基于计算机通信技术的停车场收费系统设计.docx
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基于计算机通信技术的停车场收费系统设计
基于计算机通信技术的停车场收费系统设计
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二〇〇五年七月
摘要
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（即可编程控制器）在工业控制领域内得到十分广泛地应用。
PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的内存，用来存储用户指令，通过数字元或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。
本文以PLC上位机监控系统研究方面的理论知识为基础，在具体工程的背景下，提出了一套综合、高效的设计、开发和管理PLC上位机监控系统的方法，对现实具有一定的参考价值。
本设计主要进行了上位机软件、上位机与PLC互通、数据库以及PLC的程序设计等设计。
主要实现了对整个收费系统的监控、资料记录、资料存储以及收费放行等功能。
关键词:
可编程控制器自动控制计算机技术
Abstract
Alongwithmicro-electronicstechniquewithtechnicalandquickdevelopmentincalculator,thePLC（namelyprogrammablecontroller）getsinindustrycontrolrealmveryandbroadlyapplied.ThePLCisakindofaccordingtodigitalcomputertechnique,justforundertheindustryenvironmentappliedbuttheelectronicscontrolofthedesignequips,itadopttheinsideoftheprogrammableprefacesaves,usingtothesavingcustomerinstruction,passthearithmeticfigureanimportationfororI/O,completeaseriesoflogic,sequenceandsettle,recordthenumberandcarriesetc.thatcalculatethefunctionmakesure,controllingthemachineelectricityintegralwholeofeverykindoftypeturntheequipmentswiththeproductionline.
Iproposedasystematic,efficientmethoddeveloping,andmanagingPLCcomputer-monitoringsystems,basedfordesigning,onthetheoriesforthosesystems.Theworkisvaluabletopracticalapplications.
Designandgoonandgotolocationmachinesoftware,gotolocationplaneandPLCinterflow,databaseanddesignprogramofPLC,etc.designmainlyoriginally.Realizetochargesystematiccontrol,materialswritedown,materialsstoreandchargefunctionofreleasingetc.whilebeingwholemainly.
Keywords：
PLCAUTOMATIVECONTROLCOMPUTERTECNOLOGY
基于计算机通信技术的停车场收费系统设计
第一章绪论
1.1论文的研究背景
早期的工业控制领域中是以继电器控制占主导地位，但这种继电器构成的控制系统有着明显的缺点RI:
体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。
后来人们曾试图用小型计算机来实现工业控制，代替传统的继电接触器控制，但小型计算机实现工业控制价格昂贵，输入、输出电路不匹配，编程技术复杂，因而没能得到推广和应用。
可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
它具有体积小、功能强、灵活性和适应性好以及模块化结构等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户青睐，因而在工业控制领域迅猛发展，得到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（机器人、CAD/CAM,PLC）之一。
然而，随着计算机网络技术的发展以及工业自动化程度的提高，为适应控制与信息管理功能相结合的需要，用户对控制过程提出了越来越高的要求，不但要实现控制过程，而且要实现对过程参数的监控、分析、统计、修改等要求。
在工业控制中通常可以通过4种装置为PLC网络配置人机界面:
编程器、显示终端、工作站及个人计算机。
编程器主要用于编程与调试，其监控功能相对较弱:
显示终端的功能比较单一，主要用作现场显示;工作站系统很受欢迎，它功能全面、使用简单，但由于要配置高级组态工具软件，因而价格较贵;把个人计算机连入PLC网络，可以向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能，为PLC网络提供良好的人机界面。
因此用个人计算机为PLC网络提供人机界面是一种物美价廉的做法，在工业控制中常构成以个人计算机为上位机，数台PLC为下位机的小型集散系统，充分利用PC机强大的人机接口功能、丰富的应用软件和低廉的价格来共同实现管理控制一体化，这也成为一个新的发展趋势。
1.2可编程控制技术的现状
可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。
随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。
现代PLC已经成为真正的工业控制设备。
最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。
但不久，西德的西门子（SIEMENS）公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。
70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。
三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。
70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。
由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。
小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。
据国外资料绍:
1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门（如汽车、拖拉机工业、机械工业等）.13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门〔“。
近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。
如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。
1.3可编程控制技术的发展趋势
随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。
仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。
今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展:
一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。
总的趋势如下:
1．可编程控制技术的标准化
在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。
一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。
标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。
出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。
按照这些标准，各种型号的PLC产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。
但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。
为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。
2.CPU处理速度进一步加快
目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在80486一级。
将来会全部使用64位R工SC芯片，实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。
这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。
3.可编程控制技术的智能化
提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。
4.系统的开放性和兼容性
开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。
一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。
当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题;另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。
除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。
5.通用性和专业化的结合
可编程控制产品是通用的。
但是工业的每一领域都有其自己的特点。
怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?
硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。
这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。
常用的专用模块包括;定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。
6.可靠性进一步提高
随着PLC进入过程控制的领域，对PLC可靠性的要求进一步提高。
硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、工/0单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。
但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。
要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。
MTBF（平均无故障时间）是衡量产品质量的重要指标。
纵观各著名厂商，其PLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。
7.控制系统分散化
根据分散控制、集中管理的原则，PLC控制系统的工/0模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。
这样使控制更有效，系统更可靠。
8.控制与管理功能一体化
为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。
综上所述，我们不难得出下面几个结论:
1.工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路。
2.智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。
3.系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强
4.基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。
5.通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。
1.4本文的研究意义
随着经济的发展，不仅加快了高速公路建设的步伐，而且对系统的要求也越来越高。
作为高速公路三大机电工程之一的收费系统，是高速公路机电工程应用的核心，关系到国家公路建设的资金来源。
为了在高速公路开通时，就能对收费工作比较有效的监督和管理，减少漏收费用，同时从预防对收费人员队伍腐蚀的角度出发，建立一套符合中国国情的比较实用和可靠的收费系统是十分必要的。
然而目前的底层收费系统普遍存在收费周期长、很多信息资料没有及时地系统的纪录、各子系统的联动效果不理想、操作比较繁琐等一系列的问题，为了改善上述问题就激发了我自主开发底层收费系统的想法。
第二章相关研究理论介绍
前言：
本章主要是介绍本设计中使用的以及涉及的各种基本理论。
主要分为两大块介绍：
1.计算机控制系统地介绍；2.可编程控制器的各种介绍。
2.1计算机控制系统介绍
在电子数字计算机出现后不久，人们就将其应用在工业自动化领域。
在工业生产过程中，有各种各样反映生产过程状态的物理量，如温度、压力、流量等过程信息。
近年来，随着这些过程信息的数字化技术发展，计算机的应用领域扩展到了工业工程及生产制造领域，即人们常说的计算机控制系统。
在计算机应用于工业自动化之前，人们采用测量和控制仪表来完成测量与控制功能。
采用了计算机实现测量控制功能后，就可以通过计算机将所有的信号连接在一起处理，便于生产操作人员进行操作和控制。
计算机控制系统的发展经历了三个阶段:
集中控制系统CCS（CentralizedControlSystem），分布控制系统DCS（DistributedControlSystem），现场总线控制系统FCS（Field-busControlSystem）.
2.2.1集中控制系统CCS
最初的生产过程自动化是采用基地式仪表，实现就地控制。
这种方法虽然取代了人员手工操作，但其控制功能十分有限。
随着生产规模不断扩大、对自动化的要求也就越来越高。
从1959年在美国Texaco炼油厂投入运行的第一套计算机控制系统，一直到70年代中期以前，各个计算机控制系统均采用集中式体系结构。
集中式控制系统只需要一台计算机以及有关的v0设备和CRT.键盘、打印机等外部设备即可完成系统功能。
也就是说，集中控制系统是对系统中所有功能和对所有被控对象实施的控制均由一台计算机来完成。
集中控制系统的优点是整体性好，协调性好。
由于是集中的方式，现场状态集中在一台计算机中处理，故而中央计算机可以根据全面情况进行控制计算和判别，在控制方式的选择上可以进行统一的调度和安排。
另外，集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据的一致性。
但其缺点也很多:
（1）由于各种功能集中在一台计算机，被控对象不同，软件完成的任务也不同。
当被控对象的任务数量增加时，系统的运行效率将下降。
（2）软件的可靠性不高。
大量而复杂的软件由于设计不良或本身的缺陷，致使实际运行时出现的故障率增加。
（3）由于所有的处理功能集中在一台计算机，所以一旦出现故障，其影响面涉及到各部分，产生全局性后果。
2.2.2分布式控制系统DCS
鉴于集中控制系统存在的种种问题，在1975年率先由Hneywell公司推出分布式控制系统DCS:
它是对集中式计算机控制系统进行合理的分解，形成了单回路、多回路分散控制与集中监视操作相结合的分布式体系结构，能够运用现代控制理论和大系统理论实现优化控制，分级协调控制和管理自动化功能。
DCS的体系结构如图所示：
典型的DCS系统结构
分布式控制系统的核心思想是“信息集中，控制分散”。
它一般由四个基本部分组成，即系统网络、现场I/O控制站、操作员站和工程师站。
其中现场UO控制站，操作员站和工程师站都是由独立的计算机构成（这些完成特定功能的计算机被称为节点），它们分别完成数据采集、控制、监视、报警、系统组态、系统管理等功能。
它们分别通过系统网络连接在一起，成为一个完整统一的系统，以此来实现分散控制和集中监视、集中操作的目标。
I/O控制站的功能是将各种现场发生的过程量进行数字化，并储存在存储器中，形成一个与现场过程量一致的、能一一对应的、并按实际运动情况实时地改变和更新的现场过程量的实时映象;其次将本站采集到的实时数据通过系统网络送到操作员站、工程师站及其它I/O控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制;同时现场I/O控制站还可接受操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数没定。
操作员站是处理一切与运算操作有关的人机界面功能的网络节点。
其主要功能是为系统的运行提供人机界面，使操作员及时了解现场运行的状态、参数的当前值以及是否有异常情况等。
操作员站除了可以监视控制系统本身各个设备的运行状态，同时又可以提供系统的管理功能。
工程师站是对DCS进行离线配置、组态工作和在线监督、控制的网络节点。
其主要功能是提供对DCS进行组态、配置组态软件，并在DCS在线运行实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使DCS随时处在最佳工作状态。
分布式控制系统DCS在系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中系统。
由于DCS使用了多台计算机分担了控制的功能和范围，使处理能力大大提高，并将危险性分散。
DCS在系统扩充性方面比集中式控制系统更具有优越性。
系统要进行扩充，只要根据需要增加所需的节点、并修改相应的组态、即可实现系统的扩充。
但这些年来，随着传感器技术、通信技术、计算机技术的发展，传统的DCS却日益显露出它的不足，例如:
开放性差、分散不够，需要大量信号电缆及无法监控现场一次仪表设备，传输信号仍采用420mA的模拟信号等。
因此以工业现场总线（FieldBus）为基础，以CPU为处理核心，以数字通信为变送方式的新一代过程控制系统—现场总线控制系统FCS应运而生。
2.2.3现场总线控制系统FCS
现场总线控制系统的核心是现场总线。
根据现场总线基金会（FieldBusFoundation）的定义，现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。
现场总线的系统结构如图所示。
现场总线系统结构
现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等。
但不是传统的单功能现场仪表。
而是具有综合功能的智能仪表。
如温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有PID控制和运算功能。
现场设备具有互换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。
现在国际上流行的设备级的通信网络有多种，如CANBUS,LONWORKS,PROFIBUS,HART,FF等。
现场总线控制系统FCS代表了一种新的控制观念—现场控制。
它的出现对DCS作了很大的变革。
主要表现在:
（1）信号传输实现了全数字化，从最底层逐层向最高层均采用通信网络互连;
（2）系统结构采用全分散化，废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之;
（3）现场设备具有互操作性，改变了DCS控制层的封闭性和专用性，不同厂家的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态;
（4）通信网络为开放式互连网络，可极其方便地实现数据共享;
（5）技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户。
与传统的分布式控制系统DCS相比较，新型的全数字控制系统的出现，将能充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能，更容易构成CIMS系统并更好地发挥其作用;其次，将降低系统投资成本和减少运行费用，仅系统布线、安装、维修费用可比现有系统减少约三分之二，节约电缆导线约三分之一。
如果系统各部分分别选择合适的总线类型，会更有效地降低成本。
2.2可编程控制器的介绍
可编程控制器（ProgrammableController），又称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC）根据国际电工委员会（IEC）在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其定义如下P1.“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与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。
可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
2.2.1PLC的产生与发展
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年，己经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分四代.第一代在19691972年。
这个时期的产品，CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。
其功能也比较单一，仅能实现逻辑运算、定时、计数等功能，其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今，成为可编程控制器的第一用户语言。
典型产品有:
美国DEC公司的PDP-14，日本富士公司的USC-4000，日本OMRON公司的SCY-022。
第二代在1973-1975年。
这个时期的产品已开始使用微处理器作为CPUIPLC（可变成逻辑控制器）成为真正意义上的PC（可编程控制器）（尚未正式命名），而存储器采用半导体存储器。
其功能上有所增加，能够实现数字运算、传送、比较等功能，并初步具备自诊断功能，可靠性有了一定提高。
典型产品有:
美国哥德公司的MODICON184.284.384系列，原西德西门子的SYMATICS3.S4系列，日本富士的SC系列等，我国在1974年也开始研制自己的PLC.
第三代在1976~1983年。
这个时期，PLC进入了大发展阶段，美国、日本、原西德各有几十个厂家生产PLC。
这个时期的产品己采用8位和16位微处理器作为CPU,部分产品还采用了多微处理器结构。
其功能显著增强，速度大大提高，并能进行多种复杂的数学运算，具备完善的通讯功能和较强的远程1/0能力，具有较强的自诊断功能并采用了容错技术。
1980年，美国电气制造协会（NEMA）将PLC正式命名为可变成控制器（PC）。
典型产品有:
美国哥德公司的584,684,884系列，原西德西门子的SYMATICS5系列，日本三菱公司的MELPLAC50,550系列，日本OMRON公司的C系列等。
第四代为1983年到现在。
这个时期的产品除采用16位以上的微处理器作为CPU外，内存容量更大，有的已达数兆字节;可以将多台PLC链接起来，实现资源共享;可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统;编程语言除了可使用传统的梯形图、流程图等，还可使用高级语言;外设多样化，可以配置CRT和打印机等。
典型产品有美国德州仪器公司的T1560,T1565等。
第一代PLC功能太弱，已基本淘汰;第四代PLC面向复杂大型系统，应用还不广泛。
目前，在各行业应用最多的是第二、三代产品。
另外，在PLC的发展过程中，产生了三类按1/0点分类的PLC1'1:
小型、中型、大型。
一般小于256点为小型〔小于64为超小型或微型PLC）。
控制点不大于2048点为中型PLC.2048点以上为大型PLC（超过8192点为超大型PLC）.
2.2.2PLC的分类与特点
可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域
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