【正文】 ...................61 附錄 6：計數(shù)統(tǒng)計組態(tài)主畫面 ......................................................................................62 附錄 7：報警主畫面 ......................................................................................................63 附錄 8：警報鳴笛主畫面 ..............................................................................................64 附錄 9：車道控制機(jī)主電氣圖 ......................................................................................65 基于 PLC 的 車道 控制 機(jī) 組態(tài)設(shè)計 1 1 緒 論 車 道控制機(jī)技術(shù) 在高速公路車道收費(fèi)設(shè)備中，車道控制機(jī)是最重要的 核心部分 ， 向上 與收費(fèi)站計算機(jī)系統(tǒng)通信， 往下 控制所有外 部 設(shè) 備 ，如：車輛檢測器、通行 信號 燈、天棚信號燈 、霧燈 、自動欄桿、費(fèi)額顯示器、 操作員 鍵盤、視頻數(shù)據(jù) 采集器 等 。 據(jù)此， 車道控制機(jī) 應(yīng)具有如下基本功能： 1． 車道控制機(jī)與上位機(jī)通信可達(dá)到控制車輛通行 2． 車道控制機(jī)可依靠自身邏輯控制達(dá)到對通行車輛稱重、計價、費(fèi)額顯示，并與上位機(jī)通信完成收費(fèi) 3． 車道控制機(jī)通過視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備自動采集通行車輛信息，將車輛圖像信息上傳至上位機(jī) 4． 在自動控制得基礎(chǔ)上，操作員可手動操控外圍設(shè) 備的運(yùn)行 車道控制 系統(tǒng) 車道控制系統(tǒng)一般包括上位機(jī)、車道控制機(jī)和外部設(shè)備三大部分。 上位機(jī)即車道收費(fèi)站計算機(jī)，采用可滿足數(shù)據(jù)通信要求的計算機(jī)。 車道控制機(jī)則可由不同種類的控制器或控制設(shè)備完成，例如 PLC、工控機(jī)、單片機(jī)等。其他輔助設(shè)備有電源、托架等。本文采用西門子 STEP7300 PLC 為邏輯控制器構(gòu)成車道控制機(jī)。 外部設(shè)備包括： 車輛檢測器、 擋車器、 通行 信號 燈、天棚信號燈 、霧燈 、自動欄桿、費(fèi)額顯示器、 操作員 鍵盤、視頻數(shù)據(jù) 采集器、通信線纜、車輛稱重模塊、報警燈等 。 我國目前尚未對車道控制機(jī)出臺專項 國家標(biāo)準(zhǔn)，但車道控制機(jī)作為高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的核心設(shè)備，必須以可靠、穩(wěn)定、高效的系統(tǒng)要求為設(shè)計準(zhǔn)則， 從而達(dá)到精確管理車輛的目的。 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 WinCC 的性能特點(diǎn) WinCC 是 西門子 公司開發(fā)的組態(tài)技術(shù)軟件 。 西門子公司的 HMI/SCADA 軟件系統(tǒng) WinCC 在中國乃至全球有著廣泛應(yīng)用，憑籍西門子在工業(yè)自動化領(lǐng)域的雄厚技術(shù)實力和廣泛采用創(chuàng)新和開放的軟件技術(shù)， WinCC 在各個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)碩果累累。 西門子公司的 WinCC 是 Windows Control Conter （視窗控制中心）的簡稱。它集成了 SCADA、組態(tài)、腳本（ Script）語言和 OPC 等先進(jìn)技術(shù)，為用戶提供了Windows 操作系統(tǒng)（ Windows 20xx 或 XP）環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。 WinCC繼承了西門子公司的全集成自動化（ TIA）產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)和無縫集成的特點(diǎn)。 作為 SIMATIC 全集成自動化系統(tǒng)的重要組成部分， WinCC 確保與 SIMATIC S5,S7 和 505 系列的 PLC 連接的方便和通訊的高效； WinCC 與 STEP7 編程軟件的緊密結(jié)合縮短了項目開發(fā)的周期。此外 WinCC 還有對 SIMATIC PLC 進(jìn)行系統(tǒng)診斷的選項 ，給硬件維護(hù)提供了方便。 WinCC 的主要性能特點(diǎn)： 1． 創(chuàng)新軟件技術(shù)的使用。 WinCC 是基于最新發(fā)展的軟件技術(shù)。西門子公司于Microsoft 公司的密切合作保證了用戶不斷創(chuàng)新的技術(shù)。 2． 包括所有 SCADA 功能在內(nèi)的客戶機(jī) /服務(wù)器系統(tǒng)。 3． 可靈活裁剪，由簡單任務(wù)擴(kuò)展到復(fù)雜任務(wù)。 4． 眾多的選件和附加件擴(kuò)展了基本功能。 5． 使用 Microsoft SQL Sever 20xx 作為其作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫，可以使用 ODBC,DAO,OLEDB,WinCCDB 和 ADO 方便地訪問歸檔數(shù)據(jù)。 6． 強(qiáng) 大 的 標(biāo) 準(zhǔn) 接 口 （ 如 OLE,ActiveX 和 OPC ）。 WinCC 提供了OLE,DDE,ActiveX， OPC 服務(wù)器和客戶機(jī)等接口或控件，可以很方便地與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。 7． 全集成自動化 TIA（ Totally Integrated Automation）的部件。 TIA 集成了西門子公司的各種產(chǎn)品包括 WinCC。 TIA 意味著在組態(tài)、編程、數(shù)據(jù)存儲和通訊方面的一致性。 [1] 論文的主要研究內(nèi)容 基于 PLC 的 車道 控制 機(jī) 組態(tài)設(shè)計 3 本課題是利用組態(tài)軟件“ WinCC”作為軟件開發(fā)平臺，將 車道控制機(jī) 的各控制子系統(tǒng)作為對象，設(shè)計監(jiān)視控制畫面，研究基于 PLC 的 車道控 制 組態(tài)設(shè)計；通過組態(tài)軟件與 PLC 的實時通信，實現(xiàn)對 PLC 控制的 車道收費(fèi)系統(tǒng) 的模擬。 主要研究內(nèi)容包括： 1．設(shè)計組態(tài)軟件畫面，實現(xiàn)對各控制子系統(tǒng)運(yùn)行情況的控制與監(jiān)視。其中包括：車輛通行計數(shù)，車輛稱重，收費(fèi)器費(fèi)額顯示，車道信號燈，自動欄桿，棚燈，霧燈，報警器，擋車器、 操作員 鍵盤 等 2．用組態(tài)軟件實現(xiàn)對 車道 控制 及收費(fèi)的 模擬，包括： 車輛通過演示，車輛計數(shù)演示，費(fèi)額顯示，車輛稱重演示，信號燈，自動欄桿起落演示，棚霧燈開關(guān)演示 。通過組態(tài)軟件中命令語言編寫的程序，使虛擬 車道控制機(jī) 完成相應(yīng)的運(yùn)動，用畫面上 的窗口 來顯示來自 PLC的各種狀態(tài)信息，編寫 PLC控制程序，通過計算機(jī)與 PLC串行通信交換信息和組軟件接收和執(zhí)行 PLC對 車道控制機(jī) 發(fā)出的各種命令，用 PLC來控制“虛擬” 車道控制機(jī)。 2 車道控制機(jī) 基本設(shè)備及其控制 車輛檢測器及自動欄桿 一．車輛檢測器 控制功能綜述 車輛檢測器 是在 每條 收費(fèi)車道出口處的路面下埋設(shè)環(huán)形線圈檢測器，用于統(tǒng)計駛出車道的車輛數(shù)和控制自動欄桿 。 當(dāng)車道處于關(guān)閉狀態(tài)時，檢測器仍處于工作狀態(tài)，以檢測在車道關(guān)閉時的違章車輛。 車輛檢測器已發(fā)展到可自動識別車型，其廣泛應(yīng)用于 ETC 中。本文中使用的是只具有計數(shù)，欄桿控制功能的線圈檢測器。 1． 檢測車輛通過完成并計數(shù) 車輛檢測器主要通過線圈檢測車輛壓過，完成車輛通過次數(shù)計數(shù)，將感應(yīng)線圈放置在車道上，每當(dāng)一輛車經(jīng)過記一次數(shù)。并將計數(shù)統(tǒng)計所得數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)保存，上位機(jī)即收集到統(tǒng)計數(shù)據(jù)保存以備查看。 2． 檢測車輛位置并連接視頻圖像采集設(shè)備捕捉車輛圖像信息 車輛檢測器線圈感應(yīng)到車輛經(jīng)過時，向車道控制機(jī)發(fā)出信號，車道控制機(jī)接收到該信號即刻發(fā)出指令，調(diào)動視頻數(shù)據(jù)采集裝置，即攝像機(jī)，抓拍下車輛信息。包括車牌，車身照。該圖像信息將自動上傳保存至上位 計算機(jī)。計算機(jī)通過自動分析車牌軟件可獲取該車車牌號碼，并與系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，保存該數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù)庫，以備查看。 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 3． 控制自動欄桿聯(lián)動 當(dāng)線圈檢測器感應(yīng)到車輛駛出收費(fèi)車道時，檢測器即刻向車道控制機(jī)發(fā)出信號，車道控制機(jī)接收該信號時，發(fā)出指令，將自動欄桿落下，以示意車輛停車?yán)U費(fèi)。 4． 車輛檢測器 的正常運(yùn)行過程 當(dāng)車輛即將進(jìn)站，車輛檢測器通過線圈感應(yīng)到車輛，即刻發(fā)出信號，車道控制機(jī)接收到該信號，分別向數(shù)據(jù)圖像采集設(shè)備、自動欄桿發(fā)出指令，由此攝像機(jī)即刻抓拍車輛圖像，包括車身以及車牌圖像；自動欄桿落下，車輛進(jìn)站完成。 上位機(jī)同 時記錄下一次車輛通過，并將接收到的圖像信息，統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析完成得到的車輛信息保存至計算機(jī)，并在一定的時間內(nèi)上傳至聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，以備查看。由此車輛檢測器工作完成。 二．自動欄桿及其控制 自動欄桿機(jī)核心部分為交流電機(jī)。采用扭矩電機(jī)可使電機(jī)停止在任何位置而不致?lián)p壞。 1． 自動欄桿機(jī)主要由控制模塊、電機(jī)、感應(yīng)器及欄桿、主機(jī)箱構(gòu)成。 2． 由控制模塊發(fā)出信號控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，聯(lián)動欄桿起落。 3． 自動欄桿機(jī)具有防砸車功能，當(dāng)欄桿落下時有車輛通過，感應(yīng)器感應(yīng)到信號自動反應(yīng)至控制模塊，命令電機(jī)制動并反轉(zhuǎn)，升起欄桿。 4． 金屬感應(yīng)器 可完成防撞、防砸和車輛通過欄桿后自動落桿功能。 5． 自動欄桿 手動 關(guān)閉或根據(jù)要求 ， 自動欄桿可處于常開狀態(tài) 圖像采集設(shè)備與稱重模塊 一、 圖像采集設(shè)備 收費(fèi)站卡口系統(tǒng)是在汽車牌照識別技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合高清卡口系統(tǒng)或基于工控機(jī)卡口系統(tǒng)的一套完整的應(yīng)用系統(tǒng)。利用攝像機(jī)、汽車牌照識別技術(shù)軟件和成套設(shè)備，可以將車輛經(jīng)過收費(fèi)站時的圖像和車牌信息即時記錄下。并在另一層面上保證了車輛通過收費(fèi)站計費(fèi)收費(fèi)的規(guī)范性，同時對于違章車輛的篩查和限制都提供了更為高效的輔助 目前市場上有眾多卡口汽車牌照自動識別技術(shù)方案，本文 僅以簡單示例表示車道控制機(jī)圖像采集設(shè)備，在組態(tài)畫面上演示。 1． 車道監(jiān)控攝像機(jī)。由圖像采集卡控制，捕捉拍攝經(jīng)過車輛圖像 2． 圖像采集卡 。 高速公路收費(fèi)專用圖像采集卡實現(xiàn)視頻圖象通過計算機(jī) PCI基于 PLC 的 車道 控制 機(jī) 組態(tài)設(shè)計 5 總線實時傳遞至計算機(jī)內(nèi)存，圖像采集卡是系統(tǒng)核心部分 3． 汽車牌照自動識別軟件。軟件可采用嵌入式，嵌入到車道控制機(jī)內(nèi)，車道監(jiān)控攝像機(jī)和圖像采集卡共同構(gòu)成汽車牌照識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)可識別車輛牌照號碼，牌照顏色。并可實時監(jiān)控車道畫面，對違章沖卡車輛采取抓拍動作。 AC VLE D 圖 車道收費(fèi)站汽車牌識別設(shè)備工作框 圖 二、 稱重系統(tǒng) 1. 高速動態(tài)稱重系統(tǒng)的原理概述 為了保護(hù)高速公路路面及其他路產(chǎn)免遭超重車破壞，對超限車輛進(jìn)行有效的控制，因而有必要設(shè)置高速動態(tài)稱重系統(tǒng)對來往的車輛進(jìn)行監(jiān)控和管理，禁止超限車輛駛?cè)敫咚俟罚驅(qū)σ呀?jīng)在路面上過往車輛軸重及總重載荷進(jìn)行預(yù)檢，從正常行駛車輛中篩選出有超限超重嫌疑的車輛。 2. 稱重系統(tǒng)工作原理概述 高速動態(tài)超限預(yù)警稱重系統(tǒng)設(shè)置在安裝在高速公路主線斷面上，在高速稱重系統(tǒng)前方設(shè)置路牌，提示司機(jī)即將進(jìn) 入稱重區(qū)。在高速稱重系統(tǒng)后方設(shè)置超重報警顯示裝置，對超限超重車輛進(jìn)行引導(dǎo)，使之退出高速公路或從最近的匝道口駛出高速公路。另外可增加攝像系統(tǒng)對超限車輛進(jìn)行圖片抓拍和車牌識別，將超限超重車輛的動態(tài)稱重數(shù)據(jù)和圖片以及相應(yīng)的車牌傳給上位計算機(jī) 。 [2] 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 3. 車輛計重收費(fèi) 根據(jù)車輛的載荷大小來確定收費(fèi)額，也就是依據(jù)對路面的破壞程度來確定收費(fèi)額的。計重收費(fèi)系統(tǒng)一般由感應(yīng)器、傳感器、稱重平臺、稱重儀、輪軸判別 (識別 )器、車輛分離器等設(shè)備組成，當(dāng)車輛進(jìn)入收費(fèi)車道時，由測量感應(yīng)器傳感到動態(tài)稱重儀，快速檢測出車輛的軸重和總重等數(shù)據(jù) ，并將數(shù)據(jù)即時傳輸至車道收費(fèi)系統(tǒng)，收費(fèi)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和方法，自動顯示該車輛的應(yīng)收費(fèi)額。從整個計重收費(fèi)過程可以看出，計重是計重收費(fèi)系統(tǒng)的核心部分和關(guān)鍵部分，也是計重收費(fèi)的重要依據(jù) 。 [3] 圖 龍芯智業(yè)稱重系統(tǒng)原理 圖 基于 PLC 的 車道 控制 機(jī) 組態(tài)設(shè)計 7 圖 龍芯智業(yè)稱重系統(tǒng)工作原理 圖 操作員鍵盤與費(fèi)額顯示屏 一． 操作員鍵盤 操作員鍵盤是車道控制機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)界面部分，操作員通過操作員鍵盤運(yùn)行車道控制系統(tǒng)。進(jìn)行收費(fèi)，檢測車重，判斷車型，手動控制外部設(shè)備，如：棚燈、霧燈、報警器以及手動控制信號燈、欄桿起落等。操 作員鍵盤是人機(jī)交互信息最關(guān)鍵部分。設(shè)計操作員鍵盤是，以友好，高效，簡潔畫面為目標(biāo)。 1． 車型判斷。操作員對過站車輛進(jìn)行判斷，根據(jù)其車型選擇收費(fèi)種類。 2． 超重判斷 。 過站車輛經(jīng)過稱重系統(tǒng)的自動稱重所得重量信息將會自動上傳至收費(fèi)員計算機(jī)，并顯示在操作員操作畫面上，操作員根據(jù)其是否超重，超重百分?jǐn)?shù)，判斷其是否違章，是否需要作牽引處理。本文中采取我國普通高速公路收費(fèi)中常用的一種收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合車輛車型以及其是否超重，超重百分比，及其違章情況綜合計算其過路費(fèi)用。以滬杭甬高速公路收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為參考標(biāo)準(zhǔn)，見圖 圖 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 客車按車型分類及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn) 圖 載貨汽車計重收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn) 1． 違章判斷 。 車道控制機(jī)與汽車牌照自動識別卡口系統(tǒng)相結(jié)合，系統(tǒng)可抓拍并識別過站車輛的車牌信息，車輛顏色，據(jù)此可判斷車輛是否存在套牌，換卡等違章行為。發(fā)現(xiàn)車輛存在違章行為，操作員可聯(lián)系交通管理部門工作人員對車輛進(jìn)行違章處理。并且通過計算機(jī)內(nèi)捕捉記錄到的車輛信息，違章情況，及時向上基于 PLC 的 車道 控制 機(jī) 組態(tài)設(shè)計 9 級計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)，做到實時同步，防止同一車輛在同一封閉路