特長隧道雙向行駛安全指示PLC控制系統(tǒng)設計.doc

石家莊鐵道大學四方學院畢業(yè)設計特長隧道雙向行駛安全指示PLC控制系統(tǒng)設計The Design of PLC Control System About Tunnel Two-way Road Safety Instructions 2011 屆 電氣工程 系 專業(yè) 電氣工程及其自動化 學號 學生姓名 指導老師 石彥輝 完成日期 2011年5月15日畢業(yè)設計成績單學生姓名學號1 班級 專業(yè)電氣工程及其自動化畢業(yè)設計題目特長隧道雙向行駛安全指示PLC控制系統(tǒng)設計指導教師姓名石彥輝指導教師職稱講師評 定 成 績 指導教師得分評閱人得分答辯小組組長得分成績：院長(主任) 簽字：年 月 日畢業(yè)設計任務書題 目特長隧道雙向行駛安全指示PLC控制系統(tǒng)設計學生姓名學號班級專業(yè)電氣工程及其自動化承擔指導任務單位電氣工程系導師姓名石彥輝導師職稱講師一、主要內(nèi)容有一地下隧道，寬約3.3m，僅能通過一輛面包車，長350m，南道口簡稱A口，北道口簡稱B口，車輛時速嚴格控制為2530kmh，全程需4556s，設計時留有約2s的裕量。根據(jù)控制對象的主要技術(shù)特征、動作順序要求，對隧道汽車雙向行駛指示燈的控制要求進行分析，完成以PLC為核心的控制系統(tǒng)設計。二、基本要求 1.無人值班指揮，能錯開時序雙向行車。 2.按啟動按鈕，A口綠燈亮，B口紅燈亮，信號燈控制系統(tǒng)開始工作。 3.兩道口綠燈不能同時亮，如果萬一同時亮，系統(tǒng)停止工作并報警。4.從A口綠燈開始亮時計算，在持續(xù)5s內(nèi)如果無車輛進入A口，則A口綠燈閃爍2s后熄滅且紅燈亮，而B口紅燈熄滅綠燈亮。同樣，如果B口綠燈持續(xù)亮5 s內(nèi)無車輛進入B口，則B口綠燈閃爍2s熄滅紅燈亮，而此時A口綠燈亮。這是兩道口均無車進入隧道的要求。5.當A口綠燈亮時，從A口進人第一輛車算起，B口紅燈持續(xù)亮90s，同時A口綠燈持續(xù)亮20s，接著閃爍2s后熄滅，紅燈亮68s(B口紅燈仍亮著)。即待從A口進入隧道內(nèi)的汽車全部開出后，B口才能進車。 6.當B口綠燈亮時，從B口進人第一輛車算起，A口紅燈持續(xù)亮90s，B口綠燈持續(xù)亮20s，接著閃爍2s后熄滅，此后兩道口紅燈同時亮68s。即待從B口進入隧道內(nèi)的汽車全部開出后，A口才能進車。 7.周而復始。這是某大單位專用車道，車輛不會太多，一般從早上6時到夜里10時使用。 8.在兩道口出入處，在隧道中從A口算起130m和260m處各安裝一個停止信號燈控制系統(tǒng)工作的開關(guān)S，作為交通事故時的急停用。 9.兩個道口安裝有紅外線自動檢測裝置，檢測車輛進人隧道的情況，并通過小型繼電器的觸點KA1和KA2，把信號輸入PLC。三、主要技術(shù)指標（或研究方法） 1.設計應貫徹最新國家標準； 2.根據(jù)控制選擇PLC型號，分配I/O端口； 3.設計I/O電路，選擇電器元件； 4.繪制各信號燈工作時序圖，電氣控制系統(tǒng)圖，梯形圖，繪制用戶程序短語表并模擬調(diào)試； 5.編制元件清單； 6.編寫設計、使用說明書。四、應收集的資料及參考文獻 1小型可編程序控制器原理與實踐遼寧科技出版社2可編程控制器應用技術(shù) 機械工業(yè)出版社3建筑電氣控制技術(shù) 竇曉霞 高等教育出版社4現(xiàn)代建筑電氣控制技術(shù)應用 陳志新 機械工業(yè)出版社五、進度計劃第1周第2周：收集資料，完成開題報告；第3周第4周：分析、確定方案；第5周第7周：系統(tǒng)軟、硬件設計；第8周：中期檢查；第9周第12周：模擬調(diào)試；第13周第14周：論文審核定稿；第15周第16周：答辯。教研室主任簽字時間畢業(yè)設計開題報告題目特長隧道雙向行駛安全指示PLC控制系統(tǒng)設計 學生姓名學號 班級 專業(yè)電氣工程及其自動化一、研究背景：隨著我國城市化，現(xiàn)代化進程的加快，交通流量變的越來越大，為了緩解或有效解決日益嚴重的城市交通問題，提高道路的空間利用率，修建各種城市隧道或地下構(gòu)筑物已成為急劇增長的趨勢。城市隧道對減少城市道路用地、縮短城市行車里程、疏導城市交通起到積極的作用。目前我國已建成的隧道超過1069座，單通道延長超過340公里，建成的3000米以上的隧道13座，隨著國家加大公路建設的步伐和力度，隧道的安全問題日益引起關(guān)注。公路隧道作為高速公路的特殊結(jié)構(gòu)，不僅車速高和流量大，結(jié)構(gòu)也相對封閉，加之行駛經(jīng)過的車輛排放大量的有害物質(zhì)，所以車輛的行駛環(huán)境與條件相對較差，比較容易發(fā)生交通事故，并且事故的處理與救援亦相對比較困難，對于長大和特長隧道而言更是如此。因此，高速公路隧道成為高速公路監(jiān)控與管理的重中之重，進而我們要進行特長隧道雙向行駛安全 指示PLC控制系統(tǒng)的設計。隨著電氣工業(yè)的發(fā)展，PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。隨著中國的經(jīng)濟高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內(nèi)PLC在我國將保持高速增長勢頭。二、國內(nèi)外研究概況：建國后30年所修建的公路等級均較低，線形指標要求不高。五十年代，我國僅有公路隧道30多座，總長約2500m，且單洞長度都很短。六、七十年代，我國干線公路上曾修建了一些百米以上的隧道，但標準也很低。進入八十年代，公路隧道的發(fā)展逐漸加快，具有代表性的工程有深圳梧銅山隧道和珠海板樟山隧道，福建鼓山隧道和馬尾隧道，甘肅七道梁隧道等。到1990年底，我國建成的千米以上隧道已有十余座。在大型公路隧道建設中，技術(shù)也隨著不斷提高，并學習和引進了很多國外先進技術(shù)。福建鼓山隧道，洞內(nèi)設有照明、吸音、防潮、通訊、防火等裝置和閉路電視監(jiān)控及雷達測速系統(tǒng)，這是我國第一座現(xiàn)代化的公路隧道?！鞍宋濉薄熬盼濉逼陂g是我國公路隧道建設迅速發(fā)展的時期。 “九五”期間新建隧道504座，27.8萬延米。還建成了多座特長或?qū)掦w扁坦隧道，如中梁山隧道(3100m2)、縉云山隧道(2450m2)、大溪嶺隧道(4116m2)、二郎山隧道(4200m2)、飛鸞嶺隧道、真武山隧道等。據(jù)不完全資料統(tǒng)計，我國已建成公路隧道1208座，總里程362km?！笆濉逼陂g，我國鐵路、公路等領域合計約有總長3000公里的隧道工程需要修建，隧道長度大于10公里的約占10左右?，F(xiàn)在國外的隧道發(fā)展迅速，青函隧道：目前世界最長的鐵路隧道，全長53.9公里，海底長度23.3公里。此隧道跨越津輕海峽連接日本的北海道和本州美國的德拉瓦隧道：世界最長的輸水隧道全長169公里。 美國紐約的林肯隧道：跨越哈德遜河連接紐約市和紐澤西州，是世界最繁忙的公路隧道之一，長度2.4公里。三、所要進行的主要工作和所采用的方法、手段。 各部分硬件設計： 本設計采用三菱FX系列PLC、光電傳感器、紅綠交通燈、報警電鈴。按鈕：系統(tǒng)需要的按鍵有3個，一個啟動鍵，一個130m控制鍵，還有一個260m的控制鍵。報警電鈴。軟件設計：梯形圖程序的設計（程序的設計思想，無車通過時的程序設計，有車通過時的程序設計，有汽車通過和無車通過時的銜接，控制開關(guān)在程序中的設計），各信號燈工作時序圖(A、B兩入口都無車進入的情況和A口有車進入時以及B口有車進入時)，電氣控制系統(tǒng)圖設計報警電鈴B口綠燈B口紅燈A口綠燈A口紅燈PLC機 紅外傳感器信號手動控制信號四、預期結(jié)果： PLC產(chǎn)生控制信號，使得系統(tǒng)的信號燈紅綠轉(zhuǎn)換，按動啟動按鈕，A口綠燈亮，B口紅燈亮，信號燈系統(tǒng)開始工作。當B口綠燈亮時，從B口進人第一輛車算起，A口紅燈持續(xù)亮90s，B口綠燈持續(xù)亮20s，接著閃爍2s后熄滅，此后兩道口紅燈同時亮68s。即待從B口進入隧道內(nèi)的汽車全部開出后，A口才能進車，A口時同理，周而復始，指示車輛的安全運行，避免發(fā)生交通事故。兩道口綠燈不能同時亮，如果萬一同時亮，系統(tǒng)停止工作并報警。指導教師簽字時 間 年 月 日摘 要本文介紹了國內(nèi)交通系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及特長隧道汽車雙向行駛安全存在的問題。信號控制是一種用來確保交通循環(huán)的質(zhì)量和安全的必要措施。紅外傳感器的應用從根本上解決了人工操作的繁瑣和減少了大量的失誤，更加有效的增強了汽車雙向行駛的安全性，有利于加強隧道的安全。基于現(xiàn)狀設計了一種基于 PLC 的特長隧道汽車雙向行駛控制系統(tǒng)，詳細介紹了所選用的三菱FX2N 系列 PLC，并根據(jù)設計要求對PLC的輸入輸出I/O進行了分配，編寫了 PLC 梯形圖程序。 最后介紹了本PLC電路所可能存在的干擾，并介紹了預防干擾的方法。對系統(tǒng)的輸入、輸出點進行統(tǒng)計，根據(jù)PLC的選型相關(guān)規(guī)定和輸入輸出的總點數(shù)，選用日本三菱 FX2N 可編程序控制器。分配了PLC的IO地址，設計出PLC的外接線圖。介紹了PLC常見的編程方法，設計了PLC控制系統(tǒng)的程序。這種方法易學易用，成功率高，設計復雜的控制程序可以節(jié)約大量的設計時間。在此基礎上，進行了現(xiàn)場安裝、調(diào)試。針對系統(tǒng)調(diào)試、安裝以及運行過程中出現(xiàn)的問題，進行了分析，提出了解決辦法和注意的事項。從硬件和軟件兩個方面采取措施，提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力。論文最后總結(jié)了課題研究的成果，討論了課題中所用到的編程與接口技術(shù)。關(guān)鍵詞：特長隧道 PLC 傳感器 汽車雙向行駛AbstractThis paper introduces the development status of domestic transportation system, and the long two-way traffic tunnel car problems, and describes the working principle of the programmable controller, selection basis. Signal control is a necessary measure to maintain the quality and safety of traffic circulation. Infrared sensor applications from basically solved the red tape and reduce artificial operation a lot of mistakes, and more effective to enhance the security of driving the car two-way, to strengthen the security of the tunnel. Designed based on the long tunnel PLC control system for automotive two-way traffic, described in detail the choice of Mitsubishi FX2N Series PLC, according to the design requirements of the input and output PLC I / O for the distribution, and preparation of system operation ladder. Through the analysis of Tunnel two-way road safety instructions PLC control system design，design a system of the PLC control circuit，the system input and output, statistics. Selection of Japan mitsubishi FX2N PLC，the distribution of the PLC I/O address, the external circuit design PLCIt introduces familiar programmer methodsAccording to the boring machine control requirements and characteristics set out the logic of algebra show, using logic design methods ladder design. This method is simpler to learn and to use, has higher SUCCESS ratio, and can save time in designing complex controlling programmer to transform the system requirements and effective operationBy using hardware and software methods，it improves anti disturbance performance of PLC controlling systemFinally, the paper summarized research achievement, teclmicin research subject combine with author S specialty.Key words: Long tunnel PLC Sensors Vehicle two-way line目 錄第1章 緒 論11.1 課題研究的目的意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 課題背景及要求21.3.1 課題背景21.3.2 本課題的PLC控制要求31.4 論文主要內(nèi)容31.5 總體方案設計及創(chuàng)新點41.5.1 總體方案設計41.5.2 論文創(chuàng)新點4第2章 PLC原理及各模塊的選擇52.1 PLC 原理介紹.52.2 PLC 發(fā)展歷程52.3 PLC 的應用現(xiàn)狀62.4 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景62.5 可編程序控制器PLC的分類72.6 PLC的選擇92.7 輸入輸出模塊的選擇92.8 電源的選擇10第3章 各部分硬件設計113.1 PLC的外連電路設計113.2 系統(tǒng)原理框圖113.3 傳感器的選擇及安裝123.4 輔助設備設計與選型14第4章 軟件設計164.1 梯形圖程序設計164.2 程序設計思想164.3 無車通過隧道式的程序設計174.4 有車通過隧道時的程序設計194.6 時序圖周期為1s的方波214.7 I/O分配表234.8 有汽車通過隧道和無汽車通過隧道程序的銜接234.9 控制開關(guān)在程序中的設計23第5章 PLC整體電路的干擾與預防255.1 電源系統(tǒng)引入的干擾255.2 感性負載引起的干擾255.3 輸出信號的抗干擾措施265.4 抑制外部配線干擾的措施26第六章 結(jié)論與展望286.1 結(jié)論286.2 展望28參考文獻29致 謝30附 錄31附錄A 外文資料31附錄B 梯形圖41附錄C 指令表44 第1章 緒 論1.1 課題研究的目的意義近年來，我國公路交通得到長足的發(fā)展，山區(qū)高速公路建設帶動了山區(qū)的經(jīng)濟、社會發(fā)展。然而，公路交通運輸在為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展做出重大貢獻的同時，又因交通事故造成了大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟損失。隧道是山區(qū)高速公路的主要結(jié)構(gòu)物，在山區(qū)高速公路中占有越來越高的比例。由于高速公路隧道建設有著復雜的地理環(huán)境和特殊建筑結(jié)構(gòu)，給高速公路交通安全管理工作帶來了一定難度。近年來。隧道交通事故已屢見不鮮，很多隧道已經(jīng)成為高速公路交通事故多發(fā)區(qū)和控制區(qū)。西南地區(qū)某高速公路2004年1月2005年1月，共發(fā)生交通事故181起，其中隧道交通事故就達56起，約占全線事故總數(shù)的31?？刂扑淼澜煌ㄊ鹿实陌l(fā)生已成為刻不容緩的工作。因此，從隧道交通事故發(fā)生的原因著手分析、探討改進隧道的汽車安全行駛問題有著重要的意義。高速公路隧道事故多樣性的原因分析據(jù)調(diào)查，發(fā)生隧道交通事故的原因主要有以下幾個方面：（1）隧道的人口路段線型為彎道、坡道路段。用地條件制約著道路線型及道路走向的選擇，因此，部分隧道的人口為彎道、坡道路段，有的甚至是多彎道、長下坡路段；（2）隧道人口段一般為兩種不同路面材料的過渡區(qū)域。由于瀝青具有可燃性，不利于隧道消防，隧道內(nèi)一般為水泥路面，而隧道外多為瀝青路面。因此，隧道內(nèi)外路面附著系數(shù)存在差異；（3）隧道內(nèi)外光線存在明顯差異。在較長的隧道中，光線照人較少，雖然隧道內(nèi)設置有照明裝置，但是終究存在較大的隧道內(nèi)外光線明暗程度的差異；（4）隧道人口處積水問題較難解決。在某些地區(qū)，雨天隧道人口處往往積水較多，影響了車輛行駛的安全性；（5）隧道的空氣環(huán)境較差。隧道是一個相對封閉性的通道，空氣環(huán)境較差，車輛排放的廢氣和車輛的揚棄廢塵不易排除，廢塵和廢氣在一段時間后容易沉積在路面上，降低了路面的附著系數(shù)。由于隧道區(qū)段的上述特點，決定了隧道交通事故分布特征具有多樣性、復雜性。因此，決定我們要努力去改進隧道汽車的行駛安全。本設計的目的就是為了從安全指示方面解決特長單向隧道的汽車安全行駛問題。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀建國后30年所修建的公路等級均較低，線形指標要求不高。五十年代，我國僅有公路隧道30多座，總長約2500m，且單洞長度都很短。六、七十年代，我國干線公路上曾修建了一些百米以上的隧道，但標準也很低。進入八十年代，公路隧道的發(fā)展逐漸加快，具有代表性的工程有深圳梧銅山隧道和珠海板樟山隧道，福建鼓山隧道和馬尾隧道，甘肅七道梁隧道等。到1990年底，我國建成的千米以上隧道已有十余座。在大型公路隧道建設中，技術(shù)也隨著不斷提高，并學習和引進了很多國外先進技術(shù)。福建鼓山隧道，洞內(nèi)設有照明、吸音、防潮、通訊、防火等裝置和閉路電視監(jiān)控及雷達測速系統(tǒng)，這是我國第一座現(xiàn)代化的公路隧道?！鞍宋濉薄熬盼濉逼陂g是我國公路隧道建設迅速發(fā)展的時期。“九五”期間新建隧道504座，27.8萬延米。還建成了多座特長或?qū)掦w扁坦隧道，如中梁山隧道(3100m2)、縉云山隧道(2450m2)、大溪嶺隧道(4116m2)、二郎山隧道(4200m2)、飛鸞嶺隧道、真武山隧道等。據(jù)不完全資料統(tǒng)計，我國已建成公路隧道1208座，總里程362km?！笆濉逼陂g，我國鐵路、公路等領域合計約有總長3000公里的隧道工程需要修建，隧道長度大于10公里的約占10左右?，F(xiàn)在國外的隧道發(fā)展迅速，青函隧道：目前世界最長的鐵路隧道，全長53.9公里，海底長度23.3公里。此隧道跨越津輕海峽連接日本的北海道和本州美國的德拉瓦隧道：世界最長的輸水隧道，全長169公里。 美國紐約的林肯隧道：跨越哈德遜河連接紐約市和紐澤西州，是世界最繁忙的公路隧道之一，長度2.4公里。1.3 課題背景及要求1.3.1 課題背景隨著我國城市化，現(xiàn)代化進程的加快，交通流量變的越來越大，為了緩解或有效解決日益嚴重的城市交通問題，提高道路的空間利用率，修建各種城市隧道或地下構(gòu)筑物已成為急劇增長的趨勢。城市隧道對減少城市道路用地、縮短城市行車里程、疏導城市交通起到積極的作用。目前我國已建成的隧道超過1069座，單通道延長超過340公里，建成的3000米以上的隧道13座，隨著國家加大公路建設的步伐和力度，隧道的安全問題日益引起關(guān)注。公路隧道作為高速公路的特殊結(jié)構(gòu)，不僅車速高和流量大，結(jié)構(gòu)也相對封閉，加之行駛經(jīng)過的車輛排放大量的有害物質(zhì)，所以車輛的行駛環(huán)境與條件相對較差，比較容易發(fā)生交通事故，并且事故的處理與救援亦相對比較困難，對于長大和特長隧道而言更是如此。因此，高速公路隧道成為高速公路監(jiān)控與管理的重中之重，進而我們要進行特長隧道雙向行駛安全指示PLC控制系統(tǒng)的設計。隨著電氣工業(yè)的發(fā)展，PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。隨著中國的經(jīng)濟高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內(nèi)PLC在我國將保持高速增長勢頭。1A口檢測裝置B口檢測裝置KA2停3Y3停3停2SB4SB3B口A口A口紅燈LED1A口綠燈LED2B口綠燈LED4B口紅燈LED3啟動SB1停1SB2報警Y控制臺KA1.3.2 本課題的PLC控制要求圖1-1 現(xiàn)場模擬圖1.4 論文主要內(nèi)容(1) 總體方案的設計(2) PLC原理與系統(tǒng)各模塊選擇(3) 各部分硬件設計(4) 軟件設計(5) PLC整體電路的干擾與預防1.5 總體方案設計及創(chuàng)新點1.5.1 總體方案設計PLC作為現(xiàn)代控制系統(tǒng)中最重要的控制器之一，我們當然不能忽視它。采取它來進行我們系統(tǒng)的設計，不但能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，還具有很強的性價比，還可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集中管理。而且在程序編制上也不需要費太大的工夫， 所以我們用PLC來進行這樣的一種系統(tǒng)設計是無可后非的。本方案中，隧道口交通燈控制系統(tǒng)以PLC作為控制核心。利用可行的傳感器采集汽車到達隧道口的信號，傳感器作為輸入信號設備，它將采集到的控制信號送入PLC。作為對來自傳感器輸入信號的響應，PLC產(chǎn)生輸出控制信號去控制隧道A、B口的信號燈工作，從而實現(xiàn)了單向隧道汽車的順利通行。PLC還接受來自兩個附加開關(guān)的輸入信號，兩個開關(guān)安裝在隧道130M 和260M 位置，它們主要功能是在出現(xiàn)交通意外，或著是信號燈出現(xiàn)故障的情況下，可以利用這兩個開關(guān)將系統(tǒng)程序停止運行，以便及時處理，減少更多的意外。在設計中，還安裝了報警電鈴，它在隧道的A、B口都有，如果系統(tǒng)出錯導致A、B口綠燈同時亮，這時報警電鈴工作，可以告知隧道口欲進入隧道的汽車，從而保證了隧道汽車通行的安全性。1.5.2論文創(chuàng)新點本方案設計要求中，兩個道口安裝有紅外線自動監(jiān)測裝置，檢測車輛進入隧道的情況，并通過小型的繼電器觸點KA1和KA2，把信號輸入PLC。經(jīng)過查閱資料，我發(fā)現(xiàn)一般的傳感器在現(xiàn)場將光信號轉(zhuǎn)化成了模擬信號，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到PLC中，然后進行PLC模塊的控制。在本次設計中，使用的光電傳感器的內(nèi)部電路比普通的傳感器多加了一個比較電路，使得輸出的信號是一個高電平和一個低電平，起到了代替小型繼電器線圈的作用。因而省去了一部分的外部電路，起到了簡化的作用。第2章 PLC原理及各模塊的選擇2.1 PLC 原理介紹.PLC基本工作原理：PLC由CPU，存儲器、I/0接口、內(nèi)嵌的精簡高效操作系統(tǒng)組成。用戶可以根據(jù)自己的需要配置（擴展）自己的I/0(輸入、輸出)的類型及數(shù)量，用戶按自己的控制需求編寫控制程序下載到PLC的存儲器內(nèi)，PLC在運行的時候，PLC內(nèi)的操作系統(tǒng)能運行用戶的程序，根據(jù)用戶程序通過輸入端子完成輸入信號（開關(guān)、觸點、傳感器等）的讀取，并進行處理運算，把運算處理的結(jié)果輸出到輸出端子，以控制用戶的執(zhí)行機構(gòu)（閥門、線圈、指示燈等）1。從而完成用戶所需的控制功能。PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式。每次掃描過程。集中對輸入信號進行采樣。集中對輸出信號進行刷新。輸入刷新過程。當輸入端口關(guān)閉時，程序在進行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。掃描周期的長短由三條決定。（1）CPU執(zhí)行指令的速度（2）指令本身占有的時間（3）指令條數(shù)。由于采用集中采樣2。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應延遲。2.2 PLC 發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按 照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是 通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣 控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置， 首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）3。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)4。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點5。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。2.3 PLC 的應用現(xiàn)狀自20世紀60年代中期以來PLC產(chǎn)品在電力、冶金、化工等行業(yè)發(fā)揮了重大作用,尤其近20年來計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展不斷成倍擴大的功能和成倍降低的價格,使PLC、通訊聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、過程控制軟件都獲得了長足進步，也使PLC的廣泛應用成為可能。下面通過兩組數(shù)據(jù)(引自工控網(wǎng))說明PLC的應用現(xiàn)狀6。PLC在冶金行業(yè)的市場將持續(xù)增加2003年中國的工業(yè)出現(xiàn)了快速增長,工業(yè)產(chǎn)值同比增長在12%以上,而且中國的最大鋼鐵出口對象美國在2003年下半年取消了鋼鐵附加稅,中國鋼材對其出口也將迅速回升。這些有利因素刺激了中國冶金行業(yè)的投資。據(jù)調(diào)查,中國冶金行業(yè)對設備的投資同比增長接近50%。冶金設備的大量增長帶動了PLC在該行業(yè)的增長,2003年P(guān)LC在冶金行業(yè)的市場達到216億元，2004年有望達到3億元。PLC在紡織行業(yè)的應用分析7。在中國，PLC在紡織機械上的運用已經(jīng)有17年的歷史了，從最早的進口合成纖維生產(chǎn)設備到目前的中小型紡機，PLC無處不在。占各類紡織機械60%以上的織機平均每臺帶有一個小型的PLC，主要用于檢測、報警、速度控制 和機器啟?？刂?。紡機的比例在紡織機械中不到5%，卻用到更多的PLC，單臺紡紗機最多用到17臺PLC,主要是60個I/O點以下的微型產(chǎn)品。梳棉機也用微小型PLC控制。其它各類紡織機械基本上都采用PLC控制，只有一些相對簡單的設備采用單片機或者其它控制方式。紡織機械的輔助設備也主要由PLC控制，如循環(huán)水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、蒸氣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、包裝線等。實際上PLC在中國的應用已分布到各行各業(yè)，根據(jù)工控網(wǎng)的調(diào)查，2003年中國控制類產(chǎn)品市場PLC的占有率已超過50%，而且保持著10% 15%的發(fā)展速度8。2.4 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景現(xiàn)在，雖然出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的DCS和FCS控制系統(tǒng)，PLC控制也終將會被先進的 FCS控制所取代，但是目前以及今后相當長的一段時間，PLC還會與DCS和FCS共存，這主要基于以下原因：（1）現(xiàn)在企業(yè)的確正在朝著自動化、信息化、開放化的方向發(fā)展，但這并不意味著要將現(xiàn)有控制系統(tǒng)推倒重來。企業(yè)投入大量的人力和財力建立起來的PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)成型,如果要完全推翻再建立新的DCS或FCS控制系統(tǒng),需要更大的資金投入，將造成很大的浪費。（2）基于以上市場需求，許多軟件廠商（例如:華富惠通軟件公司）正在考慮如何利用企業(yè)已經(jīng)成型的控制系統(tǒng)及新建的廠級網(wǎng)絡，開發(fā)控制系統(tǒng)軟件，幫助企業(yè)實現(xiàn)工廠自動化、信息化，為企業(yè)提供控制系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡的集成。（3）目前，PLC的功能增強、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，IO模塊趨向分散化、智能化，編程工具和編程語言更具標準化和高級化。（4）PLC的聯(lián)網(wǎng)通信能力增強，向高速度、多層次、大信息量、高可靠性及開放式的通信發(fā)展。(5)現(xiàn)在的PLC系統(tǒng)與DCS技術(shù)、現(xiàn)場總線IO技術(shù)相結(jié)合,結(jié)構(gòu)開放、擴展方便、技術(shù)先進、價格低廉。由以上分析可以預見，未來PLC將朝著多功能化、集成化、智能化、標準化、開放化的方向發(fā)展,故PLC雖然面臨其它自動化控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn),但同時也在吸收它們的優(yōu)點,互相融合,不斷創(chuàng)新,在今后一段時間內(nèi)將與其它先進控制方式并存,共同發(fā)展9。2.5 可編程序控制器PLC的分類可編程序控制器PLC的分類PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對PLC的分類，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和I/O點數(shù)的多少等進行大致分類。按結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。整體式PLC整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC 由不同I/O點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成?；締卧獌?nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴展單元內(nèi)只有I/O和電源等，沒有CPU7?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。模塊式PLC 模塊式PLC是將PLC各組成部分，分別做成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框 架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點是配 置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型 PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。疊裝式PLC其CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧6。（2）按功能分類根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。低檔PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。中檔PLC除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。高檔PLC 除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機具 有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠 自動化。（3）按I/O點數(shù)分類根據(jù)PLC的I/O點數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。小型PLCI/O點數(shù)小于256點；單CPU、8位或16位處理器、用戶存儲器容量4K 字以下。中型PLCI/O點數(shù)2562048點；雙CPU，用戶存儲器容量28K。大型PLCI/O點數(shù) 2048點；多CPU，16位、32位處理器，用戶存儲器容量816K.今后一段時間內(nèi)將與其它先進控制方式并存,共同發(fā)展。CPU的構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體4。模塊式PLC包 括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來 的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后 再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運算器、 控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU 單元還包括外 圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應 有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但 工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。I/O模塊：PLC與電氣回路的接口是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反應輸入信號狀態(tài)，輸出點反應輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)輸入（DI）開關(guān)輸入量（DO）模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC,110VAC,24VDC,按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20Ma,0-20mA）,電壓型等，按精度分有12bit，14bit，16bit等。出來上述通用的IO外，還有特殊的I/O模塊，如熱電阻，熱電偶，脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但是其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。電源模塊：PLC的電源用于為PLC的各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有時還為輸入電路提供24V的工作電源，電源輸入類型有：交流電源（220VAC/110VAC）直流電源（常用的為24VDC），底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。2.6 PLC的選擇PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU的字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等，從應用的角度出發(fā)，通?？砂垂δ芸刂苹蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)，模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理的選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。2.7 輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入輸出模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點，可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致?？筛鶕?jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程I/O機架等9。2.8 電源的選擇PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電10。為防止外部高電壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。第3章 各部分硬件設計3.1 PLC的外連電路設計本次設計的隧道口信號燈控制器電路原理圖。利用可行的傳感器探測汽車到達隧道口的信號，本設計所采用的傳感器是光電傳感器，去感知汽車到達，作為輸入設備，輸入信號送入到PLC中，作為對來自傳感器輸入信號的響應，PLC產(chǎn)生輸出控制信號去驅(qū)動信號等工作，從而實現(xiàn)隧道隧道口紅綠燈的變化。PLC還接受來自隧道口中兩個故障停止工作開關(guān)的輸入信號-一個安裝在距A隧道口130m處，另一個安裝在距A隧道口260m處，它們用于處理故障情況下信號燈的停止控制從設計要求中可以看出，設計需要PLC的輸入輸出點數(shù)并不多，輸入點中兩個點是由傳感器采集到的信號輸入信號。一個點是起?？刂崎_關(guān)，另外兩個輸入點是故障控制系統(tǒng)停止開關(guān)，輸入點一共是五個點。輸出點接隧道口的四個紅綠指示燈，和一個報警電鈴。因此可以確定其硬件部分主要有PLC，光電傳感器、紅綠交通信號燈，報警電鈴以及一些輔助設備組成。圖3-1 PLC外部接線圖3.2 系統(tǒng)原理框圖本設計是利用PLC接受紅外傳感器接收的信號和手動控制信號，然后通過PLC發(fā)送控制信號，控制各個交通燈的亮滅，從而達到指揮交通，避免發(fā)生交通事故的效果。如圖3-2所示。報警電鈴B口綠燈B口紅燈A口綠燈A口紅燈PLC機 紅外傳感器信號手動控制信號圖3-2 系統(tǒng)原理框圖3.3 傳感器的選擇及安裝本設計利用光電傳感器來感知汽車的到達，下面就光電傳感器做下介紹。圖3-3 傳感器原理框圖光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成：他們分為發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二級管、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷的發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接受器由光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接受器前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，她能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐反射材料組成，能夠使光束準確的從反射板中返回，具有實用意義。它可以在于光軸0到25 的范圍內(nèi)改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。光電式傳感器工作原理：光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，光電傳感器一般由光源，光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高，反應快，非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，體積小。近年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器已成為系類產(chǎn)品，其品種及產(chǎn)量日益增加，用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格產(chǎn)品，在各種輕功自動機上獲得廣泛的應用10。分類和工作方式槽型光電傳感器把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面的裝在一個槽的兩側(cè)的是槽型光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽型開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。對射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達幾米甚至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物體用過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)信號。反光板型光電開關(guān)把發(fā)光器和收光器裝如同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射）光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到，一旦光路被檢測物體物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)信號?；诠怆妭鞲衅鞯谋姸鄡?yōu)點，所以在本設計中采用這種傳感器來采集汽車信號。而對射型光電傳感器可以檢測到大距離的信號，所以針對隧道口汽車的檢測，我們采用對射型光電傳感器作為PLC的信號采集器傳感器要準確無誤的檢測到汽車的到來，這需要對傳感器的安裝位置進行很好的設計，傳感器安裝的位置不對，可能人或動物都會對信號采集有影響。由于汽車體積較大，我們選擇4只光電傳感器，在隧道A、B口各安兩只，采用兩只光電傳感器，便可以可靠地檢測汽車的到來。光電傳