小区车辆进出智能管理系统设计毕业论文.doc

小区车辆进出智能管理系统设计毕业论文目 录1 绪论11.1 设计背景11.2 主要研究内容11.3小区车辆管理系统开发现状21.4 PLC的现状与发展趋势32 系统设计与规划52.1 系统方案设计52.2 指导思想62.3 设计原理82.4 RFID 技术发展的优势82.4.1RFID 技术发展存在的问题92.5 设计原则112.6 小区出入口车辆性质划分122.7 主要结构132.8 系统的基本功能133 车辆进出管理系统硬件设计163.1 PLC及其硬件选型163.2 PLC的基本结构与工作原理173.3 S7-200的组成原理213.4 硬件管理系统223.4.1 进出口管理系统233.4.2 远距离读卡系统243.4.3 远距离读卡系统特点253.4.4 发卡系统283.4.5 自动防砸系统283.5管理系统的主要设备293.5.1 出入口自动发卡器、回收器与读卡器293.5.2 自动道闸303.5.3 地感线圈323.6 PLC外部接线图设计分析323.7 PLC通信系统333.7.1 RS485接口电路图343.7.2 RS485接口电路常发生的故障353.7.3 RS485接口电路故障解决办法363.8 硬件调试和软件调试374 PLC编程软件设计384.1 长期用户卡运行方式的软件设计384.2 临时卡运行方式的软件设计384.3 报警信号的PLC编程39结 论40致 谢41参考文献421 绪论1.1 设计背景随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量的使用自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度的提高了生产效率，又进一步的促进了生产力快速发展，并不断的丰富着人们的生活。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。早期的自动控制系统是依靠继电-接触器来实现的，其特点是：结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，可以实现集中控制和远距离控制，但是其采用固定接线，通用性和灵活性差；又采用触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。1969年，出现了可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），其特点是：具备逻辑控制、定时、计数等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。目前，可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展，与计算机技术相结合，形成工业控制机系统、分布式控制系统DCS(Distributed Control System)、现场总线控制系统FCS(Field bus Control System)，这将使PLC的功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广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 主要研究内容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。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。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。本文是基于PLC的小区车辆进出系统设计，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。1.3小区车辆管理系统开发现状随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，汽车已经成为普及的交通工具，如何才能实现对汽车行之有效的管理成为一个难题，而使高效化、智能化的车辆管理系统进入大众化的小区是本课题的研究方向，主要通过智能化管理系统来实现，整个系统包括入口设备、出口设备、收银管理设备、图像对比设备和可选的车库指示设备。入口设备负责控制内部月卡车辆及临时车辆的进场，可实现无人值守；出口设备负责控制内部月卡车辆的出场；收银管理设备对临时车辆进行收费，并且可以用来发行月卡、设定收费标准或打印统计报表等；图像对比设备将每辆车的进出图像实时显示在管理计算机屏幕上，并保存在计算机内，方便将来查证；车库指示系统用于大型分区或分层停车场，可以在车场入口处实时显示各区或各层的车位使用情况。一个标准的智能化管理系统：是一种高性能、高稳定性的车辆管理与计费系统。主要用于既有固定月租车辆，又有临时车辆的收费型停车场。月租车辆用非接触感应卡管理，进出读卡，一卡一车，快捷、方便、安全，可与“一卡通”系统集成；临时车辆用一次性条形码纸票管理，一车一票，卫生安全、计费直观有效，且成本低廉。出口计费系统采用“傻瓜”式操作的POS收银系统，轻松应付大车流量；计算机管理软件为管理者提供实用详尽的监控管理功能，使管理人员不用理会系统硬件的具体操作，只是简单地设置或查询相关车辆数据即可。模块化的配置结构可适应各种现场安装环境，如：双车道、单车道、出入口分离、出入口一体等。先进的工作流程使系统各部分能够单独运行，可根据现场环境的可布线程度灵活的决定联网或脱机的工作方式，而系统的基本功能不受影响。使用PLC技术设计并应用的小区车辆进出管理系统目前的发展态势相当乐观，市场需求大，设备要求高，这很利于国内各企业的发展，大家共同努力设计制造出成本低、功能全、受广大使用者关注的新型小区车辆进出管理系统。本设计主要运用了西门子S7-200系列的PLC。1.4 PLC的现状与发展趋势工业控制计算机(简称工控机)是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，目前已成为工业控制的标准设备，被广泛地应用于各行各业，工控机是实现生产自动化的最佳配套产品，而工业可编程序控制器(PLC)则在工控领域中占有主要的地位。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 PLC的定义有许多种，从结构上，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 一、我国工业控制计算机的发展 20世纪40年代末50年代初，我国的流程工业规模很小，设备陈旧，必要的调节主要靠最简单的测量仪表由人工操作运行。50年代末60年代初，我国研制生产的传感器、变送器、调节器、执行器等，基本上能显示过程状态，实现调节意图，最终命令执行器完成对工艺流程的调节要求。70年代初，我国自行研制的工控机开始应用于工业过程控制，它部分地取代了原来控制室内的仪表。但由于受当时电子器件性能的限制，工控机本身的可靠性远不如现在，工控机带来的控制集中引起“危险”集中。70年代末，分散型控制系统(DCS)进入工控领域，解决了“危险”集中的问题，还解决了一些复杂的控制。DCS可建立通信网络，为大工厂生产带来许多方便，但其价格一直居高不下。80年代初，适应性较强的总线型工控机(STD)应运而生，STD总线技术的推广和应用，使工控机的功能更加强化。 二、工业可编程序控制器(PLC)发展趋势 PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世界PLC生产厂家约150家，生产300多个品种。2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。 PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的PLC具有PID调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但PLC也面临着其它行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面： 1、微型、小型PLC功能明显增强 很多有名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC。仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。 2、集成化发展趋势增强 由于控制内容的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展，PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以PC为基的控制产品增长率最快。PLC与PC集成，即将计算机、PLC及操作人员的人机接口结合在一起，使PLC能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC机为基的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。 3、向开放性转变 PLC曾存在严重的缺点，主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语言结构不一致，使各种PLC互不兼容。国际电工协会(IEC)在1992年颁布了IEC1131-3可编程序控制器的编程软件标准，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以PC为基、在windows平台下，符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的PLC正在规划中。 三、PLC主要厂家及产品介绍 在全球PLC制造商中，根据美国ARC调查，世界PLC领导厂家的五霸分别为siemens(西门子)公司、allen-bradley(a-b)公司、schneider(施耐德)公司、mitsubishi(三菱)公司、omrom(欧姆龙)公司，他们的销售额约占全球总销售额的三分之二。 我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产；中型PLC已有产品；大型PLC已开始研制。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，国内产品市场占有率不超过10%，主要生产单位有：苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、上海兰星电气有限公司、天津市自动化仪表厂、杭州通灵控制电脑公司、北京机械工业自动化所和江苏嘉华实业有限公司等。国内产品在价格上占有明显的优势。 随着微处理器、网络通信、人机界面技术的迅速发展，工业自动化技术日新月异，各种产品竞争激烈，新产品不断涌现。PLC也由最初的只能处理开关量而发展到可以处理模拟量和数据，加之与DCS、PID调节器、工业PC等技术相结合，使之不再是一种简单的控制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而发展生存下去。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2 系统设计与规划2.1 系统方案设计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，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。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。图2.1 系统方案设计流程图2.2 指导思想车辆出入管理系统作为一个典型的计算机网络应用系统，其方案设计应遵循实用、安全、先进、经济、可靠、可扩充原则，在确保系统性能有效、稳定可靠的基础上，考虑系统先进性的同时，在满足小区安全防范级别的要求前提下，尽量降低系统造价，以达到最佳的性能价格比。充分考虑用户实际需要和信息技术发展趋势，根据用户现场环境，设计选用功能和适合现场情况、符合用户要求的系统配置方案，通过严密、有机的组合，实现真正的资源共享。如图2.2所示为小区车辆进出控制流程图。初始化等待等待1#入口地感线圈1#出口地感线圈读卡读卡有卡？有效？有卡？临时卡道闸打开道闸打开2#出口地感线圈2#入口地感线圈道闸关闭道闸关闭结束控制器记录车辆信息长期卡？临时卡控制器比对车辆信息有车位？计数器自动加1计数器自动减1图2.2 小区车辆进出控制流程图2.3 设计原理小区车辆进出系统是基于PLC的控制系统。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，输入设备主要包含地感线圈、发卡系统和自动防砸系统等。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、远距离读卡系统、系统控制主机、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。2.4 RFID 技术发展的优势RFID 射频识别技术和传统的识别技术相比，特别是与现在主流的条形码技术进行比较，它具有以下七大优势： 1. 快速扫描 条形码一次只能扫描一个条形码；而RFID 射频识别技术支持批量处理，RFID 阅读器可以同时处理200 个以上的标签。 2. 体积小型化、形状多样化 RFID 在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID 标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。 3. 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID 对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；RFID 标签是将数据保存在芯片中，因此可以免受污损。 4. 可重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID 标签则可以重复地新增、修改、删除RFID 卷标内存储的数据，方便信息的更新。 5. 穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，RFID 能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质， 并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下， 才可以辨读条形码。 6. 数据的记忆容量大 一维条形码的容量是50Bytes，二维条形码最大的容量可存储2000 至3000Bytes，RFID 最大的容量则有数MB。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对标签所能扩充容量的需求也相应增加。 7. 安全性 由于RFID 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及编造。近年来，RFID 因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。它不仅可以帮助一个企业大幅提高货物、信息管理的效率，还可以让销售企业和制造企业互联，从而更加准确地接受反馈信息，控制需求信息，优化整个供应链。 2.4.1RFID 技术发展存在的问题RFID 技术的优势是毋庸置疑的，并且已经有不少企业在使用这项技术，但是在应用过程中依然存在一些瓶颈问题。（1）技术不成熟RFID 是个充满希望的行业，但它的推广需要下面每一步的坚定与成熟：标准的制订、芯片设计与制造技术、天线设计与制造技术、芯片封装技术、读写设备开发与生产技术、系统集成和数据管理软件平台、应用系统开发等。最具潜力的UHF 频段市场上能支持的设备并不多，射频识别讯号容易被物体所阻断，这些都是技术上的挑战。（2）成本居高不下仅 RFID 标签一项的成本就达到十几元人民币，而条形码标签的单位成本只有2 美分。目前全球RFID 标签的年需求量大约是1000 万片，而只有需求量超过50 亿片后，价格才能降到2 美分。沃尔玛的RFID 技术合作商Tag-istics 公司总裁克里斯多夫介绍说，一套RFID 系统在美国定价（包括项目实施）一般在250 万美元左右，大型系统还要高得多。中铁快运这几年不断测试RFID 系统的效果，并将其小范围试点， 最终发现投入太大，作为一个企业无法单独承担这部分的投入。中铁快运一位负责人抱怨，从北京到上海，一个10 万件货物总体运输应用RFID 的解决方案的投资要超过1 千万，这是极不划算的。（3）RFID 标签识别率不够由于金属和液体对空间电磁波的吸收，使得RFID 在这类商品上的识别遇到困难。哪怕是99.99%的识别率，都不会有任何一家商场或超市贸然引入RFID 系统。提高RFID 标签的识别率，成为技术上需要解决的紧迫问题。目前国外在提高识别率方面做了许多努力，提出了无芯片标签技术，声表面波（SAW）技术，纳米技术，基因技术和导电墨水技术。某些技术已经从实验上证实可以在特定应用领域提高识别率， 但仍未达到100%的识别率。也有其他厂商提出从工程上来提高RFID 系统的识别率， 比如不同的应用采用不同频段的标签，比如多次读取RFID 标签等。在技术上存在缺陷时，工程上的解决方案可以很大程度上提高系统识别率。（4）数据安全性有待增强RFID 产业化受阻的另一个因素是欧美国家人们对安全性及个人隐私的考虑。目前的RFID 技术要想在对信息有保密要求的领域展开应用还存在一定障碍，因为当前广泛使用的无源RFID 系统并没有可靠安全机制，无法对数据进行很好的保姆。如果电子标签中的信息被窃取，复制并被非法使用的话，将会带来无法估量的损失。解决安全性的途径是设计更复杂的微处理器以及更大容量的内存，这样就可以进行更复杂的加密算法以防止数据的非法窃取。如何在不增加太多成本的同时提高电子标签的安全性是一个有待进一步研究的问题。同时，RFID 的使用受到了许多人权组织和个人的反对，他们示威甚至试图通过制订法律来阻止RFID 产品的使用。目前各大RFID 厂商正努力寻找解决之道，他们希望通过使电子标签在商品销售到消费者手中后自动失效或者通过增加加密手段来保护个人隐私。Inside Contactless 公司推出的RFID 芯片加入了加密算法，这些加密算法中，简单的采用普通的逻辑电路实现，复杂的则通过嵌入式的RISC 微处理器来完成。加入了微处理器的RFID 芯片，片内还加入了RAM 和ROM。这些措施保证了标签芯片能够与阅读器进行多重认证，实现复杂的加密算法。（5）没有统一的RFID 标准标准化是广泛获得市场接受的必要措施，但RFID 读写器与标签的技术仍未见统一，不同制造商所使用的通讯协议、运作的频率、存储数据的格式等均不相同。两大现有标准日本UID 和欧美的EPC 采用的频率不同。标准不一，将影响RFID 的市场前景和应用范围。为此，解决标准不统一的措施来自两个层面，一方面要尽快制定统一的标准；另一方面在不损害既得利益集团利益的前提下，可以开展多协议、多频点读写器的研究和开发。2.5 设计原则本系统设计应以多用途、易扩展、简捷实用为目标，以小区进出车辆功能需求为主设计。同时设计过程应遵循以下原则：(1)实用性当今科技发展迅速，技术和产品可谓层出不穷，工程中选用的系统和产品都应能使用户得到实实在在的受益，并满足近期使用和远期发展的需要。在多种实现途径中，选择最经济可行的途径。（2）先进性系统的设计和产品选用在投入使用时应具有一定的技术先进性，但不盲目追求尚不成熟的新技术或不实用的新功能，以充分保护用户的投资。（3）可靠性系统的设计应具有较高的可靠性，在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备迅速恢复的功能。（4）可行性以现有成熟的产品为对象设计，同时还考虑到环境的现状和技术的发展趋势，并考虑用户管理的要求，使设计的方案现实可行。（5）安全性采取必要的措施保障各系统数据的安全。设计充分考虑到防盗和防止人为破坏。（6）易操作性系统是面向各种管理层次使用的系统，系统及其功能的配置以能给用户提供舒适、安全、方便、快捷为准则，其操作应简便易学，而绝不能因“智能”而给用户带来不便，甚至烦恼。（7）针对性系统的设置并非千篇一律的，而应根据工程的实际情况，如工程规模、配套设施、市场定位、用户对象、管理要求、规划及平面布局等等因素，作出有针对性的设计。（8）可扩充性系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。总之，从设计上来说，主要考虑到：1、经济、实用；2、物业管理便利；3、用户使用便利；4、提升整个建筑群形象；5、保护建筑群和周边环境，如减少车辆不必要的行驶，从而减少废气排放、噪音污染等；2.6 小区出入口车辆性质划分将可能的进出车辆的性质进行了统计，大致分类如下：用户性质具体分类备注固定停车用户开发商和物业管理公司自用车辆住户或者是租户的车辆临时停车用户来访的外来车辆包括到物业管理部门办事的车辆因到周边场所办事而须停车车辆特种车辆包括垃圾车、消防车、警车等等由以上分析，我们可以知道固定停车用户和临时停车用户的特性如下：固定停车用户特性：这些车辆一般每天都需要在小区内停车，并且进出次数会比较频繁或停车时间比较长；而且其变动性不会太大，我们称这类停车用户为固定停车用户。临时停车用户特性：这些车辆的性质决定了他们来得次数不会多，可能是偶尔来一次，而且每次停车的时间不会太长，因此统称为临时停车用户。2.7 主要结构机箱：结构坚实牢固，做防雨水、防振动和喷溅水保护，可用特制钥匙方便地打开道闸机箱门，方便对道闸的安装及日后的维护，特别设计一套卸荷装置，以防止外力损坏，色彩鲜明的国际标准化外形设计，具有较强的警示作用。电动机：采用合资智能道闸专用直流电动机，具备开、关、停控制功能，另外还具备电机转速输出功能，便于控制系统对电机的运转情况加以检测和监控，同时根据力学平衡原理，闸杆在水平垂直状态变化过程中，力矩的变化曲线，设计平衡弹簧的平衡力矩。平衡力臂相应变化。确保了闸杆在任意状态，保持平衡电机最轻负荷，负载电流平稳，增加了电机使用寿命。传动部分：根据力学平衡原理，闸杆在水平垂直状态变化过程中，力矩的变化曲线，设计平衡弹簧的平衡力矩。平衡力臂相应变化。确保了闸杆在任意状态，保持平衡电机最轻负荷，负载电流平稳，增加了电机使用寿命。离合器：电动和手动两种工作方式，将电动机的驱动减速，从而驱动传动机构，在停电时，方便采用摇杆控制闸杆的起落。电子控制部分：以限位开关定位控制，全电路采用无触点控制，具备多种接口控制方式，按钮开关、红外或无线遥控、电脑监控，以弱电控制强电，内置微电脑处理芯片，具备智能逻辑控制处理功能。2.8 系统的基本功能固定车辆全自动化管理，临时车辆半自动化管理，减少车辆通行时间，为车主争取时间，智能化管理。智能自动道闸安装在小区大门的出入口处，由箱体、电动机、离合器、机械传动部分、栏杆、电子控制等部分组成，集磁、电、机械控制于一体的机电一体化。、特别设计双重自锁，外力不能改变闸杆的停止位置卸荷装置，以防止外力损坏。、具有软启动功能及过流、过热保护，有效保护道闸的核心部位电机的正常运转。、增设紧急手动装置，以防止意外事件的发生，全部自动化装置安全、有效。、减少工作人员，效率高。、特别设计一套平衡机构，确保运行轻快、平稳、输入功率小。、可与警方报警系统联动运行，有效打击违法车辆，协助社会治安管理。、有防抬杆、全卸荷、光电控制、带准确平衡系统的高品质挡车道闸。、色彩鲜明的国际标准化外形设计，较强的警示作用。、砸车装置可保证无论是进场车辆或发生倒车的车辆，只要在闸杆下停留，闸杆就不会落下，安全可靠。系统总体设计如图2.3所示图2.3系统总体图Fig 2.3 The overall system diagram1）全自动挡车道闸、特别设计一套卸荷装置，以防止外力损坏；、行程控制机械行程开关，车辆进出全智能逻辑自锁控制，严密控制持卡者进、出场的行为符合“一卡一车”的要求。、特别设计一套平衡机构，确保运行轻快、平稳、输入功率小；、增设紧急手动装置，以防止意外事件的发生；、增设一套防砸车控制系统，全电路无触点控制系统，确保车辆安全；2）电脑负责整个系统的控制和管理。采用工控机，性能稳定，容易扩容。大容量内存和超大容量硬盘，使系统数据储存量达3年以上，采用Intel CPU 2.0GHZ 以上，使系统快速处理数据。3 车辆进出管理系统硬件设计3.1 PLC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。1.可编程序控制器物理结构的选择根据物理结构，可以讲可编程序控制器分为整体式和结构式，整体式每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，小型控制系统一般使用整体式的PLC。模块式的PLC的功能扩展比较方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块等的选择，比整体式PLC灵活得多。模块式还备有多种特殊I/O模块供用户选择，可以完成各种特殊的控制任务，在判断故障范围和维修是更换模块等也很方便。因此，比较复杂的、要求较高的系统一般采用模块式的PLC。系统如有模拟量闭环控制、快速响应、高速计数、通信联网和运动控制特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的PLC，也可以选用内置相应功能的整体式PLC。2PLC指令表指令功能的选择现代的PLC的指令功能越来越强，内部编程元件（如辅助继电器、定时器和计时器）是个数越来越多，任何一种PLC都可以满足开关量控制系统的要求。如果系统要求完成模拟量与数字量的转换、PID闭环控制、运动控制等工作，PLC应有算数运算、数据传送等功能，有时甚至要求有开平方、对数运算和浮点运算等功能。S7系列的PLC提高提供了丰富的接口模块，可以根据系统的具体情况选用满足的模块。数字量扩展模块是为了解决本机集成的数字量输入输出点不能满足需要而使用的扩展模块。S7-200 PLC目前总共可以提供大类，共种数字量输入输出模块；模拟量扩展模块提供了模拟量输入和模拟量输出功能。S7-200的模拟量扩展模块具有较大的适应性、可以直接与传感器相连，有很大的灵活性并且安装方便；S7-200系列PLC除了CPU226本机集成了二个通讯口以外，其它均在其内部集成了一个通讯口，通讯口采用了RS-485总线。除此以外各PLC还可以接入通讯模块，以扩大其接口的数量和联网能力；S7-200 PLC的配置就是由S7-200 CPU和这些扩展模块构成的。3PLC的I/O点数的确定确定I/O点数时，应该准确地计算出被控制设备对PLC输入或者输出点数的总需求，在此基础上，应留有10%-20%的裕量，以备今后对系统改进和扩充时使用。整体式PLC的基本单元、扩充单元的输入和输出点数的比例是固定的，如与系统要求的输入或输出点数的比例较大，可选择只有输入点数的扩展单元或扩展模块。 3.2 PLC的基本结构与工作原理可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。PLC与传统的继电器逻辑相比：1、可靠性高、逻辑功能强、体积小。2、在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC 无需增加硬设备。3、随着要求的变更PLC对程序修改方便。继电器线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，灵活性差。4、具有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。PLC与工业控制计算机相比：1、PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。 2、PLC一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，各厂家的产品不通用。工业控制机是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。它在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。 3、PLC的运行方式与工业控制机不同，微机的许多软件不能直接使用。工业控制机可使用通用微机的各种编程语言，对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。 PLC结构：1、 中央处理单元(CPU)：中央处理单元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。图3.1 PLC的基本结构Fig. 3.1 Basic structure of PLC2、存储器：可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。3输入接口电路：输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。4输出接口电路：可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。5电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。与微机等待命令的工作方式不同，PLC采用循环扫描的工作方式，CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期主要分为三个阶段：输入刷新阶段 ：在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。程序执行阶段：在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。输出刷新阶段 ：当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。用户输出设备输入端子输入锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读读输入刷新 程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新图3.2PLC的工作原理Fig3.2 The working principle of PLC由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为IO刷新阶段。实际上，除了执行程序和IO刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。一般在程序执行后进行。扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应注意。S7-200 PLC系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。S7-200除具有PLC基本的控制功能外，更在如下方面具有独到之处。1.功能强大的指令集指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、PID指令、字符串指令、时钟指令，以及和智能模块配合的专用指令等。2.丰富强大的通讯功能S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过PROFIBUS-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。在联网需要已日益成为必需的今天，强大的通讯无疑会使S7-200为更多的用户服务。可以说，S7-200的通讯功能已经远远超过了小型PLC的整体通讯水平。3.编程软件的易用性Step7-Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境。全中文的界面、中文的在线帮助信息、Windows的界面网络以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。3.3 S7-200的组成原理S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一种小型PLC。它以紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格，已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器11。S7-200 PLC包含了一个单独的S7-200 CPU和各种可选择的扩展模块，可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点上到几百点。S7-200 PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模更大的工程。S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN32可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控，使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。S7-200有四种CPU，其性能差异很大。这些性能直接影响到PLC的控制规模和PLC系统的配置。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种。档次最低的是CPU221，其数字量输入点数有点，数字量输出点数有点，是控制规模最小的PLC。档次最高的应属CPU226，CPU226集成了24点输入16点输出，共有40个数字量I/O。可连接个扩展模块，最大扩展至248点数字量I/O点或35路模拟量I/O。S7-200系列PLC四种CPU的外部结构大体相同，见图1.3。状态指示灯LED显示CPU所处的工作状态指示。存储卡接口可以扦入存储卡。通讯接口可以连接RS-485总线的通讯电缆。图3.3Fig顶部端子盖下边为输出端子和PLC供电电源端子。输出端子的运行状态可以由顶部端子盖下方一排指示灯显示，ON状态对应的指示灯亮。底部端子盖下边为输入端子和传感器电源端子。输入端子的运行状态可以由底部端子盖上方一排指示灯显示，ON状态对应的指示灯亮。前盖下面有运行、停止开关和接口摸块插座。将开关拨向停止位置时，可编程序控制器处于停止状态，此时可以对其编写程序。将开关拨向运行位置时，可编程序控制器处于运行状态，此时不能对其编写程序。将开关拨向监控状态，可以运行程序，同时还可以监视程序运行的状态。接口插座用于连接扩展模块实现I/O扩展。3.4 硬件管理系统硬件管理系统部分主要包括：进出口管理系统、远距离读卡系统、IC卡发卡系统、自动防砸系统5等。各部分的设计如下所述。3.4.1 进出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3.4所示：图3.4长期用户运行方式Figure 3.4 long-term users operation mode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3.5所示:图3.5 访客进入运行方式Fig. 3.5 the visitor enters operation mode3.4.2 远距离读卡系统远距离定向读卡器结合了红外与射频通讯特点，互补两个不同频率通道的工作优势，相互进行信息传递。射频是一个无方向的电磁波，难以准确定向，但通讯速度快；而红外具有严格的角度定位，但通讯速度慢；在停车场实际应用中选用某一个通道通讯难以达到理想的使用要求。读卡器发射60度红外扫描信号，红外信号是经过加密的数据，包含了唤醒编码、机器编码信息；当休眠中的远距离卡进入读卡器发送的红外信号范围时，立即被唤醒工作，发射射频电磁波发送远距离卡内码，在发送卡内码的同时也将读卡器机器码附带传递给读卡器；读卡器接收到卡号后首先对机器码验证，与该机身码相符的为有效卡直接上传给上位机，与该机器码不符的直接删除，避免了临近车道和跟车的串号干扰。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。休眠中的远距离卡红外信号扫描范围远距离读卡器图3.6远距离读卡系统原理图Fig. 3.6 long-distance card reader system principle diagram读卡器与支架之间倾斜角度为20度左右读卡器正面向车辆行驶倾斜30度左右图3.7远距离读卡系统安装图Fig. 3.7 long-distance card reader system installation diagram3.4.3 远距离读卡系统特点穿透性：可穿透任何金属汽车防爆膜，远距离卡放置到车内，无需摇窗户可自动识别感应；方向性：采用红外定位射频传输双通道模式方式工作，具有严格的方向性和稳定性，读卡区60度以外绝不读卡；稳定性：应用多种环境传感技术，使其可根据环境的需要自动调节信号参数；适应性：具有多种工作模式，可根据应用环境的不同选择相应的工作模式如：室外工作模式（适用于露天停车场和ETC系统）、室内工作模式（适用于地下停车场）等；抗干扰：综合了机身码设别技术、一机拖多技术、码分多址等技术具有良好的抗干扰性（即使两读卡器紧挨着，只要红外区不迭加就不会造成干扰）；环保性：读卡时无电磁辐射，所以对人体不会造成任何伤害；耐寒性： 严寒气候工作时，读卡器利用红外自动补温，读卡信号不受气候变化而衰减；兼容性：具备多种数据传输格式，全面兼容国内现有的控制器系统；维护