基于西门子S7-200的停车场控制系统设计

常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

系 别： 电子与电气工程学院 专 业： 电气自动化 班 号： 电气082 学 生 姓 名： 石小娟 学 生 学 号： 0805090212 设计（论文）题目： 基于西门子S7-200的停车场控制系统设计 指 导 教 师： 陈琳 设 计 地 点： 常州信息职业技术学院 起 迄 日 期： 2010.5.4-2010.7.3

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毕业设计（论文）任务书

专业 电气自动化 班级 电气082 姓名 石小娟

一、课题名称： 基于西门子S7-200的停车场控制系统设计 二、主要技术指标：1、采用三个停车场入口控制系统，自动检测车辆进入时的时间并记录入库车辆数目。 2、采用三个停车场出口控制系统，自动检测车辆，计算出车辆进入停车场的时间计算出费用，管理系统将该车费用信息记录到数据库。

3、利用现场控制器、车位传感器等构成每个车位状态监控系统，达到时时监控。 三、工作内容和要求： 1、对停车场的管理及控制功能需求进行分析和研究，在此基础上提出分区管理模式并模块化设计管理流程。 2、选用PLC作为现场控制器的基础，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。 3、在充分研究系统信息通讯基础上提炼通讯信息，采用PROFIBUS通信模式交换数据信息。 4、采用车位传感器对每个车位监控。

5、改进停车场车路控制系统功能并完成控制程序设计。 四、主要参考文献 1、张宇皓. 西门子PLC在自动停车场中的应用[D], 浙江大学. 2、岳萍. 基于PLC的智能停车场监控系统的研究与实现[D]，电子科技大学. 3、程远. 停车场自动控制及收费系统[D]，南昌大学. 4、徐新红, 张海燕. 智能停车场控制系统设计[D]，河南科技学院. 5、曾少林. 基于RFID技术的智能停车场控制系统研究[D]，湘江大学. 6、李应淇. 一种开发式停车场控制系统设计[D]，河南科技学院. 7、陶永明. 停车场管理信息系统设计[D]，东北财经大学. 8、周毅. 西安市停车场规划的研究[D]，长安大学. 9、刘坤鹏. 一座大型地下停车场的设计[D]，上海交通大学. 10、蒋兴加. 分布式智能停车场系统设计[D]，兰州师范高等专科学校.

学 生（签名） 2010年 月 日

指 导 教师（签名） 2010年 月 日 教研室主任（签名） 2010年 月 日 系 主 任（签名） 2010年 月 日

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毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目 基于西门子S7-200的停车场控制系统设计 一、选题的背景和意义： 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，对停车场的需求量剧增。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，则乱停放现象时有发生，针对停车上述管理缺陷，本文就停车场的管理、监控流程进行改进，采用德国西门子公司的S7-200型PLC控制，其结构简单、运行平稳、低噪音、操作安全、性能价格比高，抗干扰能力强，维护方便。因此，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过程，保证车辆在停取过程中的安全性，提高停车空间的利用率，缓解社会停车位紧张的供需矛盾，充分发挥公共设施的社会效益。 二、课题研究的主要内容： 1、 自动采集车辆入车库状态，采用刷卡形式获取卡号进入停车场； 2、 根据车辆出入库状态自动开、关道闸； 3、 采用车位传感器对每个车辆动态监控； 4、 用户车辆出场时采用刷卡形式，交完费用后方可离开。 三、主要研究（设计）方法论述： 1、 采用光电传感器检测有无车辆，入场时在票箱处按键取得一张卡； 2、 通过PC机与控制器通信，刷卡后控制器启动道闸放行车辆，检测传感器检测到车辆通过信息后，控制器关闭道闸； 3、 利用现场控制器、车位传感器构成车位状态监控系统； 4、 在出口处采用出口读卡器读卡，PC机依照读取的卡号调出相关信息。管理软件依据从入场到出场的时间以及计费标准进行计费，提示司机缴费手续结束后管理员开启道闸放行。 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

四、设计（论文）进度安排： 时间（迄止日期） 10.5.11~10.5.29 10.5.30~10.6.2 10.6.3~10.6.10 10.6.11~10.6.15 10.6.15~10.6.17 10.6.18~10.6.24 10.6.25~10.6.28 工 作 内 容 翻阅资料，上网查询，并根据自己的知识结构确定项目题目及大体内容 完成毕业设计的提纲 完成毕业设计的系统方案设计部分 完成毕业设计的摘要和前言 总结、整理出论文初稿 根据指导老师的指导进行修改，完善系统 再次浏览复查，上交电子稿，打印稿，准备答辩 五、指导教师意见： 指导教师签名： 2010年 月 日 六、系部意见： 系主任签名： 2010年 月 日 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

目录

摘要

Abstract

第1章 前言 ...................................................... 1 第2章 平面停车场控制系统需求分析 ................................ 2

2.1 停车场建筑情况及其管理模式分析 ............................. 2 2.2 平面停车场管理及其控制需求分析 ............................. 2 2.3 平面停车场控制需求描述 ..................................... 3 2.4 停车场监控系统主要功能模块 ................................. 3 2.5 停车场管理监控系统主要设备 ................................. 4 第3章 停车场控制系统硬件设计 .................................... 6

3.1 现场控制器选型 ............................................. 6

3.1.1 PLC控制系统和其它控制系统的比较 ...................... 6 3.1.2 PLC的选型 ............................................ 6 3.2 PLC I/O模块的选型 .......................................... 8 3.3 AS-I现场总线系统主/从站编址 ................................ 8 3.4 停车场出入口控制模块硬件设计 ............................... 9

3.4.1 读卡器工作原理及选型 .................................. 9 3.4.2 出入口控制系统相关设备选型 ........................... 10 3.5 输入/输出变量地址分配 ..................................... 10 3.6 车位监控系统硬件集成设计 .................................. 11 第4章 停车场控制系统软件设计 ................................... 12

4.1 用户出入场控制程序设计 ..................................... 12 4.2 用户车位监控程序设计 ....................................... 14 第5章 数据采集系统与计算机的通信 ............................... 15

5.1 网络通信技术 .............................................. 15 5.2 数据通讯相关接口 .......................................... 16 5.3 读卡器与管理PC机通信 ..................................... 16 5.4 PLC与管理PC机通信 ........................................ 17 第6章 结束语 ................................................... 18 答谢辞 参考文献

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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。随着计算机控制技术的发展，停车场管理控制系统的功能及软硬件设施也伴随其发展而不断改进。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。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。对典型停车场的管理及控制功能需求进行分析与研究，在此基础上提出模块化设计管理流程。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。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PROFIBUS的通信协议。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。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：停车场；PLC；控制系统；通信协议

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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. With the development of computer control technology，the function，software and hardware of management and control system have been improved continuously. 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. Studies on the function of parking lots and its control systems as well as the developments and changes in intelligent buildings.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. PLC controller in the selection of a site based on the composition of the PLC network technology and network communication protocol, using PROFIBUS communication protocol. According to the control requirements of the PLC controller programming related software and hardware configuration, and complete the design of PLC control program. Improved control system for parking by vehicles and complete control of programming functions.

Keywords: parking lots；PLC；control system；Communication protocol

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第1章 前言

近20年来，随着我国城市建设速度的加快，城市交通需求量也日益增大。尽管私家车、出租车比重呈现逐年上升的趋势，因此车辆停放依旧是市民最关注的问题。

也许还有不少人对上世纪八、九十年代的“挤车难”记忆犹新，但现在“停车难”的问题更让不少人头疼。车辆停放设施的落后确实是长期困绕市民日常生活的一个老大难问题。近年来各地政府部门投入了大量人力、物力用以改善城市停车设施，随着基础设施和重大工程的建设，以及车辆的淘汰更新和扩容，一定程度上提高了许多停车场的智能管理和安全化，一定程度上缓解了交通问题。但是，简单的基础设施建设和停车管理技术已经不能满足社会日益增长车辆的对停车服务的需求。

由于城市人口相对密集，无论是私家车辆还是公交车辆都不能真正满足正常的停放，公交需求更很大。所以在停车场智能管理领域，相应的也出现了PLC停车场智能管理的概念，即含有高科技的智能系统，与普通的停车系统不同的是，它能以PLC技术为基础来解决停车难的问题，直接为目标安全、迅速地到达目的地。因此，在大力加强车辆停放智能管理的建设方面，尤其在实现快捷、便利、安全这一点上拥有很大的发展空间和潜力。

为此，本文对停车场智能控制管理上引入了PLC技术，对停车场进行了一个关于PLC为主的系统设计。

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第2章 平面停车场控制系统需求分析

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：

1、市区公共建筑群大型停车场，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。此类停车场通常白天工作时段车位紧张而夜晚非工作时段则车位大量空置。因此在管理模式上可实行分片分区管理，划定专用的固定用户停车区域及临时用户停车区域，在夜晚非工作时段将临时用户停车区域车位提供给周边社区无配套停车位小区住宅用户计时停车，提高设施利用率以提高社会配套设施的社会效益，缓解停车位置紧张的市场供需矛盾。

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。此类型停车场为防止盗车现象的发生则可采用摄像监控，在出入口严格比对车辆摄像信息。对多出入口园区停车场管理还需做好联网管理，数据共享，一卡通行。

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。为防止乱停车位及盗车现象，可加强车位动态监控结合门禁管理以达到有效监控。

5、专用停车楼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。该类型停车场需在建筑设计的初期即根据专用设备规划建筑的功能及形式，并且初期设备投入昂贵。

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 平面停车场管理及其控制需求分析

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。 1、停车场基本情况分析

在对典型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，本文以此停车场为例进

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行的停车场监控系统设计亦具有较好的广泛性与代表性。图2-1是该住宅小区的地下停车场的总平面图。

图2-1 停车场的总平面图

2、入库车辆地点变更逻辑分析

停车场内不同停车区域可提供不同的服务，但进入停车场的车辆皆会进行如图2-2所示的地点变更。

图2-2 入库车辆地点变更逻辑图

停车场车辆管理操作应该从车辆进入停车场开始，到车辆出停车场结束，并针对不同类型停车用户的出入停车事件的发生做相关事件的记录。车辆从入场到出场有固定的运动逻辑，从一个状态到另一个状态一般是不可逆的，这样一来如果已知一个状态就可准确地预计车辆的下一个状态，可实现车辆的状态追踪。

2.3 平面停车场控制需求描述

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；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相关监控软件完成。主要包含如下功能：

1、自动采集车辆出入车库与车位的状态；

2、根据车辆出入库状态自动开、关道闸并自动开启； 3、对车位则自动计数并能启动满位红灯亮；

4、车辆超过限制的车位区蜂鸣器报警，提示司机。

2.4 停车场监控系统主要功能模块

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。系统框图如图2-3所示。本文重点介绍管

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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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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 interface线皆要求有自己的电源模块。在AS interface进入正常运行之前，必须对所有的从站分配地址。

3.4 停车场出入口控制模块硬件设计

停车场出入口控制模块是停车场用户出入权限管理与监控的关键功能模块，由读卡器、票箱、道闸、车辆检测器、车位数显示牌等部件构成。在本文系统中读卡器直接与管理PC机通信，系统采集用户卡信息，现场控制器PLC则根据PC机传送的用户卡信息及现场采集的车辆经、停信息根据控制流程需求，控制票箱、道闸、车辆检测器、拍照系统等系统部件的动作。 3.4.1 读卡器工作原理及选型

停车场出入口控制实质是卡片识别方式的门禁控制系统。卡片方式的门禁系统通过读卡或读卡加密码方式来管理进出权限。该系统的出入凭证为各类卡片，包括磁卡、接触式IC卡、非接触式IC卡等，识别仪为相应的读卡器。读卡器系统常分为磁卡、接触式IC卡、非接触式IC卡即射频卡系统。

磁卡与读卡器间有磨损，寿命较短，而且磁卡易被复制，卡内信息容易因外界磁场而丢失，使卡片无效，因此安全性一般。接触式IC卡是将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式，其外型与覆盖磁条的磁卡相似。卡片内没有电源，但有存储器，可记录卡片号码，发行商信息，也可记录持卡人信息。卡片表面从C1到C8共8个触点，使用者在进门前需要用读卡器读取持有的卡片，读卡器通过触点C1和C5给卡片提供电源，并从触点C7串行读取卡片内信息送入门禁控制系统，门禁控制系统根据法则执行比较判断，根据结果控制锁具的开启和闭合。由于IC卡不会被磁化、不易复制，因此这种门禁系统的安全性高于磁卡门禁系统。

非接触式IC卡又称为射频卡，与接触式IC卡相似，卡内没有电源，有存储器，但非接触IC卡表面没有触点而是在卡片内增加一个电感线圈。使用者在进门前将卡片靠近读卡器，电感线圈在读卡器内发射装置的激励下产生微弱电流，保证卡内芯片工作，并以电磁方式将信息返回给读卡器。射频卡既具有IC卡的普遍优点，又具有自身的独特优点如：无源、免接触、免操作、使用寿命长；数据交换不受除金属外的介质影响，使用方便；防水、防尘、防静电干扰、适应各种恶劣的环境；感应距离远，普遍射频卡可达5～15cm，远距射频卡可达5～10m；安全可靠，误读或不读卡的机率几乎为零，成百上千亿的密码，无法破译。

这种门禁系统的卡片与读写设备之间无接触，开门安全方便、使用寿命长，卡片难以复制、安全性高，可联微机实现双向控制。是门禁系统的发展方向之一。

对于停车场采用门禁系统进行出入控制，至少需要实现以下基本功能： 1、对通道口进出权限的管理，根据用户缴费及订购车位使用权限的情况设定用户卡进出通道的权限，门禁控制系统根据法则执行比较判断，根据结果控制道闸的开启和闭合。

2、出入事件的记录、查询功能是系统进行管理的基础。

本文停车场控制系统亦采用无源非接触式IC卡构成门禁控制系统，经过比较，根据系统需求选用SENSE-182X型读写器。该读写器可通过RS232或RS485这两种串行通信接口中任意一种与PC机连接以接收和发送数据。读写器与PC

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机或控制器相连的距离随数据接口类型的不同而不同。RS232接口其可靠通信距离为10米，RS485通信接口使用屏蔽双绞线则通信距离可达1.0KM。若读卡器距离管理PC机较远，出入不同口的情况，采用RS485串口通信或使用RS232/RS485转换器以有效延长通信距离。

3.4.2 出入口控制系统相关设备选型

出入口控制系统的闸门机又称为道闸，一般分为伸缩闸和抬杆闸，抬杆闸又分为手动和自动两种。手动闸栏杆的上升和下降由手控按钮或遥控器操作；自动闸栏杆的上升和下降由控制器根据门禁控制的法则和流程经程序判断给出道闸的开关控制信号。在出入口控制中，当读卡器读取IC卡后，与PC机通信，系统判断符合开门条件时，控制器给出道闸开启的信号，道闸开启。车辆经过入口控制系统的车辆感应线圈后，控制器给出闸门关闭信号。本文系统选用NICE公司的WIL-4型，该机栏杆下部具有防砸车装置，可手动、遥控及程序控制栏杆开启及关闭。

摄像装备安装在进口或出口处对进入或离开的车辆摄像，提供给计算机进行抓拍。WV-CP464彩色摄像机并配备TG-0412FCS-3光学镜头及DS-4002-001型视频切换器以便对进出口视频信号进行切换选择。

3.5 输入/输出变量地址分配

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 地址 电器符号 状态 功能说明 I0.0 B NO A入口栏外传感器 I0.1 B NO A入口栏内传感器 I0.2 B NO B入口栏外传感器 I0.3 B NO B入口栏内传感器 I0.4 B NO C入口栏外传感器 I0.5 B NO C入口栏内传感器 I1.0 B NO D出口栏内传感器 I1.1 B NO D出口栏外传感器 I1.2 B NO E出口栏内传感器 I1.3 B NO E出口栏外传感器 I1.4 B NO F出口栏内传感器 I1.5 B NO F出口栏外传感器 Q0.0 B ** A入口栏杆 Q0.0 B ** B入口栏杆 Q0.0 B ** C入口栏杆 Q0.3 H ** D出口栏杆 Q0.3 H ** E出口栏杆 Q0.3 H ** F出口栏杆 Q0.1 H ** 红灯 Q0.2 H ** 绿灯 I1.6 B NO 车位传感器 I1.7 B NO 车位传感器 Q2.0 B ** 车位灯 表3-1 用户出入场控制PLC输入、输出分配表

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3.6 车位监控系统硬件集成设计

为使车库的管理更加有序，避免乱停放现象及遏制盗车现象的发生，在本文停车场监控系统中对车位的车辆是否超过进行监控。

1、车位监控系统构成

车位监控系统是停车场监控系统整体构成中密不可分的一部分，如表3-2所示，在硬件构成上车位检测器检测各车位车辆入库占位的状态，现场控制器PLC和车位传感器对车位状态信息进行处理判断车位亮否。 序号 1 2 IC卡状态 刷卡已入场 刷卡已入场 传感器状态 未超过规定位置 超过规定位置 车位灯的状态 车位灯不亮 车位灯亮 表3-2 车位监控状态表

监控过程中现场控制器PLC与管理PC机间通过RS232/RS485通信，需双方编程控制。

2、车位传感器工作原理及选型

车位传感器负责采集车位的状态信号，本节依据其工作原理进行选型。 车位检测是大型室内专业停车场实现车位自动化定点管理的基础，车位传感器则是其中的关键部件。目前对车位占、空状态的检测常采用地感线圈检测器、超声波车位传感器等常用方式。近来亦有采用视频车位检测器实现对车位的检测。

电感线圈检测方式常被用于停车场的出入控制系统。视频车位检测器则采用视频图像处理技术，采用摄像头同时监控多个车位，并将车位的占用信息传递到上位控制计算机。除了传送简单的车位占用情况信息之外，还可以传送现场监测图片。视频车位检测系统通常由图像采集、图像处理、网络通信、显示控制及电源五大模块组成。系统对车位状态的监测需要强大的信息处理能力。

超声波车位传感器则采用超声波测距的工作原理，利用超声波发射、被测物体反射、回波接收后的时差来测量被测距离的一种非接触式测量仪器。能够检测车辆是否停在车位上，具有防误检功能，如防相邻车位误检、人员在停车位误检、障碍物误检等。由于使用超声波侦测，不会像使用红外线、微波等侦测方式容易受外在环境变化或干扰而造成误报问题。由于每个传感器都有独立的防干扰功能，也不受周围传感器的干扰。

检测车位占、空状态可以采用光电、电磁、红外检测等多种方法设计车位传感器，但从检测原理及工程实施来看，超声波检测器具有造价低、非埋设、无附加反射装置、免维护和抗静电干扰等优点，有利于网络群测系统的构成。基于超声波传感器的上述优点，本文系统中对停车场车位的检测选用超声波车位传感器。

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第4章 停车场控制系统软件设计

前面章节详细介绍了停车场监控系统的组成，包括管理计算机、读卡器系统、车路车位控制系统及现场控制器、现场传感器。上述这些构成了停车场监控系统的硬件系统，但光靠这些硬件系统还不能完成停车场监控系统所要求的功能，这些硬件系统必须在软件的支持下才能协调工作。本节对停车场管理系统软件进行设计，主要是PLC控制应用程序的设计。

4.1 用户出入场控制程序设计

对于用户卡的信息处理主要由读卡器系统、停车场管理系统及通信接口程序进行处理，信息处理完成后，接口程序将传递包含卡号及刷卡点位的数据信息给PLC，PLC则据此判断卡用户是入场读卡还是出场读卡，从而分别启动不同流程。下面介绍其程序流程图及梯形图程序。

1、出入库工作流程分析

根据要求分析出用户出入库主程序流程图如图4-1所示。

图4-1 用户进、出库监控流程

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2、用户出入库梯形图

根据出入库流程画出梯形图如图4-2所示。

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图4-2 出入库梯形图

4.2 用户车位监控程序设计

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。当用户停车超过限定车位，蜂鸣器报警提示司机调整停车位置。

1、车位检测流程

根据要求分析出车位检测流程图如图4-3所示。

图4-3 车位检测流程图

2、车位检测梯形图

图4-4 车位检测梯形图

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第5章 数据采集系统与计算机的通信

随着计算机通信网络技术的日益成熟及监控设备自动化程度要求的提高，自动控制系统从传统的集中式控制向集散式或分布式控制方向发展，这就要求构成控制系统的数字设备必须具有联网通信的功能。以便实现不同地理位置的计算机、现场控制器及数据采集设备的互相连接，构成数据通信系统，高效地完成数据传送、信息交换和通信处理任务。数据通信系统一般由传送设备、传送控制设备和传送协议及通信软件组成。

本文监控系统中读卡器及现场控制器主要负责现场数据信息的采集并传送给通信接口程序，由通信接口程序将数据信息处理后分送数据库或控制器。在本文系统中不是多个计算机或PLC联网，而是一个PLC与一个计算机，或一个数据终端与一个计算机建立连接，可称为链接。

本章介绍现场控制器PLC与计算机通信的实现。

5.1 网络通信技术

通信的根本目的是交换数据，增强控制功能，实现控制的信息化、智能化或远程化。

本文系统中读卡器系统与PC机通信可以实现PC机对用户卡的数据信息的采集与写入，实现对用户卡数据信息的管理与使用。PLC与PC机的联网与数据交换可实现扩大控制地域；实现系统的综合及协调控制；简化布线系统，提高可靠性；实现PLC用计算机编程及调试。

数据通信系统中数据的传输方式根据传输数据的时空顺序可分为串行传输和并行传输两种。其中，并行传输时的数据在多个信道同时传输，数据传输速度快，但需要的数据传输线多、成本高，通常用于传输速率要求高的近距离传输。串行传输时的数据在一个信道上按位顺序传输，通常只需要一到两根传输线，成本低但传输速度慢，常用于速度要求不高的远距离传输。

数据在在通信线路上传输有方向性。按照数据在某一时间传输的方向，线路通信方式可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。单工通信时信息的传送始终保持同一个方向，不能进行反向传送；半双工通信时数据流可以双向传输，但同一时刻只限于一个方向传送；全双工通信方式能在两个方向上同时发送和接收数据。

在本文系统中现场控制器PLC及数据采集终端读卡器与PC机的通信都采用串行通信接口。常用的串口有RS-232C接口及RS-422、RS-485接口。

RS-232C是1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的，用于串行通信的标准，其全名是“数据终端设备和数据通信设备之间串行二进制数据交换接口技术标准”，它规定了终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。RS-232C接口连接器一般使用25针的连接器，也有9针的，传输线采用屏蔽双绞线。最大传输距离为15m，最高传送速率为20kbit/s。

RS232C是目前广泛应用的串行通信接口，但其传送速率和距离有限。抗干扰能力较差。针对RS232C的不足，一些新的接口标准不断出现，RS485就是其中之一，其抗噪声干扰性强，最高数据传输速率可达10Mbit/s，最大传输距离标准值为1200M，实际上可达3000M，且具有多站能力，可利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。RS-485接口的上述特点使其成为广泛应用的串行

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接口，它与RS-422接口的不同则在于RS-422是全双工工作需要4根线而RS-485接口组成的是半双工网络，一般只需要二根连线。所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输并采用DB-9的9芯插头座。

串口通信硬件协议除了以上这些，还要考虑通信速度（波特率）多少、起始位几个及是否进行校验？奇校验还是偶校验？这些参数在参与通信的各方都应一致。除了口的硬件选用及设定一致，在软件上，通信双方都得有串口通信指令。否则双方也无法通信。

在本文系统中读卡器与PLC的串行通信口都采用RS-485接口与PC机的RS-232C接口通信。西门子PLC配件中可选用PC/PPI连线，但该连线长度有限。因此可选用RS-232/RS-485转换器。该转换器可将RS-232通信距离延长至1200米（9600BPS）。可应用于PC机之间、PC机与测控终端之间构成远程多机通信网络。能代替西门子S7—200PLC PC/PPI编程通讯转换电缆使用。做PC/PPI电缆使用时将转换器RS485（9脚公头）一侧插入西门子S7-200 PLC通讯口中，另一侧通过延长电缆和PC机的串行通讯口相连，也可将转换器RS232（9脚母头）一侧插入PC串行通讯口中，另一侧通过延长电缆和西门子S7-200 PLC相连，上下载程序和监视等，与PC/PPI电缆使用方法完全相同。

5.2 数据通讯相关接口

根据管理系统及监视控制系统需要对数据信息进行分类处理后，将相关数据传送给PC内机的数据库及管理软件或再调用相关类库函数启用串口通讯操作，发送数据信息给现场控制器或读卡器系统。操作过程中只用到了打开、写、读、关闭串口四个功能。图5-1是对这四个功能的定义。

图5-1 串口操作基本流程

5.3 读卡器与管理PC机通信

本文用户控制系统读卡器选用Sense-182X型多天线口读卡器系统。该读卡器系统按通信口功能分有A、B、C三种型号，其中A型为韦根26通信口、B型为RS-232通信口、C型为RS-485通信口，本文选用的182x C型读写器。182x C型读写器的读卡工作式有“定时”和“触发”两种工作方式：定时方式是指按读写器设定的时间间隔“定时”读取标签的ID数据；触发方式是指使用外部的触发信号“触发”读写器去读取标签ID数据并即时送出。本文根据实际应用的需要选择使用其中的触发工作方式。用户选用按键触发读卡器读卡。Sense-182X型读卡器系统采用RS485先施协议输出数据的格式见表5-1。

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BODY STX 02 UIAH 读写器地址编码 UIAL ANT DATA ETX 03 CHECK BCC 校验码 天线标签编号（8字OA/ 号 节ASCII码） OD 表5-1 RS485先施协议 根据天线号编码则可判断用户是入库刷卡还是出库刷卡或是备出库刷卡，从而启动不同的信息处理流程。对上述信息进行处理并分送管理软件及现场控制器PLC。

5.4 PLC与管理PC机通信

链接或联网是PLC通信的物质基础，而实现通信才是PLC联网的目的。PLC通信的实现在硬件上需要使用链接或网络；在软件上，要有相应的通信程序。

当前PLC、智能装置、计算机都配备有通信串口，所以都可通过各自的串口进行一对一链接或接成网络实现通信。串口通信速度低，交换的数据量小，当有高性能的通信需要时则要用到专门的通信网络。

本文采用西门子S7-200系列PLC现场控制器，系统控制信息以开关量数据信息为主，数据信息交换量不大，故采用PC机与S7-200系列PLC链接，通过串口通信完成数据交换。

S7-200 PLC支持点对点（PPI）接口协议、多点接口（MPI）协议、PROFIBUS等多种协议，在本文系统中S7-200 PLC作为现场控制器与管理PC机即采用PROFIBUS通信模式交换数据信息。

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第6章 结束语

停车场管理控制系统是现代信息社会最重要的基础设施之——智能建筑中不可或缺的一部分。其管理控制系统的功能及软硬件设施需伴随着计算机控制术的发展而不断改进。

在对停车场管理及控制系统基本功能详细的需求分析基础上依据典型停车场建筑的特点对控制功能需求进行研究，模块化设计管理流程的同时改进其系统构成及控制流程。选定PLC作为现场控制器，对现场设备进行信号采集与控制。在选用PLC作为现场控制器的基础上，研究PLC网络的构成技术及其网络通信协议。

根据控制需求对PLC控制器的相关软硬件进行组态，并完成PLC控制程序的设计。改进停车场车路控制系统功能并完成控制程序设计。

最终实现停车场入口有一个红灯和一个绿灯，红灯亮时车停满不能停车，绿灯亮表示可以停车。停车过程：车来取卡，PC机记录卡号及入场时间，车辆检测器检测到车辆入口道闸打开，记录车位的计数器加一，车辆开过后入口道闸关闭。车到入口后将卡交给管理人员，管理人员通过停车时间计算出停车费，司机缴费后管理人员按下按钮出口道闸打开，车辆过后出口道闸关闭，记录车位的计数器减一。

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答谢辞

论文完成之际，感谢陈琳老师对我论文的悉心指导，从论文选题到论文的写作过程给予我真诚的鼓励、中肯的建议和指导。她严谨的治学作风给予我深深地影响，促使我在论文写作中精益求精。对陈老师的辛勤指导，呈上我最诚挚的谢意。

感谢我的其他专业课老师，是他们给予我一些基础知识教导，在拥有这些知识基础上才能使我更有信心完成这次的毕业设计。

感谢我的班主任，因为在大学里大多时间是自主学习，是她从大一开始一直叮嘱我们在大学里不能只顾玩而忘记学习，让我们在毕业之际没有像其些同学那样感到在大学里虚度了好几年。

感谢我的同班同学们，感谢他们平时在学习方面给予帮助；做毕业设计之时，百忙之中，依旧能够随时对我的毕业设计给予指导与帮助。感谢本文参考文献提到的作者及合作者，是他们的成果奠定了我的工作基础。

特别感谢我的父母，是他们对我无私的物质帮助和精神鼓励使我渡过了大学时光。亲情不言谢，但是我知道，我永远爱他们。

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参考文献

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毕业设计（论文）成绩评定表

一、指导教师评分表（总分为70分）

序 号 1 2 3 4 5 6 7 考 核 项 目 工作态度与纪律 调研论证 外文翻译 设计（论文）报告文字质量 技术水平与实际能力 基础理论、专业知识与成果价值 思想与方法创新 合计 指导教师综合评语： 指导教师签名： 2010年 7 月 1 日 满 分 10 10 5 10 15 15 5 70 评 分 二、答辩小组评分表（总分为30分）

序 号 1 2 3 4 5 考 核 项 目 技术水平与实际能力 基础理论、专业知识与成果价值 设计思想与实验方法创新 设计（论文）报告内容的讲述 回答问题的正确性 合计 答辩小组评价意见（建议等第）： 答辩小组组长教师签名： 2010年 7月 3日 满 分 5 5 5 5 10 30 评 分 三、系答辩委员会审定表

1． 审定意见 2．审定成绩（等第）_____ ___ 系主任签字： 2010年 7月 5日

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