基于PLC的隧道灯光控制系统设计及PLC仿真毕业论文.doc

装订线基于PLC的隧道灯光控制系统基于PLC的隧道灯光控制系统设计及PLC仿真毕业论文目录第一章 绪论51.1研究背景和意义51.2隧道照明51.2.1隧道照明的意义51.2.2隧道照明的特点及照明要求51.3国内外研究概况71.3.1国外研究概况71.3.2国内研究概况81.4本章小结81.5研究内容9第二章 隧道照明控制系统方案及PLC的简介102.1隧道照明控制102.1.1隧道照明回路平均亮度计算102.1.2隧道照明控制方式112.1.3隧道照明控制要求122.2人工手动控制142.3分段时序控制152.4无极调光控制（自动调光控制）162.4.1无极调光控制模式162.4.2无极调光控制方式172.5可编程控制器PLC172.5.1 PLC的定义172.5.2 PLC的功能182.5.3 PLC的结构182.5.4 PLC的工作原理202.6本章小结21第三章 基于PLC隧道照明系统的软硬件设计233.1 PLC控制系统的设计233.1.1 PLC控制系统的设计步骤233.1.2 PLC的选择233.2控制系统硬件设计243.2.1 I/0分配243.2.2 PLC的接线图253.3编程方法的选择253.4软件过程设计263.5程序流程图273.5.1系统流程图273.5.2手动控制流程图273.5.3分段时序控制流程图283.6软件设计梯形图与STL语言293.7本章小结29第四章 基于PLC隧道照明控制系统的仿真304.1 西门子PLC S7-200仿真软件304.2 仿真结果分析304.2.1 手动控制下的的晴天运行304.2.2 手动控制下的多云运行314.2.3 手动控制下的阴天运行324.2.4 手动控制下的夜间运行324.2.5 手动控制下的更夜运行334.2.6 火灾发生时的运行模式334.2.7 自动控制下的运行模式344.3本章小结35第五章 结论与展望36总结36展望36致谢38主要参考文献39附录40梯形图40语句表47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Mont Blanc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（C JTJ 026-90）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（C JTJ026.1-1999 ）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PLCS7200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PLC s7-200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60m160m，因此，视点纵向距离取距计算区域60m160m，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22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23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(kmh)距离m亮度距离m亮度距离m亮度804080408046404.64.5602550304630304.52.3401530203020202.31.20以下1.01.01.0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5000180.004.5027.000.56云天2500 92.004.5016.000.56阴天1250 48.004.5010.000.56重阴天625 26.004.504.500.56夜间18:0024：002.252.252.250.56深夜24:00次日6：001.131.131.130.561、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人工手动控制隧道发展建设初期，由于技术的限制，对于隧道的照明运营一般设置统一的控制柜，由专人负责管理，根据不同的时间由工人决定灯具的开关数量。这种运营方式不仅控制的精度不够高，而且提高了运营成本，特别是在一些偏远的隧道，建设控制房已是不易，专员负责更加不可能，为达到照明要求，只能整天开启大量灯具，这样一来不仅浪费了大量能源、提高了隧道运营成本，而且固定照明带来的效果也相当不好，给交通事故带来了巨大隐患。人工手动控制可以分为单回路控制和多回路控制，单回路控制是监控人员可以控制每一个照明回路的开和关，多回路控制是把照明分为多个不同的等级，每一组开和关是一组回路，监控人员可以根据不同的实际情况开启和关闭隧道内每一个照明回路。此类照明控制一般分为下面五级照明控制模式，分别为“晴天”、“多云”、“阴天”、“夜间”和“更夜”。每一级模式以及其对应的照明器如下所示： 晴天：A+B+C+D+E 多云：A+B+C+D 阴天：A+B+C 夜间：A+B+L 更夜：(A或B)+L其中A、B、C、D、E、L分别是不同的照明器，其对应关系如下表3所示： 表3照明器对应表照明器备注A基本照明B基本照明C加强照明 覆盖全面D加强照明 覆盖引入段和过渡段E加强照明 覆盖引入段L隧道路灯照明相较于单回路控制，多回路控制的操作更简单方便，监控人员可根据日常状况下人们对天气的认知，提交不同的照明模式。监控人员可根据不同的天气和时间状况开启或关闭隧道内的一组照明回路。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。“更夜”照明模式适用于从凌晨至天明的时间段内，此时除开启路灯之外，还须开启某一类基本照明回路，如A类照明器构成的回路或B类照明器构成的回路。为了延长照明器的使用寿命，可以将A类照明回路和B类照明回路更替使用，以防止长期只使用某一类照明器而导致其使用寿命的缩短。对于单回路控制而言，当隧道内发生突发事件，监控人员可以利用这种控制方式，针对某一个或某几个回路进行操作，具有较强的灵活性；然而，当隧道上行线和下行线同时需要改变多个回路的运行状态时，再采用单回路控制方式就略显繁琐。而对于多回路控制方式，当天气发生变化时，监控人员可以通过这种控制方式转换照明模式，简单快捷；然而，若遇到只改变某一个或某几个回路的运行状态的情况时，多回路控制方式则有些力不从心。综上所述，手动控制方式开启或关闭照明回路主要是根据隧道的具体运营情况和天气状况，由监控人员对隧道的具体状况进行大体的分析和判断后作出的应急措施，不能对隧道内外的光强值进行准确的判断并做出决定，因此，一般情况下，只有当自动控制和分段时序控制均失效时才会采用手动控制的方式进行隧道的照明控制。2.3分段时序控制在隧道的照明控制中，分段时序控制方式主要根据不同地区的季节的不同和一天中不同的时段来改变不同照明回路的工作状态。可以通过对隧道地理位置和气候状况的调查，下表4为某隧道照明分段时序控制方案，也是本设计所采用的分时控制方案软件设计的时段表。 表4隧道照明分段时序控制方案 季节模式春季夏季 秋季冬季A+B+C68,161957,171968,171878,1617A+B+C+D910,1415810,1416910,1416910,1415A+B+C+D+E1113111311131113(A或B)+L05040506A+B+L1923202319231823另外，当隧道内发生火灾时，无论照明现状如何，在照明控制系统没有失效的前提下，将隧道内所有照明开启，以利于司乘人员的疏散和救援；当隧道内发生交通事故时，避灾引导灯和事故位置前后各回路的照明灯全部开启，使该位置照度达到最好程度，为驾驶人员提供良好的视觉环境，以免事故扩大；因火灾、事故或其他原因使用人行或车行横洞时，相应横洞的照明灯开启。分段时序控制方式是根据季节的不同和一天中不同的时段来改变照明回路运行状态的方式，并对隧道内发生事故或火灾的情况也做出了相应的应对措施，虽然对一天内不同照明回路的工作状况作了更细致的分工，但由于不能考虑到不同的天气状况带来的影响，不能对隧道内外的光强值进行准确的判断和分析，因此这种控制方式算法简单，在使用中缺乏准确性和精确性。如果它和人工手动控制这种方案相结合，可以达到理想的控制效果。虽然分段时序控制有一些不足，它仍然是当今使用最广泛的一种控制方式。2.4无极调光控制（自动调光控制）2.4.1无极调光控制模式无级调光控制是指根据照明控制参数的变化而连续调节照明灯具的使用功率，从而实现不同亮度等级的转变，实现隧道照明亮度较为平滑的调控。无级调光模式较分级调光模式更为精确，可以按照照明规范的要求，按需调节隧道照明灯具的功率，不需要灯具满负荷工作，改变了传统公路隧道照明系统亮度需求和灯具能耗的不可控性，有效的避免了过度照明，不但能使隧道内照度更加均匀变化，而且节约电能。无级调光模式主要针对LED灯、电磁感应灯和高压钠灯等灯具。随着照明技术的发展，无级调光控制模式在隧道照明系统中也正在推广使用。2.4.2无极调光控制方式无极调光控制是指根据采集隧道外实时洞外亮度、隧道内实时交通流量、行车速度等参数，经过控制算法处理并发送调光指令控制照明亮度。智能控制系统一般由亮度检测器、交通流量检测器、控制系统、照明灯具和灯具控制器构成。亮度检测器、交通流检测设备将亮度、交通流参数传递给上位机，上位机通过控制算法处理，通过发送远程调光指令对隧道照明亮度进行控制。无级调光模式，目前主要调光控制有电压控制电流源亮度控制方式，脉冲宽度调制(PWM)亮度控制方式，限流亮度控制方式。（1） 电压控制电流源亮度控制方式是利用直流信号电压来控制输出电流平均值变化的一种输出电流可控电源，从而达到灯具功率调节的目的。（2） 脉冲宽度调制(PWM)亮度控制方式利用数字脉冲，控制灯具调光控制器。灯具的调光控制器可以通过控制电压或者电流来实现对功率的无级调节来达到节能的目的，该调光方式具有反应速度快，不产生低次谐波，不影响系统功率因素等优点。（3） 限流控制方式利用电阻、晶体管限制流过灯具的电流，从而控制灯具亮度。2.5可编程控制器PLC2.5.1 PLC的定义可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC或PC，在现代工业控制中占有重要地位。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。用户只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。2.5.2 PLC的功能（1）数据采集与输出。（2）控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。（3）数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。（4）输入/输出接口调理功能。具有A/D , D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。（5）通信、联网功能。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。（6）支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。（7）具有编程、调试等功能，并且大部分支持在线编程2.5.3 PLC的结构可编程控制器是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，它按照用户程序存储器中预先编制的控制程序，通过输入接口采集现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口控制各种执行机构动作。 作为一种以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机，它的硬件配置与一般微机装置类似，主要有中央处理单元、信号输入/输出模块、电源和编程器等部组成，如图2所示。（1）中央处理单元CPU中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。（2）存储器存储器（简称内存），用来存储数据或程序。它包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。 PLC配有系统程序存储器和用户程序存储器，分别用以存储系统程序和用户程序。系统程序存储器用来存储监控程序、模块化应用功能子程序和各种系统参数等，一般使用EPROM；用户程序存储器用作存放用户编制的梯形图等程序，一般使用RAM，若程序不经常修改，也可写入到EPROM中；存储器的容量以字节为单位。系统程序存储器的内容不能由用户直接存取。因此一般在产品样本中所列的存储器型号和容量，均是指用户程序存储器。（3）输入/输出（I/O）模块I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平和输出驱动能力的I/O模块供用户选用。I/O模块要求具有抗干扰性能，并与外界绝缘因此，多数都采用光电隔离回路、消抖动回路、多级滤波等措施。I/O模块可以制成各种标准模块，根据输入、输出点数来增减和组合。I/O模块还配有各种发光二极管来指示各种运行状态。（4）电源 PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来对PLC的内部电路供电。 （5）编程器 编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它经过接口与CPU联系，完成人机对话。 编程器分简易型和智能型两种。简易型编程器只能在线编程，它通过一个专用接口与PLC连接。智能型编程器即可在线编程又可离线编程，还以远离PLC插到现场控制站的相应接口进行编程。智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言和方法也较多。2.5.4 PLC的工作原理根据国际电工委员会（IEC）的定义，PLC是指一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始的重复上述循环扫描的。其PLC的工作全过程可分为：第一部分，上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。第二部分，扫描过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行白诊断检查。第三部分，出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否正常，如检查出异常时，CPU面板山的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。其工作程序如图3所示。PLC性能的主要技术指标有以下几个方面：（1）存储容量：指的是用户程序存储器的容量，一般以字为单位来计算； （2）输入/输出点数：PLC面板上连接输入、输出信号用的端子的个数，称为“点数”，用输入点数及输出点数之和表示；（3）扫描速度：指PLC执行程序的速度，一般以执行1K字所用的时间来衡量扫描速度；（4）编程指令的种类和数量；（5）扩展能力：包括I/O单元进行的I/O点数扩展和各种功能模块进行功能扩展；（6）智能单元的数量62.6本章小结本章主要探讨了现行的几种关于隧道照明的控制策略，无极调光控制的分析和隧道照明亮度的计算分析，同时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，以及对可编程控制器PLC定义，功能，工作原理的简绍。 第三章 基于PLC隧道照明系统的软硬件设计3.1 PLC控制系统的设计3.1.1 PLC控制系统的设计步骤（1）根据生产的工艺过程分析控制要求。如：需要完成的动作分为动作顺序、动作条件、必须的保护和连锁等，操作方式分为手动、自动、连续、单周期、单步等。（2）根据控制要求确定所需要的用户输入/输出设备。据此确定PLC的I/O点数。（3）选择PLC（4）分配PLC的I/O点，设计I/O连接图，这一步也可以结合第2步进行。（5）进行PLC程序设计。3.1.2 PLC的选择本设计我们选择西门S7-200系列PLC。该系列产品素以高性能闻名，并且具有相当好的扩展和不错的通信能力，西门子的工业控制总线也是相当流行。我们在该系列产品中选择了S7200 CPU 224。该机集成14输入/10输出口。可连接7个扩展模块、最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，拥有8K字节程序和数据存储空间、6个独立的30kHZ高速计数器、2路独立的20kHZ高速脉冲输出，具有PID控制器、1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，并且I/O端子排可很容易地进行整体拆卸。相对于其他同系列PLC来说，该款能用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点、更强的模块扩展能力、更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统，当然也能很好的满足本系统的控制要求。CPU224实物如下图4所示。图4 S7200PLC3.2控制系统硬件设计3.2.1 I/0分配CPU提供的本地I/O具有固定的地址，对于CPU 224来说本机I/O为14入/10出。当需要扩展某类的输入/输出口时，可以将扩展模块连接到CPU的右侧形成I/O链。输入模块不会影响输出模块的地址，模拟量模块不会影响数字量模块的地址。这里需要注意：数字量模块总是保留以8位递增的过程映像寄存器空间。如果模块未能给保留字节的每一点分配物理点，那些未用点不能分配给后续的I/O链中的后续模块。对于输入模块，这些保留字节会在每次输入刷新周期中被清零；模拟量扩展模块总是以两点递增的方式来分配空间。如果模块没有给每个点分配相应的物理点，那么这些I/O点会消失并且不能分配给I/O链中的后续模块7。根据系统的控制要求，下表5是本设计中PLC控制程序软元件的I/O分配表：表5 PLC控制程序软元件I/O分配表输入信号输入地址注释输出信号输出地址注释SB1I0.0手动控制KM1Q0.0开启照明器ASB2I0.1自动控制KM2Q0.1开启照明器BSB3I0.2手动控制下：晴天运行KM3Q0.2开启照明器CSB4I0.3手动控制下：多云运行KM4Q0.3开启照明器DSB5I0.4手动控制下：阴天运行KM5Q0.4开启照明器ESB6I0.5手动控制下：夜间运行KM6Q0.5开启照明器LSB7I0.6手动控制下：更夜运行SB8I0.7火灾或车祸紧急情况3.2.2 PLC的接线图在详细介绍了I/O分配表后，我们将开始设计基于PLC CPU224的控制系统的硬件设计。在这里，我们根据系统控制要求设计出了手动控制与分段时序隧道照明监控系统，演示系统硬件I/O接线图如图2-4所示。3.3编程方法的选择根据设计步骤，在完成了PLC选型以及硬件电路设计之后，接下来就是关键的软件设计，这一部分是实现功能的关键部分。编程方法的选择： 西门子提供的STEP7-Micro/Win软件可以很方便的对PLC进行编程。该程序提供三种工具来进行编，程梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能块图(FBD) 。 LAD编辑器以图形方式显示程序，与电气接线图类似，这种方式易于初学者使用、易于理解且全世界通用、该编辑器还能使用SIMATIC和IEC1131-3指令集，可以使用STL编辑器显示所有LAD程序8。 STL编辑器按照文本语言的形式显示程序，允许你输入助记符来创建控制程序，语句表同时是你能够创建用LAD, FBD无法创建的程序，它与汇编语言非常类似，该种编辑器适用与有经验的编程人员，能解决用LAD, FBD无法解决的问题，不过此时只能使用SIMATIC指令集，同时它还能显示用LAD.、FBD编辑的程序，反之不一定成立。 FBD也用图形表示程序，由通用逻辑门组成，该种编辑方法较之LAD比较有利于程序流的跟踪。在这里我们选用了LAD和STL两种方式，从易用以及完全实现功能的角度来考虑。3.4软件过程设计（1）程序结构考虑软件总体结构中模块之间的控制分层关系，而软件过程设计的任务主要是描述算法的细节，以及模块的处理的顺序。可用流程图、框图、梯形图等工具来描述。常采用自上向下逐步求精的设计方法和单入口、单出口的控制构件。（2）编码实现的过程就是把设计阶段的结果翻译成可执行代码的过程。编码阶段不应单追求编码效率，而应全面考虑编写程序、测试程序、说明程序和修改程序等各项工作。（3）程序编制时，由于PLC的编程语言有很多种，如梯形图、语句表、逻辑功能图、逻辑方程式等。选用上述语言中的任何一种语言，按照设计阶段的算法和流程进行编程。编制程序过程中，为了提高可读性和维护方便，要加上适当的注释9。3.5程序流程图3.5.1系统流程图根据系统控制要求，下图5是系统控制流程图。在系统启动时，利用系统的开机脉冲特殊继电器SM0.1进行系统时间的设定，本文设计中，系统初始时间设定为2015年5月1日，8：00：00，星期五。每一遍运行程序时利用特殊继电器SM0.0读取系统时间，以便为后来确定分段时序控制时为何种运行方式。3.5.2手动控制流程图根据系统控制要求，下图6为手动控制时的流程图，监控人员可以根据不同的天气状况进行切换下面五种控制方式。3.5.3分段时序控制流程图根据系统控制要求，下图7为编写分段时序控制程序的流程图：分段时序控制是根据不同季节一天中不同时刻来控制隧道中的照明器的开启和关闭，下图是采用表4进行的编程设计。3.6软件设计梯形图与STL语言隧道照明系统的软件设计梯形图与STL语言见附录。3.7本章小结本章完成了PLC的选择、I/O的分配以及I/O接线图的设计，我们的控制系统就基本完成了硬件设计，为系统的正常工作提供了硬件保证。同时介绍了系统的设计要求，并且通过比较选定了西门子的PLC后详细介绍了系统软件的设计，根据分段时序控制和手动控制程序的流程框图，我们用LAD和STL进行编辑实现，基本实现了系统控制要求。 第四章 基于PLC隧道照明控制系统的仿真4.1 西门子PLC S7-200仿真软件S7-200SIM是用来代替PLC硬件调试用户程序的仿真软件。它与STEP 7 编程软件一起，用于在计算机上模拟S7-200的功能，可以在开发阶段发现和排除错误，从而提高用户程序的质量和降低试车的费用。相比西班牙版本，该软件支持中断、函数、PID运算、指令叠加、顺序指令，并支持PPI、MODBUS,USS，以及自由口通信。该软件还支持各种FLASH，VS编程的对象，从而更加方便进行真正的控制调试。如果要支持组态，则选择PPI协议，可能需要虚拟串口软件，例如VSPD6.9。所以该仿真软件不仅可以用于STEP7编程，还可以用于组态软件的测试。软件支持对象的IO点自动分配，变量监控、设置，与强制。支持STL语言的运行状态监控。支持单步、慢速、第一步，N步执行等操作，可以看到所有的寄存区数据，并自持多种格式。支持变量状态表的导入。软件中包括了15个A8000实训对象，以及控制程序。包括交通灯，彩灯控制，温度控制等。4.2 仿真结果分析将程序装载入仿真软件，通过控制输入信号来选择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。4.2.1 手动控制下的的晴天运行当接通启动按钮I0.0，I0.2, 此时为手动控制下的晴天运行，输出为Q0.0(开启照明器A)、Q0.1（开启照明器B）、Q0.2（开启照明器C）、Q0.3（开启照明器D）、Q0.4（开启照明器E）。此时照明器A、B、C、D、E工作。 图8 手动控制下的晴天运行4.2.2 手动控制下的多云运行当接通启动按钮I0.0，I0.3, 此时为手动控制下的多云运行，输出为Q0.0(开启照明器A)、Q0.1（开启照明器B）、Q0.2（开启照明器C）、Q0.3（开启照明器D）。此时照明器A、B、C、D工作。 图9 手动控制下的多云运行4.2.3 手动控制下的阴天运行当接通启动按钮I0.0，I0.4, 此时为手动控制下的多云运行，输出为Q0.0(开启照明器A)、Q0.1（开启照明器B）、Q0.2（开启照明器C）。此时照明器A、B、C工作。 图10 手动控制下的阴天运行4.2.4 手动控制