自动化论文基于plc的隧道灯光控制系统设计本科毕业论文.docx
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自动化论文基于plc的隧道灯光控制系统设计本科毕业论文
二○一五届毕业论文
基于PLC的隧道灯光控制系统设计
学院：
电子与控制工程学院
专业：
自动化（交通信息与控制）
姓名：
学号：
201132010225
指导教师：
完成时间：
2015年6月10日
二〇一五年七月
摘要
随着我国山区高速公路的快速建设和发展，隧道工程在公路工程建设中所占的比例越来越大，与此同时，隧道照明系统的设计和维护也变得越来越重要。
良好的隧道照明设计就是考虑隧道长度、路面类型、公路线型、内饰、有无人行道、设计时速、交通量和汽车种类等相关因素，进行隧道光源光色、灯具选择，灯具排列布置，合理的诱导照明设计及照明控制设计，达到满足驾驶员交通安全的视觉信息采集，提高驾驶的安全性和舒适感，并最终达到降低运营成本的目的。
本论文首先介绍了本文研究背景和意义，国内外研究现状和发展趋势，并且点出本文研究内容是如何确定的。
然后对隧道照明回路亮度进行了详细的计算分析，并且对手动控制、分时段进行的时序控制方式和根据洞内外的亮度值自动控制照明回路的全自动控制三种方式以及他们的优缺点进行了分析及对比。
同时主要详细分析了人工手动控制和分段时序两种隧道照明控制方案和详细简绍了可编程控制器PLC定义，功能，工作原理的简绍。
本次课设根据高速公路隧道照明控制要求分析选用了西门子PLCS7－200系列,设计了通过手动控制和分段时序控制对隧道照明系统进行控制，同时针对手动控制和分段时序控制方案设计了基于PLC的硬件与软件系统。
最后通过PLC仿真软件对手动和自动控制以及手动控制下的晴天，多云，阴天，夜间，更夜控制程序的仿真和结果进行了充分的分析。
关键词：
公路隧道，隧道照明，PLC，仿真模拟
Abstract
Withtherapidconstructionanddevelopmentofourcountrymountainousareahighway,tunnelengineeringinthehighwayengineeringconstructionoccupiestheproportionismoreandmore.Atthesametime,thedesignoftunnellightingsystemandmaintenancebecomesmoreandmoreimportant.Goodtunnellightingdesignistoconsiderthefactorsrelatedtothelengthofthetunnel,andthetypeoftheroad,roadshape,interior,sidewalk,designspeed,trafficvolumeandvehicletypessuchas,tunnelofcoloroflightsource,lampsandlanterns,lamparrangement,reasonableinductionlightingdesignandlightingcontroldesign,tomeetthevisualinformationgatheringofdriver'strafficsafety,improvethedrivingsafetyandcomfort,andeventuallyreachtoreduceoperatingcosts.
Thispaperfirstintroducesthebackgroundandsignificanceofthisstudy,domesticandforeignresearchstatusanddevelopmenttrends,andpointouthowthecontentofthisresearchisdetermined.Thenthebrightnessofthetunnellightingcircuitaredetailedcalculationandanalysis,controlandthemanualcontrol,atthetimetocarryouttimingand,accordingtothebrightnessofinsideandoutsidetheholevalueautomaticcontrollightingcircuitoffullautomaticcontrolthreeway,aswellastheiradvantagesanddisadvantagesareanalyzedandcompared.Atthesametime,themaindetailedanalysisofmanualcontrolandsegmentationoftwokindsoftunnellightingcontrolschemeanddetailedsimpleintroductionoftheprogrammablecontrollerPLCdefinition,function,workingprincipleofJane.
AccordingtotherequirementsanalysisandselectionofthePLCofSiemensS7-200seriesofhighwaytunnellightingcontroldesignbymanualcontrolandsegmentaltimingcontroltocontrolthetunnellightingsystem.Atthesametime,themanualcontrolandsubtimingcontrolschemeisdesignedbasedonPLChardwareandsoftwaresystem.ThecoursedesignFinally,throughthePLCsimulationsoftware,thesimulationandresultsofthemanualandautomaticcontrolaswellasmanualcontrolofsunny,cloudy,cloudy,night,andnightcontrolprogramwereanalyzed..
Keywords:
highwaytunnel,tunnellighting,PLC,simulation
第一章绪论
1.1研究背景和意义
隧道作为高等级公路的特输路段，当车辆在驶入、通过和驶出隧道的过程中，会出现一系列的视觉问题，为适应视觉的变化，当汽车驾驶员驶车进入隧道入口时，在白天，突然面对一个亮度相对很低的光环境入口，视觉需要尽快调整以适应光环境由明到暗的变化，会出现“黑洞效应”；在驶出隧道时情况正好相反，面对一个白亮的洞口视觉需要尽快调整以适应光环境由暗到明的变化，会出现“白洞效应”；在夜晚，同样需要清楚地看到前方路况。
因此需在隧道内设置附加电光照明。
需采用自动控制系统使洞内亮度随洞外亮度完全同步变化，以消除司机的“暗适应”与“明适应”的视觉问题，并且最大限度的节省能源。
同时，如何在隧道内各段采用不同强度的照明来改善隧道内的光照及其分布，创造洞内良好的工作视觉环境，确保在白天和夜间行驶的车辆以设计速度能够安全地接近、穿越和通过隧道，预防隧道内交通事故的发生，保证隧道的正常运营，就是隧道照明控制系统要解决的问题。
同时隧道照明也是隧道运营费用中最大的日常开支项目之一，安全、舒适又经济节能的照明技术也是研究的目标。
1.2隧道照明
1.2.1隧道照明的意义
隧道照明可以改善隧道内路面状况，改善隧道内视觉享受，减轻驾驶员疲劳，有利于提高隧道通行能力保证交通安全。
隧道照明系统主要包括：
中间照明段、入口段照明、过渡段照明、出口段照明、应急照明、洞外引道照明及接近段减光设施。
根据《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026-1999）规定，长度大于100m的隧道都应设置电光照明设施[1]。
1.2.2隧道照明的特点及照明要求
隧道照明是一种特殊路段，其管道结构决定了它的照明特点与其他路段不同，隧道照明特点有以下几点：
（1）隧道路面应具有一定的亮度水平；
（2）隧道内的墙壁应具有一定的亮度水平；
（3）在设计中应考虑车速、交通量和路线线形等诸多因素；
（4）综合行车安全和舒适度等方面设定照明水平；
（5）考虑人的视觉适应性，避免隧道的入口段和出口段出现的“黑洞效应”和“白洞效应”带来的不良后果。
（6）隧道在白天也需要照明，并且，白天的照明设计比夜晚更加复杂。
由于隧道的特殊结构，它的照明特点也是较为复杂，在设计隧道照明时，必须详尽的考虑可能影响隧道照明的因素，然后设计一系列解决这些问题的方案，消除隧道交通可能存在的安全隐患。
同时，在设计隧道照明的同时，为了实现节约能源、提高照明效果并保证隧道行车的安全性和舒适性情况下，我们通常可以考虑以下几个方面：
（1）亮度——由于隧道内部和外部的正常日照光度不同，尤其是在白天，内外光线亮度差较大，会给驾驶员造成视觉的不适应，影响驾驶员的判断，从而导致交通事故。
为此，隧道照明通常分为入口段照明、过渡段照明和出口段照明。
其中，白天隧道入口段的亮度要根据隧道外的亮度、车速、入口外额视场和隧道长度来确定。
过渡段的照明水平要进一步的下降，从而为驾驶员提供视觉暗适应的时间。
（2）亮度均匀度——良好的视觉功能不但要求有一个好的平均亮度，还要求路面上的平均亮度和最小亮度之间不能相差太大。
如果视场中亮度差太大，会产生眩晕效应，继而影响驾驶员的视觉，也会加重加重驾驶员的疲劳感。
总体亮度均匀度是指隧道内部的路面上最小亮度和平均量的比值，纵向均匀度是指在车道轴线上最小路面亮度和最大路面亮度的比值。
如果路面上连续、反复的出现亮带和暗带，即“斑马效应”，对于在这个车道上的道路使用者而言，会感到很烦躁，会危及到道路安全。
（3）炫光——炫光的形成是由于视场中有极高的亮度或亮度对比存在，而使视功能下降或使眼睛感到不舒适。
在隧道照明中的炫光可以来自迎面驶来的车辆前灯、隧道照明灯具、隧道出口时外面的亮度等。
炫光会使人对障碍物的辨认能力下降，危及行车安全。
隧道照明灯具应采用截光型，采取除去直射和反射炫光的特殊技术措施，形成漫反射，使光线十分柔和的进入眼球。
（4）频闪效应——频闪是指在较长的隧道中，由于照明器排列的不连续，导致司机不断地受到明暗变化多刺激而产生的烦乱。
它与敏感的亮度的变化、明暗变化的频率、频闪的总时间有关系。
（5）照明控制——合理的照明控制会随照明需求的变化而适地改变照明水平，以减少不必要的能源浪费。
在隧道照明中，根据昼夜的变化、天气原因以及车流量的大小因素，通过各种调光设备来控制隧道的照明环境，满足正常的照明需求。
1.3国内外研究概况
1.3.1国外研究概况
对公路隧道照明设计的研究国外开始于20世纪50年代，相比我国较早，而且历经较长时间的研究和发展，技术已相对完善。
例如，建于20世纪60年代的法、意两国间的长为11.6km的MontBlanc隧道，它的照明设计就已经实现了根据交通量的变化来进行调光的做法;为规范隧道照明的设计和施工，降低交通事故的发生率，80年代以后，各个国家陆续颁布了隧道照明设计规范，1982年CIE（国际照明委员会）制定的（CIENo.30.2.1998）标准在当时被广泛认可，在接下来的1990年和1995年这个标准分别被做了修订，与此同时，世界各国也随即执行了各自的标准，如日本1990年出版的《隧道照明指南》，1997年的EUROSTD《欧洲隧道照明标准》等，这些发达国家的照明技术及照明理论相对我们国家来说比较完善，因而己形成规范性的标准。
除此之外，国外许多国家对隧道照明灯具也做了比较深入的研究，而且成立了研究中心，建立了试验中心，并普遍使用计算机辅助制造技术（CAM）和计算机辅助设计（CAD）这两项比较先进的技术来支持他们的研究。
例如，瑞士已研究出了多种隧道照明灯具，隧道光源选择高压钠灯，很多隧道洞口段采用逆光照明配光方案;欧美发达国家在关于灯具的光学特性、使用材料、功能结构和外观质量的研究上取得了比较大的成果[2];另外，为了迎合人们对公路隧道灯具造型和质量要求逐渐加强的需求，国外在公路隧道灯具的结构和外壳材料、外观质量、灯具功能、密封材料、反射器材料、灯具和隧道的匹配，灯具的光学特性等方面也做了大量的研究。
因此，这些国家生产出来的灯具不仅光效高而且造型美观，质量轻，互换性好，这对提高公路隧道照明质量，保证行车安全性和舒适性起了非常大的作用。
隧道照明控制技术的研究也是许多发达国家的研究重点，隧道照明控制以前大多采用逻辑分组控制的方式，而现在的研究倾向于根据隧道内交通量的大小、车速、天气状况等因素的网络智能控制技术的研究。
1.3.2国内研究概况
比国外许多国家，对公路隧道照明技术的研究我国开始的比较晚，经验及基础性的工作缺乏，在很长一段时间内，我国公路隧道照明设计规范一直处于空缺状态，《公路隧道设计规范》（CJTJ026-90）是2000年以前我国隧道照明系统设计主要参照的标准，然而该规范很不完善，对我国隧道照明设计的指导性不足。
随着我国公路建设的突飞猛进，隧道通车里程也随之增加，这就巫待一套比较完善的公路隧道设计规范问世。
于是，2000年1月，一本《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）被颁布了，该规范主要涉及照明系统构成、隧道各照明段的长度和亮度的确定、隧道照明调光、洞外亮度要求、减光措施、照明纵向均匀度和总均匀度的设计、灯具布置方案、光源分级、照度与亮度计算方法等方面的内容，自此，我国公路隧道的照明设计才有了可以参照的设计标准[3]。
但是，因为我国对隧道照明技术研究的时间较短，对驾驶员的视觉生理和驾驶行为研究甚少，而且我国高速公路建设集中于最近的十几年中，大量的隧道建设是在经验和研究支撑不足的情况下建成的，导致很多问题的发生。
我国公路隧道照明主要存在以下几方面的问题
（1）多数隧道入口段都是采用3排甚至4排的灯具布置方式，灯具的初次投资费用相对较高；
（2）在隧道的实际运营中，为了节约电能，多数隧道运营管理部门通常只开启二分之一或四分之一的灯具，有的甚至不开灯；
（3）虽然《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）中明确规定，长度超过100米的隧道都需设照明系统，但是很多已经运营的长度在600米以内的隧都没有设置照明
（4）《公路隧道通风照明设计规范》（CJTJ026.1-1999）及很多的地方性隧道照明设计文件都给出了将照明分级进行控制的规定，比如按冬天、夏天、白天、夜间、阴雨天、晴天的6级控制方式，但是能够按照规定做的隧道非常少。
1.4本章小结
本章探讨实际隧道的控制要求，从而组建控制系统。
本章从课题研究背景入手介绍了现在高速公路隧道的发展状况以及国内外隧道监控系统的发展状况，最后着重论述了隧道照明监控系统的发展状况和隧道照明系统的控制要求。
1.5研究内容
第一章:
绪论。
本章主要介绍本文研究背景和意义，国内外研究现状和发展趋势，并且点出本文研究内容是如何确定的。
第二章:
公路隧道照明控制策略。
本章主要介绍现行的关于高速公路隧道照明的几种方案。
手动控制、分时段进行的时序控制方式和根据洞内外的亮度值自动控制照明回路的全自动控制三种方式以及他们的优缺点,同时主要详细分析了人工手动控制和分段时序两种隧道照明控制方案。
第三章:
本章详细分析了西门子PLC S7－200系列，根据高速公路隧道照明控制要求分析和选择了本系统所采用的PLC,以及针对手动控制和分段时序控制方案设计了基于PLC的硬件与软件系统。
第四章:
本章简绍了西门子PLCs7-200仿真软件以及对手动和自动控制以及手动控制下的晴天，多云，阴天，夜间，更夜控制程序的仿真和结果进行了充分的分析。
第五章:
总结与展望。
本章总结了主要研究成果，分析了不足之处，对今后的工作做出了展望。
第二章隧道照明控制系统方案及PLC的简介
2.1隧道照明控制
2.1.1隧道照明回路平均亮度计算
隧道的照明有照度和亮度两种计算方法，而能否看清路面及路面上的障碍物，决定于路面及障碍物的亮度，因此在隧道监控系统中，使用的光强检测器为亮度检测器，照明控制策略研究也采用了亮度计算的方法。
亮度计算比较复杂，除涉及照度计算有关的内容外，它还与观察点的位置、路面材料等有关。
查对国内外有关资料，驾驶员注意力集中的区域大致是前方60m－160m，因此，视点纵向距离取距计算区域60m－160m，侧向距离取1/4路面宽，视点高为1.5m；计算区域内纵向计算点间距不大于1.0m，横向计算点不少于5点。
根据《公路隧道通风照明设计规范》，隧道内某灯具在路面计算点产生的亮度可按式2-1计算[4]：
2-1
式中：
——灯具i在计算点P产生的亮度（
）；
——灯具在计算点P的光强值（cd）；
H——灯具光源中心至路面的高度（m）；
——亮度简化系数；
——观察面与光入射面之间的角度（
）；
——P点对应的灯具光线入射角（
）；
数个工具在计算点产生的亮度可按下面的公式2－2计算：
2-2
式中：
——P点的亮度（
）；
计算区域内路面的平均亮度可按下面公式2－3计算[3]：
2-3
式中：
——计算区域内路面的平均亮度（
）；
由亮度计算公式得知，要计算某灯具在路面计算点产生的亮度需要的参数有：
、H、
、
和
，其中，
可以按灯具厂商提供的光强表取值；H为灯具光源中心至路面的高度，为己知数据；
的值可以通过《公路隧道通风照明设计规范》附录C表取值，则需要待定的参数只有
和
。
在灯具各项功能参数（如功率、养护系数、光通量、光强值等）和隧道物理参数（路面宽度、灯具安装位置等）己知的前提下，
和
的值只与隧道的灯具数量、布灯方式、计算区域以及计算点数有关。
因此，可以通过以下步骤求得每个照明器单独开启时其照明区段的平均亮度理论值：
（1）根据式2-1计算某灯具在某计算点产生的亮度；
（2）根据式2-1依次计算其余灯具在此计算点产生的亮度；
（3）根据式2-2计算全部灯具在此点产生的总亮度；
（4）按照步骤1,2,3逐点计算区域内各计算点的亮度；
（5）根据各计算点的亮度，按照公式2-3计算该区域的平均亮度。
根据以上可以计算出具体的每个隧道的灯具数量、布灯方式等。
2.1.2隧道照明控制方式
隧道内的照明控制是根据隧道照明设计中所确定的照明区段、不同时段不同气候条件下的照明要求，控制各个照明回路的开关，从而达到既满足隧道的照明亮度要求，又节省能源的目的，其控制方式大致分为手动控制、分时段进行的时序控制方式和根据洞内外的亮度值自动控制照明回路的全自动控制方式三种。
手动控制方式主要由人工根据不同的时段及天气情况而开关不同的照明配电回路分段时序控制方式是根据一天中不同的时段而开启（闭合）相应的照明回路；隧道照明的自动控制方式则是利用光强检测器分别采集隧道内外的亮度参数，经过对比处理后，由计算机系统自动控制各个照明回路的开关，使洞内的照明亮度与外界自然光的亮度相适应。
如下图1为隧道的分段照明间断图。
2.1.3隧道照明控制要求
根据设计步骤，本节我们将完成控制系统设计的第一步：
分析控制要求。
隧道作为高等级公路的特殊路段，当车辆在驶入、通过和驶出隧道的过程中，会出现一系列的视觉问题，公路隧道照明视觉现象特征：
白天，汽车行驶接近照明亮度不是很高的隧道入口时，由于洞内外亮度差别很大，在洞口处有如黑洞穴一样的感觉，称为“黑洞”感。
为了避免这种“黑洞”感，在隧道入口处需要提高照明亮度，以尽量减少洞内外亮度的对比。
白天当汽车通过特别长的隧道接近出口时，出于洞外亮度很高，出口处像是一个白色的大洞，即所谓“白洞”。
这对司乘人员形成强烈的眩光，对前方的行车只能看到一个很暗的黑影，而对车辆背后黑影内的障碍物则无法看清。
因此，同样要求提高隧道出口过渡段的照明亮度，且出口过渡段应在40m以上，照度不得低于500Lx。
夜间在隧道出口处，正好与白天相反而形成“黑洞”感，使司乘人员无法识别洞外道路的形状和障碍。
为此，要求在出口处的过渡段照明应比隧道内基本段照明亮度要低一些，以适应在黑夜隧道内外亮度突然变化，以避免造成司乘人员视觉的影响。
这就要求在每天黑夜降临时，将隧道内出入口过渡段的照明器关掉一部分，达到降低亮度的目的。
基于这种需要，根据现有的技术条件以及国内外通用的方法，本文所采用的系统是手动控制和分段时序控制两种控制方式。
下图时白天照明区段长度及路面最低亮度表[5]。
表1白天照明区段长度及路面最低亮度
设计车速
引入段
适应段
过渡段
（km／h）
距离
m
亮度
／
距离
m
亮度
／
距离
m
亮度
／
80
40
80
40
80－46
40
4.6－4.5
60
25
50
30
46－30
30
4.5－2.3
40
15
30
20
30－20
20
2.3－1.
20以下
1.0
1.0
1.0
对于洞内灯具的开关则可由编程控制器PLC来完成。
根据所接通的照明情况，比较洞内照度是否与接通方式下的路面照度设计要求相符，若偏差值达到某一范围则由控制器进行报警，以便及时检查照明灯及线路的良好情况。
各工况要求达到的洞内路面亮度指标见表2
表2隧道照明控制亮度参数单位：
／
运行
工况
洞外亮度
或时间
加强
照明段
中间段
出口
照明段
应急
照明
晴天
5000
／
180.00
4.50
27.00
0.56
云天
2500
／
92.00
4.50
16.00
0.56
阴天
1250
／
48.00
4.50
10.00
0.56
重阴天
625
／
26.00
4.50
4.50
0.56
夜间
18:
00～24：
00
2.25
2.25
2.25
0.56
深夜
24:
00～次日6：
00
1.13
1.13
1.13
0.56
1、基本照明
基本照明布满隧道的整条线路，设定安装在洞内内侧墙壁上的基本照明器为A类照明器，安装在洞内外侧墙壁上的基本照明器为B类照明器。
其中照明器的安装个数及其灯具之间的距离由亮度计算得出。
2、加强照明
覆盖隧道的引入段、过渡段I、过渡段II和出口段，设定隧道内加强照明由C,D,E三类照明器组成。
3、路灯照明
隧道路灯布置在隧道的入口和出口处，线路两侧各安装六个灯柱。
其中，“夜间”照明模式一般适用于从天黑至凌晨的时间段内，此时只开启基本照明回路和路灯照明回路，路灯的开启同样是为了降低隧道洞口内外的亮度变化速率，防止交通事故的发生。
2.2人工手动控制
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