二○一五屆畢業(yè)論文基于PLC的隧道燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院：電子與控制工程學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化〔交通信息與控制〕姓名：學(xué)號(hào)：202132021225指導(dǎo)教師：完成時(shí)間：2021年6月10日二〇一五年七月摘要隨著我國(guó)山區(qū)高速公路的快速建設(shè)和開展，隧道工程在公路工程建設(shè)中所占的比例越來(lái)越大，與此同時(shí)，隧道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)也變得越來(lái)越重要。良好的隧道照明設(shè)計(jì)就是考慮隧道長(zhǎng)度、路面類型、公路線型、內(nèi)飾、有無(wú)人行道、設(shè)計(jì)時(shí)速、交通量和汽車種類等相關(guān)因素，進(jìn)行隧道光源光色、燈具選擇，燈具排列布置，合理的誘導(dǎo)照明設(shè)計(jì)及照明控制設(shè)計(jì)，到達(dá)滿足駕駛員交通平安的視覺(jué)信息采集，提高駕駛的平安性和舒適感，并最終到達(dá)降低運(yùn)營(yíng)本錢的目的。本論文首先介紹了本文研究背景和意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和開展趨勢(shì)，并且點(diǎn)出本文研究?jī)?nèi)容是如何確定的。然后對(duì)隧道照明回路亮度進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，并且對(duì)手動(dòng)控制、分時(shí)段進(jìn)行的時(shí)序控制方式和根據(jù)洞內(nèi)外的亮度值自動(dòng)控制照明回路的全自動(dòng)控制三種方式以及他們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析及比照。同時(shí)主要詳細(xì)分析了人工手動(dòng)控制和分段時(shí)序兩種隧道照明控制方案和詳細(xì)簡(jiǎn)紹了可編程控制器PLC定義，功能，工作原理的簡(jiǎn)紹。本次課設(shè)根據(jù)高速公路隧道照明控制要求分析選用了西門子PLCS7－200系列,設(shè)計(jì)了通過(guò)手動(dòng)控制和分段時(shí)序控制對(duì)隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)針對(duì)手動(dòng)控制和分段時(shí)序控制方案設(shè)計(jì)了基于PLC的硬件與軟件系統(tǒng)。最后通過(guò)PLC仿真軟件對(duì)手動(dòng)和自動(dòng)控制以及手動(dòng)控制下的晴天，多云，陰天，夜間，更夜控制程序的仿真和結(jié)果進(jìn)行了充分的分析。關(guān)鍵詞：公路隧道，隧道照明，PLC，仿真模擬

AbstractWiththerapidconstructionanddevelopmentofourcountrymountainousareahighway,tunnelengineeringinthehighwayengineeringconstructionoccupiestheproportionismoreandmore.Atthesametime,thedesignoftunnellightingsystemandmaintenancebecomesmoreandmoreimportant.Goodtunnellightingdesignistoconsiderthefactorsrelatedtothelengthofthetunnel,andthetypeoftheroad,roadshape,interior,sidewalk,designspeed,trafficvolumeandvehicletypessuchas,tunnelofcoloroflightsource,lampsandlanterns,lamparrangement,reasonableinductionlightingdesignandlightingcontroldesign,tomeetthevisualinformationgatheringofdriver'strafficsafety,improvethedrivingsafetyandcomfort,andeventuallyreachtoreduceoperatingcosts.Thispaperfirstintroducesthebackgroundandsignificanceofthisstudy,domesticandforeignresearchstatusanddevelopmenttrends,andpointouthowthecontentofthisresearchisdetermined.Thenthebrightnessofthetunnellightingcircuitaredetailedcalculationandanalysis,controlandthemanualcontrol,atthetimetocarryouttimingand,accordingtothebrightnessofinsideandoutsidetheholevalueautomaticcontrollightingcircuitoffullautomaticcontrolthreeway,aswellastheiradvantagesanddisadvantagesareanalyzedandcompared.Atthesametime,themaindetailedanalysisofmanualcontrolandsegmentationoftwokindsoftunnellightingcontrolschemeanddetailedsimpleintroductionoftheprogrammablecontrollerPLCdefinition,function,workingprincipleofJane.AccordingtotherequirementsanalysisandselectionofthePLCofSiemensS7-200seriesofhighwaytunnellightingcontroldesignbymanualcontrolandsegmentaltimingcontroltocontrolthetunnellightingsystem.Atthesametime,themanualcontrolandsubtimingcontrolschemeisdesignedbasedonPLChardwareandsoftwaresystem.ThecoursedesignFinally,throughthePLCsimulationsoftware,thesimulationandresultsofthemanualandautomaticcontrolaswellasmanualcontrolofsunny,cloudy,cloudy,night,andnightcontrolprogramwereanalyzed..Keywords:highwaytunnel,tunnellighting,PLC,simulation目錄第一章緒論 51.1研究背景和意義 51.2隧道照明 5隧道照明的意義 5隧道照明的特點(diǎn)及照明要求 51.3國(guó)內(nèi)外研究概況 7國(guó)外研究概況 7國(guó)內(nèi)研究概況 81.4本章小結(jié) 81.5研究?jī)?nèi)容 9第二章隧道照明控制系統(tǒng)方案及PLC的簡(jiǎn)介 102.1隧道照明控制 10隧道照明回路平均亮度計(jì)算 10隧道照明控制方式 11隧道照明控制要求 122.2人工手動(dòng)控制 142.3分段時(shí)序控制 152.4無(wú)極調(diào)光控制〔自動(dòng)調(diào)光控制〕 16無(wú)極調(diào)光控制模式 16無(wú)極調(diào)光控制方式 172.5可編程控制器PLC 172.5.1PLC的定義 172.5.2PLC的功能 182.5.3PLC的結(jié)構(gòu) 182.5.4PLC的工作原理 202.6本章小結(jié) 21第三章基于PLC隧道照明系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) 233.1PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 233.1.1PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 233.1.2PLC的選擇 233.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 243.2.1I/0分配 243.2.2PLC的接線圖 253.3編程方法的選擇 253.4軟件過(guò)程設(shè)計(jì) 263.5程序流程圖 27系統(tǒng)流程圖 27手動(dòng)控制流程圖 27分段時(shí)序控制流程圖 283.6軟件設(shè)計(jì)梯形圖與STL語(yǔ)言 293.7本章小結(jié) 29第四章基于PLC隧道照明控制系統(tǒng)的仿真 304.1西門子PLCS7-200仿真軟件 304.2仿真結(jié)果分析 304.2.1手動(dòng)控制下的的晴天運(yùn)行 304.2.2手動(dòng)控制下的多云運(yùn)行 314.2.3手動(dòng)控制下的陰天運(yùn)行 324.2.4手動(dòng)控制下的夜間運(yùn)行 324.2.5手動(dòng)控制下的更夜運(yùn)行 334.2.6火災(zāi)發(fā)生時(shí)的運(yùn)行模式 334.2.7自動(dòng)控制下的運(yùn)行模式 344.3本章小結(jié) 35第五章結(jié)論與展望 36總結(jié) 36展望 36致謝 38主要參考文獻(xiàn) 39附錄 40梯形圖 40語(yǔ)句表 47第一章緒論1.1研究背景和意義隧道作為高等級(jí)公路的特輸路段，當(dāng)車輛在駛?cè)搿⑼ㄟ^(guò)和駛出隧道的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一系列的視覺(jué)問(wèn)題，為適應(yīng)視覺(jué)的變化，當(dāng)汽車駕駛員駛車進(jìn)入隧道入口時(shí)，在白天，突然面對(duì)一個(gè)亮度相對(duì)很低的光環(huán)境入口，視覺(jué)需要盡快調(diào)整以適應(yīng)光環(huán)境由明到暗的變化，會(huì)出現(xiàn)“黑洞效應(yīng)〞；在駛出隧道時(shí)情況正好相反，面對(duì)一個(gè)白亮的洞口視覺(jué)需要盡快調(diào)整以適應(yīng)光環(huán)境由暗到明的變化，會(huì)出現(xiàn)“白洞效應(yīng)〞；在夜晚，同樣需要清楚地看到前方路況。因此需在隧道內(nèi)設(shè)置附加電光照明。需采用自動(dòng)控制系統(tǒng)使洞內(nèi)亮度隨洞外亮度完全同步變化，以消除司機(jī)的“暗適應(yīng)〞與“明適應(yīng)〞的視覺(jué)問(wèn)題，并且最大限度的節(jié)省能源。同時(shí)，如何在隧道內(nèi)各段采用不同強(qiáng)度的照明來(lái)改善隧道內(nèi)的光照及其分布，創(chuàng)造洞內(nèi)良好的工作視覺(jué)環(huán)境，確保在白天和夜間行駛的車輛以設(shè)計(jì)速度能夠平安地接近、穿越和通過(guò)隧道，預(yù)防隧道內(nèi)交通事故的發(fā)生，保證隧道的正常運(yùn)營(yíng)，就是隧道照明控制系統(tǒng)要解決的問(wèn)題。同時(shí)隧道照明也是隧道運(yùn)營(yíng)費(fèi)用中最大的日常開支工程之一，平安、舒適又經(jīng)濟(jì)節(jié)能的照明技術(shù)也是研究的目標(biāo)。1.2隧道照明1.2.1隧道照明的意義隧道照明可以改善隧道內(nèi)路面狀況，改善隧道內(nèi)視覺(jué)享受，減輕駕駛員疲勞，有利于提高隧道通行能力保證交通平安。隧道照明系統(tǒng)主要包括：中間照明段、入口段照明、過(guò)渡段照明、出口段照明、應(yīng)急照明、洞外引道照明及接近段減光設(shè)施。根據(jù)?公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?〔JTJ026-1999〕規(guī)定，長(zhǎng)度大于100m的隧道都應(yīng)設(shè)置電光照明設(shè)施[1]。1.2.2隧道照明的特點(diǎn)及照明要求隧道照明是一種特殊路段，其管道結(jié)構(gòu)決定了它的照明特點(diǎn)與其他路段不同，隧道照明特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：隧道路面應(yīng)具有一定的亮度水平；隧道內(nèi)的墻壁應(yīng)具有一定的亮度水平；在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮車速、交通量和路線線形等諸多因素；綜合行車平安和舒適度等方面設(shè)定照明水平；考慮人的視覺(jué)適應(yīng)性，防止隧道的入口段和出口段出現(xiàn)的“黑洞效應(yīng)〞和“白洞效應(yīng)〞帶來(lái)的不良后果。隧道在白天也需要照明，并且，白天的照明設(shè)計(jì)比夜晚更加復(fù)雜。由于隧道的特殊結(jié)構(gòu)，它的照明特點(diǎn)也是較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)隧道照明時(shí)，必須詳盡的考慮可能影響隧道照明的因素，然后設(shè)計(jì)一系列解決這些問(wèn)題的方案，消除隧道交通可能存在的平安隱患。同時(shí)，在設(shè)計(jì)隧道照明的同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、提高照明效果并保證隧道行車的平安性和舒適性情況下，我們通?？梢钥紤]以下幾個(gè)方面：亮度——由于隧道內(nèi)部和外部的正常日照光度不同，尤其是在白天，內(nèi)外光線亮度差較大，會(huì)給駕駛員造成視覺(jué)的不適應(yīng)，影響駕駛員的判斷，從而導(dǎo)致交通事故。為此，隧道照明通常分為入口段照明、過(guò)渡段照明和出口段照明。其中，白天隧道入口段的亮度要根據(jù)隧道外的亮度、車速、入口外額視場(chǎng)和隧道長(zhǎng)度來(lái)確定。過(guò)渡段的照明水平要進(jìn)一步的下降，從而為駕駛員提供視覺(jué)暗適應(yīng)的時(shí)間。亮度均勻度——良好的視覺(jué)功能不但要求有一個(gè)好的平均亮度，還要求路面上的平均亮度和最小亮度之間不能相差太大。如果視場(chǎng)中亮度差太大，會(huì)產(chǎn)生眩暈效應(yīng)，繼而影響駕駛員的視覺(jué)，也會(huì)加重加重駕駛員的疲勞感?？傮w亮度均勻度是指隧道內(nèi)部的路面上最小亮度和平均量的比值，縱向均勻度是指在車道軸線上最小路面亮度和最大路面亮度的比值。如果路面上連續(xù)、反復(fù)的出現(xiàn)亮帶和暗帶，即“斑馬效應(yīng)〞，對(duì)于在這個(gè)車道上的道路使用者而言，會(huì)感到很煩躁，會(huì)危及到道路平安。炫光——炫光的形成是由于視場(chǎng)中有極高的亮度或亮度比照存在，而使視功能下降或使眼睛感到不舒適。在隧道照明中的炫光可以來(lái)自迎面駛來(lái)的車輛前燈、隧道照明燈具、隧道出口時(shí)外面的亮度等。炫光會(huì)使人對(duì)障礙物的識(shí)別能力下降，危及行車平安。隧道照明燈具應(yīng)采用截光型，采取除去直射和反射炫光的特殊技術(shù)措施，形成漫反射，使光線十分柔和的進(jìn)入眼球。頻閃效應(yīng)——頻閃是指在較長(zhǎng)的隧道中，由于照明器排列的不連續(xù)，導(dǎo)致司機(jī)不斷地受到明暗變化多刺激而產(chǎn)生的煩亂。它與敏感的亮度的變化、明暗變化的頻率、頻閃的總時(shí)間有關(guān)系。照明控制——合理的照明控制會(huì)隨照明需求的變化而適地改變照明水平，以減少不必要的能源浪費(fèi)。在隧道照明中，根據(jù)晝夜的變化、天氣原因以及車流量的大小因素，通過(guò)各種調(diào)光設(shè)備來(lái)控制隧道的照明環(huán)境，滿足正常的照明需求。1.3國(guó)內(nèi)外研究概況1.3.1國(guó)外研究概況對(duì)公路隧道照明設(shè)計(jì)的研究國(guó)外開始于20世紀(jì)50年代，相比我國(guó)較早，而且歷經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的研究和開展，技術(shù)已相對(duì)完善。例如，建于20世紀(jì)60年代的法、意兩國(guó)間的長(zhǎng)為11.6km的MontBlanc隧道，它的照明設(shè)計(jì)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)交通量的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)光的做法;為標(biāo)準(zhǔn)隧道照明的設(shè)計(jì)和施工，降低交通事故的發(fā)生率，80年代以后，各個(gè)國(guó)家陸續(xù)公布了隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，1982年CIE(國(guó)際照明委員會(huì))制定的(CIENo.30.2.1998)標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)時(shí)被廣泛認(rèn)可，在接下來(lái)的1990年和1995年這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別被做了修訂，與此同時(shí)，世界各國(guó)也隨即執(zhí)行了各自的標(biāo)準(zhǔn)，如日本1990年出版的?隧道照明指南?，1997年的EUROSTD?歐洲隧道照明標(biāo)準(zhǔn)?等，這些興旺國(guó)家的照明技術(shù)及照明理論相對(duì)我們國(guó)家來(lái)說(shuō)比擬完善，因而己形成標(biāo)準(zhǔn)性的標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，國(guó)外許多國(guó)家對(duì)隧道照明燈具也做了比擬深入的研究，而且成立了研究中心，建立了試驗(yàn)中心，并普遍使用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)(CAM)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)這兩項(xiàng)比擬先進(jìn)的技術(shù)來(lái)支持他們的研究。例如，瑞士已研究出了多種隧道照明燈具，隧道光源選擇高壓鈉燈，很多隧道洞口段采用逆光照明配光方案;歐美興旺國(guó)家在關(guān)于燈具的光學(xué)特性、使用材料、功能結(jié)構(gòu)和外觀質(zhì)量的研究上取得了比擬大的成果[2];另外，為了迎合人們對(duì)公路隧道燈具造型和質(zhì)量要求逐漸加強(qiáng)的需求，國(guó)外在公路隧道燈具的結(jié)構(gòu)和外殼材料、外觀質(zhì)量、燈具功能、密封材料、反射器材料、燈具和隧道的匹配，燈具的光學(xué)特性等方面也做了大量的研究。因此，這些國(guó)家生產(chǎn)出來(lái)的燈具不僅光效高而且造型美觀，質(zhì)量輕，互換性好，這對(duì)提高公路隧道照明質(zhì)量，保證行車平安性和舒適性起了非常大的作用。隧道照明控制技術(shù)的研究也是許多興旺國(guó)家的研究重點(diǎn)，隧道照明控制以前大多采用邏輯分組控制的方式，而現(xiàn)在的研究?jī)A向于根據(jù)隧道內(nèi)交通量的大小、車速、天氣狀況等因素的網(wǎng)絡(luò)智能控制技術(shù)的研究。1.3.2國(guó)內(nèi)研究概況比國(guó)外許多國(guó)家，對(duì)公路隧道照明技術(shù)的研究我國(guó)開始的比擬晚，經(jīng)驗(yàn)及根底性的工作缺乏，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)公路隧道照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一直處于空缺狀態(tài)，?公路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?〔CJTJ026-90〕是2000年以前我國(guó)隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要參照的標(biāo)準(zhǔn)，然而該標(biāo)準(zhǔn)很不完善，對(duì)我國(guó)隧道照明設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性缺乏。隨著我國(guó)公路建設(shè)的突飛猛進(jìn)，隧道通車?yán)锍桃搽S之增加，這就巫待一套比擬完善的公路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世。于是，2000年1月，一本?公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(JTJ026.1-1999)被公布了，該標(biāo)準(zhǔn)主要涉及照明系統(tǒng)構(gòu)成、隧道各照明段的長(zhǎng)度和亮度確實(shí)定、隧道照明調(diào)光、洞外亮度要求、減光措施、照明縱向均勻度和總均勻度的設(shè)計(jì)、燈具布置方案、光源分級(jí)、照度與亮度計(jì)算方法等方面的內(nèi)容，自此，我國(guó)公路隧道的照明設(shè)計(jì)才有了可以參照的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。但是，因?yàn)槲覈?guó)對(duì)隧道照明技術(shù)研究的時(shí)間較短，對(duì)駕駛員的視覺(jué)生理和駕駛行為研究甚少，而且我國(guó)高速公路建設(shè)集中于最近的十幾年中，大量的隧道建設(shè)是在經(jīng)驗(yàn)和研究支撐缺乏的情況下建成的，導(dǎo)致很多問(wèn)題的發(fā)生。我國(guó)公路隧道照明主要存在以下幾方面的問(wèn)題多數(shù)隧道入口段都是采用3排甚至4排的燈具布置方式，燈具的初次投資費(fèi)用相對(duì)較高；在隧道的實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，為了節(jié)約電能，多數(shù)隧道運(yùn)營(yíng)管理部門通常只開啟二分之一或四分之一的燈具，有的甚至不開燈；雖然?公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(JTJ026.1-1999)中明確規(guī)定，長(zhǎng)度超過(guò)100米的隧道都需設(shè)照明系統(tǒng)，但是很多已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)度在600米以內(nèi)的隧都沒(méi)有設(shè)置照明?公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?〔CJTJ026.1-1999〕及很多的地方性隧道照明設(shè)計(jì)文件都給出了將照明分級(jí)進(jìn)行控制的規(guī)定，比方按冬天、夏天、白天、夜間、陰雨天、晴天的6級(jí)控制方式，但是能夠按照規(guī)定做的隧道非常少。1.4本章小結(jié)本章探討實(shí)際隧道的控制要求，從而組建控制系統(tǒng)。本章從課題研究背景入手介紹了現(xiàn)在高速公路隧道的開展?fàn)顩r以及國(guó)內(nèi)外隧道監(jiān)控系統(tǒng)的開展?fàn)顩r，最后著重論述了隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)的開展?fàn)顩r和隧道照明系統(tǒng)的控制要求。1.5研究?jī)?nèi)容第一章:緒論。本章主要介紹本文研究背景和意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和開展趨勢(shì)，并且點(diǎn)出本文研究?jī)?nèi)容是如何確定的。第二章:公路隧道照明控制策略。本章主要介紹現(xiàn)行的關(guān)于高速公路隧道照明的幾種方案。手動(dòng)控制、分時(shí)段進(jìn)行的時(shí)序控制方式和根據(jù)洞內(nèi)外的亮度值自動(dòng)控制照明回路的全自動(dòng)控制三種方式以及他們的優(yōu)缺點(diǎn),同時(shí)主要詳細(xì)分析了人工手動(dòng)控制和分段時(shí)序兩種隧道照明控制方案。第三章:本章詳細(xì)分析了西門子PLC

S7－200系列，根據(jù)高速公路隧道照明控制要求分析和選擇了本系統(tǒng)所采用的PLC,以及針對(duì)手動(dòng)控制和分段時(shí)序控制方案設(shè)計(jì)了基于PLC的硬件與軟件系統(tǒng)。第四章:本章簡(jiǎn)紹了西門子PLCs7-200仿真軟件以及對(duì)手動(dòng)和自動(dòng)控制以及手動(dòng)控制下的晴天，多云，陰天，夜間，更夜控制程序的仿真和結(jié)果進(jìn)行了充分的分析。第五章:總結(jié)與展望。本章總結(jié)了主要研究成果，分析了缺乏之處，對(duì)今后的工作做出了展望。第二章隧道照明控制系統(tǒng)方案及PLC的簡(jiǎn)介2.1隧道照明控制 2.1.1隧道照明回路平均亮度計(jì)算隧道的照明有照度和亮度兩種計(jì)算方法，而能否看清路面及路面上的障礙物，決定于路面及障礙物的亮度，因此在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，使用的光強(qiáng)檢測(cè)器為亮度檢測(cè)器，照明控制策略研究也采用了亮度計(jì)算的方法。亮度計(jì)算比擬復(fù)雜，除涉及照度計(jì)算有關(guān)的內(nèi)容外，它還與觀察點(diǎn)的位置、路面材料等有關(guān)。查對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，駕駛員注意力集中的區(qū)域大致是前方60m－160m，因此，視點(diǎn)縱向距離取距計(jì)算區(qū)域60m－160m，側(cè)向距離取1/4路面寬，視點(diǎn)高為1.5m；計(jì)算區(qū)域內(nèi)縱向計(jì)算點(diǎn)間距不大于1.0m，橫向計(jì)算點(diǎn)不少于5點(diǎn)。根據(jù)?公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?，隧道內(nèi)某燈具在路面計(jì)算點(diǎn)產(chǎn)生的亮度可按式2-1計(jì)算[4]：2-1式中：——燈具i在計(jì)算點(diǎn)P產(chǎn)生的亮度〔〕；——燈具在計(jì)算點(diǎn)P的光強(qiáng)值〔cd〕；H——燈具光源中心至路面的高度〔m〕；——亮度簡(jiǎn)化系數(shù)；——觀察面與光入射面之間的角度〔〕；——P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的燈具光線入射角〔〕；數(shù)個(gè)工具在計(jì)算點(diǎn)產(chǎn)生的亮度可按下面的公式2－2計(jì)算：2-2式中：——P點(diǎn)的亮度〔〕；計(jì)算區(qū)域內(nèi)路面的平均亮度可按下面公式2－3計(jì)算[3]：2-3式中：——計(jì)算區(qū)域內(nèi)路面的平均亮度〔〕；由亮度計(jì)算公式得知，要計(jì)算某燈具在路面計(jì)算點(diǎn)產(chǎn)生的亮度需要的參數(shù)有：、H、、和，其中，可以按燈具廠商提供的光強(qiáng)表取值；H為燈具光源中心至路面的高度，為己知數(shù)據(jù)；的值可以通過(guò)?公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?附錄C表取值，那么需要待定的參數(shù)只有和。在燈具各項(xiàng)功能參數(shù)(如功率、養(yǎng)護(hù)系數(shù)、光通量、光強(qiáng)值等)和隧道物理參數(shù)(路面寬度、燈具安裝位置等)己知的前提下，和的值只與隧道的燈具數(shù)量、布燈方式、計(jì)算區(qū)域以及計(jì)算點(diǎn)數(shù)有關(guān)。因此，可以通過(guò)以下步驟求得每個(gè)照明器單獨(dú)開啟時(shí)其照明區(qū)段的平均亮度理論值：根據(jù)式2-1計(jì)算某燈具在某計(jì)算點(diǎn)產(chǎn)生的亮度；根據(jù)式2-1依次計(jì)算其余燈具在此計(jì)算點(diǎn)產(chǎn)生的亮度；根據(jù)式2-2計(jì)算全部燈具在此點(diǎn)產(chǎn)生的總亮度；按照步驟1,2,3逐點(diǎn)計(jì)算區(qū)域內(nèi)各計(jì)算點(diǎn)的亮度；根據(jù)各計(jì)算點(diǎn)的亮度，按照公式2-3計(jì)算該區(qū)域的平均亮度。根據(jù)以上可以計(jì)算出具體的每個(gè)隧道的燈具數(shù)量、布燈方式等。隧道照明控制方式隧道內(nèi)的照明控制是根據(jù)隧道照明設(shè)計(jì)中所確定的照明區(qū)段、不同時(shí)段不同氣候條件下的照明要求，控制各個(gè)照明回路的開關(guān)，從而到達(dá)既滿足隧道的照明亮度要求，又節(jié)省能源的目的，其控制方式大致分為手動(dòng)控制、分時(shí)段進(jìn)行的時(shí)序控制方式和根據(jù)洞內(nèi)外的亮度值自動(dòng)控制照明回路的全自動(dòng)控制方式三種。手動(dòng)控制方式主要由人工根據(jù)不同的時(shí)段及天氣情況而開關(guān)不同的照明配電回路分段時(shí)序控制方式是根據(jù)一天中不同的時(shí)段而開啟(閉合)相應(yīng)的照明回路；隧道照明的自動(dòng)控制方式那么是利用光強(qiáng)檢測(cè)器分別采集隧道內(nèi)外的亮度參數(shù)，經(jīng)過(guò)比照處理后，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制各個(gè)照明回路的開關(guān)，使洞內(nèi)的照明亮度與外界自然光的亮度相適應(yīng)。如下列圖1為隧道的分段照明間斷圖。2.1.3隧道照明控制要求根據(jù)設(shè)計(jì)步驟，本節(jié)我們將完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步：分析控制要求。隧道作為高等級(jí)公路的特殊路段，當(dāng)車輛在駛?cè)?、通過(guò)和駛出隧道的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一系列的視覺(jué)問(wèn)題，公路隧道照明視覺(jué)現(xiàn)象特征：白天，汽車行駛接近照明亮度不是很高的隧道入口時(shí)，由于洞內(nèi)外亮度差異很大，在洞口處有如黑洞穴一樣的感覺(jué)，稱為“黑洞〞感。為了防止這種“黑洞〞感，在隧道入口處需要提高照明亮度，以盡量減少洞內(nèi)外亮度的比照。白天當(dāng)汽車通過(guò)特別長(zhǎng)的隧道接近出口時(shí)，出于洞外亮度很高，出口處像是一個(gè)白色的大洞，即所謂“白洞〞。這對(duì)司乘人員形成強(qiáng)烈的眩光，對(duì)前方的行車只能看到一個(gè)很暗的黑影，而對(duì)車輛背后黑影內(nèi)的障礙物那么無(wú)法看清。因此，同樣要求提高隧道出口過(guò)渡段的照明亮度，且出口過(guò)渡段應(yīng)在40m以上，照度不得低于500Lx。夜間在隧道出口處，正好與白天相反而形成“黑洞〞感，使司乘人員無(wú)法識(shí)別洞外道路的形狀和障礙。為此，要求在出口處的過(guò)渡段照明應(yīng)比隧道內(nèi)根本段照明亮度要低一些，以適應(yīng)在黑夜隧道內(nèi)外亮度突然變化，以防止造成司乘人員視覺(jué)的影響。這就要求在每天黑夜降臨時(shí)，將隧道內(nèi)出入口過(guò)渡段的照明器關(guān)掉一局部，到達(dá)降低亮度的目的?；谶@種需要，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件以及國(guó)內(nèi)外通用的方法，本文所采用的系統(tǒng)是手動(dòng)控制和分段時(shí)序控制兩種控制方式。下列圖時(shí)白天照明區(qū)段長(zhǎng)度及路面最低亮度表[5]。表1白天照明區(qū)段長(zhǎng)度及路面最低亮度設(shè)計(jì)車速引入段適應(yīng)段過(guò)渡段(km／h)距離m亮度／距離m亮度／距離m亮度／8040804080－46404.6－4.56025503046－30304.5－2.34015302030－20202.3－1.20以下1.01.01.0對(duì)于洞內(nèi)燈具的開關(guān)那么可由編程控制器PLC來(lái)完成。根據(jù)所接通的照明情況，比擬洞內(nèi)照度是否與接通方式下的路面照度設(shè)計(jì)要求相符，假設(shè)偏差值到達(dá)某一范圍那么由控制器進(jìn)行報(bào)警，以便及時(shí)檢查照明燈及線路的良好情況。各工況要求到達(dá)的洞內(nèi)路面亮度指標(biāo)見(jiàn)表2表2隧道照明控制亮度參數(shù)單位：／運(yùn)行工況洞外亮度或時(shí)間加強(qiáng)照明段中間段出口照明段應(yīng)急照明晴天5000／180.004.5027.000.56云天2500／92.004.5016.000.56陰天1250／48.004.5010.000.56重陰天625／26.004.504.500.56夜間18:00～24：002.252.252.250.56深夜24:00～次日6：001.131.131.130.561、根本照明根本照明布滿隧道的整條線路，設(shè)定安裝在洞內(nèi)內(nèi)側(cè)墻壁上的根本照明器為A類照明器，安裝在洞內(nèi)外側(cè)墻壁上的根本照明器為B類照明器。其中照明器的安裝個(gè)數(shù)及其燈具之間的距離由亮度計(jì)算得出。2、加強(qiáng)照明覆蓋隧道的引入段、過(guò)渡段I、過(guò)渡段II和出口段，設(shè)定隧道內(nèi)加強(qiáng)照明由C,D,E三類照明器組成。3、路燈照明隧道路燈布置在隧道的入口和出口處，線路兩側(cè)各安裝六個(gè)燈柱。其中，“夜間〞照明模式一般適用于從天黑至凌晨的時(shí)間段內(nèi)，此時(shí)只開啟根本照明回路和路燈照明回路，路燈的開啟同樣是為了降低隧道洞口內(nèi)外的亮度變化速率，防止交通事故的發(fā)生。2.2人工手動(dòng)控制隧道開展建設(shè)初期，由于技術(shù)的限制，對(duì)于隧道的照明運(yùn)營(yíng)一般設(shè)置統(tǒng)一的控制柜，由專人負(fù)責(zé)管理，根據(jù)不同的時(shí)間由工人決定燈具的開關(guān)數(shù)量。這種運(yùn)營(yíng)方式不僅控制的精度不夠高，而且提高了運(yùn)營(yíng)本錢，特別是在一些偏遠(yuǎn)的隧道，建設(shè)控制房已是不易，專員負(fù)責(zé)更加不可能，為到達(dá)照明要求，只能整天開啟大量燈具，這樣一來(lái)不僅浪費(fèi)了大量能源、提高了隧道運(yùn)營(yíng)本錢，而且固定照明帶來(lái)的效果也相當(dāng)不好，給交通事故帶來(lái)了巨大隱患。人工手動(dòng)控制可以分為單回路控制和多回路控制，單回路控制是監(jiān)控人員可以控制每一個(gè)照明回路的開和關(guān)，多回路控制是把照明分為多個(gè)不同的等級(jí)，每一組開和關(guān)是一組回路，監(jiān)控人員可以根據(jù)不同的實(shí)際情況開啟和關(guān)閉隧道內(nèi)每一個(gè)照明回路。此類照明控制一般分為下面五級(jí)照明控制模式，分別為“晴天〞、“多云〞、“陰天〞、“夜間〞和“更夜〞。每一級(jí)模式以及其對(duì)應(yīng)的照明器如下所示：晴天：A+B+C+D+E多云：A+B+C+D陰天：A+B+C夜間：A+B+L更夜：(A或B)+L其中A、B、C、D、E、L分別是不同的照明器，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表3所示：表3照明器對(duì)應(yīng)表照明器備注A根本照明B根本照明C加強(qiáng)照明覆蓋全面D加強(qiáng)照明覆蓋引入段和過(guò)渡段E加強(qiáng)照明覆蓋引入段L隧道路燈照明相較于單回路控制，多回路控制的操作更簡(jiǎn)單方便，監(jiān)控人員可根據(jù)日常狀況下人們對(duì)天氣的認(rèn)知，提交不同的照明模式。監(jiān)控人員可根據(jù)不同的天氣和時(shí)間狀況開啟或關(guān)閉隧道內(nèi)的一組照明回路。其中，“夜間〞照明模式一般適用于從天黑至凌晨的時(shí)間段內(nèi)，此時(shí)只開啟根本照明回路和路燈照明回路，路燈的開啟同樣是為了降低隧道洞口內(nèi)外的亮度變化速率，防止交通事故的發(fā)生?！案龚曊彰髂Ｊ竭m用于從凌晨至天明的時(shí)間段內(nèi)，此時(shí)除開啟路燈之外，還須開啟某一類根本照明回路，如A類照明器構(gòu)成的回路或B類照明器構(gòu)成的回路。為了延長(zhǎng)照明器的使用壽命，可以將A類照明回路和B類照明回路更替使用，以防止長(zhǎng)期只使用某一類照明器而導(dǎo)致其使用壽命的縮短。對(duì)于單回路控制而言，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生突發(fā)事件，監(jiān)控人員可以利用這種控制方式，針對(duì)某一個(gè)或某幾個(gè)回路進(jìn)行操作，具有較強(qiáng)的靈活性；然而，當(dāng)隧道上行線和下行線同時(shí)需要改變多個(gè)回路的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，再采用單回路控制方式就略顯繁瑣。而對(duì)于多回路控制方式，當(dāng)天氣發(fā)生變化時(shí)，監(jiān)控人員可以通過(guò)這種控制方式轉(zhuǎn)換照明模式，簡(jiǎn)單快捷；然而，假設(shè)遇到只改變某一個(gè)或某幾個(gè)回路的運(yùn)行狀態(tài)的情況時(shí)，多回路控制方式那么有些力不從心。綜上所述，手動(dòng)控制方式開啟或關(guān)閉照明回路主要是根據(jù)隧道的具體運(yùn)營(yíng)情況和天氣狀況，由監(jiān)控人員對(duì)隧道的具體狀況進(jìn)行大體的分析和判斷后作出的應(yīng)急措施，不能對(duì)隧道內(nèi)外的光強(qiáng)值進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷并做出決定，因此，一般情況下，只有當(dāng)自動(dòng)控制和分段時(shí)序控制均失效時(shí)才會(huì)采用手動(dòng)控制的方式進(jìn)行隧道的照明控制。2.3分段時(shí)序控制在隧道的照明控制中，分段時(shí)序控制方式主要根據(jù)不同地區(qū)的季節(jié)的不同和一天中不同的時(shí)段來(lái)改變不同照明回路的工作狀態(tài)。可以通過(guò)對(duì)隧道地理位置和氣候狀況的調(diào)查，下表4為某隧道照明分段時(shí)序控制方案，也是本設(shè)計(jì)所采用的分時(shí)控制方案軟件設(shè)計(jì)的時(shí)段表。表4隧道照明分段時(shí)序控制方案季節(jié)模式春季夏季秋季冬季A+B+C6—8,16—195—7,17—196—8,17—187—8,16—17A+B+C+D9—10,14—158—10,14—169—10,14—169—10,14—15A+B+C+D+E11—1311—1311—1311—13(A或B)+L0—50—40—50—6A+B+L19—2320—2319—2318—23另外，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，無(wú)論照明現(xiàn)狀如何，在照明控制系統(tǒng)沒(méi)有失效的前提下，將隧道內(nèi)所有照明開啟，以利于司乘人員的疏散和救援；當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生交通事故時(shí)，避災(zāi)引導(dǎo)燈和事故位置前后各回路的照明燈全部開啟，使該位置照度到達(dá)最好程度，為駕駛?cè)藛T提供良好的視覺(jué)環(huán)境，以免事故擴(kuò)大；因火災(zāi)、事故或其他原因使用人行或車行橫洞時(shí)，相應(yīng)橫洞的照明燈開啟。分段時(shí)序控制方式是根據(jù)季節(jié)的不同和一天中不同的時(shí)段來(lái)改變照明回路運(yùn)行狀態(tài)的方式，并對(duì)隧道內(nèi)發(fā)生事故或火災(zāi)的情況也做出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，雖然對(duì)一天內(nèi)不同照明回路的工作狀況作了更細(xì)致的分工，但由于不能考慮到不同的天氣狀況帶來(lái)的影響，不能對(duì)隧道內(nèi)外的光強(qiáng)值進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和分析，因此這種控制方式算法簡(jiǎn)單，在使用中缺乏準(zhǔn)確性和精確性。如果它和人工手動(dòng)控制這種方案相結(jié)合，可以到達(dá)理想的控制效果。雖然分段時(shí)序控制有一些缺乏，它仍然是當(dāng)今使用最廣泛的一種控制方式。2.4無(wú)極調(diào)光控制〔自動(dòng)調(diào)光控制〕2.4.1無(wú)極調(diào)光控制模式無(wú)級(jí)調(diào)光控制是指根據(jù)照明控制參數(shù)的變化而連續(xù)調(diào)節(jié)照明燈具的使用功率，從而實(shí)現(xiàn)不同亮度等級(jí)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)隧道照明亮度較為平滑的調(diào)控。無(wú)級(jí)調(diào)光模式較分級(jí)調(diào)光模式更為精確，可以按照照明標(biāo)準(zhǔn)的要求，按需調(diào)節(jié)隧道照明燈具的功率，不需要燈具滿負(fù)荷工作，改變了傳統(tǒng)公路隧道照明系統(tǒng)亮度需求和燈具能耗的不可控性，有效的防止了過(guò)度照明，不但能使隧道內(nèi)照度更加均勻變化，而且節(jié)約電能。無(wú)級(jí)調(diào)光模式主要針對(duì)LED燈、電磁感應(yīng)燈和高壓鈉燈等燈具。隨著照明技術(shù)的開展，無(wú)級(jí)調(diào)光控制模式在隧道照明系統(tǒng)中也正在推廣使用。2.4.2無(wú)極調(diào)光控制方式無(wú)極調(diào)光控制是指根據(jù)采集隧道外實(shí)時(shí)洞外亮度、隧道內(nèi)實(shí)時(shí)交通流量、行車速度等參數(shù)，經(jīng)過(guò)控制算法處理并發(fā)送調(diào)光指令控制照明亮度。智能控制系統(tǒng)一般由亮度檢測(cè)器、交通流量檢測(cè)器、控制系統(tǒng)、照明燈具和燈具控制器構(gòu)成。亮度檢測(cè)器、交通流檢測(cè)設(shè)備將亮度、交通流參數(shù)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)控制算法處理，通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程調(diào)光指令對(duì)隧道照明亮度進(jìn)行控制。無(wú)級(jí)調(diào)光模式，目前主要調(diào)光控制有電壓控制電流源亮度控制方式，脈沖寬度調(diào)制(PWM)亮度控制方式，限流亮度控制方式。電壓控制電流源亮度控制方式是利用直流信號(hào)電壓來(lái)控制輸出電流平均值變化的一種輸出電流可控電源，從而到達(dá)燈具功率調(diào)節(jié)的目的。脈沖寬度調(diào)制(PWM)亮度控制方式利用數(shù)字脈沖，控制燈具調(diào)光控制器。燈具的調(diào)光控制器可以通過(guò)控制電壓或者電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)來(lái)到達(dá)節(jié)能的目的，該調(diào)光方式具有反響速度快，不產(chǎn)生低次諧波，不影響系統(tǒng)功率因素等優(yōu)點(diǎn)。限流控制方式利用電阻、晶體管限制流過(guò)燈具的電流，從而控制燈具亮度。2.5可編程控制器PLCPLC的定義可編程控制器(ProgrammableLogicController)簡(jiǎn)稱PLC或PC，在現(xiàn)代工業(yè)控制中占有重要地位。它是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)，而是采用了一套以繼電器梯形圖為根底的簡(jiǎn)單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)，調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶只需按說(shuō)明書的提示，做少量的接線和簡(jiǎn)易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。PLC的功能〔1〕數(shù)據(jù)采集與輸出?！?〕控制功能。包括順序控制、邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等。〔3〕數(shù)據(jù)處理功能。包括根本數(shù)學(xué)運(yùn)算、比擬、對(duì)字節(jié)的運(yùn)算、PID運(yùn)算、濾波等。〔4〕輸入/輸出接口調(diào)理功能。具有A/D,D/A轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)I/O模塊完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)，具有溫度、運(yùn)動(dòng)等測(cè)量接口?！?〕通信、聯(lián)網(wǎng)功能?，F(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有RS232或RS485接口，可進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制，多臺(tái)PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái)PLC構(gòu)成“集中管理、分散控制〞的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制?！?〕支持人機(jī)界面功能。提供操作者以監(jiān)視機(jī)器/過(guò)程工作必需的信息。允許操作者和PC系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作決策和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)工業(yè)計(jì)算機(jī)的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)?！?〕具有編程、調(diào)試等功能，并且大局部支持在線編程PLC的結(jié)構(gòu)可編程控制器是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，它按照用戶程序存儲(chǔ)器中預(yù)先編制的控制程序，通過(guò)輸入接口采集現(xiàn)場(chǎng)信息，執(zhí)行邏輯或數(shù)值運(yùn)算，進(jìn)而通過(guò)輸出接口控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。作為一種以微處理器為核心的用作數(shù)字控制的特殊計(jì)算機(jī)，它的硬件配置與一般微機(jī)裝置類似，主要有中央處理單元、信號(hào)輸入/輸出模塊、電源和編程器等部組成，如圖2所示?！?〕中央處理單元CPU中央處理器單元一般由控制器、運(yùn)算器和存放器組成。CPU通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與儲(chǔ)存單元、輸入輸出接口、通信接口、擴(kuò)展接口相連。CPU是PLC的核心，它不斷采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)輸出?！?〕存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器〔簡(jiǎn)稱內(nèi)存〕，用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或程序。它包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器〔RAM〕和只讀存儲(chǔ)器〔ROM〕。PLC配有系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器，分別用以存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和用戶程序。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序和各種系統(tǒng)參數(shù)等，一般使用EPROM；用戶程序存儲(chǔ)器用作存放用戶編制的梯形圖等程序，一般使用RAM，假設(shè)程序不經(jīng)常修改，也可寫入到EPROM中；存儲(chǔ)器的容量以字節(jié)為單位。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容不能由用戶直接存取。因此一般在產(chǎn)品樣本中所列的存儲(chǔ)器型號(hào)和容量，均是指用戶程序存儲(chǔ)器?！?〕輸入/輸出〔I/O〕模塊I/O模塊是CPU與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備或其他外部設(shè)備之間的連接部件。PLC提供了各種操作電平和輸出驅(qū)動(dòng)能力的I/O模塊供用戶選用。I/O模塊要求具有抗干擾性能，并與外界絕緣因此，多數(shù)都采用光電隔離回路、消抖動(dòng)回路、多級(jí)濾波等措施。I/O模塊可以制成各種標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)來(lái)增減和組合。I/O模塊還配有各種發(fā)光二極管來(lái)指示各種運(yùn)行狀態(tài)?！?〕電源PLC配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源的電源模塊，用來(lái)對(duì)PLC的內(nèi)部電路供電?！?〕編程器編程器用作用戶程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視，還可以通過(guò)其鍵盤去調(diào)用和顯示PLC的一些內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。它經(jīng)過(guò)接口與CPU聯(lián)系，完成人機(jī)對(duì)話。編程器分簡(jiǎn)易型和智能型兩種。簡(jiǎn)易型編程器只能在線編程，它通過(guò)一個(gè)專用接口與PLC連接。智能型編程器即可在線編程又可離線編程，還以遠(yuǎn)離PLC插到現(xiàn)場(chǎng)控制站的相應(yīng)接口進(jìn)行編程。智能型編程器有許多不同的應(yīng)用程序軟件包，功能齊全，適應(yīng)的編程語(yǔ)言和方法也較多。PLC的工作原理根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)〔IEC〕的定義，PLC是指一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復(fù)始的重復(fù)上述循環(huán)掃描的。其PLC的工作全過(guò)程可分為：第一局部，上電處理。機(jī)器上電后對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模塊配置檢查，停電保持范圍設(shè)定及其他初始化處理等。第二局部，掃描過(guò)程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設(shè)的通信處理，再次進(jìn)行時(shí)鐘、特殊存放器更新。當(dāng)CPU處于STOP方式時(shí)，轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。當(dāng)CPU處于RUN方式時(shí)，還要完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，再轉(zhuǎn)入執(zhí)行白診斷檢查。第三局部，出錯(cuò)處理。PLC每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動(dòng)作是否正常，如CPU、電池電壓、程序存儲(chǔ)器、I/O、通信等是否正常，如檢查出異常時(shí)，CPU面板山的LED及異常繼電器會(huì)接通，在特殊存放器中會(huì)存入出錯(cuò)代碼。當(dāng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)，CPU被強(qiáng)制為STOP方式，所有的掃描停止。其工作程序如圖3所示。PLC性能的主要技術(shù)指標(biāo)有以下幾個(gè)方面：〔1〕存儲(chǔ)容量：指的是用戶程序存儲(chǔ)器的容量，一般以字為單位來(lái)計(jì)算；〔2〕輸入/輸出點(diǎn)數(shù)：PLC面板上連接輸入、輸出信號(hào)用的端子的個(gè)數(shù)，稱為“點(diǎn)數(shù)〞，用輸入點(diǎn)數(shù)及輸出點(diǎn)數(shù)之和表示；〔3〕掃描速度：指PLC執(zhí)行程序的速度，一般以執(zhí)行1K字所用的時(shí)間來(lái)衡量掃描速度；〔4〕編程指令的種類和數(shù)量；〔5〕擴(kuò)展能力：包括I/O單元進(jìn)行的I/O點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展和各種功能模塊進(jìn)行功能擴(kuò)展；〔6〕智能單元的數(shù)量[6]2.6本章小結(jié)本章主要探討了現(xiàn)行的幾種關(guān)于隧道照明的控制策略，無(wú)極調(diào)光控制的分析和隧道照明亮度的計(jì)算分析，同時(shí)詳細(xì)分析了人工手動(dòng)控制和分段時(shí)序兩種隧道照明控制方案，以及對(duì)可編程控制器PLC定義，功能，工作原理的簡(jiǎn)紹。第三章基于PLC隧道照明系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)3.1PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1.1PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟〔1〕根據(jù)生產(chǎn)的工藝過(guò)程分析控制要求。如：需要完成的動(dòng)作分為動(dòng)作順序、動(dòng)作條件、必須的保護(hù)和連鎖等，操作方式分為手動(dòng)、自動(dòng)、連續(xù)、單周期、單步等。〔2〕根據(jù)控制要求確定所需要的用戶輸入/輸出設(shè)備。據(jù)此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。〔3〕選擇PLC〔4〕分配PLC的I/O點(diǎn)，設(shè)計(jì)I/O連接圖，這一步也可以結(jié)合第2步進(jìn)行。〔5〕進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。PLC的選擇本設(shè)計(jì)我們選擇西門S7-200系列PLC。該系列產(chǎn)品素以高性能聞名，并且具有相當(dāng)好的擴(kuò)展和不錯(cuò)的通信能力，西門子的工業(yè)控制總線也是相當(dāng)流行。我們?cè)谠撓盗挟a(chǎn)品中選擇了S7－200CPU224。該機(jī)集成14輸入/10輸出口?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊、最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，擁有8K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、6個(gè)獨(dú)立的30kHZ高速計(jì)數(shù)器、2路獨(dú)立的20kHZ高速脈沖輸出，具有PID控制器、1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，并且I/O端子排可很容易地進(jìn)行整體拆卸。相對(duì)于其他同系列PLC來(lái)說(shuō)，該款能用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)、更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力、更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)，當(dāng)然也能很好的滿足本系統(tǒng)的控制要求。CPU224實(shí)物如下列圖4所示。圖4S7－200PLC3.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.2.1I/0分配CPU提供的本地I/O具有固定的地址，對(duì)于CPU224來(lái)說(shuō)本機(jī)I/O為14入/10出。當(dāng)需要擴(kuò)展某類的輸入/輸出口時(shí)，可以將擴(kuò)展模塊連接到CPU的右側(cè)形成I/O鏈。輸入模塊不會(huì)影響輸出模塊的地址，模擬量模塊不會(huì)影響數(shù)字量模塊的地址。這里需要注意：數(shù)字量模塊總是保存以8位遞增的過(guò)程映像存放器空間。如果模塊未能給保存字節(jié)的每一點(diǎn)分配物理點(diǎn)，那些未用點(diǎn)不能分配給后續(xù)的I/O鏈中的后續(xù)模塊。對(duì)于輸入模塊，這些保存字節(jié)會(huì)在每次輸入刷新周期中被清零；模擬量擴(kuò)展模塊總是以兩點(diǎn)遞增的方式來(lái)分配空間。如果模塊沒(méi)有給每個(gè)點(diǎn)分配相應(yīng)的物理點(diǎn)，那么這些I/O點(diǎn)會(huì)消失并且不能分配給I/O鏈中的后續(xù)模塊[7]。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，下表5是本設(shè)計(jì)中PLC控制程序軟元件的I/O分配表：表5PLC控制程序軟元件I/O分配表輸入信號(hào)輸入地址注釋輸出信號(hào)輸出地址注釋SB1I0.0手動(dòng)控制KM1Q0.0開啟照明器ASB2I0.1自動(dòng)控制KM2Q0.1開啟照明器BSB3I0.2手動(dòng)控制下：晴天運(yùn)行KM3Q0.2開啟照明器CSB4I0.3手動(dòng)控制下：多云運(yùn)行KM4Q0.3開啟照明器DSB5I0.4手動(dòng)控制下：陰天運(yùn)行KM5Q0.4開啟照明器ESB6I0.5手動(dòng)控制下：夜間運(yùn)行KM6Q0.5開啟照明器LSB7I0.6手動(dòng)控制下：更夜運(yùn)行SB8I0.7火災(zāi)或車禍緊急情況3.2.2PLC的接線圖在詳細(xì)介紹了I/O分配表后，我們將開始設(shè)計(jì)基于PLCCPU224的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。在這里，我們根據(jù)系統(tǒng)控制要求設(shè)計(jì)出了手動(dòng)控制與分段時(shí)序隧道照明監(jiān)控系統(tǒng)，演示系統(tǒng)硬件I/O接線圖如圖2-4所示。3.3編程方法的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)步驟，在完成了PLC選型以及硬件電路設(shè)計(jì)之后，接下來(lái)就是關(guān)鍵的軟件設(shè)計(jì)，這一局部是實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵局部。編程方法的選擇：西門子提供的STEP7-Micro/Win軟件可以很方便的對(duì)PLC進(jìn)行編程。該程序提供三種工具來(lái)進(jìn)行編，程梯形圖(LAD)、語(yǔ)句表(STL)和功能塊圖(FBD)。LAD編輯器以圖形方式顯示程序，與電氣接線圖類似，這種方式易于初學(xué)者使用、易于理解且全世界通用、該編輯器還能使用SIMATIC和IEC1131-3指令集，可以使用STL編輯器顯示所有LAD程序[8]。STL編輯器按照文本語(yǔ)言的形式顯示程序，允許你輸入助記符來(lái)創(chuàng)立控制程序，語(yǔ)句表同時(shí)是你能夠創(chuàng)立用LAD,FBD無(wú)法創(chuàng)立的程序，它與匯編語(yǔ)言非常類似，該種編輯器適用與有經(jīng)驗(yàn)的編程人員，能解決用LAD,FBD無(wú)法解決的問(wèn)題，不過(guò)此時(shí)只能使用SIMATIC指令集，同時(shí)它還能顯示用LAD.、FBD編輯的程序，反之不一定成立。FBD也用圖形表示程序，由通用邏輯門組成，該種編輯方法較之LAD比擬有利于程序流的跟蹤。在這里我們選用了LAD和STL兩種方式，從易用以及完全實(shí)現(xiàn)功能的角度來(lái)考慮。3.4軟件過(guò)程設(shè)計(jì)〔1〕程序結(jié)構(gòu)考慮軟件總體結(jié)構(gòu)中模塊之間的控制分層關(guān)系，而軟件過(guò)程設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是描述算法的細(xì)節(jié)，以及模塊的處理的順序?？捎昧鞒虉D、框圖、梯形圖等工具來(lái)描述。常采用自上向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法和單入口、單出口的控制構(gòu)件?！?〕編碼實(shí)現(xiàn)的過(guò)程就是把設(shè)計(jì)階段的結(jié)果翻譯成可執(zhí)行代碼的過(guò)程。編碼階段不應(yīng)單追求編碼效率，而應(yīng)全面考慮編寫程序、測(cè)試程序、說(shuō)明程序和修改程序等各項(xiàng)工作?！?〕程序編制時(shí)，由于PLC的編程語(yǔ)言有很多種，如梯形圖、語(yǔ)句表、邏輯功能圖、邏輯方程式等。選用上述語(yǔ)言中的任何一種語(yǔ)言，按照設(shè)計(jì)階段的算法和流程進(jìn)行編程。編制程序過(guò)程中，為了提高可讀性和維護(hù)方便，要加上適當(dāng)?shù)淖⑨孾9]。/r/