狭窄隧道汽车双向行的PLC控制设计方案

1、狭窄隧道汽车双向行的 PLC 控制设计方案第一章 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

2、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

3、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

4、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

5、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 (3100mX 2)、缙云山隧道(2450mX 2)、大溪岭隧道(4116mX 2)、二郎山隧道(4200m X 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

6、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

7、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。A 口SB4SB3KA1A 口检测装置B 口绿灯LE

8、D4B 口红灯LED3启动SB1SB2报警Y控制台第二章总体设计方案1.1设计万案A 口红灯LED1A 口绿灯LED 2B 口检测装置KA2停 2 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 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

9、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

10、 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PLG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/

11、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

12、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莫块、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莫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

13、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GMF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

14、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

15、。GEFanuc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 Fan uc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。 NATURALANGUAGE STATE_OGICCONTRO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

16、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FX2N-32MR型号PLC3.2 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SBX0启动LEDY1A 口红灯STX1停止1LED2Y2A 口绿灯SBX2停止2LED3Y3B 口红灯SBX3停止3LEDY4B 口绿灯KAX4A口检测装置YY5报警KA2X5B口检测装置3CO启动E口檢别奘囂鱼 迪 5B3 SB4蛊泾一函

17、3-2曲X4A口红 IT2E 口绿灯E 口红灯用零电铃虫沏ffl函第四章软件设计4.1控制程序流程图1A、B 口红灯打开*1r开始结束图4-1程序流程图4.2梯形图及程序说明TIETIEtTT斗I胡叫MSOOS2h-DO-SETXS31pHIH-00M100-SET 妙产牛周期为诃的方波.T4片IM+J11TomHIIi 2X3-JSETS42SET332-QdO耘09J K2(kT* MIOO2SET程序初始状态亠 B两入口均弟I灯.*按启动按41, SSE程序启动在计时5S内，A 口壳塚灯屮 当A 口无车进入时为计时5秒*计时眉后A 口绿灯闪烁2秒“A口无车进入且A口绿灯闪烁2秒后，程序转

18、向S41*JA口有车进入，理序转向S引d扌渤停止扌蝴XI,程序转向初始状态血0 必同时得电，即扎E绿灯同时亮时， 程序转向芳B 口紺T亮卩T2计时20秒.即AOi车开始计20久，T3计时9C即A 口道主到待亘从B 口全曾班出的总讯寸间“在A 口进车幵始的2W内，盘口绿灯亮A 口绿灯壳在20S后闪烁+J竝秒后，A_Qm.gu杪启程序跳轉向S41, E 口血汽车进入丄 d3牛停止触点并联，控制程序跡转向so 初始状态g W同时得电.即扎R绰灯同时亮 时，程序转向图4-2梯形图（a）OOA口红灯亮4B 口绿灯亮5秒的时间E 口绿灯在亮20S后，闪烁2弘d22S后，E 口红灯亮心90S后,程序跳转到S

19、21, A 口允许进 车，3个停止触点并联，能单独控制程序转 向so初始状态4卍2、Y4同B曲寻电即A、B 口绿灯厨寸弟寸， 程序转向肪2A 口红灯亮我B 红灯亮*报警+J程序结束*J图4-3梯形图（b）r*03羔一E3”晶is-GA3H菽，L000这一ofcBooTXT ir口T7 - T Toc)dnL需591S a弱aood co 巳Q s p 己羔00 A 00一丄OXItHOLLSCO寸4.4时序图1. 周期为1S的方波:T10：LUUUULOJUULILJmULMl 00: arL rLFLrLTT rL图4-4周期为1S的方波图2. A B两入口都无车进入的情况:fr-对r*FFL71_0rT TTTm rn rr-Ln_o_n_r-TLT1J_1 1 1口SO*-S2WS4WS24* *图4-5 A、B两入口都无车进入的情况图3. A 口有车进入时:图4-6 A 口有车进入时的情况图4. B 口有车进入时:X5：疋Ml00: _ |T7：存*4Akn nrTnT8:卩1T9: *YI: 4?2： *Y3:疋