基于PLC的太阳能交通信号灯的设计毕业论文.docx

酒 泉 职 业 技 术 学 院 毕业设计（论 文） 2013 级 太阳能应用技术 专业题 目： 基于PLC的太阳能交通 信号灯的设计 毕业时间： 二一六年六月 学生姓名： 韩发军 指导教师： 吴红 班 级： 13 太阳能班 2015年7月1日酒泉职业技术学院 2016届各专业毕业设计成绩评定表姓名韩发军班级13太阳能专业太阳能应用技术指导教师第一次指导意见年 月 日指导教师第二次指导意见年 月 日指导教师第三次指导意见年 月 日指导教师评语及评分 成绩： 签字（盖章） 年 月 日答辩小组评价意见及评分成绩： 签字（盖章） 年 月 日教学系毕业实践环节指导小组意见签字（盖章） 年 月 日学院毕业实践环节指导委员会审核意见签字（盖章） 年 月 日说明：1、以上各栏必须按要求逐项填写.。2、此表附于毕业论文 (设计)封面之后。目录摘要1关键词1一、引言1（一）太阳能交通灯设计的目的和意义1（二）我国太阳能交通灯的发展状况3（三）PLC简介31.PLC概述32.PLC的硬件组成43.PLC的工作原理5二、太阳能交通信号灯的工作原理及控制要求5（一）太阳能交通信号灯的工作原理5（二）太阳能交通信号灯的控制要求5三、交通灯硬件系统的设计6（一）交通灯信号灯的设计6（二）太阳能电池板6（三）蓄电池7（四）太阳能控制器8四、交通灯控制系统的设计9（一）PLC的选型9（二）控制系统程序设计101.PLC控制I/O分配102.PLC外部接线设计113.PLC程序梯形图114.PLC程序指令表13（三）控制系统的调试131.系统的调试过程142.程序调试中遇到的问题及解决方法14五、结论14参考文献15致谢16基于PLC的太阳能交通信号灯的设计摘要：人类社会生活水平的不断提高，导致人类对能源的需求量也越来越大，能源紧缺问题也表现得越来越明显。而且随着世界各国石油、煤炭等自然资源的匮乏，全国大部分地区为了对付缺电，实行了分地区分时段的拉闸限电措施，而交通信号灯作为重要的指挥工具如果因断电不能正常工作的话，便会造成交通安全隐患。因此，如何利用可再生资源成为当今世界关注的焦点。太阳能是一种取之不尽，用之不竭的天然能源，又是一种可再生的清洁能源，具有无需架线，不受地理位置限制等优点，所以得到越来越广泛的应用，市场上LED灯的光效在快速的提高，而价格却在降低。综合这些情况，利用太阳能对交通灯进行供电，不仅能够节约资源，而且使其在市电断电情况下也能正常工作，以及LED的环保节能，太阳能LED交通灯成为各个交通要道上的一道亮丽的风景线，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。本系统采用太阳能供电，采用PLC控制交通信号灯，介绍了太阳能供电系统，设计了PLC控制系统，并对控制程序进行了调试。关键词：太阳能；PLC；LED；交通信号灯一、引言（一）太阳能交通灯设计的目的和意义交通灯是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。交通灯产生的交通信号是道路交通安全的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通灯由红灯、绿灯、黄灯组成，分别发出红灯信号，绿灯信号 和黄灯信号，按交通安全法实施条例规定：绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍被放行的直行车辆和行人同行。黄灯亮时，已越过停止线的车辆，可以继续通行，黄灯信号的含义介于绿灯信号和红灯信号之间，既有不准通行的一面，又有准许通行的一面。黄灯亮时，警告驾驶人和行人通行时间已经结束，马上就要转换为红灯，应将车停在停止线后面，行人也不要进入人行横道，但车辆如因距离过近不便停车而越过停止线时，可以继续通行。已在人行横道内的行人要视来车情况，或尽快通过，或原地不动，或退回原处。常规的交通灯是由安装电线和铺设电缆即用常规发电作为动力来源的，这样不仅安装繁琐，耗时耗力，而且浪费能源，不稳定性和可靠性都是很差的，且不能适合中国可持续发展战略。而太阳能交通灯是一种利用太阳能作为能源的交通灯，太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用；另一条是寻求大量的节能技术，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。太阳能作为一种巨量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等到于2.5 亿万桶石油,可以说是取之不尽、用之不竭。太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为 1369W/。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达 173000TW。在海平面上的标准峰值强度为 1kw/，地球表面某一点 24h 的年平均辐射强度为 0.20kw/，相当于有 102000TW 的能量，尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的 22 亿分之一， 但已高达 173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于 500 万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳，即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、 光电和光化学的直接转换。人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，且不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，而被称为绿色环保产品。太阳能交通灯系统由太阳能电池组件部分、LED 灯头、控制器、蓄电池和灯杆等几部分构成。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。同时，LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，一般人都认为，节能灯可节能 4/5 是伟大的创举，但 LED 比节能灯还要节能 1/4，这是一个历史上更伟大的改革。太阳能 LED 交通灯集成了太阳能与 LED 优点。（二）我国太阳能交通灯的发展状况太阳能交通灯是现代交通的发展趋势，随着国家对低碳生活的提倡，太阳能交通灯将会越来越普及，与普通信号灯相比太阳能交通信号灯更环保、节电，因具有蓄电功能，在安装时不需要铺设信号电缆，可以有效避免施工造成断电等情况的发生。图1是出现在城市道路上的太阳能交通信号灯。图Error! Main Document Only. 城市道路上的太阳能交通信号灯自2008年开始在各大发展中城市崭露头角，开始时使用一种新型的交通警示灯“太阳能黄闪警示灯”，把它树立在人行道上，用来提醒广大过往驾驶人注意行人安全，那时还处于试点阶段，试用效果好的话将全面推广。该系统采用太阳能作为能源，白天有阳光照射到太阳能电池板上时，电池板将太阳能转换为电能，其中的部分电能用于维持交通灯正常工作，确保交通道路的畅通流动；剩余电能被储存在蓄电池内，用于夜晚工作。随着现在技术与科技的不断提升,太阳能交通信号灯的使用越来越普遍、方便，新型的太阳能交通设施也层出不穷。太阳能交通灯作为一种绿色环保的节能信号灯一直是交通道路上的标杆,为交通道路安全做出了贡献！（三）PLC简介1.PLC概述可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，PC），早期主要用于计数、定时以及开关量的逻辑控制，为了和个人计算机（PERSON COMPUTER）相区分，把可编程控制器缩写为PLC（PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER，PC）。PLC是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种小批量生产的需要，生产发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来，虽然至今只有40余年，但由于其具有通用灵活的控制性能简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。2.PLC的硬件组成其他接口电路中央处理单元输出电路输入寄存器用户程序存储器系统程序存储器输出寄存器输入电路输入量如图2所示，PLC基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入寄存器、输出寄存器、其他接口等。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。图Error! Main Document Only. PLC硬件组成图（1）中央处理单元（CPU）可编程控制器的中央处理器常采用通用微处理器。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC进行工作。CPU的性能关系到PLC处理控制信号能力与速度，CPU位数越高，运算速度越快。（2）存储器PLC使用的物理存储器与一般计算机相同。有随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM）及可电擦除可编程只读存储器等。（3）输入寄存器输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量。CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。（4）输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值，而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出。（5）其他接口单元其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。3.PLC的工作原理可编程控制器执行程序是PLC实现控制的核心工作，这些工作项目大致可以分为以下三部分。第一部分是上电处理。PLC上电后对系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检察，停电保持范围设定等。第二部分是扫描过程。一是扫描执行系统程序，二是扫描执行应用程序。每次执行应用程序前先完成输入处理，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。第三部分是出错处理。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，检查出异常时，CPU面板上的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。以上三部分内容中，扫描过程是最主要的、最经常的工作。二、太阳能交通信号灯的工作原理及控制要求（一）太阳能交通信号灯的工作原理太阳能LED交通信号灯由太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池、LED信号灯系统等构成。如图3所示是太阳能交通信号灯的原理框图。图3 太阳能交通信号灯原理框图（二）太阳能交通信号灯的控制要求 信号灯受两个按钮控制，当启动按钮动作时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当停止按钮动作时，所有信号灯都熄灭。 南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。 南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。 东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮维持25S。然后闪烁3S，熄灭。同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。 回到，循环执行。三、交通灯硬件系统的设计（一）交通灯信号灯的设计本设计中的信号灯均由红、绿、黄三种颜色的高亮度LED圆形点阵组成，电路上采取串并联相结合。且每只发光二极管的正向工作电流IF为15mA，正向工作电压为2V。每个灯由50只发光二极管组成圆形显示,其中每5个串联在一起，然后这10个串联支路并联起来，这样可以避免工作电流过大而损害发光二极管。每个灯的工作电流为0.15A（15 mA100.15A），而四个路口同一时间最多亮四个灯，即四个灯的最大工作电流为0.15 A40.6A，则系统一天的用电量为0.6A24h=14.4Ah,一天的功耗为 24V14.4Ah=345.6Wh。（二）太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本；太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。该系统为直流负载，负载工作电压为24V,用电量为每天14.4Ah，酒泉地区的最低光照辐射是1月份，峰值日照时数为5.45h，采用100W的光伏组件，峰值电压为17.2V，峰值电流为5.81A，组件损耗系数为0.9，充电效率系数也为0.9。因该系统是直流系统，所以不考虑逆变器的转换效率系数。电池组件的并联数=负载日平均用电量Ah组件日平均发电量Ah充电效率系数组件损耗系数逆变器效率系数=14.4Ah5.81A5.45h0.90.9=1块计算：电池组件串联数=系统工作电压（V）系数1.43组件峰值工作电压（V）=24V1.4317.2V=2块（三）蓄电池在太阳能电池供电系统中,太阳能电池方阵将太阳能辐射转换为直流电能,通过蓄电池将其电能转换为化学能储存起来,我们通常称蓄电池为光伏发电系统的贮能装置。对于太阳能光伏电源系统,要求它能够随时地向负载提供稳定的电能,但是,由于太阳光照的间歇性和随机性,发供电任务全都靠太阳能电池则难以实现,必须通过贮能装置来对太阳能电池发出来的电能进行贮存和调节,在供电系统正常工作时, 依蓄电池正常充放电状态的变化分为多种情况：第一种是负载关闭,太阳能电池方阵正常发电,此时全部电能是向蓄电池组充电,使这些电能转换成化学能贮存起来,直到蓄电池充满后控制器保护断开为止；第二种情况是在太阳能电池发电的同时,负载也需要工作。这时,太阳能电池将直接向负载供电,多余的电能也将同时向蓄电池组充电；更多的工作情况可能是,太阳能电池不再发电,负载需要的电能全部由蓄电池组提供。此时，以化学能形式存储在蓄电池中的能量转变为电能,供负载使用,所以说蓄电池既能贮存电能,还能对系统起着调节电量、稳定输出的作用。蓄电池的种类很多，在光伏系统中采用是铅酸蓄电池各碱性镍镉蓄电池。但考虑到蓄电池的使用权条件和价格，大部分太阳能光伏系统选择铅酸蓄电池作贮能电源，且使用不需要加水免维护型的铅酸蓄电池。该系统为直流负载，负载工作电压为24V,最大工作电流为0.6A，每天工作24h，用电量为每天14.4Ah。蓄电池选用12V/100Ah的铅酸蓄电池。根据酒泉的最低温度确定低温修正系数为0.7，最大放电深度系数0.6，考虑连续阴雨天数3天。计算：蓄电池总容量=负载日平均用电量（Ah）连续阴雨天数放电修正系数最大放电深度低温修正系数 =14.4Ah3天0.880.60.7=91Ah放电修正系数=1-平均放电率1000=1-1201000=0.88平均放电率=连续阴雨天数加权平均负载工作时间最大放电深度系数=3天24h0.6=120小时率为求得放电修正系数，先计算该系统的平均放电率：蓄电池串联数=系统工作电压蓄电池标称电压=24V12V=2块蓄电池并联数=蓄电池总容量蓄电池标称容量=91Ah100Ah=1块（四）太阳能控制器太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。充放电控制器是具有自动防止太阳能光伏电源系统的贮能蓄电池组过充电和过放电的设备，它是光伏发电系统的核心部件之一。 控制器最重要的作用就是防止蓄电池过度充电和过度放电。由于蓄电池的投资在系统成本中占了较大的比重，而蓄电池过度充电和过度放电都将大大缩短蓄电池的使用寿命，为了最大限度延长蓄电池使用寿命，保证光伏发电系统能长期可靠地工作，就需要对蓄电池的充放电进行控制。虽然控制器的控制电路根据光伏系统的不同其复杂程度有所差异，但其基本原理是一样的，图4是一个基本的充放电控制器的工作原理图，该系统由光伏组件、蓄电池、控制器电路和负载组成。开关1和开关2分别为充电开关和放电开关。开关1闭合时，由光伏组件给蓄电池供电，当蓄电池出现过充时，开关1能及时切断充电回路，使光伏组件停止向蓄电池供电，开关1还能按照预先设定的保护模式自动恢复对蓄电池的充电。开关2闭合时，由蓄电池给负载供电，当蓄电出现过放电时，开关2能及时切断放电回路，蓄电池停止向负载供电。当蓄电池再次充电并达到预先设定的恢复充电量时，开关2又能自动恢复供电。图4 充放电控制器的工作原理图控 制 器负载光 伏 组 件蓄电池开关1开关2四、交通灯控制系统的设计（一）PLC的选型要想正确的进行可编程控制器的选型，就必须了解可编程控制器的硬件组成、外观结构、系统型号含义等方面的内容。正确选择PLC对于保证整个控制系统的各项技术、经济指标起着重要的作用。选择PLC的依据是输入输出形式与点数，控制方式与速度、控制精度与分辨率，用户程序容量等多个方面。通过对系统控制要求的分析，参照三菱FX2N系列特性，选用主机型号FX2N-48MR可以满足要求，其外形如图5。FX2N-48MR具有256个定时器，其中接通/关断延迟时间精度为1ms有T246-T249，其中接通/关断延迟时间精度为10ms有T200-T245，其中接通/关断延迟时间精度为100ms有T0-T199、T250-T255。26K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。2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。I/O端子排可很容易地整体拆卸。图5 三菱FX2N-48MR外形图（二）控制系统程序设计1.PLC控制I/O分配交通信号灯的PLC控制I/O分配表输入信号名称接入点编号启动按钮SB1X0停止按钮SB2X1输出信号名称接入点编号南北绿灯HL11、HL12Y0南北黄灯HL21、HL22Y1南北红灯HL31、HL32Y2报警灯HL4Y3东西绿灯HL51、HL52Y4东西黄灯HL61、HL62Y5东西红灯HL71、HL72Y6图6 PLC外部接线图2.PLC外部接线设计3.PLC程序梯形图4.PLC程序指令表160 LD X0001 OR M1002 ANI X0013 OUT M1004 LD M1005 MC N0 M08 LDI Y0039 ANI T410 OUT T0 K25013 LD T014 OUT T1 K25017 LD T118 OUT T2 K3021 LD T222 OUT T3 K2025 LD T026 OUT T4 K30029 LD T730 OUT T5 K2033 LDI Y00334 ANI T035 OUT T6 K20038 LD T639 OUT T7 K3042 LDI T943 OUT T8 K546 LD T847 OUT T9 K550 LDI TO51 ANI Y00352 OUT Y00253 LD Y00654 ANI T155 LD T156 ANI T257 AND T858 ORB59 OUT Y00060 LD T261 ANI T362 OUT Y00163 LD Y00264 ANI T665 LD T666 ANI T767 AND T868 ORB69 OUT Y00470 LD T771 ANI T572 OUT Y00573 LD T074 OUT Y00675 LD Y00076 AND Y00477 OUT Y00378 MCR N080 END（三）控制系统的调试1.系统的调试过程将PLC与对应输入输出的设备连接起来。用PLC编程软件编制出梯形图程序，将编制无误的程序下载到PLC中，并将模式选择开关拨至RUN状态。调试运行。按下启动开关，灯光按程序循环显示。监控运行。当PLC运行时，可以使用软件中的监视功能监控整个程序的运行过程，以方便调试程序。单击 “PLC写入”“监视”“监视开始”，可以全画面监控PLC的运行，这时可以观察到定时器的定时值会随着程序的运行而动态变化，通电闭合的触点和线圈会变蓝。借助于监控功能可以检查哪些线圈和触点该通电时没通电，从而为进一步修改程序提供帮助。2.程序调试中遇到的问题及解决方法问题：输完指令后执行程序，设置好控制输出的灯没有完全亮。分析：说明控制该灯的步不正确或是死步。解决方案：检查梯形图，修改梯形图并转换为指令，再运行程序。问题：灯没有闪烁，并且未进入到下一步状态。分析：说明控制该步的定时器有问题，是根据三菱PLC的定