10601191张波狭窄隧道汽车双向行驶PLC控制副本1.docx

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10601191张波狭窄隧道汽车双向行驶PLC控制副本1

攀枝花学院本科课程设计

狭窄隧道汽车双向行驶PLC控制

学生姓名：

张波

学生学号：

201110601191

院（系）：

机械工程学院

年级专业：

机械设计制造及其自动化

指导教师：

李琴副教授

二〇一四年十二月

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

ABSTRACT

cumbersomemanualoperationandreducealotoferrors,moreeffectivetostrengthensafetyofcarsdrivetwo-way,enhancethesafetyofthetunnel.Basedonthepresentsituationofdesignaextra-longtunnelcarbidirectionaldrivingcontrolsystembasedonPLC,areintroducedindetailtheselectionofmitsubishiFX2NseriesPLC,andaccordingtothedesignrequirementsontheinputandoutputofPLCI/Oassignment,writethePLCladderdiagramprogram.FinallyintroducesthepossibleinterferencebythePLCcircuit,andintroducesthemethodofpreventinginterference.Tostatisticsofthesysteminputandoutputpoints,accordingtotheselectionrulesofPLCandtotalinputandoutputpoints,useJapanmitsubishiFX2Nprogrammablecontroller.AllocationofthePLCI/Oaddress,designthePLCwiringdiagram.PLCcommonprogrammingmethodareintroduced,anddesigntheprogramofPLCcontrolsystem.Thismethodiseasyandeasytouse,highsuccessrate,thedesignofcomplexcontrolprogramcansavealotofdesigntime.Onthisbasis,theinstallation,commissioningonsite.Debuggingofthesystem,theproblemsthatariseintheprocessofinstallationandoperationareanalyzed,andputsforwardthesolutionandmattersofattention.Fromtwoaspectsofhardwareandsoftwaremeasurestoimprovetheanti-interferenceabilityofPLCcontrolsystem.Thesisfinallysummarizestheresearchresults,discussedthesubjectintheuseofprogramandinterfacetechnology.

KeywordNarrowtunnel,PLC,sensor,Carsdrivetwo-way

目录

摘要Ⅰ

ABSTRACTII

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系统原理框图4

1.5总体方案设计5

第2章PLC的硬件的设计与选型6

2.1PLCI/O的确定6

2.2PLC外部接线图6

2.3PLC的选择6

2.4辅助设备设计与选型10

第3章PLC软件设计11

3.1梯形图11

3.2语句表14

3.3时序图15

3.3.1周期为1S的方波15

3.3.2A、B两入口都无车进入15

3.3.3A口有车输入:

15

3.3.4B口有车进入16

总结17

参考文献18

致谢19

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狭窄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。

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，进而我们要进行狭窄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

图1.1PLC控制要求

PLC控制要求:

有一地下隧道，宽约3.3米，仅能通过一辆面包车，长350m，南道口简称A口，北道口简称B口，车辆时速严格控制为25-30km/h,全程需45-56s,设计时留有约2s的裕量.采用PLC控制,具体要求如下:

1）无人值班指挥，能错开时序双向行车。

2）按动启动按钮，A口绿灯亮，B口红灯亮，信号灯控制系统开始工作。

3）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。

从A口绿灯开始亮时计算，在持续5S内如果无车辆进入A口，则A口绿灯闪烁2S后熄灭且红灯亮，而B口红灯熄灭绿灯亮。

两样，如果B口绿

4）灯持续亮5S内无车辆进入B口，则B口绿灯闪烁2S熄灭而此时A口绿灯亮……。

这是两道口均无车进入隧道的要求。

当A口绿灯亮时，从A口进入第一辆车算起，B口红灯持续亮90S，同时A口绿灯持续亮20S接着闪烁2S后熄灭，红灯亮68S（B口红灯仍亮着）。

即将从A口进入隧道内的汽车全部开出后，B口才能进车。

5）当B口绿灯亮时，从B口进入第一辆车算起，A口红灯持续亮90S，B口绿灯持续亮20S，接着闪烁2S熄灭，此后，两道口红灯同时亮68S。

即将从B口进入隧道内的汽车全部开出后，A口才能进车。

6）周而复始。

这是某大单位的专用车道，车辆不会太多，一般从早上6时到夜里10时使用。

7）两道口出入处，在隧道中从A口算起130M和260M处各安装一个停止信号灯控制系统工作开关S，作为交通事故时的总停用。

8）两道口安装有红外线自动检测装置，检测车辆进入隧道的情况，并通过小型继电器的触点，KA1和KA2，把信号入PLC。

1.4系统原理框图

本设计是利用PLC接受红外传感器接收的信号和手动控制信号，然后通过PLC发送控制信号，控制各个交通灯的亮灭，避免发生交通事故的效果。

图1.2系统原理框图

1.5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，还安装了报警器，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，这时报警器工作，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。

第2章PLC的硬件的设计与选型

2.1PLCI/O的确定

输入口需要一个启停控制开关,在隧道的130m和260m的位置分别安装一个停止开关,用于故障情况信号灯的停止控制,A,B口各需要一个检测装置,检测是否有车进入,输出口在A口,B口各需要一个红灯,一个绿灯,此外还需要一个报警装置,以免两个绿灯同时亮。

如表2.1所示

表2.1I/O分配表

输入

输出

器件号

地址号

功能

器件号

地址号

功能

SB1

X0

启动

LED1

Y1

A口红灯

SB2

X1

停止1

LED2

Y2

A口绿灯

SB3

X2

停止2

LED3

Y3

B口红灯

SB4

X3

停止3

LED4

Y4

B口绿灯

KA1

X4

A口检测装置

Y

Y5

报警

KA2

X5

B口检测装置

2.2PLC外部接线图

从设计要求中可以看出，设计需要PLC的输入输出点数并不多，输入点中两个点是由传感器采集到的信号输入信号。

一个点是起停控制开关，另外两个输入点是故障控制系统停止开关，输入点一共是五个点。

输出点接隧道口的四个红绿指示灯，和一个报警电铃。

因此可以确定其硬件部分主要有PLC，光电传感器、红绿交通信号灯，报警器以及一些辅助设备组成。

如图2.1所示

X0

三菱FX系列PLC

Y1

X1

Y2

X2

Y3

X3

Y4

X4

Y5

X5

……

……

COM

COM

KA1

SB4

SB3

SB2

SB1

KA2

图2.1外部接线图

2.3PLC的选择

世界上PLC产品可按地域分成三大流派：

一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。

美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。

而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。

美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。

在我国主要是以日本的三菱系列与德国的西门子系列为主,下面主要介绍一下日本的三菱与德国的西门子.

日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。

在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。

三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品。

其小型机F1/F2系列是F系列的升级产品，早期在我国的销量也不小。

F1/F2系列加强了指令系统，增加了特殊功能单元和通信功能，比F系列有了更强的控制能力。

继F1/F2系列之后，20世纪80年代末三菱公司又推出FX系列，在容量、速度、特殊功能、网络功能等

方面都有了全面的加强。

FX2系列是在90年代开发的整体式高功能小型机，它配有各种通信适配器和特殊功能单元。

FX2N几年推出的高功能整体式小型机，它是FX2的换代产品，各种功能都有了全面的提升。

近年来还不断推出满足不同要求的微型PLC，如FXOS、FX1S、FX0N、FX1N及α系列等产品。

三菱公司的大中型机有A系列、QnA系列、Q系列，具有丰富的网络功能，I/O点数可达8192点。

其中Q系列具有超小的体积、丰富的机型、灵活的安装方式、双CPU协同处理、多存储器、远程口令等特点，是三菱公司现有PLC中最高性能的PLC。

三菱PLC的产品系列

FX1S系列:

三菱PLC是一种集成型小型单元式PLC。

且具有完整的性能和通讯功能等扩展性。

如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。

FX1N系列:

是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。

具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。

是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。

FX2N系列:

是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。

具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

FX3U:

是三菱电机公司新近推出的新型第三代三菱PLC,可能称得上是小型至尊产品。

基本性能大幅提升，晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令，从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。

FX1NCFX2NCFX3UC三菱PLC:

在保持了原有强大功能的基础上实现了极为可观的规模缩小I/O型接线接口降低了接线成本，并大大节省了时间。

Q系列三菱PLC:

三菱机公司推出的大型PLC,CPU类型有基本型CPU，高性能型CPU，过程控制CPU,运动控制CPU,冗余CPU等。

可以满足各种复杂的控制需求。

三菱电机中国事业的快速发展，为了更好地满足国内用户对三菱PLC，Q系列产品高性能、低成本的要求，三菱电机自动化特推出经济型QUTESET型三菱PLC，即一款以自带64点高密度混合单元的5槽Q00JCOUSET；另一款自带2块16点开关量输入及2块16点开关量输出的8槽Q00JCPU-S8SET，其性能指标与Q00J完全兼容，也完全支持

GX-Developer等软件，故具有极佳的性价比。

A系列三菱PLC:

使用三菱专用顺控芯片（MSP），速度/指令可媲美大型三菱PLC;A2ASCPU支持32个PID回路。

而QnASCPU的回路数目无限制，可随内存容量的大小而改变；程序容量由8K步至124K步，如使用存储器卡，QnASCPU则内存量可扩充到2M字节；有多种特殊模块可选择，包括网络，定位控制，高速计数，温度控制等模块。

FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。

除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。

可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。

可根据电源及输出形式，自由选择。

程序容量：

内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。

丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。

便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。

数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。

特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。

外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等。

时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。

三菱Q系列PLC介绍

Q系列PLC是三菱公司从原A系列PLC基础上发展过来的中、大型PLC系列产品，Q系列PLC采用了模块化的结构形式，系列产品的组成与规模灵活可变，最大输入输出点数达到4096点；最大程序存储器容量可达252K步，采用扩展存储器后可以达到32M；基本指令的处理速度可以达到34ns；其性能水平居世界领先地位，可以适合各种中等复杂机械、自动生产线的控制场合。

Q系列PLC的基本组成包括电源模块、CPU模块、基板、I/O模块等。

通过扩展基板与I/O模块可以增加I/O点数，通过扩展储存器卡可增加程序储存器容量，通过各种特殊功能模块可提

高PLC的性能，扩大PLC的应用范围。

Q系列PLC可以实现多CPU模块在同一基板上的安装，CPU模块间可以通过自动刷新来进行定期通信或通过特殊指令进行瞬时通信，以提高系统的处理速度。

特殊设计的过程控制CPU模块与高分辨率的模拟量输入/输出模块，可以适合各类过程控制的需要。

最大可以控制32轴的高速运动控制CPU模块，可以满足各种运动控制的需要。

三菱PLC主要特点

①结构灵活

不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。

②传输质量高、速度快、带宽稳定

可以很平顺的在线观赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。

最新的电力线标准HomePlugAV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QoS，HomePlugAV采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。

③范围广

无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。

虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避面信号盲区的存在。

而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。

由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。

这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的发展空间。

终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。

④低成本

充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。

无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。

相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。

目

前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月