基于PLC的小区车辆进出管理系统设计

毕业设计（论文） 题 目基于PLC的小区车辆进出系统设计 系 （院） 自动化系 专 业电气工程与自动化 班 级2008级3班 学生姓名 学 号 指导教师 职 称讲 师 滨州学院本科毕业设计（论文） 1 二一二年六月二十日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。 据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二一二年 月 日 毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文） 的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学 校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制 手段保存设计（论文） ；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目 录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许 他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名: 滨州学院本科毕业设计（论文） 二一二年 月 日 滨州学院本科毕业设计（论文） 基于PLC的小区车辆进出系统设计 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 滨州学院本科毕业设计（论文） I The Design of Vehicle Access System Based on PLC Abstract With the rapid development of the economic and the decline in car prices, the ownership of private cars increased dramatically, and,there is no doubt that this will bring more work to residential traffic.This will often cause road jams. At this time with a traditional solution, such as Barrier and into the distance to identify the product will no doubt increase the clogging and to society caused by the notes of discord. With the development of computer and information technology, many intelligent devices come into the management of district ,is more efficiency than before .and many residential parking management system has some limitations. The vehicle detection system based on PLC cell vehicles entering and leaving through the IC card without stopping the automatic access. IC card uses advanced RFID radio frequency technology, when vehicles from entering the work area of the system, comparing the cars and release them by identification procedures. It can control the vehicle through PLC district control center and residential telephone access, improve efficiency and reduce the waiting time for visitors vehicles. Give full play to the intelligent management, so that residential vehicle access management would be more efficient. Keywords: PLC, vehicle management systems, automatic control 滨州学院本科毕业设计（论文） 目 录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 设计背景.1 1.2 设计原理.1 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计.2 2.1 系统主要研究内容.2 2.2 小区车辆进出系统的总体方案设计.2 2.2.1 车辆进出系统的方案规划.3 2.2.2 车辆进出系统设计.3 2.2.3 PLC 及其硬件选型.3 2.2.4 硬件调试和软件调试.4 第三章第三章 小区车辆进出管理系统硬件设计小区车辆进出管理系统硬件设计.5 3.1 管理系统.5 3.1.1 出入口管理系统.5 3.1.2 车辆识别系统.6 3.1.3 发卡系统.7 3.1.4 自动防砸系统.7 3.2 管理系统的主要设备.8 3.2.1 车辆图像识别器.8 3.2.2 出入口自动发卡器、回收器与读卡器.8 3.2.3 自动道闸.9 3.2.4 地感线圈.9 3.4 PLC 外部接线图设计分析.10 第四章第四章 软件设计软件设计.12 4.1 PLC 编程设计分析.12 4.1.1 长期用户卡运行方式的软件设计.12 滨州学院本科毕业设计（论文） i 4.1.2 临时卡运行方式的软件设计.12 4.1.3 报警信号的 PLC 编程.13 4.2 系统的整体梯形图.14 结论结论.16 参考文献参考文献.17 谢辞谢辞.18 滨州学院本科毕业设计（论文） 0 第一章 绪论 1.1 设计背景设计背景 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。 滨州学院本科毕业设计（论文） 1 第二章 系统总体方案设计 2.1 系统主要研究内容系统主要研究内容 （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小区车辆进出系统的总体方案设计 图图2.1 系统方案设计流程图系统方案设计流程图 车辆进出系统方案规划 车辆进出系统设计 PLC硬件选型 硬件设计软件设计 硬件调试软件调试 系统总体调试 滨州学院本科毕业设计（论文） 2 2.2.1 车辆进出系统的方案规划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 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。 2.2.3 PLC及其硬件选型及其硬件选型 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。 滨州学院本科毕业设计（论文） 3 小区车辆进出系统的PLC控制系统如图2.2所示： PLC自动道闸 车辆识别器 IC卡信息 住宅电话 蜂鸣器 图图2.2 系统控制图系统控制图 2.2.4 硬件调试和软件调试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。 滨州学院本科毕业设计（论文） 4 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 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： 业主车辆 读卡器 检测车辆信息 控制中心自动道闸 车辆放行 IC卡检测 N Y 图图3.1长期用户运行方式长期用户运行方式 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: 滨州学院本科毕业设计（论文） 5 访客车辆 住宅电话 通知 启动 自动道闸车辆识别器 发卡机 存储信息 允许进入小区 取卡 图图3.2 访客进入运行方式访客进入运行方式 3.1.2 车辆识别系统车辆识别系统 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 滨州学院本科毕业设计（论文） 6 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： 表表3.1读卡器的主要性能指标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（Radio Frequency Identification）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 滨州学院本科毕业设计（论文） 7 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 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。 滨州学院本科毕业设计（论文） 8 3.2.3 自动道闸自动道闸 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 P LC 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： 图图3.3 自动道闸电气原理图自动道闸电气原理图 3.2.4 地感线圈地感线圈 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 滨州学院本科毕业设计（论文） 9 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。 3.4 PLC外部接线图设计分析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： 表表3.1 PLC的的I/O分配表分配表 序号输入信号注释输出信号注释 1X0开门限位开关Y0自动道闸开启 2X1关门限位开关Y1自动道闸关闭 3X2发卡器无卡信号Y2开启识别器信号 4X3业主信息有效Y3开启发卡器信号 5X4信息对比相符Y4报警信号 6X5住宅电话控制 7X6开启回收读卡器 8X7地感线圈信号1 9X8地感线圈信号2 10X9红外探测器信号 滨州学院本科毕业设计（论文） 10 硬件接线图如图3.4所示： 图图3.4 PLC硬件接线图硬件接线图 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 COM 限位开关 限位开关 发卡器无 卡 信息有效 信息相符 电话控制 开启读卡器 地感线圈信号 地感线圈信号 红外线探 测器信号 COM 220V 380V Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 X0 X1 X7 X7 X7 道闸开启 道闸关闭 开启识别 器信号 开启读卡 器信号 报警信号 滨州学院本科毕业设计（论文） 11 第四章 软件设计 4.1 PLC编程设计分析编程设计分析 4.1.1 长期用户卡运行方式的软件设计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。 Y0 X3X0 图图4.1 业主进入小区运行方式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。 Y0 Y3 Y2 X5 X0 X2 X0 X5X0 图图4.2访客进入小区运行方式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 滨州学院本科毕业设计（论文） 12 行。 Y0 X4X0 Y0 图图4.3离开时运行方式离开时运行方式 4.1.3 报警信号的报警信号的PLC编程编程 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。 Y4 X7 X3X4X5 图图4.4报警信号的梯形图报警信号的梯形图 滨州学院本科毕业设计（论文） 13 4.2 系统的整体梯形图系统的整体梯形图 小区车辆进出系统梯形图如图4.5所示。 图图4.5 系统梯形图系统梯形图 滨州学院本科毕业设计（论文） 14 系统的PLC指令表如图4.6所示： 图图4.6 系统系统 PLCPLC 指令表指令表 滨州学院本科毕业设计（论文） 15 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