高速公路隧道照明监控系统的研究

1、高速公路隧道照明监控系统的研究研究报告合肥华欣自控成套设备厂技术中心2007年3月第1章绪论1.1课题背景及研究意义1.1.1课题背景我国山地、丘陵和高原面积约占国土总面积的69，过去在山区修建公路，由于建设资金严重短缺，多以盘山绕行为主，公路建设非常缓慢。改革开放以来，随着国民经济的迅速发展，公路交通建设规模日益扩大，技术进步达到新的水平，公路隧道建设不仅在山区和丘陵地区公路建设中日益引起人们重视，而且在东部江河桥隧跨越方案比选中也得到了很大发展。据统计，1979年我国公路隧道通车里程仅为52km/374座，而2002年底，我国公路隧道通车里程已达704km/1700座，比1979年增长了1

2、3倍多，比1993年增长了5倍多。目前已建和在建的1.5km以上3车道5座，3km以上的特长隧道26座，在建6km以上隧道5座。近十年来，我国修建了不少特长隧道、长隧道以及隧道群，隧道占公路里程比重不断增大，同时我国还修建了不少大跨度隧道、连拱隧道和小间距隧道，比如：沈大高速公路改建工程中的金州隧道，单向四车道行车，单洞开挖宽度23m，是亚洲最宽的公路隧道。可以毫不夸张的说，目前我国公路隧道发展已进入全盛时期。 新世纪我国已经进入第十一个五年计划的建设时期，加强基础设施建设是今后五至十年一项十分重要的任务。随着高等级公路向西部延伸，新世纪前10年中，有总长155km以上的公路隧道已经投入建设。

3、其中西安至安康高速公路上穿越秦岭山脉的秦岭终南山特长公路隧道，全长18.02km属世界规模第一、长度第一的山岭公路隧道；西安至汉中高速公路上穿越秦岭山脉的三座特长隧道单洞总长34km,整个西汉高速公路隧道单洞总长度约100km；上海崇明岛和武汉的长江上将建设大型过江通道工程。为此可以说我国的高速公路隧道已经进入又一个新的发展时期。1.1.2研究意义随着基础设施的大力发展，尤其是公路交通及城市化建设步伐的加快，公路隧道数量越来越多，其中，长大隧道的数量也在不断增加。今后，随着我国建设事业的需要和国民经济实力的增强，长大隧道甚至超长隧道的建设将会更多。随着隧道的建设发展，对传统的隧道提出了越来越多

4、的要求，新的技术手段如管理监控系统，火灾报警系统等不断的被应用到隧道的建设中。而这些先进手段的应用大大的提高了隧道的可维护性和安全性。目前国内很多隧道都配备了隧道监控系统。隧道监控系统能及时的采集路段内的各种信息，充分的利用隧道资源处理各种突发事件。极大的提高运营效率、保障交通安全、改善环境质量和提高能源利用率。公路隧道监控系统能够通过采集隧道内的各种信息获取隧道的运行状态，并对其采集的数据进行分析、判断、决策，根据分析的结果采取相应的控制措施、减少事故的发生率，保障隧道内车辆的平稳、安全运行。隧道监控系统的关键是集中的管理和监控，隧道监控系统是一个比较复杂的集成系统，由隧道通风系统、隧道照明

5、系统、隧道消防系统、隧道供配电系统、应急电源系统等组成。隧道监控管理系统对各个系统进行综合，协调各个系统的顺利运行，并对各个系统中出现的紧急情况，进行处理，并可以人为的干预各个系统的运行，重新设计运行参数等。一个优秀的隧道监控管理系统，可以提高隧道营运的科学管理水平，增强各个部门对于隧道内异常事件的处理能力，保证隧道营运的高效、节能，大大的降低运营成本，综合提高整个隧道运行的经济效益和社会效益。1.2国内外隧道监控发展状况 隧道监控系统发展到今天已经经历了一段比较长的时期，其技术的成熟度也越来越高。特别是随着计算机技术以及工业控制技术的发展，隧道监控系统正在不断的完善和发展。1.2.1国外隧道

6、监控发展状况国外比较先进的隧道监控系统一般都具有以下特点:通风系统可以根据隧道内设置的CO等探测仪检测的空气污染程度自动调节通风量。隧道两端入口设有交通信号灯，洞内发生事故或火灾自动或人工点亮红灯，禁止洞外车辆进入洞内。在小转弯点和回车道处设有交通信号灯和转弯标志，可自动或人工分段点亮。 隧道照明系统的设计中突出节能和自然设计，比如在车辆经过大型的车道时，司乘人员有一种进洞再出洞的感觉。每隔一定的长度设有报警箱，箱内灭火器底座自动连接至自动报警系统，洞内发生火灾时，若有人移动灭火器，报警信息自动传至监控室。同时各种新型的报警器也被广泛应用。隧道的两端入口都设有摄像机，对出入隧道车辆进行拍摄并记

7、录。若有车辆未按时出洞，系统将保留该车记录，并自动调出该车图像，同时向监控人员报警。有些隧道采用的是多段多摄像头多角度监控系统。在主要路段设置可变情报板，可以时刻对洞内情况进行通报。1.2.2国内隧道监控发展状况在国内，近年来随着交通的发展，隧道监控系统也采用了大量先进的技术，监控水平和运营经济性得到了很大的提高，但就目前而言，国内隧道监控系统还存在以下的一些问题：隧道监控系统缺乏专门的设计规范，设计者参考隧道通风照明系统设计规范进行设计，对系统规模、外场设备布置缺乏系统的研究，隧道监控系统配置不科学，造成隧道监控系统造价偏高。缺乏对隧道监控系统功能需求进行系统研究，对系统可靠性要求、环境设备

8、要求缺乏研究。造成隧道的监控系统功能不完善、可靠性低，系统经常处于半失效状态。有些隧道控制系统的自动控制功能丧失，系统经常处于远程手动状态。大多数隧道采用的集散式布线复杂、施工困难、维修养护不便、可靠性差、效率低、管线长、投资高。监控系统智能化水平较低，通风控制仅以浓度与能见度为控制参数，没有考虑交通状态。设备运转平衡及节能问题考虑不足，增加了隧道运营费用，增加了设备维护难度。火灾报警系统效果不理想，很多隧道运营不久系统就处于瘫痪状态，一些隧道已拆除既有的火灾报警系统，更新为感温光纤火灾报警系统。公路隧道的蓬勃发展，必然带动隧道工程相关技术的飞速进步，特别是隧道自动检测和环境保护技术，而照明控

9、制技术就是其中之一。下图11为高速公路隧道监控系统的组成部分：图11 隧道监控系统 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，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

10、视觉问题，并且最大限度的节省能源。我们研究的高速公路隧道照明监控技术就是为完成这项功能进行的技术探索，研究一系列可行的控制方案以使照明满足规范要求的控制技术，为高速公路隧道的运营管理提供方便，在节约运营成本的同时为司机创造良好的行车安全条件。下图1-2为某隧道的照明图。 图12 某隧道照明图 1.3照明控制的必要性 隧道是一种特殊的管状构造物，车辆进入隧道的过程是一个从明亮进入黑洞，又从黑洞走向明亮的过程。人眼在明暗交替变化的过程中，明暗度变化太大、变化过程时间太短，人眼的视觉功能不能立即适应，特别是由明到暗的变化过程，需要有一个适应的过渡期。隧道外天空晴朗，车辆高速驶入隧道内，洞内外的明暗差

11、别很大时，在进入隧道内往往会产生“黑洞效应”，快速驶出时又容易产生“白洞”效应，驾车人看不清路面上的交通情况，极易发生交通事故。因此，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。1.4本章小结 课题来源于工程项目，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

12、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本文主要工作本文主要的工作：1. 探讨了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。2. 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。3. 详细分析了西门子PLC S7200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。4. 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2章基于PLC隧道照明监控系统的硬件设计2. 1系统控制要

13、求2.1.1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

14、度相适应。如下图21为隧道的分段照明间断梯度图。21 照明间断梯度图2.1.2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

15、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21所示：表21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 覆盖全部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

16、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

17、，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

18、才会采用手动控制的方式进行隧道的照明控制。2.1.3自动分级控制随着自动控制技术的发展，隧道照明控制领域渐渐由自动控制系统占领。首先出现的是自动分级控制，这种系统能够通过洞外的亮度检测仪器检测实际亮度值从而调整隧道内部的灯具开关数量，并且洞内广泛分布的照度检测仪器为隧道内实际亮度水平进行了有效监测，当出现由于灯具损坏等原因造成的洞内亮度水平不够时控制系统可以及时的进行报警。采取这种技术之后，不仅能够有效的使隧道照明满足国家规范要求，为司机提高良好的照明环境，而且因为在最大的限度内关闭了不需要的照明设备，该方法节约了很大的运营成本，特别是对十分偏远的隧道更是体现了它的强大优势，所以在各类公路隧道

19、中得到了广泛应用。但是，由于采用了分级控制，即系统根据外界亮度水平分级的将照明设施进行关闭，比如隔盏关闭这一方式，必然会带来路面照度不均匀、眩光、闪烁等有害现象，给交通安全埋下了隐患。其实这是跟照明设备的技术水平进行的一种折中。在隧道中普遍采用的白炽灯具，要进行连续亮度调节必须通过调整电压实现，而这无疑会巨大地加成木，另外荧光灯由于技术限制在当时还很难实现连续亮度调节。不过即使存在着不少缺陷，不可否认的是分级自动控制方式仍是目前阶段国内最为流行的控制技术。2.1.4自动调光控制 随着照明灯具技术的发展，出现了自动调光控制方式。这是新兴的一种控制方式，它在自动分级控制的基础上，采用根据外界实际亮

20、度水平，连续对灯具进行调光，使灯具发出不同亮度水平的光能，这样就完全的克服了分级控制所带来的照明均匀性问题，这个技术在目前阶段来说应用的还不是很普遍，原因是能满足连续调光要求的灯具还不普遍，一般来说价格比较昂贵，因此通常只在高等级的隧道中采用这种方法。就国内来说只有为数极少的隧道采用了这种控制方式。不过可以肯定的是这种控制技术是未来技术的发展趋势。2.1.5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

21、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： 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：

22、 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： 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

23、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。2.2系统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

24、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

25、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22。表22 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

26、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 23：表23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

27、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。2.3分段时序照明控制策略 在隧道的照明控制中，分段时序控制方式主要根据不同

28、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24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24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+C6：008：2916：0018：595：007：5917：0019：596：008：2916：3018：597：008：5916：0017：59A+B+C+D8：0010：5914：0016：298：0010：5914：0016：598：3010：5914：0016：299：0010：5914：0015：59A+B+C+D+E11：0013：5

29、911：0013：5911：0013：5911：0013：59A+B+L19：0023：5920：0023：5919：0023：5918：0023：59(A或B)+L0：005：590：004：590：005：590：006：59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

30、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 PLC的选择 在明确了系统的控制功能之后，在这里我们有必要对作为控制系统核心的PLC工作原理和性能指标进行必要的了解与分析。在此基础上从系统控制要求、成本、功能等方面进行综合

31、考虑选择一款比较合适的PLC。2.4.1 PLC的特点与结构 PLC与其它控制设备相比具有它本身的特点，优越性具体表现在以下几个方面： 1.灵活性和通用性强； 2.抗干扰能力强、可靠性高; 3.编程语言简单易学; 4. PLC与外部设备的连接简单、使用方便; 5. PLC的功能及其扩展能力强; 6. PLC控制系统的设计、调试周期短; 7. PLC体积小、重量轻、易于实现机电一体化。 随着各大公司对PLC系统开发的重视，PLC在网络通信、模糊控制、神经网络等方面也得到不断加强。鉴于PLC以上的优点，其在工业控制和工厂自动化(简称FA)中得到越来越广泛的应用。可编程序控制器基本结构： 可编程控制

32、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22所示。电 源 模块CPU模块输入模块输出模块编 程 器开关按钮接触器继电器指示灯图22 PLC系统的基本结 CPU模块是PLC的主要组成部分，是系统的控制核心。它以循环扫描的方式采集现场各输入装置的状态信号，执行用户控制程序，并将运算结果传输到相应的输出装置，驱动外部负载

33、工作。CPU模块中还常装有存储器和PLC系统程序，用户程序和工作数据存在存储器中。一般来说基于PLC控制系统的设计分为如下5个步骤： 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。2.4.2 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

34、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

35、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23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

36、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。 图 2-3 PLC的工作过程 在本系统中，因为实现的功能相对比较简单，并且需要考虑以后的扩展功能，所以我们侧重注意了输入/输出点数以及可扩展模块的指标，并且从现场恶劣的条件考虑尽量选择抗干扰性能比较优异的PLC。2.4.3 S7-200系列PLC本设计我们选择西门S7-

37、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

38、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24所示。图24 S7200PLC2.5控制系统硬件设计2.5.1 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

39、/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。根据系统的控制要求，下表25是本设计中PLC控制程序软元件的I/O分配表：表2-5 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

40、.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2.5.2 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。图24系统I/O 接线图2.6本节小结 本章主要探讨了现行的几种关于隧道照明的控制策略，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

41、提供了硬件保证。第3章基于PLC隧道照明监控系统的软件设计3.1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。 STL编辑器按照文本语言的形式显

42、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。3.2程序总体结构软件设计过程是对程序结构、数据结构和过程细节逐步求精的过程。软件设计是将需求规格说明逐步转化为源代码的过程。软件设计主要包括

43、两个部分：一是根据需求确定软件和数据的总体框架；二是将其精化成软件的算法表示和数据结构。1） 程序结构设计模块化的程序设计方法，是PLC程序设计和编制的最有效、最基本的方法。程序结构设计的基本任务就是以模块化程序结构为前提，以系统功能要求为依据，按照相对独立的原则，将全部应用程序划分为若干个“软件模块”，并对每一“模块”提供软件要求和规格说明。一般应以某一或某组功能要求为前提，确定这些“独立”的软件模块。模块的划分不宜过大，过大的模块常失去模块化程序设计的优点，只具有软件分工的含义；而过小的模块划分会增加模块间接口的工作量。当某一功能要求的程序模块必须很大时应人为的将其分解为若干个子模块。子模

44、块的规模，没有具体规定，若在计算机上开发的话，大约为35个梯形图的页面为宜。软件设计常采用自上而下的设计方法（Top To Down），只给出软件模块的定义和说明。子模块的划分大多是在程序设计的阶段由编程人员自行完成的。2）数据结构设计数据结构设计的任务，就是对程序中所有的数据结构进行具体的规划和设计，合理地对内存进行估算，提高内存的利用率。PLC应用程序所需的存储空间与内存利用率、I/O点数、程序编写的水平有关。通常把系统中I/O点数和存放用户机器语言程序所占内存数之比为内存利用率。高的内存利用率，可使同样的程序减少内存投资，还可以缩短扫描周期时间，从而提高系统的向应速度。同样用户编写的优劣

45、对程序的长短和运行时间都有很大的影响。而数据结构的设计直接关系到后面的编程质量。 3）软件过程设计一、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。二、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。三、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

46、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。3.3程序流程图3.3.1系统流程图根据系统控制要求，下图3-1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2008年5月12日，8：00：00，星期一。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。图3-1 系统控制流程图3.3.2手动控制流程图根据系统控制要求，下图3-2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。图 3-2手动控制方式流程图3.3.3

47、分段时序控制流程图根据系统控制要求，下图3-3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2-4进行的编程设计。图3-3分段时序控制时的系统流程图3.4软件设计梯形图与STL语言STL语句表Network 1 / 设置系统时间（2008年5月12日8：00：00）/ Network CommentLD SM0.1MOVB 16#08, VB10MOVB 16#05, VB11MOVB 16#12, VB12MOVB 16#08, VB13MOVB 16#0, VB14MOVB 16#0, VB15MOVB 16#0, VB16MOVB 16#02, VB17TODW VB10Network 2 / 读取系统时间LD SM0.0TODR VB20Network 3 / 如果是自动控制方式判断是否为春天的模块LDN I0.0A I0.1LDB VB21, 3AB VB22, 20OLDLDB= 21, 6AB VB21, 6AB VB22, 22OLDLDB= VB21, 9AB