統(tǒng)自動啟動照相機，記錄車輛的外形、色彩、車牌等信息存入管理數(shù)據(jù)庫并按卡號管理。車輛出入時系統(tǒng)管理軟件自動調(diào)出出入圖片人工比對，可有效防止盜車現(xiàn)象。同時需配備輔助照明設(shè)備。 6、擋車器 擋車器又稱為道閘，是停車場出入口的關(guān)鍵設(shè)備，其控制方式通常有手動按鈕、遙控器控制、程序控制道閘升降等三種方式。 7、車位傳感器 在用戶停車區(qū)域為防止亂停放及盜車現(xiàn)象發(fā)生，在車位上方設(shè)置車位傳感器，檢測車輛是否亂放，常采用超聲波車位傳感器。 第2章 可編程控制器（ＰＬＣ）簡介及發(fā)展趨勢 2.1 PLC的起源 在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域主要分為PLC，工控機和嵌入式控制，而PLC自1968年誕生以后以驚人的速度成為了這一領(lǐng)域的主導者，為各種各樣的自動化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?。其主要原因，在于它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要。另一方面，PLC還必須依靠其他新技術(shù)來面對市場份額逐漸縮小所帶來的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來的沖擊。PLC需要解決的問題依然是新技術(shù)的采用、系統(tǒng)開放性和價格。 PLC技術(shù)發(fā)展的最終趨勢仍然是人們所爭論的焦點之一。大多數(shù)人認為，PLC將會繼續(xù)失去市場份額；更有甚者認為，在工業(yè)PC面前，PLC將會一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工業(yè)應用領(lǐng)域仍將為PLC提供一定的市場份額。 2.2 PLC的特點 就我個人來看，PLC市場份額不但不會減少，反而將會增加。許多年前開始，就有人預言，PLC將要被PC-BASED控制系統(tǒng)取代。但是，PLC的銷售每年都在以一個十分穩(wěn)定的增長率在上升，目前的PLC已經(jīng)與十年前的PLC有著很大的區(qū)別，十年后的PLC與當前的PLC也將有著很大的不同。但是，有兩個方面是不變的：首先，PLC會提供穩(wěn)定的控制響應，其次，高度的可靠性。PLC有著其它控制產(chǎn)品，如工控機，DCS，單片機等控制產(chǎn)品，所無法替代的特性。 1．可靠性 可靠性包括產(chǎn)品的有效性和可維修性。可編程控制器的可靠性高，表現(xiàn)在下列幾個方面： a)可編程控制器不需要大量的活動部件和電子元件，接線大大減少，與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間縮短，因此可靠性得到提高。 b)可編程控制器采用一系列可靠性設(shè)計方法進行設(shè)計，例如冗余設(shè)計，掉電保護，故障診斷，報警和運行信息顯示和信息保護及恢復。 c)可編程控制器有較強的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，編程的出錯率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設(shè)計的硬件使可靠性大大提高。 d)可編程控制器的硬件設(shè)計方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的工業(yè)級元件，采用先進的電子加工工藝（SMT）制造，對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等；存儲器內(nèi)容的保護，采用看門狗和自診斷措施，便于維修的設(shè)計等。 2．易操作性 a)操作方便：對PLC的操作包括程序的輸入和程序更改操作，大多數(shù)PLC采用編程器進行程序輸入和更改操作。現(xiàn)在的PLC的編程器大部分可以用電腦直接進行，更改程序也可根據(jù)所需地址編號、繼電器編號或接點號等直接進行搜索或按順序?qū)ふ?，然后可以在線或離線更改。 b)編程方面：PLC有多種程序設(shè)計語言可以使用，梯形圖與電氣原理圖相似；編程語句是功能的縮寫，便于記憶；功能圖表語言以過程流程進展為主線，十分適合設(shè)計人員與工藝專業(yè)人員設(shè)計思想的溝通。功能模塊圖和結(jié)構(gòu)化文本語言，功能清晰，易于理解等優(yōu)點。 c)維修方便：PLC所具有的自診斷功能對維修人員的技術(shù)要求較低，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以根據(jù)有關(guān)故障代碼的顯示和故障信號燈的提示等信息，或通過編程器和HMI屏幕的設(shè)定，直接找到故障所在的部位，為迅速排除故障和修復節(jié)省了時間。 3．靈活性 a)編程的靈活性：PLC采用的標準編程語言有梯形圖、指令表、功能圖表、功能模塊圖和結(jié)構(gòu)化文本編程語言等。使用者只要掌握其中一種編程語言就可進行編程，編程方法的多樣性使編程方便。 b)擴展的靈活性：PLC的擴展靈活性是它的一個重要特點。它可以根據(jù)應用的規(guī)模不斷擴展，即進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制范圍的擴展。它不僅可以通過增加輸入輸出卡件數(shù)來增加點數(shù)，通過擴展單元擴大容量和功能，也可以通過多臺PLC的通信來擴大容量和功能。 c)操作的靈活性：操作的靈活性指設(shè)計工作量、編程工作量、和安裝施工的工作量的減少。操作變得十分方便和靈活，監(jiān)視和控制變得很容易。在繼電器順序控制系統(tǒng)中所需的一些操作得到簡化，不同生產(chǎn)過程可采用相同的控制臺和控制屏等。 4．機電一體化 為了使工業(yè)生產(chǎn)的過程控制更平穩(wěn)，更可靠，向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗要效益，對過程控制設(shè)備和裝置提出了機電一體化，即儀表、電子、計算機綜合的要求，而PLC正是這一要求的產(chǎn)物，它是專門為工業(yè)過程而設(shè)計的控制設(shè)備，具有體積小、功能強，抗干擾性好等優(yōu)點，它將機械與電氣部件有機地結(jié)合在一個設(shè)備內(nèi)，把儀表、電子和計算機的功能綜合集成在一起，因此，它已經(jīng)成為當今數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機器人、離散制造和過程流程等領(lǐng)域的主要控制設(shè)備，成為工業(yè)自動化三大支柱（PLC，機器人，CAD/CAM）之一。 可編程控制器現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個不可代替的控制系統(tǒng)，它們可以與其它系統(tǒng)通訊，提供產(chǎn)品報表，生產(chǎn)調(diào)度，診斷自身和設(shè)備的故障，這些技術(shù)上的改進，讓PLC成為今天的各行各業(yè)的高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要的貢獻者。 由以上特點不難看出，PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域，不僅不會逐漸推出，而且會不斷擴大他的市場份額。表面上看工控機的出現(xiàn)給PLC帶來了一定程度的沖擊，但如果我們仔細分析一下可以看到，工控機在某種程度上其實幫助了PLC的發(fā)展，因為PLC的可靠性高，易操作，但對與操作員站的一些功能，如曲線處理，數(shù)據(jù)記錄等功能，遠不及工控機，而工控機的致命缺陷是可靠性差。所以目前來看工控機與PLC結(jié)合的控制系統(tǒng)更為完美。工控機的出現(xiàn)推動了PLC的發(fā)展。 2.3 PLC發(fā)展的方向 其實PLC自誕生以來也是在不斷發(fā)展改進創(chuàng)新的。采用新的、先進的微處理器和電子技術(shù)達到快速的掃描時間。 小型的、低成本的PLC，可以替代4到10個繼電器，獲得更大的發(fā)展動力。 高密度的I/O系統(tǒng)，以低成本提供了節(jié)省空間的接口。 基于微處理器的智能I/O接口，擴展了分布式控制能力。典型的接口如：PID，網(wǎng)絡(luò)，CAN總線，現(xiàn)場總線，ASCII通信，定位，主機通訊模塊，和支持高級語言編程的模塊（如BASIC，PASCAL）。 包括輸入輸出模塊和端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進，使端子更加集成。 特殊接口允許某些器件可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應力測量、快速響應脈沖等。 由于工控機，DCS等控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，將迫使PLC向著功能更多，開放性兼容性更強的方向不斷發(fā)展。 2.4 PLC選型及簡介 1．選擇的原則 選擇PLC是首待解決的事情。一方面要選擇多大容量的PLC ,另一方面是選擇什么公司的PLC及外設(shè)。 對第一個問題，首先要對控制任務(wù)進行詳細的分析，把所有的I/O點找出來，包括開關(guān)量I/O和模擬量I/O以及輸出是用繼電器還是晶體管或是可控硅型?？刂葡到y(tǒng)輸出點的類型非常關(guān)鍵，如果他們之中既有交流220V的接觸器、電磁閥，又有24V的指示燈，則最后選用的PLC的輸出點數(shù)有可能大于實際電數(shù)。因為PLC的輸出點一般是幾個一組共用一個公共端，這一組輸出只能有一種電源的種類和等級。所以一旦它們是交流220V的負載負載使用。則直流24V的負載只能使用其他的輸出端了。這樣有可能造成輸出點浪費，增加成本。所以要盡可能選擇相同等級和種類的負載，比如使用交流220V的指示燈等。一般情況下繼電器輸出的PLC使用最多，對第二個問題，則有以下幾個方面要考慮： （1）功能方面 所有PLC一般都具有常規(guī)的功能，但對某些特殊要求，就要知道所選用的PLC是否有能力控制任務(wù)。如對PLC與PLC、PLC與智能儀表及上位機之間有靈活方便的通信要求；或?qū)LC的計算速度、用戶程序容量等有特殊要求；或?qū)LC的位置控制有特殊要求等。 （2）價格方面 不同廠家的PLC產(chǎn)品價格相差很大，有些功能類似、質(zhì)量相當、I/O點數(shù)相當?shù)腜LC的價格能相差40%以上。在使用PLC較多的情況下，這樣的差價當然是必須考慮的因數(shù)。 因為本次課程設(shè)計是在學校完成?？紤]到實驗室中應用的是三菱FX2N型PLC，對此種型號PLC的指令以及使用方法都比較熟悉。所以本次設(shè)計采用就近取材原則選三菱FX2N型PLC。 2．FX2n型PLC的簡介 20世紀90年代，三菱公司在FX系列PLC的基礎(chǔ)上又推出了FX2n系列產(chǎn)品。該機型在運算速度，指令數(shù)量及通訊能力方面有了較大的進步，是一種小型化、高速、高性能、各方面都相當于FX系列中最高檔次的超小型的PLC。 FX2nPLC的基本單元可以根據(jù)控制規(guī)模大小外加擴展單元、擴展模塊及特殊功能單元構(gòu)成疊裝式PLC控制系統(tǒng)。下圖是FX2n可編程控制器基本單元實物圖。 FX2n可編程控制器實物圖 2.5 總結(jié) PLC的未來發(fā)展除了產(chǎn)品本身的發(fā)展，更大程度上取決于用戶和市場的發(fā)展，任何產(chǎn)品存在的根本在于用戶和市場的需求。PLC以它的高可靠性和易操作性，主導了工控行業(yè)數(shù)十年，我相信它將繼續(xù)存在且壯大下去。 PLC是一種可編程的數(shù)字邏輯控制設(shè)備，早期用于開關(guān)量的邏輯控制，多用做控制電動機正反轉(zhuǎn)和電磁閥的開關(guān)動作，從而控制機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)。只要合理分派輸入、輸出點，根據(jù)控制要求設(shè)計梯形圖，采用基本指令和步進指令就可達到控制目標。隨著控制要求的不斷提高，許多PLC生產(chǎn)廠家進一步優(yōu)化和完善PLC的功能，增加了功能指令，大大拓寬了PLC的應用范圍，使PLC在某種程度上可以代替控制器和計算機的協(xié)同工作系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)和民用控制設(shè)計提供方便。 PLC的具有可靠性高、功能性強和編程簡單等優(yōu)點，所以深受設(shè)計人員的喜愛。PLC就如同一 部計算機與繼電器控制設(shè)備相結(jié)合的新型高性能控制裝置。PLC的基本單元包括中央控制器(PLC)、存儲器、輸入單元和輸出單元。采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。編程簡單易學PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。下面是PLC的基本單元結(jié)構(gòu)圖： 存儲器 輸入單元 輸出單元 擴展模塊 擴展模塊 中央處理器 CPU PLC基本單元物理結(jié)構(gòu)圖 PLC就物理結(jié)構(gòu)來說有豐富的輸入輸出端，而從PLC的邏輯結(jié)構(gòu)來說，內(nèi)部有許多軟元件，如輸入輸出繼電器、狀態(tài)器、計數(shù)器。計時器和數(shù)據(jù)寄存器及器件所對應的常開常閉觸電，方便對車輛進出、停車、計數(shù)、計時的信號輸入和車輛停放數(shù)量、位置的顯示。 大多數(shù)PLC的編程方式都有梯形圖編程、指令表編程和順序功能圖(PLC)編程，特別是梯形圖編程方式，直觀易懂。除了運用基本指令可以完成大量工作，功能指令的擴展更為系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試和維護帶來很多便利，本文以梯形圖編程方式設(shè)計停車場管理系統(tǒng)，無論從設(shè)計到功能分析都是極為方便的。 第3章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 監(jiān)控PC機 入場控制PLC 出場控制PLC 道閘系統(tǒng) 車位傳感器 道閘系統(tǒng) 系統(tǒng)構(gòu)成簡圖 3.1 七段數(shù)碼管的設(shè)計 要進行數(shù)字顯示最常用的器件就是七段數(shù)碼管，它是由a、b、c、d、e、f、g七個LED組成。通過使不同的LED組合發(fā)光，達到數(shù)字的顯示效果。七段數(shù)碼管各數(shù)碼段分布及排序如圖4所示,并聯(lián)式七段數(shù)碼管譯碼原理如圖5所示。每個數(shù)碼段通過限流電阻和譯碼開關(guān)(譯碼開關(guān)泛指能起到開關(guān)作用的器件,如:三級管、集成電路、普通開關(guān)、接插件)相互并聯(lián),然后與電源聯(lián)接,由譯碼開關(guān)譯碼,譯碼開關(guān)導通,表示與該譯碼開關(guān)相聯(lián)的數(shù)碼段顯示;譯碼開關(guān)關(guān)斷,表示與該譯碼開關(guān)相聯(lián)的數(shù)碼段不顯示,數(shù)碼段不同的顯示組合,就可顯示“0-9”10個阿拉伯數(shù)字。例如:在圖5中,譯碼開關(guān)SA, SB, SC, SD, SE, SF導通,顯示數(shù)碼“0”;譯碼開關(guān)SB, SC導通,顯示數(shù)碼“1”,以此類推。 　　　 圖4.七段數(shù)碼管各數(shù)碼管分布 圖5. 七段數(shù)碼管譯碼原理 3.2 車位傳感器 1．車位傳感器工作原理及選型 車位傳感器負責采集車位的狀態(tài)信號，本節(jié)依據(jù)其工作原理進行選型[8]。 2．各類車位傳感器 車位檢測是大型室內(nèi)專業(yè)停車場實現(xiàn)車位自動化定點管理的基礎(chǔ)，車位傳感器則是其中的關(guān)鍵部件。目前對車位占、空狀態(tài)的檢測常采用地感線圈檢測器、超聲波車位傳感器等常用方式。近來亦有采用視頻車位檢測器實現(xiàn)對車位的檢測。電感線圈檢測方式常被用于停車場的出入控制系統(tǒng)。視頻車位檢測器則采用視頻圖像處理技術(shù)，采用攝像頭同時監(jiān)控多個車位，并將車位的占用信息傳遞到上位控制計算機。除了傳送簡單的車位占用情況信息之外，還可以傳送現(xiàn)場監(jiān)測圖片。視頻車位檢測系統(tǒng)通常由圖像采集、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)通信、顯示控制及電源五大模塊組成。系統(tǒng)對車位狀態(tài)的監(jiān)測需要強大的信息處理能力。超聲波車位傳感器則采用超聲波測距的工作原理，利用超聲波發(fā)射、被測物體反射、回波接收后的時差來測量被測距離的一種非接觸式測量儀器。能夠檢測車輛是否停在車位上，具有防誤檢功能，如防相鄰車位誤檢、人員在停車位誤檢、障礙物誤檢等。由于使用超聲波偵測，不會象使用紅外線、微波等偵測方式容易受外在環(huán)境變化或干擾而造成誤報問題。由于每個傳感器都有獨立的防干擾功能，也不受周圍傳感器的干擾。檢測車位占、空狀態(tài)可以采用光電、電磁、紅外檢測等多種方法設(shè)計車位傳感器，但從檢測原理及工程實施來看，超聲波檢測器具有造價低、非埋設(shè)、無附加反射裝置、免維護和抗靜電干擾等優(yōu)點，有利于網(wǎng)絡(luò)群測系統(tǒng)的構(gòu)成?；诔暡▊鞲衅鞯纳鲜鰞?yōu)點，本文系統(tǒng)中對停車場車位的檢測選用超聲波車位傳感器。 3．超聲波車位檢測原理 超聲波車位傳感器利用超聲波發(fā)射、被測物體反射、回波接收后的時間差來測量被測距離，根據(jù)不同距離時回波時間差的不同來判斷車輛是否停在車位上。 超聲回波示意圖所示： 傳感器 S H 超聲回波示意圖 在沒有車時，從發(fā)出超聲波到接收到回波的時間：（常數(shù)）其中s為傳感器到地板的距離，v為0℃時超聲波在空氣中的傳播速度，其值為331.5 m/s。當有車泊位時，由于超聲波被車反射回，因此，從發(fā)出到接收回波的時間相對于沒車時會減小，其大小為，其中H為車頭的高度。 這里討論的停車場是以能容納16輛車的車庫為例設(shè)計一個管理系統(tǒng)。 分析評估控制任務(wù) PLC 機型選擇 程序設(shè)計 電器系統(tǒng)安裝 檢查修改程序 調(diào)試程序 設(shè)計硬件系統(tǒng)接線圖 滿足要求？ 聯(lián)機調(diào)試 符合要求？ 檢查硬件接線 編制技術(shù)要求 現(xiàn)場安裝調(diào)試 N Y N N Y Y 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計流程 存儲器 CPU 編程器 Ｉ／Ｏ接口 智能Ｉ／Ｏ 通信接口 擴展接口 系統(tǒng)總線 PLC系統(tǒng)框圖 3.3 道閘開關(guān)系統(tǒng) 　在車庫入口處，道閘前的地下埋設(shè)車輛檢測器，當車輛停在道閘前，檢測器會向PLC發(fā)出信號告知將有車輛進入，道閘處于準備打開狀態(tài)，只要身份識別正確，道閘立即打開。道閘后的地面也要埋設(shè)檢測器，車輛通過后，告知PLC要增加一輛汽車的數(shù)量，并在車庫門前指示板上的數(shù)碼管顯示，最后控制道閘關(guān)閉。下面是道閘開關(guān)功能示意圖： PLC 道閘打開信號 道閘關(guān)閉信號 道閘 道閘前檢測器 道閘后檢測器 圖7. 道閘開關(guān)示意圖 3.4停車場車位指示板 在車庫入口處應該安裝指示板，告知車輛司機整個車庫的停放情況，包括數(shù)量和停放的位置。車庫和指示板的示意圖如圖8所示： 9 1 10 2 11 3 12 4 13 5 14 6 15 7 16 8 圖8. 停車場車位指示板 當某一位置沒有停放車輛時，相應編號的指示燈亮，司機看見使就可以按照指示進入車庫按位停車。這個部分同樣可以用梯形編程圖來實現(xiàn)。 車位線使程序，相對比較簡單，所用到得軟元件X10－X17，X20-X27，輸出端原件Y20-Y27，Y30-Y37，輸出輸入原件共計16對。只要在車尾頂部安裝紅外檢測裝置，就可以對車位有無車輛進行檢測。當車位無車輛時相應輸入繼電器不通電，常閉節(jié)點合上，輸出端所連接的指示燈亮，如圖中8號和9號燈亮，證明這兩個車位為空。而其余位置有車，所以相應的指示燈熄滅。 第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 4.1 PLC外部輸入/輸出點(I/O) PLC外部輸入/輸出點（I/O） 輸入點 輸出點 系統(tǒng)動作 X1 閘欄開門 Y1 系統(tǒng)解除 X2 閘欄關(guān)門 Y2 入口檢測器 X3 尚有車位指示燈 Y3 出口檢測器 X4 車位已滿指示燈 Y4 正傳停止傳感器 X5 顯示車輛數(shù)七段燈 Y10-Y17 反轉(zhuǎn)停止傳感器 X6 顯示車輛數(shù)七段燈 Y20-Y27 4.2車輛進庫 編程圖上，在支路2中，X0表示車輛檢測裝置開關(guān)，只要車輛駛到道閘前，車輛檢測器發(fā)出信號使X0關(guān)閉，輔助繼電器M1進入準備通電狀態(tài)；只要X1閉合，支路1通電，驅(qū)動輔助繼電器M0，其節(jié)點M0閉合，M1馬上通電，M1節(jié)點動作，使輸出線圈Y0置位，其相應的輸出端Y0發(fā)出信號控制道閘升降的電動機正轉(zhuǎn)，同時復位Y1線圈，確保道閘沒有反轉(zhuǎn)信號。這時道閘就打開，車輛通過。 車輛通過以后，經(jīng)過道閘后車輛檢測器，這時有幾道控制目標，所以運用主控制器指令MC對所有工作一并控制。檢測器發(fā)出信號使開關(guān)X2閉合，PLC就執(zhí)行MC和MCR之間的程序，首先把Y0輸出線圈復位，即道閘電動機正轉(zhuǎn)信號復位，同時置位Y1輸出線圈，是電動機反轉(zhuǎn)，道閘關(guān)閉。同時設(shè)定一個數(shù)據(jù)寄存器D0中的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)輸出到以10為首的八個輸出端，驅(qū)動車庫大門指示板上的顯示管，最后，在道閘關(guān)閉的終點安裝一個限位開關(guān)X3，當?shù)篱l恢復原位時，X3節(jié)點接通，使電動機反轉(zhuǎn)信號復位。 車輛進出控制程序流程圖 　 車輛進庫梯形圖 4.3 車輛出庫 車輛出庫時，要減少車輛數(shù)量記錄，并且在車庫出口也要安裝出口道閘，下面是車輛出庫的梯形圖。 由圖中可以看出，車輛出庫與入庫的基本原理相同，只是輸入原件與輸出原件不同，出庫與入庫所用到的元件必須分開。并且，要使車輛數(shù)量減少，用DEC功能指令使記錄車輛數(shù)的數(shù)據(jù)寄存器D0減一，最后道閘關(guān)閉。 車輛出庫梯形圖 4.4 車輛進出庫梯形圖 車輛進出庫梯形圖 4.5 軟件程序 軟件程序 第5章 課題總結(jié)及展望 5.1 課題總結(jié) 本文研究的主要內(nèi)容是基于PLC的停車場車位控制系統(tǒng)，在前人的基礎(chǔ)上做了進一步的研究，吸取了前人研究的精華，補充了前人研究的不足。本系統(tǒng)是基于PLC的自動控制系統(tǒng)，由于PLC本身的特點使自動控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的可靠性。在本課題研究過程中主要進行了以下工作： （1）詳細分析了國內(nèi)外目前的基于PLC的停車場，比較之后，硬件部分，設(shè)計了七段碼顯示器以及車輛進出庫傳感器。軟件部分，選擇了以PLC為核心自動控制系統(tǒng)，因此，經(jīng)過研究最后決定將硬件和軟件部分結(jié)合起來，形成了本控制系統(tǒng)的整個部分 （2）在比較了各種型號的PLC的功能之后，選擇了三菱公司的FX2N系列PLC， （3）建立了車輛進出庫數(shù)學模型，為其編寫了程序語言。 5.2 展望 由于本系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)要求比較高，而且課題研究的時間倉促，以及本人能力有限，因此還有很多地方存在著不足之處： （1）本系統(tǒng)中的硬件部分不能實現(xiàn)集中控制，這樣就增加了程序的編寫難度，也相應的增加了系統(tǒng)的成本。 （2）系統(tǒng)穩(wěn)定性需要加強，復位電路有時會出現(xiàn)不能自動復位的情況，由于本人能力有限未能找出其中的原因，盡管這種情況不常發(fā)生，但是一旦發(fā)生就影響系統(tǒng)的運行。 （4）在功能上需要更加完善，本系統(tǒng)沒有設(shè)置報警裝置，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)不能做出報警動作，這樣也會影響系統(tǒng)的跟蹤質(zhì)量。 由于本人能力有限，做出的系統(tǒng)存在不少的問題，希望有更多的人參與其中，最終能做出性能好、精度高的停車場管理系統(tǒng)，以適應越來越多的私家車對停車位的需求。希望有更多的人參與到這項研究中來，性能好、精度高、低成本的控制系統(tǒng)是我們的目標。 感謝致辭 歷時將近兩個月的時間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。尤其要強烈感謝我的論文指導老師——吳尉尉老師。他對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。提出嚴格要求，引導我不斷開闊思路，為我答疑解惑，鼓勵我大膽創(chuàng)新，使我在這一段寶貴的時光中，既增長了知識、開闊了視野、鍛煉了心態(tài)，又培養(yǎng)了良好的實驗習慣和科研精神。在此，我向我的指導老師表示最誠摯的謝意！ 感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數(shù)位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。 感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。 感謝我的父母，含辛茹苦的養(yǎng)育，沒有他們辛勤的付出也就沒有我的今天。 感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位老師。 由于我的學術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請各位老師和學友批評和指正！ 。  參考文獻 [1] 黃樹波.城市建設(shè)應發(fā)展立體停車庫[J].技術(shù)革新.2004 (3) [2] 張長纓，張侃諭.智能型立體車庫的構(gòu)成及智能化方案[J].控制系統(tǒng).2002 (1) [3]陳龍．智能小區(qū)及智能大樓的系統(tǒng)設(shè)計．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001，1，287 [4]蘇裕.停車場管理系統(tǒng)在智能小區(qū)中的應用[J].IB智能建筑與城市信息，2003，(06): 28-29 [5] 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