隧道内汽车双向行驶控制.docx
《隧道内汽车双向行驶控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧道内汽车双向行驶控制.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
隧道内汽车双向行驶控制
郑州电力职业技术学院
毕业设计
题目：
特长隧道双向行驶安全指示PLC控制系统设计
系别：
电力工程系
专业：
电气自动化技术
班级：
10级电气二班
学号：
10401040210
姓名：
何波江
论文成绩
指导教师
孙爱芬
答辩成绩
主答辩教师
综合成绩
答辩委员会主任
毕业设计开题报告
题 目
特长隧道双向行驶安全指示PLC控制系统设计
学生姓名
学号
班级
专业
电气自动化技术
一、研究背景：
随着我国城市化，现代化进程的加快，交通流量变的越来越大，为了缓解或有效解决日益严重的城市交通问题，提高道路的空间利用率，修建各种城市隧道或地下构筑物已成为急剧增长的趋势。
城市隧道对减少城市道路用地、缩短城市行车里程、疏导城市交通起到积极的作用。
目前我国已建成的隧道超过1069座，单通道延长超过340公里，建成的3000米以上的隧道13座，随着国家加大公路建设的步伐和力度，隧道的安全问题日益引起关注。
公路隧道作为高速公路的特殊结构，不仅车速高和流量大，结构也相对封闭，加之行驶经过的车辆排放大量的有害物质，所以车辆的行驶环境与条件相对较差，比较容易发生交通事故，并且事故的处理与救援亦相对比较困难，对于长大和特长隧道而言更是如此。
因此，高速公路隧道成为高速公路监控与管理的重中之重，进而我们要进行特长隧道双向行驶安全指示PLC控制系统的设计。
随着电气工业的发展，PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国的经济高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国将保持高速增长势头。
二、国内外研究概况：
建国后30年所修建的公路等级均较低，线形指标要求不高。
五十年代，我国仅有公路隧道30多座，总长约2500m，且单洞长度都很短。
六、七十年代，我国干线公路上曾修建了一些百米以上的隧道，但标准也很低。
进入八十年代，公路隧道的发展逐渐加快，具有代表性的工程有深圳梧铜山隧道和珠海板樟山隧道，福建鼓山隧道和马尾隧道，甘肃七道梁隧道等。
到1990年底，我国建成的千米以上隧道已有十余座。
在大型公路隧道建设中，技术也随着不断提高，并学习和引进了很多国外先进技术。
福建鼓山隧道，洞内设有照明、吸音、防潮、通讯、防火等装置和闭路电视监控及雷达测速系统，这是我国第一座现代化的公路隧道。
“八五”～“九五”期间是我国公路隧道建设迅速发展的时期。
“九五”期间新建隧道504座，27.8万延米。
还建成了多座特长或宽体扁坦隧道，如中梁山隧道（3100m×2）、缙云山隧道（2450m×2）、大溪岭隧道（4116m×2）、二郎山隧道（4200m×2）、飞鸾岭隧道、真武山隧道等。
据不完全资料统计，我国已建成公路隧道1208座，总里程362km。
“十五”期间，我国铁路、公路等领域合计约有总长3000公里的隧道工程需要修建，隧道长度大于10公里的约占10％左右。
现在国外的隧道发展迅速，青函隧道：
目前世界最长的铁路隧道，全长53.9公里，海底长度23.3公里。
此隧道跨越津轻海峡连接日本的北海道和本州美国的德拉瓦隧道：
世界最长的输水隧道全长169公里。
美国纽约的林肯隧道：
跨越哈德逊河连接纽约市和纽泽西州，是世界最繁忙的公路隧道之一，长度2.4公里。
三、所要进行的主要工作和所采用的方法、手段。
各部分硬件设计：
本设计采用三菱FX系列PLC、光电传感器、红绿交通灯、报警电铃。
按钮：
系统需要的按键有3个，一个启动键，一个130m控制键，还有一个260m的控制键。
报警电铃。
软件设计：
梯形图程序的设计（程序的设计思想，无车通过时的程序设计，有车通过时的程序设计，有汽车通过和无车通过时的衔接，控制开关在程序中的设计），各信号灯工作时序图（A、B两入口都无车进入的情况和A口有车进入时以及B口有车进入时），电气控制系统图设计
四、预期结果：
PLC产生控制信号，使得系统的信号灯红绿转换，按动启动按钮，A口绿灯亮，B口红灯亮，信号灯系统开始工作。
当B口绿灯亮时，从B口进人第一辆车算起，A口红灯持续亮90s，B口绿灯持续亮20s，接着闪烁2s后熄灭，此后两道口红灯同时亮68s。
即待从B口进入隧道内的汽车全部开出后，A口才能进车，A口时同理，周而复始，指示车辆的安全运行，避免发生交通事故。
两道口绿灯不能同时亮，如果万一同时亮，系统停止工作并报警。
指导教师签字
时间
年 月日
摘要
本文介绍了国内交通系统的发展现状，以及特长隧道汽车双向行驶安全存在的问题。
信号控制是一种用来确保交通循环的质量和安全的必要措施。
红外传感器的应用从根本上解决了人工操作的繁琐和减少了大量的失误，更加有效的增强了汽车双向行驶的安全性，有利于加强隧道的安全。
基于现状设计了一种基于PLC的特长隧道汽车双向行驶控制系统，详细介绍了所选用的三菱FX2N系列PLC，并根据设计要求对PLC的输入输出I/O进行了分配，编写了PLC梯形图程序。
最后介绍了本PLC电路所可能存在的干扰，并介绍了预防干扰的方法。
对系统的输入、输出点进行统计，根据PLC的选型相关规定和输入输出的总点数，选用日本三菱FX2N可编程序控制器。
分配了PLC的I／O地址，设计出PLC的外接线图。
介绍了PLC常见的编程方法，设计了PLC控制系统的程序。
这种方法易学易用，成功率高，设计复杂的控制程序可以节约大量的设计时间。
在此基础上，进行了现场安装、调试。
针对系统调试、安装以及运行过程中出现的问题，进行了分析，提出了解决办法和注意的事项。
从硬件和软件两个方面采取措施，提高PLC控制系统的抗干扰能力。
论文最后总结了课题研究的成果，讨论了课题中所用到的编程与接口技术。
关键词：
特长隧道PLC传感器汽车双向行驶
目录
第1章绪论1
1.1课题研究的目的意义1
1.2国内外研究现状2
1.3课题背景及要求2
1.3.1课题背景2
1.3.2本课题的PLC控制要求3
1.4论文主要内容3
1.5总体方案设计及创新点4
1.5.1总体方案设计4
1.5.2论文创新点4
第2章PLC原理及各模块的选择5
2.1PLC原理介绍.5
2.2PLC发展历程5
2.3PLC的应用现状6
2.4PLC控制系统的发展前景6
2.5可编程序控制器PLC的分类7
2.6PLC的选择9
2.7输入输出模块的选择9
2.8电源的选择10
第3章各部分硬件设计11
3.1PLC的外连电路设计11
3.2系统原理框图11
3.3传感器的选择及安装12
3.4辅助设备设计与选型14
第4章软件设计16
4.1梯形图程序设计16
4.2程序设计思想16
4.3无车通过隧道式的程序设计17
4.4有车通过隧道时的程序设计19
4.6时序图周期为1s的方波21
4.7I/O分配表23
4.8有汽车通过隧道和无汽车通过隧道程序的衔接23
4.9控制开关在程序中的设计23
第5章PLC整体电路的干扰与预防25
5.1电源系统引入的干扰25
5.2感性负载引起的干扰25
5.3输出信号的抗干扰措施26
5.4抑制外部配线干扰的措施26
第六章结论与展望28
6.1结论28
6.2展望28
参考文献29
致谢30
附录31
附录A资料31
附录B梯形图41
附录C指令表44
第1章绪论
1.1课题研究的目的意义
近年来，我国公路交通得到长足的发展，山区高速公路建设带动了山区的经济、社会发展。
然而，公路交通运输在为国民经济和社会发展做出重大贡献的同时，又因交通事故造成了大量人员伤亡和巨大经济损失。
隧道是山区高速公路的主要结构物，在山区高速公路中占有越来越高的比例。
由于高速公路隧道建设有着复杂的地理环境和特殊建筑结构，给高速公路交通安全管理工作带来了一定难度。
近年来。
隧道交通事故已屡见不鲜，很多隧道已经成为高速公路交通事故多发区和控制区。
西南地区某高速公路2004年1月～2005年1月，共发生交通事故181起，其中隧道交通事故就达56起，约占全线事故总数的31％。
控制隧道交通事故的发生已成为刻不容缓的工作。
因此，从隧道交通事故发生的原因着手分析、探讨改进隧道的汽车安全行驶问题有着重要的意义。
高速公路隧道事故多样性的原因分析据调查，发生隧道交通事故的原因主要有以下几个方面：
（1）隧道的人口路段线型为弯道、坡道路段。
用地条件制约着道路线型及道路走向的选择，因此，部分隧道的人口为弯道、坡道路段，有的甚至是多弯道、长下坡路段；
（2）隧道人口段一般为两种不同路面材料的过渡区域。
由于沥青具有可燃性，不利于隧道消防，隧道内一般为水泥路面，而隧道外多为沥青路面。
因此，隧道内外路面附着系数存在差异；（3）隧道内外光线存在明显差异。
在较长的隧道中，光线照人较少，虽然隧道内设置有照明装置，但是终究存在较大的隧道内外光线明暗程度的差异；（4）隧道人口处积水问题较难解决。
在某些地区，雨天隧道人口处往往积水较多，影响了车辆行驶的安全性；（5）隧道的空气环境较差。
隧道是一个相对封闭性的通道，空气环境较差，车辆排放的废气和车辆的扬弃废尘不易排除，废尘和废气在一段时间后容易沉积在路面上，降低了路面的附着系数。
由于隧道区段的上述特点，决定了隧道交通事故分布特征具有多样性、复杂性。
因此，决定我们要努力去改进隧道汽车的行驶安全。
本设计的目的就是为了从安全指示方面解决特长单向隧道的汽车安全行驶问题。
1.2国内外研究现状
建国后30年所修建的公路等级均较低，线形指标要求不高。
五十年代，我国仅有公路隧道30多座，总长约2500m，且单洞长度都很短。
六、七十年代，我国干线公路上曾修建了一些百米以上的隧道，但标准也很低。
进入八十年代，公路隧道的发展逐渐加快，具有代表性的工程有深圳梧铜山隧道和珠海板樟山隧道，福建鼓山隧道和马尾隧道，甘肃七道梁隧道等。
到1990年底，我国建成的千米以上隧道已有十余座。
在大型公路隧道建设中，技术也随着不断提高，并学习和引进了很多国外先进技术。
福建鼓山隧道，洞内设有照明、吸音、防潮、通讯、防火等装置和闭路电视监控及雷达测速系统，这是我国第一座现代化的公路隧道。
“八五”～“九五”期间是我国公路隧道建设迅速发展的时期。
“九五”期间新建隧道504座，27.8万延米。
还建成了多座特长或宽体扁坦隧道，如中梁山隧道（3100m×2）、缙云山隧道（2450m×2）、大溪岭隧道（4116m×2）、二郎山隧道（4200m×2）、飞鸾岭隧道、真武山隧道等。
据不完全资料统计，我国已建成公路隧道1208座，总里程362km。
“十五”期间，我国铁路、公路等领域合计约有总长3000公里的隧道工程需要修建，隧道长度大于10公里的约占10％左右。
现在国外的隧道发展迅速，青函隧道：
目前世界最长的铁路隧道，全长53.9公里，海底长度23.3公里。
此隧道跨越津轻海峡连接日本的北海道和本州美国的德拉瓦隧道：
世界最长的输水隧道，全长169公里。
美国纽约的林肯隧道：
跨越哈德逊河连接纽约市和纽泽西州，是世界最繁忙的公路隧道之一，长度2.4公里。
1.3课题背景及要求
1.3.1课题背景
随着我国城市化，现代化进程的加快，交通流量变的越来越大，为了缓解或有效解决日益严重的城市交通问题，提高道路的空间利用率，修建各种城市隧道或地下构筑物已成为急剧增长的趋势。
城市隧道对减少城市道路用地、缩短城市行车里程、疏导城市交通起到积极的作用。
目前我国已建成的隧道超过1069座，单通道延长超过340公里，建成的3000米以上的隧道13座，随着国家加大公路建设的步伐和力度，隧道的安全问题日益引起关注。
公路隧道作为高速公路的特殊结构，不仅车速高和流量大，结构也相对封闭，加之行驶经过的车辆排放大量的有害物质，所以车辆的行驶环境与条件相对较差，比较容易发生交通事故，并且事故的处理与救援亦相对比较困难，对于长大和特长隧道而言更是如此。
因此，高速公路隧道成为高速公路监控与管理的重中之重，进而我们要进行特长隧道双向行驶安全指示PLC控制系统的设计。
随着电气工业的发展，PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国的经济高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国将保持高速增长势头。
1
.3.2本课题的PLC控制要求
图1-1现场模拟图
1.4论文主要内容
（1）总体方案的设计
（2）PLC原理与系统各模块选择
（3）各部分硬件设计
（4）软件设计
（5）PLC整体电路的干扰与预防
1.5总体方案设计及创新点
1.5.1总体方案设计
PLC作为现代控制系统中最重要的控制器之一，我们当然不能忽视它。
采取它来进行我们系统的设计，不但能提高系统的稳定性、可靠性，还具有很强的性价比，还可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
而且在程序编制上也不需要费太大的工夫，所以我们用PLC来进行这样的一种系统设计是无可后非的。
本方案中，隧道口交通灯控制系统以PLC作为控制核心。
利用可行的传感器采集汽车到达隧道口的信号，传感器作为输入信号设备，它将采集到的控制信号送入PLC。
作为对来自传感器输入信号的响应，PLC产生输出控制信号去控制隧道A、B口的信号灯工作，从而实现了单向隧道汽车的顺利通行。
PLC还接受来自两个附加开关的输入信号，两个开关安装在隧道130M和260M位置，它们主要功能是在出现交通意外，或着是信号灯出现故障的情况下，可以利用这两个开关将系统程序停止运行，以便及时处理，减少更多的意外。
在设计中，还安装了报警电铃，它在隧道的A、B口都有，如果系统出错导致A、B口绿灯同时亮，这时报警电铃工作，可以告知隧道口欲进入隧道的汽车，从而保证了隧道汽车通行的安全性。
1.5.2论文创新点
本方案设计要求中，两个道口安装有红外线自动监测装置，检测车辆进入隧道的情况，并通过小型的继电器触点KA1和KA2，把信号输入PLC。
经过查阅资料，我发现一般的传感器在现场将光信号转化成了模拟信号，然后经过模数转换后输入到PLC中，然后进行PLC模块的控制。
在本次设计中，使用的光电传感器的内部电路比普通的传感器多加了一个比较电路，使得输出的信号是一个高电平和一个低电平，起到了代替小型继电器线圈的作用。
因而省去了一部分的外部电路，起到了简化的作用。
第2章PLC原理及各模块的选择
2.1PLC原理介绍.
PLC基本工作原理：
PLC由CPU，存储器、I/0接口、内嵌的精简高效操作系统组成。
用户可以根据自己的需要配置（扩展）自己的I/0（输入、输出）的类型及数量，用户按自己的控制需求编写控制程序下载到PLC的存储器内，PLC在运行的时候，PLC内的操作系统能运行用户的程序，根据用户程序通过输入端子完成输入信号（开关、触点、传感器等）的读取，并进行处理运算，把运算处理的结果输出到输出端子，以控制用户的执行机构（阀门、线圈、指示灯等）[1]。
从而完成用户所需的控制功能。
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。
每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数。
由于采用集中采样[2]。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
2.2PLC发展历程
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）[3]。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统[4]。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点[5]。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
2.3PLC的应用现状
自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近20年来计算机和信息技术的飞速发展不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步，也使PLC的广泛应用成为可能。
下面通过两组数据（引自工控网）说明PLC的应用现状[6]。
PLC在冶金行业的市场将持续增加2003年中国的工业出现了快速增长,工业产值同比增长在12%以上,而且中国的最大钢铁出口对象—美国在2003年下半年取消了钢铁附加税,中国钢材对其出口也将迅速回升。
这些有利因素刺激了中国冶金行业的投资。
据调查,中国冶金行业对设备的投资同比增长接近50%。
冶金设备的大量增长带动了PLC在该行业的增长,2003年PLC在冶金行业的市场达到216亿元，2004年有望达到3亿元。
PLC在纺织行业的应用分析[7]。
在中国，PLC在纺织机械上的运用已经有17年的历史了，从最早的进口合成纤维生产设备到目前的中小型纺机，PLC无处不在。
占各类纺织机械60%以上的织机平均每台带有一个小型的PLC，主要用于检测、报警、速度控制和机器启停控制。
纺机的比例在纺织机械中不到5%，却用到更多的PLC，单台纺纱机最多用到17台PLC,主要是60个I/O点以下的微型产品。
梳棉机也用微小型PLC控制。
其它各类纺织机械基本上都采用PLC控制，只有一些相对简单的设备采用单片机或者其它控制方式。
纺织机械的辅助设备也主要由PLC控制，如循环水系统、空调系统、蒸气系统、废水处理系统、包装线等。
实际上PLC在中国的应用已分布到各行各业，根据工控网的调查，2003年中国控制类产品市场PLC的占有率已超过50%，而且保持着10%～15%的发展速度[8]。
2.4PLC控制系统的发展前景
现在，虽然出现了性能更加优越的DCS和FCS控制系统，PLC控制也终将会被先进的FCS控制所取代，但是目前以及今后相当长的一段时间，PLC还会与DCS和FCS共存，这主要基于以下原因：
（1）现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展，但这并不意味着要将现有控制系统推倒重来。
企业投入大量的人力和财力建立起来的PLC控制系统已经成型,如果要完全推翻再建立新的DCS或FCS控制系统,需要更大的资金投入，将造成很大的浪费。
（2）基于以上市场需求，许多软件厂商（例如:
华富惠通软件公司）正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络，开发控制系统软件，帮助企业实现工厂自动化、信息化，为企业提供控制系统与管理网络的集成。
（3）目前，PLC的功能增强、结构优化，IO模块趋向分散化、智能化，编程工具和编程语言更具标准化和高级化。
（4）PLC的联网通信能力增强，向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。
（5）现在的PLC系统与DCS技术、现场总线IO技术相结合,结构开放、扩展方便、技术先进、价格低廉。
由以上分析可以预见，未来PLC将朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化的方向发展,故PLC虽然面临其它自动化控制系统的挑战,但同时也在吸收它们的优点,互相融合,不断创新,在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展[9]。
2.5可编程序控制器PLC的分类
可编程序控制器PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU[7]。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
模块式PLC模块式PLC是将PLC各组成部分，分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。
这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧[6]。
（2）按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
（3）按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。
小型PLC——I/O点数小于256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。
中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K。
大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K.今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展。
CPU的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体[4]。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、
升级会员 