隧道内汽车双向行驶控制.docx

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1、郑州电力职业技术学院毕业设计 题目：特长隧道双向行驶安全指示PLC控制系统设计 系别： 电力工程系 专业： 电气自动化技术 班级： 10级电气二班 学号： 10401040210 姓名： 何 波 江 论文成绩指导教师孙爱芬答辩成绩主答辩教师综合成绩答辩委员会主任毕业设计开题报告题目特长隧道双向行驶安全指示PLC控制系统设计 学生姓名学号 班级 专业电气自动化技术一、研究背景：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

2、市交通起到积极的作用。目前我国已建成的隧道超过1069座，单通道延长超过340公里，建成的3000米以上的隧道13座，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，进而我们要进行特长隧道双向行驶安全 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

3、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。二、国内外研究概况：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

4、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

5、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。三、所要进行的主要工作和所采用的方法、手段。 各部分硬件设计： 本设计采用三菱FX系列PLC、光电传感器、红绿交通灯、报警电铃。按钮：系统需要的按键有3个，一个启动键，一个130m控制键，还有一个260m的控制键。报警电铃。软件设计：梯形图程序的设计（程序的设计思想，无车通过时的程序设计，有车通过时的程序设计，

6、有汽车通过和无车通过时的衔接，控制开关在程序中的设计），各信号灯工作时序图(A、B两入口都无车进入的情况和A口有车进入时以及B口有车进入时)，电气控制系统图设计报警电铃B口绿灯B口红灯A口绿灯A口红灯PLC机 红外传感器信号手动控制信号四、预期结果： PLC产生控制信号，使得系统的信号灯红绿转换，按动启动按钮，A口绿灯亮，B口红灯亮，信号灯系统开始工作。当B口绿灯亮时，从B口进人第一辆车算起，A口红灯持续亮90s，B口绿灯持续亮20s，接着闪烁2s后熄灭，此后两道口红灯同时亮68s。即待从B口进入隧道内的汽车全部开出后，A口才能进车，A口时同理，周而复始，指示车辆的安全运行，避免发生交通事故。

7、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。指导教师签字时 间 年 月 日摘 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。

8、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 汽车双向行驶目 录第1章 绪 论

9、11.1 课题研究的目的意义11.2 国内外研究现状21.3 课题背景及要求21.3.1 课题背景21.3.2 本课题的PLC控制要求31.4 论文主要内容31.5 总体方案设计及创新点41.5.1 总体方案设计41.5.2 论文创新点4第2章 PLC原理及各模块的选择52.1 PLC 原理介绍.52.2 PLC 发展历程52.3 PLC 的应用现状62.4 PLC 控制系统的发展前景62.5 可编程序控制器PLC的分类72.6 PLC的选择92.7 输入输出模块的选择92.8 电源的选择10第3章 各部分硬件设计113.1 PLC的外连电路设计113.2 系统原理框图113.3 传感器的选择

10、及安装123.4 辅助设备设计与选型14第4章 软件设计164.1 梯形图程序设计164.2 程序设计思想164.3 无车通过隧道式的程序设计174.4 有车通过隧道时的程序设计194.6 时序图周期为1s的方波214.7 I/O分配表234.8 有汽车通过隧道和无汽车通过隧道程序的衔接234.9 控制开关在程序中的设计23第5章 PLC整体电路的干扰与预防255.1 电源系统引入的干扰255.2 感性负载引起的干扰255.3 输出信号的抗干扰措施265.4 抑制外部配线干扰的措施26第六章 结论与展望286.1 结论286.2 展望28参考文献29致 谢30附 录31附录A 资料31附录B

11、梯形图41附录C 指令表44II石家庄铁道大学四方学院毕业设计 第1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18

12、1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

13、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特长单向隧道的汽车安全行驶问题。1.2 国内外研究现状建国

14、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

15、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16

16、9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 课题背景及要求1.3.1 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。目前我国已建成的隧道超过1069座，单通道延长超过340公里，建成的3000米以上的隧道13座，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

17、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，进而我们要进行特长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。1A口检测装置B口检测装置KA2停3Y3停3停2SB4SB3B口A口A口红

18、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KA1.3.2 本课题的PLC控制要求图1-1 现场模拟图1.4 论文主要内容(1) 总体方案的设计(2) PLC原理与系统各模块选择(3) 各部分硬件设计(4) 软件设计(5) PLC整体电路的干扰与预防1.5 总体方案设计及创新点1.5.1 总体方案设计PLC作为现代控制系统中最重要的控制器之一，我们当然不能忽视它。采取它来进行我们系统的设计，不但能提高系统的稳定性、可靠性，还具有很强的性价比，还可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。而且在程序编制上也不需要费太大的工夫， 所以我们用PLC来进行这

19、样的一种系统设计是无可后非的。本方案中，隧道口交通灯控制系统以PLC作为控制核心。利用可行的传感器采集汽车到达隧道口的信号，传感器作为输入信号设备，它将采集到的控制信号送入PLC。作为对来自传感器输入信号的响应，PLC产生输出控制信号去控制隧道A、B口的信号灯工作，从而实现了单向隧道汽车的顺利通行。PLC还接受来自两个附加开关的输入信号，两个开关安装在隧道130M 和260M 位置，它们主要功能是在出现交通意外，或着是信号灯出现故障的情况下，可以利用这两个开关将系统程序停止运行，以便及时处理，减少更多的意外。在设计中，还安装了报警电铃，它在隧道的A、B口都有，如果系统出错导致A、B口绿灯同时亮

20、，这时报警电铃工作，可以告知隧道口欲进入隧道的汽车，从而保证了隧道汽车通行的安全性。1.5.2论文创新点本方案设计要求中，两个道口安装有红外线自动监测装置，检测车辆进入隧道的情况，并通过小型的继电器触点KA1和KA2，把信号输入PLC。经过查阅资料，我发现一般的传感器在现场将光信号转化成了模拟信号，然后经过模数转换后输入到PLC中，然后进行PLC模块的控制。在本次设计中，使用的光电传感器的内部电路比普通的传感器多加了一个比较电路，使得输出的信号是一个高电平和一个低电平，起到了代替小型继电器线圈的作用。因而省去了一部分的外部电路，起到了简化的作用。第2章 PLC原理及各模块的选择2.1 PLC

21、原理介绍.PLC基本工作原理：PLC由CPU，存储器、I/0接口、内嵌的精简高效操作系统组成。用户可以根据自己的需要配置（扩展）自己的I/0(输入、输出)的类型及数量，用户按自己的控制需求编写控制程序下载到PLC的存储器内，PLC在运行的时候，PLC内的操作系统能运行用户的程序，根据用户程序通过输入端子完成输入信号（开关、触点、传感器等）的读取，并进行处理运算，把运算处理的结果输出到输出端子，以控制用户的执行机构（阀门、线圈、指示灯等）1。从而完成用户所需的控制功能。PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。输入刷新过程。当输入端

22、口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数。由于采用集中采样2。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。2.2 PLC 发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按 照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是 通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美

23、国GM（通用汽车）公司提出取代继电气 控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置， 首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）3。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控

24、制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统4。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点5。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2.3 PLC 的应用现状自20世纪60年代中期以来PLC产品在电力、冶金、化工等行业发挥了重大作用,尤其近20年来计算机和信息技术的飞速发展不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格,使PLC、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步，也使PLC的广泛应用成为可能。下面通过两组数据(引自工控网)说明PLC的应用现状6。PLC在冶金行业的市场将持续增加2003年中国的工业出现了

25、快速增长,工业产值同比增长在12%以上,而且中国的最大钢铁出口对象美国在2003年下半年取消了钢铁附加税,中国钢材对其出口也将迅速回升。这些有利因素刺激了中国冶金行业的投资。据调查,中国冶金行业对设备的投资同比增长接近50%。冶金设备的大量增长带动了PLC在该行业的增长,2003年PLC在冶金行业的市场达到216亿元，2004年有望达到3亿元。PLC在纺织行业的应用分析7。在中国，PLC在纺织机械上的运用已经有17年的历史了，从最早的进口合成纤维生产设备到目前的中小型纺机，PLC无处不在。占各类纺织机械60%以上的织机平均每台带有一个小型的PLC，主要用于检测、报警、速度控制 和机器启停控制。

26、纺机的比例在纺织机械中不到5%，却用到更多的PLC，单台纺纱机最多用到17台PLC,主要是60个I/O点以下的微型产品。梳棉机也用微小型PLC控制。其它各类纺织机械基本上都采用PLC控制，只有一些相对简单的设备采用单片机或者其它控制方式。纺织机械的辅助设备也主要由PLC控制，如循环水系统、空调系统、蒸气系统、废水处理系统、包装线等。实际上PLC在中国的应用已分布到各行各业，根据工控网的调查，2003年中国控制类产品市场PLC的占有率已超过50%，而且保持着10% 15%的发展速度8。2.4 PLC 控制系统的发展前景现在，虽然出现了性能更加优越的DCS和FCS控制系统，PLC控制也终将会被先进

27、的 FCS控制所取代，但是目前以及今后相当长的一段时间，PLC还会与DCS和FCS共存，这主要基于以下原因：（1）现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展，但这并不意味着要将现有控制系统推倒重来。企业投入大量的人力和财力建立起来的PLC控制系统已经成型,如果要完全推翻再建立新的DCS或FCS控制系统,需要更大的资金投入，将造成很大的浪费。（2）基于以上市场需求，许多软件厂商（例如:华富惠通软件公司）正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络，开发控制系统软件，帮助企业实现工厂自动化、信息化，为企业提供控制系统与管理网络的集成。（3）目前，PLC的功能增强、结构优化，IO

28、模块趋向分散化、智能化，编程工具和编程语言更具标准化和高级化。（4）PLC的联网通信能力增强，向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。(5)现在的PLC系统与DCS技术、现场总线IO技术相结合,结构开放、扩展方便、技术先进、价格低廉。由以上分析可以预见，未来PLC将朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化的方向发展,故PLC虽然面临其它自动化控制系统的挑战,但同时也在吸收它们的优点,互相融合,不断创新,在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展9。2.5 可编程序控制器PLC的分类可编程序控制器PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，

29、通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC 由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU7。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元

30、、位置控制单元等，使其功能得以扩展。模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别做成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框 架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配 置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，

31、还可做得体积小巧6。（2）按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的

32、运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具 有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂 自动化。（3）按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。小型PLCI/O点数小于256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K 字以下。中型PLCI/O点数2562048点；双CPU，用户存储器容量28K。大型PLCI/O点数 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K.今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展。CPU的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括

33、CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体4。模块式PLC包 括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来 的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后 再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、 控制器、寄存

34、器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外 围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应 有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但 工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。I/O模块：PLC与电气回路的接口是通过输

35、入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反应输入信号状态，输出点反应输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关输入（DI）开关输入量（DO）模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC,110VAC,24VDC,按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20Ma,0-20mA）,电压型等，按精度分有12bit，14bit，16bit等。出来上述通用的IO外，还有特殊的I/O模块，如热电阻，热电偶，脉冲等模块。按I/O点

36、数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但是其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。电源模块：PLC的电源用于为PLC的各模块的集成电路提供工作电源。同时，有时还为输入电路提供24V的工作电源，电源输入类型有：交流电源（220VAC/110VAC）直流电源（常用的为24VDC），底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.6 PLC的选择PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU的字长分为1位、4

37、位、8位、16位、32位、64位等，从应用的角度出发，通常可按功能控制或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统，模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理的选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。2.7 输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入输出模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点，可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合

38、，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等9。2.8 电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电10。为防止外部高电压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。第3章 各部分硬件设计3.1 PLC的外连电路设计本次设计的

39、隧道口信号灯控制器电路原理图。利用可行的传感器探测汽车到达隧道口的信号，本设计所采用的传感器是光电传感器，去感知汽车到达，作为输入设备，输入信号送入到PLC中，作为对来自传感器输入信号的响应，PLC产生输出控制信号去驱动信号等工作，从而实现隧道隧道口红绿灯的变化。PLC还接受来自隧道口中两个故障停止工作开关的输入信号-一个安装在距A隧道口130m处，另一个安装在距A隧道口260m处，它们用于处理故障情况下信号灯的停止控制从设计要求中可以看出，设计需要PLC的输入输出点数并不多，输入点中两个点是由传感器采集到的信号输入信号。一个点是起停控制开关，另外两个输入点是故障控制系统停止开关，输入点一共是

40、五个点。输出点接隧道口的四个红绿指示灯，和一个报警电铃。因此可以确定其硬件部分主要有PLC，光电传感器、红绿交通信号灯，报警电铃以及一些辅助设备组成。图3-1 PLC外部接线图3.2 系统原理框图本设计是利用PLC接受红外传感器接收的信号和手动控制信号，然后通过PLC发送控制信号，控制各个交通灯的亮灭，从而达到指挥交通，避免发生交通事故的效果。如图3-2所示。报警电铃B口绿灯B口红灯A口绿灯A口红灯PLC机 红外传感器信号手动控制信号图3-2 系统原理框图3.3 传感器的选择及安装本设计利用光电传感器来感知汽车的到达，下面就光电传感器做下介绍。图3-3 传感器原理框图光电传感器是通过把光强度的

41、变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成：他们分为发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二级管、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断的发射，或者改变脉冲宽度。接受器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接受器前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，她能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥反射材料组成，能够使光束准确的从反射板中返回，具有实用意义。它可以在于光轴0到25 的范围内改变发射角，使光束几乎是从一根发射线

42、，经过反射后，还是从这根反射线返回。光电式传感器工作原理：光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系类产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，在各种轻功自动机上获得广泛的应用10。分类和工作方式槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面的装在一个槽的两侧的是槽型光电。发光器能发出红外光或

43、可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽型开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米甚至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物体用过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关信号。反光板型光电开关把发光器和收光器装如同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称

44、为反光板反射式（或反射镜反射）光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到，一旦光路被检测物体物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。基于光电传感器的众多优点，所以在本设计中采用这种传感器来采集汽车信号。而对射型光电传感器可以检测到大距离的信号，所以针对隧道口汽车的检测，我们采用对射型光电传感器作为PLC的信号采集器传感器要准确无误的检测到汽车的到来，这需要对传感器的安装位置

45、进行很好的设计，传感器安装的位置不对，可能人或动物都会对信号采集有影响。由于汽车体积较大，我们选择4只光电传感器，在隧道A、B口各安两只，采用两只光电传感器，便可以可靠地检测汽车的到来。光电传感器采集到的汽车到达信号后，各输出一个高电平，将两个信号相与后，输出的高电平送至PLC中，通过驱动信号灯工作。采用这种采集系统，只有当两个传感器都采集到信号时，PLC的输入继电器才会动作，不会因为在小的物体触及到一个传感器而使信号灯工作，具有很高的可靠性。以下为传感器基本原理图（RPR220光电传感器）。图3-3 传感器内部原理图若检测到光，刚RPR220的3脚输出一个电压与基准电压比较，若RPR220的

46、3脚的电压比基准电压大，则LM339的2脚就输出一个低电平。相反检测不到光，则LM339的2脚就输出一个高电平。3.4 辅助设备设计与选型 （1）按钮：系统需要的按键有3个，一个启动键，一个130m控制键，还有一个260m的控制键，三个按钮通过通信线与PLC相连，直接将控制信号输送到PLC中，按钮选用LA19-11型号。（2）报警电铃：利用电磁继电器原理制造的，通电时，电磁铁有电流通过，产生磁性，把小锤下方的弹性片吸过来了，是小捶打击电铃发出声音，同时电路断开，电磁铁失去了磁性，小锤又被弹回，电路闭合，不断重复，电铃便发出连续击打声了。电铃在隧道口A，B口各安装一个，对系统出现问题时，能够及时报警通知即将进入隧道的汽车，起到了安全保障作用。第4章 软件设计4.1 梯形图程序设计PLC是以程序的形式进行工作的，所以必须把控制要求变换成PLC能接受并执行的程序，编制程序采用编程语言。它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。梯形图中的接点