[工学]基于plc智能建筑停车场监控系统的研究与实现.doc

河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘 要 I 摘要 智能建筑将是信息社会最重要的基础设施之一。停车场管理控制系统则是现 代建筑中不可或缺的一部分。本文在对停车场管理及控制系统基本功能研究的基 础上改进其系统构成及控制流程，应用 PLC 作为现场控制器，对现场设备进行信 号采集与控制。并利用监视 PC 机、组态软件、PLC 共同构建对停车场车位状态 的监控体系。主要工作有： 1研究了停车场及其控制系统在智能建筑中的作用及其自身管理模式的发 展、变化。 2对典型停车场的管理及控制功能需求进行分析与研究，在此基础上提出 分区管理模式并模块化设计管理流程。 3根据管理及控制功能需求，充分研究了相关系统组件的工作原理及性能 指标，据此进行系统功能设计及硬件选型。 4在选用 PLC 作为现场控制器的基础上，研究了 PLC 网络的构成技术及其 网络通信协议，采用 AS-I 现场总线技术构建现场设备的信号采集与传输系统； 选用自由口通信模式，在充分调研系统信息通讯需求基础上提炼通讯信息，自定 义 PLC 与 PC 机的通信协议。 5研究了组态软件在控制系统中的应用并采用组态软件构建车位监控系统。 6根据控制需求对 PLC 控制器的编程相关软硬件进行组态，并完成 PLC 控 制程序的设计。 7改进停车场车路控制系统功能并完成控制程序设计。 关键词：智能建筑，停车场，监控系统，PLC，组态软件 河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘 要 II ABSTRACT Intelligent buildings will be one of the most important infrastructures in information society，and the management and control system is an indispensable part for parking lots in intelligent buildings. Based on the research of basic function of management and control system applied to parking lots，this paper improves the construction of control system and flow sequence，utilizing PLC as the field controller to collect signals and control equipments. Finally，monitor and control system consisted of PC monitor，configuration software and PLC are used to monitor the state of parking space in parking lots. Major work of this thesis includes: 1. Studies on the function of parking lots and its control systems as well as the developments and changes in intelligent buildings. 2.Based on analyzing of the management and control function requirements for a typical parking lot，we put forward zoning management and modularize the management of design workflow. 3.On basis of the requirements of management and control function，operating principles and performance indices of related system components，we designed the system function and chose the hardware. 4.Making use of PLC as the field controller，we studied the constitute technique and communication protocol about the PLC network，utilizing the AS-I field bus technology to construct the signal collection and transmission system for field equipments; sufficient study on the system information transmission has been done to expurgate communication information. Then，free port transmission mode is selected and self-defined communication protocol between PLC and PC is applied. 5. Much research has been done on the application of configuration software and the monitor and control system for parking cell is constructed. 6.According to the control requirements，we configured the software and hardware related to PLC programming，and completed the control program for PLC. 7.Finally，we improved the function of parking control system and completed the control program. 河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘 要 III Keywords: Intelligent building，parking lots， free port transmission mode，configuration software 河南城建学院本科毕业设计（论文） 目 录 IV 目录 摘要I ABSTRACTII 1 绪论1 1.1 智能建筑的定义及发展.1 1.1.1 智能建筑的定义.1 1.1.3 智能建筑的组成及实现目标 .2 1.1.4 智能建筑系统集成.3 1.2 智能小区介绍.4 1.3 停车场管理技术的发展简介.4 1.3.1 停车场的种类.4 1.3.2 停车场管理模式的发展 .5 1.4 课题研究的背景及意义.5 1.5 课题研究的主要内容.6 2 典型平面停车场控制需求分析.7 2.2 典型平面停车场管理及控制需求分析 .7 2.2.1 停车场基本情况分析.8 2.2.2 停车场功能分区及依据 .8 2.2.3 停车场车辆管理模式需求分析 .9 2.3 停车场管理及控制系统功能需求描述 .9 2.4 车辆出入库自动化管理监控流程 .10 2.5 停车场监控系统主要功能构成模块 .11 2.5.1 停车场入口控制系统.12 2.5.2 停车场出口控制系统.12 2.5.3 车位状态监控系统.12 2.5.4 停车场管理系统.13 2.6 停车场管理监控系统主要设备 .13 2.7 本章小结.14 3 停车场控制系统硬件系统选型.15 3.1 现场控制器选型.15 3.1.1 PLC 控制系统和其它控制系统的比较.15 3.1.2 PLC 的选型.16 3.2 PLC 的 I/O 模块选型17 3.3 AS-I现场总线系统.17 3.4 管理及监控 PC 机选型 18 3.5 停车场出入口控制模块硬件集成设计 .18 3.5.1 读卡器工作原理及选型 .19 河南城建学院本科毕业设计（论文） 目 录 V 3.5.2 出入口控制系统其它相关设备选型 .19 3.6 车位监控系统硬件集成设计.20 3.6.1 车位监控系统构成及工作原理设计 .20 3.6.2 车位传感器工作原理及选型 .21 3.6.3 车位状态监视 PC 机选型及组态软件选择.22 3.7 语音提示模块的选择.22 3.8 本章小结.23 4 数据采集系统与计算机的通信设计24 4.1 网络通信技术.24 4.2 数据通讯相关接口程序的编程 .25 4.3 读卡器及其与管理 PC 机通信 26 4.4 PLC 与 PC 机通信实现27 4.4.1 PLC 与管理 PC 机通信实现27 4.4.2 用户出入场监控程序中通信初始化子程序28 4.4.3 PLC 与监视 PC 机通信实现29 4.5 本章小结.29 5 PLC 监控系统应用软件设计30 5.1 PLC 软件系统概述.30 5.2 停车场控制系统 PLC 应用软件的总体设计31 5.2.1 监控系统应用软件功能分析 31 5.2.2.PLC 主程序结构.32 5.3 固定用户出入场监控程序设计 .32 5.3.1 固定用户入场监控程序设计 .33 5.3.2 固定用户出场监控程序设计 .34 5.4 临时用户出入场控制程序设计 .38 5.4.1 出入库工作流程分析.39 5.4.2 信息处理模块分析39 5.5 本章小结 42 6 车位监控组态软件设计.43 6.1 组态软件及其选用.43 6.2 监控界面及工程建立.43 6.2.1 监控界面任务描述.43 6.2.2 监控界面工程的建立.44 6.3 本章小结.48 7 总结与展望.49 7.1 总结.49 7.2 前景与展望.49 致谢.50 参考文献.51 河南城建学院本科毕业设计（论文） 目 录 VI 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪 论 1 1 绪论 智能化管理的停车场是现代建筑中智能建筑体系的重要组成部分，本章对智 能建筑、智能小区及智能化管理的停车场做简要介绍。 1.1 智能建筑的定义及发展 1.1.1 智能建筑的定义 智能建筑一语首次出现于美国联合科技集团 UTBS 公司于 1984 年 1 月在康 乃狄格州所建设完成的 Eity Place 大楼的宣传词中1。该大楼以当时最先进的技术 来控制空调设备、照明设备、防灾和防盗系统、垂直交通运输（电梯）设备、通 信和办公自动化设备等。除可实现舒适性、安全性的办公环境外，并具有高效、 经济的特点。以此诞生了世界公认的第一座智能建筑。大楼的用户可以获得语音、 文字、数据等各类信息服务。而大楼的空调、供水、防火、防盗、供配电系统均 为电脑控制，实现了自动化综合管理，使用户感到舒适、方便和安全。 自世界上出现第一栋智能建筑至今，尚未有对智能建筑的统一定义，主要原 因是其含义随各国经济及科技水平的发展而发展2。 中国认为智能建筑是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络， 集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高 效、舒适、便利的建筑环境3。这个定义是在对国内外很多智能建筑定义分析和 研究后建立的。其内涵如图 1-1 所示 4。 1.1.2 智能建筑发展趋势 智能建筑的发展趋势如下图所示。 第一座智能建筑诞生后，世界各国智能建筑蓬勃发展，在我国 80 年代末也 有了较大发展，先后在北京、上海、广州等地相继建成了一批智能建筑。目前智 能建筑的发展已成为一个国家、地区和城市现代化水平的重要标志之一，是科技 及经济水平的综合体现。同时，在信息高度发达的今天，智能建筑将是信息社会 最重要的基础设施之一。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪 论 2 图 1.1 智能建筑基本内涵概念示意图 当今社会业主已将建筑设计中的智能部分的设计列为基本要求之一，政府亦 高度重视，积极的支持和引导；采用最新高科技成果，向系统集成化、综合化管 理及城市智能化方向发展；迅速的发展成为新兴的技术产业；功能多元化方向发 展，智能建筑的设计根据用户的需求，分门别类、有针对性地展开设计。 智能建筑的发展已经并将继续呈现多样化发展的特征，从单栋大楼到连片的 建筑广场，从大到摩天大楼到小至小区家庭住宅，从公共建筑到居民小区均能逐 步建成或改建成智能型建筑，便于人们实现零距离交流。随着城市、国家及全球 建筑智能化的逐步发展，整个世界将真正成为地球村，实现零时间、零距离交流。 1.1.3 智能建筑的组成及实现目标 智能大楼是以大楼形式出现的智能型建筑，其组成结构如图 1.2 所示。 从图 1-1 及图 1-2 可见智能建筑是由基于建筑物环境平台基础上的三大基本 子系统的有机集成所构成的智能化系统，三个基本子系统是楼宇自动化系统 （BAS. Building Automation System） 、网络通信系统（C NS. Communication Network System）和办公自动化系（OAS. Office Automation System） 。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪 论 3 图 1.2 智能大楼的组成结构 楼宇自动化系统（BAS）实现建筑物群内的各种机电设备的自动控制，包括 供暖、通风、空气调节、给排水、供配电、照明、电梯、消防、保安、停车场管 理等。 网络通信系统（CNS）指建筑物本身应具备的通信能力。为在该大楼内工作 的用户提供易于连接、方便、快速的各类通信服务、畅通的音频电话、数字信号、 视频图像、卫星通信等各类传输渠道。 办公自动化系统（BAS）是服务于具体办公业务的人机交互信息系统，包括 电话、传真、计算机、声像存储装置等各类办公设备；信息传输与网络设备和相 应配套的系统软件、工具软件、应用软件等组成。 1.1.4 智能建筑系统集成 智能建筑系统集成是将智能建筑内不同功能的智能化子系统在物理上、逻辑 上和功能上连接在一起，将智能建筑中从属于不同子系统和技术领域的所有分离 的设备、功能与信息有机地结合成一个相互关联、统一协调的整体以实现信息综 合、资源共享。智能建筑的系统集成建立在基本子系统软、硬件体系兼容的基础 上，子系统首先实现各自的内部集成，然后通过传输网络、接口和协议，由系统 集成中心实现系统的总体集成。综合布线系统是智能建筑系统集成的基本传输网 络，同时也是建筑物通信网络系统中最基本的传输介质5。 依据实现“智能”水平的高低，智能建筑分为： 低级集成仅实现楼宇机电设备控制级集成，特征是现场总线级网络，实 现智能大楼设备的控制功能。 中级集成实现机电设备控制、保安、消防等系统的网络集成，有着建筑 物管理和标准网络，完成智能大楼的服务功能。 高级集成将 BAS、CNS、OAS 三大系统通过高速网络统一集成至智能建 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪 论 4 筑物业管理系统中，由一体化的集成系统来实现智能大楼的综合管理功能。 1.2 智能小区介绍 智能小区是智能化建筑发展的一个分支，是对具有一定智能化程度住宅小区 的笼统称呼。它通过综合配置住宅区内的各功能子系统，以综合布线为基础，由 网络将在一定地域范围内的若干智能住宅连接起来，以实现园区内各种公共设施 智能管理的集合。它服务于社区的需要，提供安全、舒适、方便、节能、可持续 发展的生活环境。智能小区有三个重要组成部分，即注重未来对宽带数据剧烈增 长需求的接入传输网络，保证家居安全和自动化功能的家庭智能化网络终端以及 提供多元信息和园区公共物业管理的中心6-8。智能小区的构成如图 1.3 所示。 图 1.3 智能小区的构成 智能小区与智能化大楼相比，其基本目的是达到人与建筑及环境的共生共荣， 更注重于满足用户在安全性、居住环境的舒适性、便利的社区服务与社区管理、 具有增值应用效应的网络通信等方面的实现和个性化需求。 1.3 停车场管理技术的发展简介 综上所述可以看出无论是在智能大楼还是在智能小区以及广义的智能建筑范 畴中，现代社会汽车保有量的急剧上升使得停车场成为现代建筑的不可或缺的重 要部分，亦使停车场管理成为智能建筑的重要的功能构成，是智能建筑的重要组 成部分，从属于安防及物业管理系统或设备自动化系统。 1.3.1 停车场的种类 停车场的形式经历了从露天、平面、人工收费到地下、自动计费停车场到塔 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪 论 5 式、立体、智能取车、自动计费的发展历程。根据停车场位置的不同，停车场分 为地面停车场、地下停车场及专用停车塔（楼）及路边临时占道停车场。依据建 筑物类型的不同，又可分为市区公共建筑群大型停车场（如成都天府广场的地下 停车场） 、综合建筑楼专用停车场（如各类商场及办公楼专用停车场） 、办公区域 专用地面停车场（如校园停车场） 、住宅小区专用停车场及用于经营的专用停车 楼（塔） 。 1.3.2 停车场管理模式的发展 停车场的管理模式呈现出从人工管理到智能化管理的发展趋势9。传统的管 理方式采用人工管理的方式，车辆的进出、停放都由人工引导，计费也由人工计 费收取。自动化程度低，管理的随意性较大。 人类文明的发展进入信息时代，现代建筑的发展也进入智能建筑时代，计算 机技术、现代通信技术、网络互连技术、数据库技术、信息发布技术、智能信息 及其处理技术、自动化控制技术等关键技术都日臻成熟。特别是近年来 IC 卡技 术的广泛应用使得电子化、信息化、自动化、智能化管理停车场的实现技术也不 断改进和完善，成本逐渐降低，安全性及可靠性要求不断提升，因此全人工管理 停车场已难以适应时代的要求，对停车场实现自动化、智能化的管理与监控势在 必行。包括车辆出入工程的相关提示，停放服务的自动计费、车辆进出的自动化 监控联动、自动记录进出车辆的相关信息及历史数据等。一些专用停车塔（楼） 则智能化程度更高10。车辆入库只需取卡后定点等待，自动化传输设备自动完成 车辆的传送、托举、入库、计时及出库过程。整个停车场设备高度智能化，停取 车过程高度自动化，停车场空间利用效率更高。同时该类型停车场要求在建筑专 业化规划，停车场设备的专业化要求也相应更高。 1.4 课题研究的背景及意义 国内经济的持续发展，汽车进入家庭的进程持续发展使得社会汽车保有量持 续增长，对停车位的需求量剧增。因此停车场的建设已成为绝大多数建筑项目不 可或缺的一部分。现有的平面式停车场通常仅实现门禁管理，对停车用户的出入 权限进行管理，对停车用户停、取车的过程不做监控，则乱停放及盗车现象时有 发生11，针对停车场上述管理缺陷，本文就停车场的管理、监控流程进行改进， 力求改进停车场管理功能。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪 论 6 规划好新建及已建停车场的管理及监控系统将有利于规范车辆的停取车过程， 保证车辆在停取车过程的安全性，减少盗车现象的发生，提高停车空间的利用率， 缓解社会停车位紧张的供需矛盾12，充分发挥公共设施的社会效益。 1.5 课题研究的主要内容 本课题在充分调研智能建筑的相关技术含义、技术要求的基础上，对智能建 筑功能上的重要组成部分之一的停车场的建筑及管理模式进行分类分析，对停车 场的用户及其停取车的过程及动态进行分析，在此基础上力求对停车场的管理模 式及停车场管理、监控系统的功能加以改进，并由此提出了以 PLC 为现场控制器 的停车场监控系统。该系统在对停车场的车辆动、静态监控功能方面，在系统成 本有效控制的情况下得以显著增强。系统适用于各类型平面停车场的监控，并可 根据停车场用户类别的不同将系统功能模块化，是对目前通常停车场所采用的仅 实现出入门禁管理的监控功能模式的改进与完善。主要工作有： 1、研究了停车场及其控制系统在智能建筑中的作用及其自身管理模式的发 展、变化。 2、对典型停车场的管理及控制功能需求进行分析与研究，在此基础上提出 分区管理模式并模块化设计管理流程。 3、根据管理及控制功能需求，充分研究相关系统组件的工作原理及性能指 标，据此进行系统功能设计及硬件选型。 4、在选用 PLC 作为现场控制器的基础上，研究了 PLC 网络的构成技术及其 网络通信协议，采用 AS-I 现场总线技术构建现场设备的信号采集与传输系统； 选用自由口通信模式，在充分分析系统信息通讯需求基础上提炼通讯信息，自定 义 PLC 与 PC 机的通信协议。 5、研究了组态软件在控制系统中的应用并采用组态软件构建车位监控系统。 6、根据控制需求对 PLC 控制器的编程软硬件进行组态，并完成 PLC 控制程 的设计。 7、改进停车场车路控制系统功能并完成控制程序设计。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪 论 7 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 8 2 典型平面停车场控制需求分析 2.1 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(塔)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13： 1、市区公共建筑群大型停车场（如成都市天府广场地下停车场） ，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。 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。 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。 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。 。 5、专用停车楼（塔）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。 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典型停车场管理及监控 系统的功能规划及实施方案，并对其控制系统做详细设计。 2.2 典型平面停车场管理及控制需求分析 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 9 对停车场进行管理及控制需求分析是系统设计的基础，本节在分析典型停车 场基本情况的基础上分析该类型停车场的控制及管理需求。 2.2.1 停车场基本情况分析 在对停车场基本情况进行研究过程中由建筑设计单位提供图形资料的一种典 型的平面停车场在建筑形式上具有较好的代表性，图 2.1 是某住宅小区的地下停 车场的总平面图。 图 2.1 典型停车场总平面图 小区内以多层的跃层式住宅为主，同时亦有部份联体别墅及高层住宅。客户 群体定位为具有一定消费水平的成功人士。小区临街位置建有对外营业的大型商 务会馆及小型超市。小区采用智能化技术进行管理，其建筑智能化系统按乙级标 准设计。整个小区希望营造一种高品质、现代化的居住环境。为做到人车分流， 机动车平时不进入小区内部。受该小区的地形及功能分区限制，该停车场平面分 布特殊，交叉道口较多，故对停车场内的通道信号指示要求较高。 2.2.2 停车场功能分区及依据 根据建筑设计单位提供的小区基本情况及其停车场总平面图可知：该停车场 地形复杂，交叉道口较多，小区地面车辆禁止驶入。小区边界有对外营业的大型 商务会所及小型超市，为满足商务会馆及访客临时停车的需要，停车场采用小区 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 10 内外共用型管理系统，既设固定用户停车区域同时也设临时用户停车区域。根据 车库地形，将其车位分为 AE 共 5 个大区域进行编号管理，整个车库有 3 个双入 双出形车库出入口分别位于 A、C3、E 区，其中带出口区域 A 区距商务会馆最近， E 区次之。考虑到减少固定用户区域交通干涉，将 E 区划分为临时用户停车区域， 独立分区。其余 ABCD 区作为固定用户停车区域，可在 C3 区设置隔离带， A、B、C1 区从出入口 1 进出，C2、C3、D 区从出入口 3 进出车库，临时用户则 从出入口 2 进出车库。 停车场停车用户可细分为：小区住户自有车辆，可办理固定用户停车卡；小 区住户访客车辆，由于小区地面人车分流的要求，机动车不进入小区内部，需临 时停于停车场，可在临时用户停车区域取卡临时停车；小区对外营业之商务 会馆及小型超市顾客车辆，也可在临时用户停车区域取卡临时停车。 2.2.3 停车场车辆管理模式需求分析 根据不同类型建筑工程的管理标准及服务等级、对象的不同，停车场管理系 统常分为：大型停车场管理系统及一般小区内停车场管理系统。根据小区内停车 场的规模及服务对象又常分为：仅限小区内部使用的停车场管理系统，其应用范 围为小区内住户车辆的保安与管理，外部车辆被禁止入内。主要采用近距离或远 距离感应式 IC 卡实现门禁管理；小区内外共用型停车场管理系统，该类型停车 场同时允许小区内部及外来车辆进入，对小区内部住户停车采取定期租用车位管 理模式，对外来车辆临时停车采用计时收费管理模式。 本文所分析的典型停车场在建筑设计上出入口较多、车位分布便于分区、场 内交叉道口较多。由于上述特点的存在及前述分区情况，可结合上述两类停车场 管理模式综合运用。对固定用户及临时用户的停车进行明显的区域划分，固定用 户区不受理临时用户出入，采用近距或远距离 IC 卡实现门禁管理，同时采用车 位监控系统实施对车辆车位动态的过程监控，以便在异常情况发生时及时干预。 对临时停车区域的临时停车用户则采用临时性取卡停车、按时计费的管理模式。 对不同类型停车用户分区管理，采用不同的计费模式、不同的出入口控制、不同 的车辆、车位监控模式，便于硬件配备的区别，便于软件功能的模块化。同时有 利于提升对不同区域、不同类别停放车辆的监控力度，增强对车辆的安全管理， 防止盗车现象及固定车位乱停放现象的发生。 2.3 停车场管理及控制系统功能需求描述 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 11 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14。 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监控软件完成。主要包含功能有：自动 采集车辆出入车库与车位的状态；根据车辆出入库状态自动开、关道闸并自动开 启及关闭图像采集设备；采集车辆出入车位状态并结合车辆动态监控流程显示车 位状态；对临时车位则自动计数并能启动满位显示同时自动停止受理临时停车请 求。 2.4 车辆出入库自动化管理监控流程 在系统设计过程中必须先确定系统的工作流程，对系统设备的工作过程及动 作次序进行设计、描述。本文系统管理工作流程分为图 2.2 所示的临时用户出、 入库流程及图 2.3 所示的固定用户出、入库流程。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 12 (a)临时用户入库流程 (b)临时用户出库流程 图 2.2 临时用户监控管理流程 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 13 (a)固定用户入库流程 (b)固定用户出库流程 图 2.3 固定用户监控管理流程 2.5 停车场监控系统主要功能构成模块 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。本文重点介绍管理监控系统中现场设备的功能 设计、集成及其相关控制软件的设计。对管理中心软件的设计则不作介绍。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 14 2.5.1 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、摄（照）相机、控制器等设备组成。临时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，车辆通过车辆检测线圈后，控制器关闭道闸并记录入 库车辆数目，车位满时，入口指示牌显示“满位” ，不再发卡。固定用户系统采 用远距离 IC 卡，读卡后 PC 机与控制器通信，无效卡则控制器启动语音提示，有 效卡则控制器启动道闸放行车辆，检测线圈检测到车辆通过信息后，控制器关闭 道闸。同时向车位监控组态软件发送车位监控相关状态信息，车位监控系统监控 各卡号对应车位的车辆入库、停车过程及状态。在车辆到位后控制器与 PC 通信， 置位管理系统中相应卡号权限为准出不准入。 2.5.2 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。临时用户车辆出场时，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并通过显示牌显示费用，提示司机缴费，在收费 及图像比对无误后，管理人员按键开启道闸放行。车辆检测线圈检测到车辆离场 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。固定 用户取车须经人行入口进入停车场取车，系统在各区域人行入口处设置一定编号 的读卡器，PC 机与现场控制器通信，控制器依据读卡卡号与读卡器编号设定该 卡号相应车位为备取车状态，并于监控组态界面上显示对应卡号车位动态。车辆 出场时在出口道闸前读卡，若无效则系统语音提示，若有效则 PC 与控制器通信， 控制器启动道闸放行，检测线圈检测到车辆通过，控制器关闭道闸并与 PC 通信， 置位管理系统中相应卡号权限为准入不准出。 2.5.3 车位状态监控系统 在固定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 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 15 入权限管理，对车辆进入时的乱停放现象及盗车出场现象的监控不力15。在本文 系统设计中，利用现场控制器、组态监控界面、车位传感器构成车位状态监控系 统。车辆在入场与出场过程中对应卡号的车位车辆的占、空状态可实施监控，全 场车位的占、空状态亦可实时监控。 2.5.4 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。 2.6 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： 、管理及监控 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、 收费显示、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。 、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、监视 PC 机传送现场信息。 、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。读卡器读取与车 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。 、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 适当位置设置车辆检测器，通常采用红外探测器或金属地感线圈。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。 、摄相设备 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 16 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。 、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。 、车位传感器 在固定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，检测车辆到位及离位状态，以输出信号作为监控车辆、车位动态的基本信 息。常采用超声波车位传感器。 2.7 本章小结 本章在研究停车场管理模式基础上对典型停车场的管理、监控需求进行分析， 从而完成典型停车场的管理、监控流程设计及系统构成设计，确定了分类、分区 管理不同类型用户，对临时区域停车用户采用门禁结合图像信息的管理模式；对 固定用户区域停车则采用门禁结合车位监控系统，监控停、取车流程的管理模式。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 典型平面停车场控制需求分 析 17 河南城建学院本科毕业设计（论文） 停车场控制系统硬件系统选 型 18 3 停车场控制系统硬件系统选型 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，成为今天 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16,17。 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，一 旦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。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。 与通用计算机相比，尽管二者都采用了计算机系统，但 PLC 是专门为工业控 制而设计的，而通用计算机是专门为科学计算和数据处理设计的。因而他们在结 构上有很大差别，使用对象和使用环境也有所不同。PLC 使用专门的面向工业对 象的编程语言，使程序的编制和修改都非常方便。而通用计算机，它的输出信号 通常都需要数模转换并放大后才能驱动工业负载。它的抗干扰能力和工作的可靠 性远不如 PLC，也不适应工业现场的湿度、温度、噪声和振动。此外，通用计算 机的编程语言也比较复杂，需要专门的培训才能掌握。 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。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 河南城建学院本科毕业设计（论文） 停车场控制系统硬件系统选 型 19 径，成功率高，可靠性好，但成本较高。 综上所述，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。中型机 I/O 点数在 2561024 点之间， 其功能强，配置灵活，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 中临时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。 图 3.1 系统构成简图 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 河南城建学院本科毕业设计（论文） 停车场控制系统硬件系统选 型 20 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。 S7-200（CPU22X）PLC 支持 AS-i 现场总线系统18，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）19，一个 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。 3.2 PLC 的 I/O 模块选型 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 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20。采用 AS-i 现场总线系统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。 AS-i 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。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。 下图 3.2 是 AS-i 网络的最小组态示例。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 停车场控制系统硬件系统选 型 21 图 3.2 AS-i 网络最小组态示例 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。AS interface 网络由电源模块提 供直流电压。电源模块集成有数据解耦性能，可以通过同一根电缆同时传送数据 和电源。使用中继器或扩展器，AS interface 可正常工作在 300 米以内，否则只能 在 100 米内正常工作。每个 AS int