常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文
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。
图2-3 停车场监控系统框架
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”。
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。
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。
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。
2.5 停车场管理监控系统主要设备
停车场管理及监控系统需要有如下的设备作为硬件支撑：
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1、管理PC机
管理计算机配备相应的停车场系统管理软件，实现日常运营管理如计时计费、车位及收费统计、报表、数据信息管理、图像采集、显示、对比等管理功能。
2、现场控制器PLC
本文系统采用PLC作为现场控制器，汇总现场设备及PC机传来的各类输入信息，根据管理及监控流程进行信息处理，输出控制信号，控制停车场现场设备的工作，并向管理PC机传送现场信息。
3、读卡器
在设有门禁控制的管理场所，读卡器被广泛应用，停车场的读卡器根据所用卡片读卡感应距离的不同分为短、中、长及远距离读卡器系统。读卡器读取与辆、车位一一对应的用户卡信息，通过上述信息对车辆的出入进行记录与管理。
4、车辆检测器及地感线圈
车辆到达出入口的情况和位置需要系统能自动探测到，这就需要在出入口的适当位置设置光电传感器作为检测器。当汽车经过时检测器产生的感应信号作为输入信号传给现场控制器以便控制。
一般在停车场出入口各设置两套车辆检测器。一套在道闸前，检查车辆到达情况启动读卡，一套在道闸后检查车辆的离场或入场情况。同时还可在道闸杆下部设超声波车辆检测器，与挡车器的控制信号连锁，防止闸杆下有车时闸杆落下砸伤车辆。
5、摄相设备
车辆进出停车场时，系统自动启动照相机，记录车辆的外形、色彩、车牌等信息存入管理数据库并按卡号管理。车辆出入时系统管理软件自动调出出入图片人工比对，可有效防止盗车现象。同时需配备辅助照明设备。
6、挡车器
挡车器又称为道闸，是停车场出入口的关键设备，其控制方式通常有手动按钮、遥控器控制、程序控制道闸升降等三种方式。
7、车位传感器
在用户停车区域为防止乱停放及盗车现象发生，在车位上方设置车位传感器，检测车辆是否乱放，常采用超声波车位传感器。
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第3章 停车场控制系统硬件设计
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。
3.1 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(Programmable Logic Controller)作为现场控制器。
3.1.1 PLC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。
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。 3.1.2 PLC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
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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：
? 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。
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3.2 PLC I/O模块的选型
停车场输入输出信号分布范围较广，若采用本机I/0或普通I/0扩展模块，则现场布线量多，且信号线距离太远，难以避免信号衰减及信号干扰，故本文选用AS-I主站通信处理器CP243-2，10个AS-I从站构成AS-I现场总线系统。
3.3 AS-I现场总线系统主/从站编址
本节在介绍AS-I现场总线系统的基础上介绍AS-I主/从站编址。AS-I现场总线系统：AS-I是执行器-传感器接口（Actuator Sensor Interface）的简称，位于自动控制系统的最底层，特别适合于连接需要传送开关量的传感器和执行器。过去每个执行器和传感器都要通过电缆连接到控制器和电源上(并列布线)，这样将产生巨大的成本支出，包括电缆线成本和布线成本。此外，复杂的布线系统本身也增加了出故障的可能性。采用AS-I现场总线系统只需要先将传感器和执行器简单的连接起来，再通过一根电缆—AS-Interface电缆就可以与控制系统建立连接。图3-1是工业通信的三层结构。
图3-1 工业通信三层结构
AS-I这一级是最底层的现场级，现场的数字化的执行器和传感器被连成网络。这些设备接收和发送二进制信号(例如，接触器，电机起动器，电磁阀，阀岛等)。在本文系统中由于数据通信量小，都是二进制信号，这是AS interface典型应用场合。现场控制器PLC采用串行通信口直接与监控PC机通信，构成简单的单主站网络。
在单主站系统中，AS interface采用轮循的方式传送数据。对于一个带31个标准从站的实用系统最大循环时间为5毫秒。AS interface系统可以带62个从站，其最大轮循时间为10毫秒。对于本文系统，这个时间值完全能够满足实时性要求。AS interface网络可以采用总线形，星形或树形任何一种拓扑结构。数据传输采用AS interface电缆给传感器传送数据，同时也向传感器提供电源。并采用绝缘穿刺连接技术，组装方便、高效。
CP243-2作为主站连接于上一级控制器，能自动地组织AS interface电缆上的数据传输，确保传感器与执行器的信号通过相应的接口能够传送到上一级系统。除了可轮循传送信号之外，主站向每个从站传送参数配置，监控网络运行，并进行故障诊断。AS interface是一个自组态系统。用户不需要做任何设置。
从站实际上是PLC的分布式输入输出模块。AS interface模块能自动识别发自主站的数据帧，并向主站发送数据。每个标准的AS interface模块最多可以连接4个数字化的传感器和执行器。
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