基于计算机通信技术的停车场收费系统设计

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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(CentralizedControl System)，分布控制系统DCS(Distributed Control System)，现场总线控制系统FCS(Field-bus Control System).

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

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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

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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(Field Bus)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(Field BusFoundation)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。

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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(Programmable Controller)，又称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, 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。

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