公路货车称重收费系统

公路货车称重收费系统摘要随着我国经济的迅猛发展，我国的交通道路的数量也飞快的升高。近年来我国公路的数目的逐年累加，使得公路交通变得格外方便，伴随着公路运营的方面也在逐年增加，带动了周边经的增长，带来了财富。但是随之而来的问题也在不断地增加，尤其是日渐突出的公路超限超载问题。货车的超载严重的破坏了公路的路面、增加交通事故的数量，同时交通部门还要耗费巨资修理路面。甚至近几年多起塌桥事故也与货车超限超载有着密不可分的关系。同时，当前许多高速公路一级一二级公路都开始实施了货车称重计费。近年来，称重计费这种收费方的开始，越来越多的货车司机开始关注称重设备的准确性。本论文首先讲述了称重计费系统的发展现状，继而简单地描述了系统硬件平台的选型及搭建。本系统的软件设计使用组态KingView6.53作为开发平台，使用GXWorks2模拟PLC系统。使用KingView6.53在硬件平台的基础上完成了对部分硬件的控制、数据的采集与处理和通讯等功能。PLC与PC构成公路货车称重计费系统当有车辆通过称重系统时，系统的称重传感器感受到压力，将重量传送给PLC系统，PLC接收压力传感器的传来的压力信息，电子屏幕会显示货车的重量以及所缴纳的费用。关键字：货车超载称重计费PLCKingView6.53HighwayTruckWeighingChargingCystemAbstractWiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,thenumberofroadtrafficinChinaisalsorisingrapidly.Inrecentyears,thenumberofhighwayinChinahasincreasedyearbyyear,makingtheroadtraffichasbecomeparticularlyconvenient,alongwiththehighwayoperationisalsoincreasingyearbyyear,ledthesurroundingbythegrowth,broughtwealth.Buttheattendantproblemsarealsoincreasing,especiallyintheincreasinglyprominentroadoverrunproblem.Theoverloadofthetruckseriouslydamagedtheroadsurface,increasedthenumberoftrafficaccidents,whilethetransportsectoralsospenthugesumsofmoneytorepairtheroad.Eveninrecentyears,morethancollapseoftheaccidentisalsooverloadedwiththetruckhasacloserelationship.Atthesametime,manyofthecurrenthighwayleveloneortworoadshavebeguntoimplementthetruckweighingbilling.Inrecentyears,weighingthebeginningofsuchcharges,moreandmoretruckdriversbegantopayattentiontotheaccuracyofweighingequipment.Thispaperfirstdescribesthedevelopmentoftheweighingbillingsystem,andthenbrieflydescribesthesystemhardwareplatformselectionandbuild.ThesystemsoftwaredesignusingKingView6.53asadevelopmentplatform,theuseofGXWorks2simulationPLCsystem.TheuseofKingView6.53onthebasisofthehardwareplatformtocompletethecontrolofsomehardware,datacollectionandprocessingandcommunicationfunctions.PLCandPCconstitutetheroadtruckweighingbillingsystemWhenthevehiclethroughtheweighingsystem,thesystem'sloadcellfeelthepressure,theweightsenttothePLCsystem,PLCtoreceivepressureinformationfromthepressuresensor,theelectronicscreenwillShowtheweightofthetruckandthefeespaid.KeyWords:TruckOverloadWeightedchargesPLCKingView6.53目录第一章绪论………1课题研究背景………1课题研究意义………2国内外研究现状………3国内研究现状………3国外研究现状………4论文主要研究内容………5第二章公路货车称重计费系统的整体设计………6称重计费需求分析………6称重收费的要求………6方案设计………6基于单片机设计………6基于PLC设计7方案选择………8第三章公路货车称重计费系统硬件设计………9公路货车称重计费系统硬件总体设计………9中央控制单元电脑选型………9称重计费系统通讯接口设计………10称重计费系统PLC选型11称重传感器设计………13电源设计………14第四章公路火车称重计费系统软件设计………15整体设计………15软件功能需求………15软件总体设计………15软件结构………16下位机程序设计………21PLC测量压力程序21费用生成及缴费程序………22栏杆机程序………22系统清零………23上位机程序设计………23屏幕显示区域………23操作区域………25报表功能………27第五章总结与展望………28参考文献：………29致谢………31第一章绪论课题研究背景在1988年，我国第一条高速公路——嘉沪高速公路成功建成，从此以后，我国高速公路的发展就一发而不可收拾。一直到2016年年底，我国公路总长度达到469,630,000千米，其中高速公路达到131,000千米，许多基础设施例如公路这种的发展对我国经济的建设起到了主导作用，拉动了内需，创造了大量的就业机会，增加了公路运营的数量，并且带动了公路周边地区的发展，交通运输业得到了极大地进步发展。但是我国公路的飞快发展也导致了一系列问题的产生，高速公路的过快发展使高速公路的运营与治理设施系统的分离，随着我国经济的迅速发展，我国拥有车辆的家庭也越来越多。据调查，我国车辆的数量以每年15%的速度增加，私人家庭车辆也越来越多；此外，我国高速公路在通车3-5年后就出现一系列的问题，如公路货车超限超载，我国公路交通安全的问题依然很严峻。目前，对公路的车辆进行有效的监控，对公路设施进行严格的管理，合理的安排公路的车流量，及时疏散拥堵的车道，这些措施都能够很好的对货车的超限超载问题起到很好的作用。课题研究意义本课题主要研究货车的静态称重。静态称重，从表面的意思来看便是需要在车辆稳定的情况下进行称重，静态称重的结果精度很高。最开始，基本上所有的超限检测站都是根据车辆车型的不同和车辆通过该收费站的次数对检测车辆进行收费；而高速公路上的收费站主要收费规则是根据车辆车型和在高速公路上行驶的路程对车辆进行收费。尽管这种形式的的收费已经因袭多年，但这种收费方式是不够科学的。正是因为以前这种按车型收费，一些驾驶员为了减少自己缴纳的费用，通常会改变自己的车型，对自己的车辆进行改装、改型，以求蒙混过关，欺骗工作人员，这些都是因为不同车型收取的费用总是差别很大，这些问题不仅给在收费站的工作的职员们带来了相当大的工作麻烦，也极大地提高了驾驶员与工作人员产生争执，甚至大打出手的可能，不仅如此，这样的“怪车”也会给公路带来极大地安全隐患。近年来，越来越多的省份纷纷称重计费的方式代替原来的按车型收费。称重计费的基本思想是“标准车型、标准装载、标准收费；标准车型、超额装载、超额收费”，而称重计费就是按照这种基本思想来实施的，而这种收费方式极大地体现了收费方式的公平性、合理性。这种新型的收费方式有许多优点：社会各界容易接受车辆的载货量多收费就多，车辆的载货量少收费就少，对部分超载运输的的车辆加大收费力度甚至进行相应的触发，这样既使那些遵法的驾驶员的利益得到了保护，也能够尽最大的努力来组织车辆超限超载运输。杜绝征费人员死守票款，保持廉洁称重计费系统的有一个很大的特点就是产品智能化，这就能够极大地减少驾驶员与工作人员的接触，正是因为监控摄像头能够将整个执法过程记录下来，工作人员不可能再对熟人网开一面或是收受贿赂，有效的提高了工作效率，减少工作人员的劳动量，从而保障了道路的畅通。大幅降低管理难度称重计费系统通常都会安装一些现代化、智能化产品，例如监控摄像头、语音提示系统等，语音提示系统会提示驾驶员所应缴纳的费用，而监控摄像头则会将整个收费过程记录下来，这使得收费的整个过程方式明确、简单明了，从而有效的阻断了驾驶员与工作人员扯皮耍赖的可能，使得收费站的工作效率得以升高，从而保障了道路的安全畅通，并且也可以缓解该道路的交通压力。延长公路的使用年限将传统的按车型收费的方式改为按称重计费后，那些为了获取更多利益而严重超载的驾驶员大大减少。如此，由于那些严重超限超载的车辆行驶过后而严重损坏的公路路面便可以大大的减少。与此同时，这种称重计费的方式使得超限超载的车辆慢慢消失，很好的保障了公路交通的安全性。路政部门还可以将从超限超载车辆所收缴的罚款用于公路的建设和维护中，进一步加强我国的公路交通建立。体现了社会的公平性这种称重计费的收费方式很好地保护了那些遵纪守法按国家规定合理载货货的驾驶员，使得一些心存侥幸打算蒙混过关的违法者不但捞不到一丝便宜，还会受到相应的惩罚，同时，也很好的阻断了公路交通运输业市场的许多的不良现象，自此那些“大吨小标”的“怪车”将永久消失，也使得社会的就业率极大地提高，使得人民体会到了一个公平公正的法治社会，有利于社会和国家的和平稳定发展。国内外研究现状国内研究现状20世纪90年代，我国开始关注动态称重技术，并着手研究。在起始阶段，主要学习和借鉴国外领先的动态称重的理论和产品。然后取其精华，去其糟粕，根据中国特色的社会主义国情，成功的建立了动态称重技术。近年来，我国的科技力量和经济实力的稳步提升，随着当今社会越来越高的物质需求，我国自主研发的动态系统已大量投入使用，特别是在公路自动化称重计费领域。当今，在一些矿区较多的省份，超限超载超速的车辆仍然屡见不鲜，相当严重，管理起来也比较棘手，因此国家为了应对超载现象也制定了一系列的法律法规来约束这种现象，国内的科研机构对车辆的称重系统的研究也未曾中断。此中代表性产品为“八五”时期，有交通部重庆科学研究所成功地开发了动态车辆称重系统，该系统是一种顽固固定式的动态车辆称重系统，可同时衡量1-4个车道，轴重误差小于±10%,置信度为95%。而在目前，国内研究车辆动态称重系统主要技术人员大多分布在高校，生产车辆动态称重设备的企业也比较多，主要的有北京万集、重庆华驰等公司。但是由于我国关于动态称重研究起步较晚，对称重过程当中的各种各样的干扰未做到深刻的理解和剖析，动态检测信号的算法处理相对简单，使其检测到的结果精度偏低，平均误差正常在±5%-±30%之间。尽管我国的动态称重技术的发展进步相当的快，但是和世界先进国家相比，我们仍然有许多不足之处，称重的准确精度，称重系统的成本等方面都是我国仍然要攻克的难关。如何降低成本，如何提高效率，如何提高准确率，如何降低动态称重系统的成本，这些都是我国技术人员未来研发技术首要考虑的因素。国外研究现状对公路超限超载问题的治理是一个全球性的话题，世界上许多发达的国家都有自己一套独立的治理办法。西欧、泰西、日本和加拿大早在20世纪50年代就已经着手研究了车辆超限超载方面的研究，创建了严厉的司法，其普遍选用静态和动态称重系统对车辆进行相关检测。在德国，德国联邦交通运输局有一个管理部门，专门用来来治理超限运输车辆，德国一共有11,000千米高等级公路，仅仅在这些高等级公路中就设有700多个检测站，这些检测站对来往的车辆进行实时检查。日本更则加看中从源头上对超限超载车辆进行通知，对车辆设计有严格的额定载荷标准，从结构上来看，让驾驶员无法对车辆进行改装来增加车辆的运输车辆的臣在能量。1968年，非洲南部国家的科技人员经过努力终于优先获得了传感器的设计开发专利，这种传感器是一种基于电容式的传感器。同时，在西德的PAT公司，他们研究了一种新的技术--平板式车辆动态称重系统。在1970年左右，法国的一家公司也获取了一种专利权名叫WIM的系统。20世纪80年代的中期，美国和英国各有一家公司，分别为Streetre和GoldenRiver，这两家公司的技术人员选用了先进的电子技术，极大地提高了称重系统性能。Vibracoax是一种WIM系统，1983年，法国第一次将这种系统投入使用。同一时间，美国所有的公路检测站中，有50%的地方都安装了这种WIM系统。1988年，新型的称重压电传感器Venetek5在英国诞生，其性能明显优于法国的Vibracoax，其后几年又对其改进Vebetek20。1990年，“国际交通数据采集会议”在美国举办，其中西德研制开发的平板式传感器一举成名，成为了当时具有代表性的世界领先技术。1992年，欧盟公路运输委员会（ECTD）提供的一套新的程序框架，欧盟国家按照这套程序框架制定了COST323计划，这项计划的主要研究内容研究车辆动态的实际应用问题研究。其中在瑞士有一项最关键的实验，就是近三年的WIM系统的现实使用检测。1994年，欧盟又开始了一项新的计划，这个计划叫做WAVE，为期一年，这项计划选择在冬天极其寒冷的的瑞典冬天进行产品的运行检验与测试系统，这就是著名的CET实验。2000年，在美国的ITS公司年会上，MSI公司成功的研制出了的共聚物压电轴新式传感器，并在本次年会上进行了展出，这种传感器可以对车辆的总重、轴重、轴数和车速进行动态测量。论文主要研究内容本文设计的称重计费系统使用静态称重的方式对车辆进行检测，不仅大大提高了称重结果的精度，还提高了工作人员的工作效率，同时减少了工作人员的劳动量。第一章主要讲述了称重计费系统的研究背和发展现状，阐述了研究本课题的意义，最后介绍了需要使用的相关行业规范。第二章主要讲述了称重计费系统的整体设计以及硬件的方案设计。第三章主要是讲述了系统的硬件总体设计以及硬件选型，根据本课题的设计要求对硬件进行选型，主要由中央控制单元、通讯接口、PLC和称重传感器等部分组成。第四章主要讲述称重计费系统软件所需要的相关技术以及公路货车称重计费系统软件具体的设计，上位机软件是组态KingView6.53环境下进行设计的，将传感器所感应到的重量传送给PLC。第五章主要是对本课题的总结与展望，对计重受系统的完善和改进做出展望。第二章公路货车称重计费系统的整体设计称重计费需求分析本课题是利用货车的重量对公路上的货车禁行收费，因此需要了解相关方面的知识，然后进行总结归纳，整体设计。称重收费的要求本课题对称重计费系统的主要要求是：.利用称重传感器测得货车的重量，然后将所测得重量传送给PLC；.把测得的重量传递到计算机中，然后计算机通过分析处理，显示出驾驶员应缴的费用；.对重量以及所对应缴的费用的进行数据，以便在以后调用.3方案设计基于单片机设计单片机的特点：拥有较高的性价比：单片机的应用体系接插件少、印制板小、安装调试容易等特征体积较小、可靠性较高：由单片机构成的应用系统布局简单，其体积小。由较强的控制功能：单片机采用面向控制的指令，具有很强的实时控制功用。使用方便、容易产品化因此单片机符合公路货车称重计费系统的要求，设计简单方案合理。本方案采用单片机ADD714。本系统使用其主模块化结构设计，其主要特点是扩展方便、收缩简单，由辅助单元（显示、打印）、检测单元、数据采集信号处理、单片机（用于变送数据）、数据管理单元（微机）、等构成主要模块单元。其结构示意图如下图2-1所示。本方案中的称重系统由4个电阻式应变传感器和A/D转换模块构成。称重传感器将采集到的非电信号重量转换成电信号电流，通过放大处理后传送到单片机中，在单片机中进行数据处理后传送到上位机。上位机通过与单片机连接的通讯接口接收到来自下位机的信号和数据后，根据收费标准计算出应收的金额，并对栏杆机进行操作。综合显示器上使驾驶员看清显示器上的数据——车辆的重量、应收金额和通行信号灯。基于PLC设计PLC的简称可编程控制器，可编程控制器是计算机系列中的重要一员，是为工业控制应用而设计的。可编程控制器具有以下特点：编程简单，可现场修改程序；维修方便，采用插件式结构；数据可直接送入管理计算机；输入可为市电；系统扩展时，原系统变更最小。PLC符合本设计的要求，设计方案简单，易实现。本方案设计采用三菱FX2N系列的PLC。称重系统由称重传感器以及A/D转换模块构成，对车辆进行称重，然后将重量转换成电信号，放大处理后传送给下位机PLC中，经数据处理后传送到上位机。上位机接收到来自下位机的数据和信号之后，进行一系列的数据处理与转换，计算出驾驶员所应缴纳的费用。综合显示器使驾驶员看清显示器上的数据——车辆的重量、应收金额和通行信号灯。.4方案选择基于单片机的公路货车称重计费系统选用称重传感器来采集重量。尽管单片机具备性价比高、可靠性高、控制功能强等特点，然而由于现场的环境复杂，单片机的抗干扰能力较差，很容易出现故障，维护起来较麻烦不易扩展，对环境的依赖性强，开发周期长。采用单片来制作一种材料如果这种材料不经过很长时间的实际验证，极难型号才能一个真正可量产的产品。尽管PLC的成本要比单片机高，但是PLC自从研发以来，在十几年的实际应用中，经过了各种技术人员以及科学家的检验，有很强的抗干扰能力，故障出现的次数较低，易于设备的扩展，维护方便，开发周期短。因此本课题选用方案二。第三章公路货车称重计费系统硬件设计公路货车称重计费系统硬件总体设计公路货车称重计费系统硬件主要是由称重传感器、通讯接口、PLC、以及中央控制单元电脑组成，如下图3-1。本课题利用三菱FX2N系列的PLC与PC端构成公路货车称重计费系统。当有车辆通过称重系统时，首先栏称重传感器进行称重，将所测得的重量传送给PLC系统，PLC接受称重传感器传来的重量信息，然后通过电脑屏幕显示出货车的重量以及驾驶员所应缴纳的费用。待货车通过计费平台后，栏杆机的栏杆落下来，系统清零。中央控制单元电脑选型中央控制单元主要负责称重系统采集数据、运行车辆称重系统软件以及显示出车辆重量以及缴纳的费用。所以中央控制单元有以下要求：第一，中央控制单元要对数据进行采集，所以中央控制单元必须要有能够与称重系统以及PLC连接的接口；第二，控制单元需要对重量以及金额进行数据处理的软件，所以该控制单元必须要有一定的运行处理能力；第三，该控制单元需要显示测量的称重结果以及所缴纳的费用，所以该控制单元要有显示器。由以上三点可见，中央控制单元的选型定型在具有目前普及的PC机上。本人自有一台华硕牌型号为Y4L481笔记本电脑，其具体参数如表3-1所示：以上参数均满足中央控制单元的要求，所以中央控制单元带脑选型定为以本人自由的华硕Y481E3337C型笔记本电脑。称重计费系统通讯接口设计串口通讯是指在数据通讯的过程中，数据信息按照位的单位逐步进行顺序传递的通讯方式。使用串行通讯时，可以有效地节省数据的数据线资源，由于数据的传输是位顺序传输，最少可以利用单根数据线就可以完成串行通讯，节省了传输线资源，降低了通讯成本。串口通讯按照通讯的响应状态，可分为三种，分别是单工串行通讯、半双工串行通讯和全双工串行通讯；按照串行通讯的相位、时钟频率等参数的实时性分类，串行通讯可分成异步串行通讯和同步串行通讯。在本课题设计中，选用的串行通讯的方式是异步半双工的方式。本课题中的称重系统与中央控制单元接口之间的通信物理接口为标准RS232串行通信口，根据中央控制单元中的串口，接口详细设计如下表所：由于上一节中本课题设计的中央控制单元选型为笔记本电脑，本人自用的笔记本电脑没有串口，但是有USB数据接口接口，因此本人在笔记本电脑USB数据端口端增加了一根USB转COM线，并安装好了驱动。称重计费系统PLC选型称重计费系统中的PLC用于对称重传感器所感受到的重量进行采集，然后将感受到的重量传送给中央控制单元，并且进行控制抬杆、落杆的处理。本课题中选用的可编程控制是三菱FX2N系列的PLC。.PLC的组成PLC的分类如果根据PLC的结构来分的话可分为两种，分别是固定式和组合式（模块式）。固定式PLC主要由电源、CPU板、称重计费板、显示面板、内存块等组成。PLC的基本单元组合成了一个密切而不可拆分的整体。模块式PLC主要由电源模块、CPU模板、称重计费模块、内存、底板或机架组成，这些模块能按照一定规则组合配置。.PLC具有以下特点可靠性高，不易受外界环境干扰容易改变控制程序，具备较好的柔性，适用性非常强学习起来简单，方便运用于实践中，深受工程技术人员欢迎体系设计简单、方便建造，易于改造、方便维护体积小，重量轻，能耗低称重计费系统通讯接口是将中央控制单元与称重系统相连接，它的主要作用是将从称重系统采集到的各个数据传送到中央控制单元中。由于PLC中只有RS485串口，所以需要RS232串口进行转换。在RS232-RS485串行通信协议转换器中，利用MAX232芯片来完成与232通信标准接口的连接。在5V稳压电压源条件下，就可以实现高低电平和232电平信号的之间的转换。RS485接口使用的是常见的MAX485芯片来完成。3.5称重传感器设计本系统中的传感器用于对货车进行称重。传感器是一种将感受到的非电量转换成电量器件或装置，一般用敏感元件和转换元件构成。传感器是将从外部感受输入的非电信号经转换元件转换成电信号进行输出，它便于传输、转换、处理、显示等。称重传感器一般指的是将能感受到重量转换成可输出的电信号。称重传感器是称重体系中重要的组成部分。称重传感器根据其工作的基本思想可分为应变式传感器和压电式传感器。第四章公路火车称重计费系统软件设计整体设计.1.1软件功能需求显示车辆的重量以及所应缴纳的费用。当车辆超重时，能够报警。能够对自动栏杆进行控制。对车辆的数据以及所应缴纳的费用进行存储。本文中的PLC组态软件用得失组态王KingView6.53,,它是由北京亚控公司开发的产品。一直到2010年，组态王软件在中国大陆地区装机量已经达到十几万，我国工业生产的各个领域都有涉及，包括石油化工、冶金炼钢、纺织制造、机械制造等行业。KingView6.53组态王软件拥有以下特点，能够连接智能仪表、PLC、板卡、变频器、模块等几百种外部设备。并且在国内工控系统中获得了广泛的好评，并且运行稳定，效果良好。.1.2软件总体设计最初将现场的非电量模拟量——重量经过传感器衔接到PLC的重量模拟量输入模块，模拟量输入模块将改变之后的数字量以数据字的形式输出，然后根据本课题中的任务涉及说明书，通过GXWorks2软件编写梯形图程序，对得到的数字量重量值进行类型转换。然后将得到的重量通过串口传送到PC上位机端，上位机通过对数据与上限值的比较，选择报警还是计算金额，然后通过屏幕显示。其流程图如下图4-1所示。.1.2软件结构.称重模块称重系统一般由称重传感器和A/D转换模块以及重量变送器组成。这主要归功于重量变送器选用了电荷平衡式A/D转换和数字滤波处理技能，因此模拟量的电路型的重量变送器本来原有的循环标定现象以及时飘现象都能够得以消除，这使得衡量标准的结果更加正确靠得住。A/D模块再将模拟量信号转换成0-4000的数字量，并通过FROM/TO指令传递到PLC中，完成A/D转换。.数据采集模块通用的PLC称重系统的重复率是一种采集模块，它是将称重传感器的重复率要采集到的重量信号通过传感器连接到PLC，这种采集模块将采集到的模拟量重量信号转换为数字量，再传送进PLC中。PLC如果想要连接外部设备，必须通过输入输出端口，其主要功能是接收输入信号，送出输出信号。常用的PLC采用如下方式对称重传感器的模拟信号进行采集处理。.通信网络模块PLC需要将采集的重量非电量数据处理后通过RS-232传送到计算机中。PC机端需要一个通讯程序用