狭窄隧道汽车双向行的PLC控制.doc

机电综合课程设计说明书 狭窄隧道汽车双向行的PLC控制 学 院 机械工程学院 专 业 机械电子工程 班 级 机械电子1班 学生姓名 温伟杰 指导老师 余稳胜 2015 年 11 月 19 日课 程 设 计 任 务 书兹发给 机械电子1 班学生 温伟杰 课程设计任务书，内容如下：1 设计题目： 狭窄隧道汽车双向行的PLC控制 2 应完成的项目：（1）物料清单一份 （2）电气图纸 （3）带注释的PLC程序 （4）课程设计说明书1份 3 参考资料以及说明：（1）王国海可编程序控制器及其应用M北京: 中国劳动社会保障出版社.2007（2）廖常初FX2N系列PLC编程及其应用M北京: 北京：机械工业出版社.2005（3）俞国亮PLC应用技术M北京：清华大学出版社.2005 （4）赵俊生 杨怀林 姚年春电气控制与PLC控制技术M北京：化学工业出版社.2001 4 本设计任务书于2015年 11月3 日发出，应于2015年 11月 25日前完成，然后进行答辩。指导教师 余稳胜 签发 2015 年 11 月 23 日课程设计评语：课程设计总评成绩：指导教师签字：年 月 日目录目录0摘 要I第一章 绪论11.1 课题研究的目的意义11.2 国内外研究现状11.3 课题背景2第二章 总体设计方案31.1 设计方案31.2 控制流程3第三章 硬件设计53.1 PLC的选型53.2 I/O接口分配表73.3 电气原理图8第四章 软件设计94.1 控制程序流程图94.2 梯形图及程序说明104.3 SFC图124.4时序图13第五章 总结15参考文献160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IO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I第一章 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(3100m2)、缙云山隧道(2450m2)、大溪岭隧道(4116m2)、二郎山隧道(4200m2)、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。第二章 总体设计方案1.1 设计方案A口检测装置B口检测装置KA2停3Y3停3停2SB4SB3B口A口A口红灯LED1A口绿灯LED2B口绿灯LED4B口红灯LED3启动SB1停1SB2报警Y控制台KA1图1-1 设计方案图有一地下隧道，宽约3.3米，仅能通过一辆面包车，长350m，一般从早上6时到夜里10时才使用，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12s的余量.采用PLC控制。1.2 控制流程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。4)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。同样，如果B口绿灯持续亮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。5)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。6)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（A口红灯仍亮着）。即将从B口进入隧道内的汽车全部开出后，A口才能进车。7)周而复始。8)两道口出入处，在隧道中从A口算起130M和269M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。9)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，把信号输入PLC。第三章 硬件设计3.1 PLC的选型3.1.1日本三菱FX2nFX2n系列PLC的主机成为基本单元，包括CPU、存储器、输入输出口及电源，是PLC的主要部分。为主机备有的扩展其输入输出的扩展单元，扩展模块及特殊功能模块单元扩展单元是用于增加I/O点数的装置，内部设有电源。扩展模块用于增加I/O四谙熟及改变I/O比例，内部无电源，由基本单元一起使用。FX2n系列PLC输入继电器及输出继电器的序号为8进制，其余器件的序号为十进制。从元件的最大序号可以了解可编程序控制器可能 具有某类器件的 最大数量。例如输入继电器的编号范围为X0X177,为8进制编号，可计算出FX2n系列PLC可能接入的最大输入信号数为18点，这是以CPU所能介入的最大输入信号数量标示的，并不是一台具体的基本单元或扩展安装的输入口的数量。FX2n系列PLC有基本指令27条；步进梯形指令2条；应用指令 128种，298条。FX2n系列PLC的步进梯形指令是采用步进梯形图编制顺序控制状态转移图程序的指令，它包括STL和 RET两条指令。其中步进梯形指令STL是利用内部状态软元件，在顺序控制程序上进行工序步进控制的指令；返回RET指令是表示状态流程结束用于返回主程序的指令。3.1.2德国西门子S7S7-200系列属于整体式小型PLC，用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。整体式PLC将CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱型机壳内。S7-200系列PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块供用户选用，CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。3.1.3美国通用 GE Fanuc PLC 系列90-70 GE Fanuc系列90家族中高性能，大规模的系列 系统机架采用标准的VME 总线结构 可构成完全同步的CPU热备冗余配置 ESD双重化和三重化GMR系统配置 具有梯形图逻辑，C，SFC，STATE LOGIC等多种编程能力 系列90-30 成本低，性能高,易于组态，便于安装可构成同步的CPU热备冗余配置 VersaMax Six Sigma品质控制原则 多种诊断功能 活的通讯端口 功能强大的处理器 网络接口和特殊模块 系列90-Micro一体化结构设计 极强的通讯功能 适合低成本的小规模控制场合 ，最具竞争力系列90-30PLC是GE Fanuc系列90 可编程序控制器家族的一员，提供最先进的编程特性，易于组态，便于安装，独有的创新结构开辟了一条最经济的工业控制途径。领先的技术 系列90-30PLC成本低，性能高，能方便地取代从简便的继电器到复杂的中型自动化应用系统场合。几年前需由高档PLC完成的任务现在则由系列90-30来代替。GE Fanuc不断地推出新产品，扩大使用范围，显示了其技术的领先地位，它的CPU具有强大的功能，如内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能完成复杂的操作。另外系列90-30PLC有功能很强的特殊模块可供选择，包括轴定位模块，高速计数器模块，BASIC和C语言协处理器模块及Genius通讯模块。GE Fanuc丰富的开关量I/O和模拟量I/O、简化启动和故障自诊以及容易与其他PLC、计算机集成一体的特性，使您确信，系列90-30是现在与未来PLC的明智选择。 促进与第三方的合作 促进与第三方的合作 为了及时解决用户的需求，GE Fanuc提供第三家工业设备和软件包，合作的结果进一步扩大了系列90-30的能力，通用的产品包括：热电偶、热电阻、步进电机模块、大电流继电器模块。 NATURAL LANGUAGE STATE LOGIC CONTROL为那些在系列90-30编程方面没有经验的用户提供了新的编程方式。有些厂家具有数据采集和控制软件产品，将用系列90-30与个人计算机连机。 这些软件包提供的软件和系列90-30之间的结合天衣无缝，许多操作接口使用SNP通讯协议与具有内装接口的系列90-30进行通讯。由于各类PLC的 工作原理、控制方法及编程程序语言的差别不太大，并且在校期间学过三菱公司的PLC ，所以选用FX2N32MR型号PLC。3.2 I/O接口分配表表3-1 I/O接口分配表输 入输 出元件代号输入点功 能元件代号输出点功 能SB1X0启动LED1Y1A口红灯SB2X1停止1LED2Y2A口绿灯SB3X2停止2LED3Y3B口红灯SB4X3停止3LED4Y4B口绿灯KA1X4A口检测装置YY5报警KA2X5B口检测装置3.3 电气原理图图3-2 电气原理图第四章 软件设计4.1 控制程序流程图开始A、B口红灯打开是否按下启动按钮A口绿灯亮，计时5S后，闪烁2SA口是否有车进入否是B口绿灯亮，计时5S后，闪烁2SA口绿灯亮20S后，闪烁2S后熄灭，接着亮红灯68S是否按下停止按钮B口是否有车进入否是B口绿灯亮20S后，闪烁2S后熄灭，接着亮红灯68S是是否按下停止按钮否是结束图4-1 程序流程图4.2 梯形图及程序说明图4-2 梯形图（a）图4-3 梯形图（b）4.3 SFC图4.4时序图1周期为1S的方波：图4-4 周期为1S的方波图2A