工学基于plc智能建筑停车场监控系统的研究与实现.docx

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工学基于plc智能建筑停车场监控系统的研究与实现

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。

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。

并利用监视PC机、组态软件、PLC共同构建对停车场车位状态的监控体系。

主要工作有：

1．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。

2．对典型停车场的管理及控制功能需求进行分析与研究，在此基础上提出分区管理模式并模块化设计管理流程。

3．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。

4．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AS-I现场总线技术构建现场设备的信号采集与传输系统；选用自由口通信模式，在充分调研系统信息通讯需求基础上提炼通讯信息，自定义PLC与PC机的通信协议。

5．研究了组态软件在控制系统中的应用并采用组态软件构建车位监控系统。

6．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。

7．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：

智能建筑，停车场，监控系统，PLC，组态软件

ABSTRACT

Intelligentbuildingswillbeoneofthemostimportantinfrastructuresininformationsociety，andthemanagementandcontrolsystemisanindispensablepartforparkinglotsinintelligentbuildings.Basedontheresearchofbasicfunctionofmanagementandcontrolsystemappliedtoparkinglots，thispaperimprovestheconstructionofcontrolsystemandflowsequence，utilizingPLCasthefieldcontrollertocollectsignalsandcontrolequipments.Finally，monitorandcontrolsystemconsistedofPCmonitor，configurationsoftwareandPLCareusedtomonitorthestateofparkingspaceinparkinglots.Majorworkofthisthesisincludes:

1.Studiesonthefunctionofparkinglotsanditscontrolsystemsaswellasthedevelopmentsandchangesinintelligentbuildings.

2.Basedonanalyzingofthemanagementandcontrolfunctionrequirementsforatypicalparkinglot，weputforwardzoningmanagementandmodularizethemanagementofdesignworkflow.

3.Onbasisoftherequirementsofmanagementandcontrolfunction，operatingprinciplesandperformanceindicesofrelatedsystemcomponents，wedesignedthesystemfunctionandchosethehardware.

4.MakinguseofPLCasthefieldcontroller，westudiedtheconstitutetechniqueandcommunicationprotocolaboutthePLCnetwork，utilizingtheAS-Ifieldbustechnologytoconstructthesignalcollectionandtransmissionsystemforfieldequipments;sufficientstudyonthesysteminformationtransmissionhasbeendonetoexpurgatecommunicationinformation.Then，freeporttransmissionmodeisselectedandself-definedcommunicationprotocolbetweenPLCandPCisapplied.

5.Muchresearchhasbeendoneontheapplicationofconfigurationsoftwareandthemonitorandcontrolsystemforparkingcellisconstructed.

6.Accordingtothecontrolrequirements，weconfiguredthesoftwareandhardwarerelatedtoPLCprogramming，andcompletedthecontrolprogramforPLC.

7.Finally，weimprovedthefunctionofparkingcontrolsystemandcompletedthecontrolprogram.

Keywords:

Intelligentbuilding，parkinglots，freeporttransmissionmode，configurationsoftware

目录

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

1.1智能建筑的定义及发展1

1.1.1智能建筑的定义1

1.1.3智能建筑的组成及实现目标2

1.1.4智能建筑系统集成3

1.2智能小区介绍4

1.3停车场管理技术的发展简介4

1.3.1停车场的种类4

1.3.2停车场管理模式的发展5

1.4课题研究的背景及意义5

1.5课题研究的主要内容6

2典型平面停车场控制需求分析7

2.2典型平面停车场管理及控制需求分析7

2.2.1停车场基本情况分析8

2.2.2停车场功能分区及依据8

2.2.3停车场车辆管理模式需求分析9

2.3停车场管理及控制系统功能需求描述9

2.4车辆出入库自动化管理监控流程10

2.5停车场监控系统主要功能构成模块11

2.5.1停车场入口控制系统12

2.5.2停车场出口控制系统12

2.5.3车位状态监控系统12

2.5.4停车场管理系统13

2.6停车场管理监控系统主要设备13

2.7本章小结14

3停车场控制系统硬件系统选型15

3.1现场控制器选型15

3.1.1PLC控制系统和其它控制系统的比较15

3.1.2PLC的选型16

3.2PLC的I/O模块选型17

3.3AS-i现场总线系统17

3.4管理及监控PC机选型18

3.5停车场出入口控制模块硬件集成设计18

3.5.1读卡器工作原理及选型19

3.5.2出入口控制系统其它相关设备选型19

3.6车位监控系统硬件集成设计20

3.6.1车位监控系统构成及工作原理设计20

3.6.2车位传感器工作原理及选型21

3.6.3车位状态监视PC机选型及组态软件选择22

3.7语音提示模块的选择22

3.8本章小结23

4数据采集系统与计算机的通信设计24

4.1网络通信技术24

4.2数据通讯相关接口程序的编程25

4.3读卡器及其与管理PC机通信26

4.4PLC与PC机通信实现27

4.4.1PLC与管理PC机通信实现27

4.4.2用户出入场监控程序中通信初始化子程序28

4.4.3PLC与监视PC机通信实现29

4.5本章小结29

5PLC监控系统应用软件设计30

5.1PLC软件系统概述30

5.2停车场控制系统PLC应用软件的总体设计31

5.2.1监控系统应用软件功能分析31

5.2.2.PLC主程序结构32

5.3固定用户出入场监控程序设计32

5.3.1固定用户入场监控程序设计33

5.3.2固定用户出场监控程序设计34

5.4临时用户出入场控制程序设计38

5.4.1出入库工作流程分析39

5.4.2信息处理模块分析39

5.5本章小结42

6车位监控组态软件设计43

6.1组态软件及其选用43

6.2监控界面及工程建立43

6.2.1监控界面任务描述43

6.2.2监控界面工程的建立44

6.3本章小结48

7总结与展望49

7.1总结49

7.2前景与展望49

致谢50

参考文献51

1绪论

智能化管理的停车场是现代建筑中智能建筑体系的重要组成部分，本章对智能建筑、智能小区及智能化管理的停车场做简要介绍。

1.1智能建筑的定义及发展

1.1.1智能建筑的定义

智能建筑一语首次出现于美国联合科技集团UTBS公司于1984年1月在康乃狄格州所建设完成的EityPlace大楼的宣传词中[1]。

该大楼以当时最先进的技术来控制空调设备、照明设备、防灾和防盗系统、垂直交通运输（电梯）设备、通信和办公自动化设备等。

除可实现舒适性、安全性的办公环境外，并具有高效、经济的特点。

以此诞生了世界公认的第一座智能建筑。

大楼的用户可以获得语音、文字、数据等各类信息服务。

而大楼的空调、供水、防火、防盗、供配电系统均为电脑控制，实现了自动化综合管理，使用户感到舒适、方便和安全。

自世界上出现第一栋智能建筑至今，尚未有对智能建筑的统一定义，主要原因是其含义随各国经济及科技水平的发展而发展[2]。

中国认为智能建筑是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境[3]。

这个定义是在对国内外很多智能建筑定义分析和研究后建立的。

其内涵如图1-1所示[4]。

1.1.2智能建筑发展趋势

智能建筑的发展趋势如下图所示。

第一座智能建筑诞生后，世界各国智能建筑蓬勃发展，在我国80年代末也有了较大发展，先后在北京、上海、广州等地相继建成了一批智能建筑。

目前智能建筑的发展已成为一个国家、地区和城市现代化水平的重要标志之一，是科技及经济水平的综合体现。

同时，在信息高度发达的今天，智能建筑将是信息社会最重要的基础设施之一。

图1.1智能建筑基本内涵概念示意图

当今社会业主已将建筑设计中的智能部分的设计列为基本要求之一，政府亦高度重视，积极的支持和引导；采用最新高科技成果，向系统集成化、综合化管理及城市智能化方向发展；迅速的发展成为新兴的技术产业；功能多元化方向发展，智能建筑的设计根据用户的需求，分门别类、有针对性地展开设计。

智能建筑的发展已经并将继续呈现多样化发展的特征，从单栋大楼到连片的建筑广场，从大到摩天大楼到小至小区家庭住宅，从公共建筑到居民小区均能逐步建成或改建成智能型建筑，便于人们实现零距离交流。

随着城市、国家及全球建筑智能化的逐步发展，整个世界将真正成为地球村，实现零时间、零距离交流。

1.1.3智能建筑的组成及实现目标

智能大楼是以大楼形式出现的智能型建筑，其组成结构如图1.2所示。

从图1-1及图1-2可见智能建筑是由基于建筑物环境平台基础上的三大基本子系统的有机集成所构成的智能化系统，三个基本子系统是楼宇自动化系统（BAS.BuildingAutomationSystem）、网络通信系统（CNS.CommunicationNetworkSystem）和办公自动化系（OAS.OfficeAutomationSystem）。

图1.2智能大楼的组成结构

楼宇自动化系统（BAS）实现建筑物群内的各种机电设备的自动控制，包括供暖、通风、空气调节、给排水、供配电、照明、电梯、消防、保安、停车场管理等。

网络通信系统（CNS）指建筑物本身应具备的通信能力。

为在该大楼内工作的用户提供易于连接、方便、快速的各类通信服务、畅通的音频电话、数字信号、视频图像、卫星通信等各类传输渠道。

办公自动化系统（BAS）是服务于具体办公业务的人机交互信息系统，包括电话、传真、计算机、声像存储装置等各类办公设备；信息传输与网络设备和相应配套的系统软件、工具软件、应用软件等组成。

1.1.4智能建筑系统集成

智能建筑系统集成是将智能建筑内不同功能的智能化子系统在物理上、逻辑上和功能上连接在一起，将智能建筑中从属于不同子系统和技术领域的所有分离的设备、功能与信息有机地结合成一个相互关联、统一协调的整体以实现信息综合、资源共享。

智能建筑的系统集成建立在基本子系统软、硬件体系兼容的基础上，子系统首先实现各自的内部集成，然后通过传输网络、接口和协议，由系统集成中心实现系统的总体集成。

综合布线系统是智能建筑系统集成的基本传输网络，同时也是建筑物通信网络系统中最基本的传输介质[5]。

依据实现“智能”水平的高低，智能建筑分为：

低级集成——仅实现楼宇机电设备控制级集成，特征是现场总线级网络，实现智能大楼设备的控制功能。

中级集成——实现机电设备控制、保安、消防等系统的网络集成，有着建筑物管理和标准网络，完成智能大楼的服务功能。

高级集成——将BAS、CNS、OAS三大系统通过高速网络统一集成至智能建筑物业管理系统中，由一体化的集成系统来实现智能大楼的综合管理功能。

1.2智能小区介绍

智能小区是智能化建筑发展的一个分支，是对具有一定智能化程度住宅小区的笼统称呼。

它通过综合配置住宅区内的各功能子系统，以综合布线为基础，由网络将在一定地域范围内的若干智能住宅连接起来，以实现园区内各种公共设施智能管理的集合。

它服务于社区的需要，提供安全、舒适、方便、节能、可持续发展的生活环境。

智能小区有三个重要组成部分，即注重未来对宽带数据剧烈增长需求的接入传输网络，保证家居安全和自动化功能的家庭智能化网络终端以及提供多元信息和园区公共物业管理的中心[6-8]。

智能小区的构成如图1.3所示。

图1.3智能小区的构成

智能小区与智能化大楼相比，其基本目的是达到人与建筑及环境的共生共荣，更注重于满足用户在安全性、居住环境的舒适性、便利的社区服务与社区管理、具有增值应用效应的网络通信等方面的实现和个性化需求。

1.3停车场管理技术的发展简介

综上所述可以看出无论是在智能大楼还是在智能小区以及广义的智能建筑范畴中，现代社会汽车保有量的急剧上升使得停车场成为现代建筑的不可或缺的重要部分，亦使停车场管理成为智能建筑的重要的功能构成，是智能建筑的重要组成部分，从属于安防及物业管理系统或设备自动化系统。

1.3.1停车场的种类

停车场的形式经历了从露天、平面、人工收费到地下、自动计费停车场到塔式、立体、智能取车、自动计费的发展历程。

根据停车场位置的不同，停车场分为地面停车场、地下停车场及专用停车塔（楼）及路边临时占道停车场。

依据建筑物类型的不同，又可分为市区公共建筑群大型停车场（如成都天府广场的地下停车场）、综合建筑楼专用停车场（如各类商场及办公楼专用停车场）、办公区域专用地面停车场（如校园停车场）、住宅小区专用停车场及用于经营的专用停车楼（塔）。

1.3.2停车场管理模式的发展

停车场的管理模式呈现出从人工管理到智能化管理的发展趋势[9]。

传统的管理方式采用人工管理的方式，车辆的进出、停放都由人工引导，计费也由人工计费收取。

自动化程度低，管理的随意性较大。

人类文明的发展进入信息时代，现代建筑的发展也进入智能建筑时代，计算机技术、现代通信技术、网络互连技术、数据库技术、信息发布技术、智能信息及其处理技术、自动化控制技术等关键技术都日臻成熟。

特别是近年来IC卡技术的广泛应用使得电子化、信息化、自动化、智能化管理停车场的实现技术也不断改进和完善，成本逐渐降低，安全性及可靠性要求不断提升，因此全人工管理停车场已难以适应时代的要求，对停车场实现自动化、智能化的管理与监控势在必行。

包括车辆出入工程的相关提示，停放服务的自动计费、车辆进出的自动化监控联动、自动记录进出车辆的相关信息及历史数据等。

一些专用停车塔（楼）则智能化程度更高[10]。

车辆入库只需取卡后定点等待，自动化传输设备自动完成车辆的传送、托举、入库、计时及出库过程。

整个停车场设备高度智能化，停取车过程高度自动化，停车场空间利用效率更高。

同时该类型停车场要求在建筑专业化规划，停车场设备的专业化要求也相应更高。

1.4课题研究的背景及意义

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，对停车位的需求量剧增。

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，则乱停放及盗车现象时有发生[11]，针对停车场上述管理缺陷，本文就停车场的管理、监控流程进行改进，力求改进停车场管理功能。

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车过程，保证车辆在停取车过程的安全性，减少盗车现象的发生，提高停车空间的利用率，缓解社会停车位紧张的供需矛盾[12]，充分发挥公共设施的社会效益。

1.5课题研究的主要内容

本课题在充分调研智能建筑的相关技术含义、技术要求的基础上，对智能建筑功能上的重要组成部分之一的停车场的建筑及管理模式进行分类分析，对停车场的用户及其停取车的过程及动态进行分析，在此基础上力求对停车场的管理模式及停车场管理、监控系统的功能加以改进，并由此提出了以PLC为现场控制器的停车场监控系统。

该系统在对停车场的车辆动、静态监控功能方面，在系统成本有效控制的情况下得以显著增强。

系统适用于各类型平面停车场的监控，并可根据停车场用户类别的不同将系统功能模块化，是对目前通常停车场所采用的仅实现出入门禁管理的监控功能模式的改进与完善。

主要工作有：

1、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。

2、对典型停车场的管理及控制功能需求进行分析与研究，在此基础上提出分区管理模式并模块化设计管理流程。

3、根据管理及控制功能需求，充分研究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。

4、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AS-I现场总线技术构建现场设备的信号采集与传输系统；选用自由口通信模式，在充分分析系统信息通讯需求基础上提炼通讯信息，自定义PLC与PC机的通信协议。

5、研究了组态软件在控制系统中的应用并采用组态软件构建车位监控系统。

6、根据控制需求对PLC控制器的编程软硬件进行组态，并完成PLC控制程

的设计。

7、改进停车场车路控制系统功能并完成控制程序设计。

2典型平面停车场控制需求分析

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（塔）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[13]：

1、市区公共建筑群大型停车场（如成都市天府广场地下停车场），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。

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。

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。

。

5、专用停车楼（塔）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。

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典型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典型平面停车场管理及控制需求分析

对停车场进行管理及控制需求分析是系统设计的基础，本节在分析典型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。

2.2.1停车场基本情况分析

在对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，图2.1是某住宅小区的地下停车场的总平面图。

图2.1典型停车场总平面图

小区内以多层的跃层式住宅为主，同时亦有部份联体别墅及高层住宅。

客户群体定位为具有一定消费水平的成功人士。

小区临街位置建有对外营业的大型商务会馆及小型超市。

小区采用智能化技术进行管理，其建筑智能化系统按乙级标准设计。

整个小区希望营造一种高品质、现代化的居住环境。

为做到人车分流，机动车平时不进入小区内部。

受该小区的地形及功能分区限制，该停车场平面分布特殊，交叉道口较多，故对停车场内的通道信号指示要求较高。

2.2.2停车场功能分区及依据

根据建筑设计单位提供的小区基本情况及其停车场总平面图可知：

该停车场地形复杂，交叉道口较多，小区地面车辆禁止驶入。

小区边界有对外营业的大型商务会所及小型超市，为满足商务会馆及访客临时停车的需要，停车场采用小区内外共用型管理系统，既设固定用户停车区域同时也设临时用户停车区域。

根据车库地形，将其车位分为A~E共5个大区域进行编号管理，整个车库有3个双入双出形车库出入口分别位于A、C3、E区，其中带出口区域A区距商务会馆最近，E区次之。

考虑到减少固定用户区域交通干涉，将E区划分为临时用户停车区域，独立分区。

其余ABCD区作为固定用户停车区域，可在C3区设置隔离带，A、B、C1区从出入口1进出，C2、C3、D区从出入口3进出车库，临时用户则从出入口2进出车库。

停车场停车用户可细分为：

小区住户自有车辆，可办理固定用户停车卡；小区住户访客车辆，由于小区地面人车分流的要求，机动车不进入小区内部，需临时停于停车场，可在临时用户停车区域取卡——临时停车；小区对外营业之商务会馆及小型超市顾客车辆，也可在临时用户停车区域取卡——临时停车。

2.2.3停车场车辆管理模式需求分析

根据不同类型建筑工程的管理标准及服务等级、对象的不同，停车场管理系统常分为：

大型停车场管理系统及一般小区内停车场管理系统。

根据小区内停车场的规模及服务对象又常分为：

仅限小区内部使用的停车场管理系统，其应用范围为小区内