基于PLC的太阳能交通信号灯的设计毕业设计论文.docx
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基于PLC的太阳能交通信号灯的设计毕业设计论文
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:
二〇一六年六月
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
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3
1.PLC概述3
2.PLC的硬件组成4
3.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10
1.PLC控制I/O分配10
2.PLC外部接线设计11
3.PLC程序梯形图11
4.PLC程序指令表13
(三)控制系统的调试13
1.系统的调试过程14
2.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1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(ProgrammableController,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(PersonComputer)相区分,把可编程控制器缩写为PLC(ProgrammableLogicController,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
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2PLC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
①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。
②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。
③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。
④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。
⑤回到①,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(15mA×10=0.15A),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0.15A×4=0.6A,则系统一天的用电量为0.6A×24h=14.4Ah,一天的功耗为24V×14.4Ah=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。
计算:
(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:
为求得放电修正系数,先计算该系统的平均放电率:
(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
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SB1
X0
停止按钮SB2
X1
输出信号名称
接入点编号
南北绿灯HL11、HL12
Y0
南北黄灯HL21、HL22
Y1
南北红灯HL31、HL32
Y2
报警灯HL4
Y3
东西绿灯HL51、HL52
Y4
东西黄灯HL61、HL62
Y5
东西红灯HL71、HL72
Y6
图6PLC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
0LDX000
1ORM100
2ANIX001
3OUTM100
4LDM100
5MCN0M0
8LDIY003
9ANIT4
10OUTT0K250
13LDT0
14OUTT1K250
17LDT1
18OUTT2K30
21LDT2
22OUTT3K20
25LDT0
26OUTT4K300
29LDT7
30OUTT5K20
33LDIY003
34ANIT0
35OUTT6K200
38LDT6
39OUTT7K30
42LDIT9
43OUTT8K5
46LDT8
47OUTT9K5
50LDITO
51ANIY003
52OUTY002
53LDY006
54ANIT1
55LDT1
56ANIT2
57ANDT8
58ORB
59OUTY000
60LDT2
61ANIT3
62OUTY001
63LDY002
64ANIT6
65LDT6
66ANIT7
67ANDT8
68ORB
69OUTY004
70LDT7
71ANIT5
72OUTY005
73LDT0
74OUTY006
75LDY000
76ANDY004
77OUTY003
78MCRN0
80END
(三)控制系统的调试
1.系统的调试过程
①将PLC与对应输入输出的设备连接起来。
②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。
③调试运行。
按下启动开关,灯光按程序循环显示。
④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①:
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②:
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的定时器来设计的,可能是继电器代码写错了。
解决方案:
在三菱PLC中,定时器的设置虽是0.1—999秒定时器,但可以输入0.5秒,设置值K就是定时时间,检查指令表,修改K值,再运行程序。
五、结论
本论文设计出了一套基于PLC控制的交通信号灯,系统采用太阳能电池进行供电,不仅环保节能,还省去了铺设电缆的麻烦。
通过阅读大量相关文献,进行了硬件系统和控制系统的设计,经过在实验室调试,分析及验证了设计方案的可行性。
因个人能力有限,没有将倒计时显示时间实现在系统中,所做外接电路也比较粗糙,不能控制车的左转、右转以及自动根据车流改变红绿灯时间等,如果需要也可以扩充原系统。
硬件控制电路简单,可降低生产成本,希望将来能够改进!
这次毕业设计,真正的把大学期间所学到的知识做了一个全面的总结,真正了解到我们课本上的知识只是理论层面,想要上升到实践层面,还要以后不断地探索,以及在日后的工作中不断的通过理论联系实际提高自己的专业水平。
参考文献:
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化学工业出版社,2005.
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化学工业出版社,环境·能源出版中心,2005.
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电力电子出版社,2003.
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北京工业大学出版社,2001.
[6]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,袁立强.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:
科学出版社,2005.
致谢
短暂的三年大学生活很快就要结束,我曾多么憧憬美好的学生时代,如今当自己临近毕业时,我又留恋已经流逝的三年学生生涯。
本文是在我的导师吴红老师的悉心指导和亲切关怀下,经过不断的学习和修改完成的。
老师渊博的知识、严谨的态度、敏锐的思维、谦逊的为人,丰富的实践经验,以及诲人不倦的育人风格,使学生受益非浅。
期间,吴老师给了我很大的帮助和启示,使我学到更多的知识,使我顺利的完成了毕业论文。
在此,谨致以衷心的感谢和崇高的敬意。
祝愿老师身体健康,工作顺利,事业上取得更大成功。
毕业设计是对大学所学知识的检验和考核,自己动手实践,才知道自己理论知识的缺乏之处,这样能学到更多的知识。
既提高了实际应用能力,又弥补了自己的漏洞。
由于时间紧凑,设计中有很多不足之处,希望老师们能指导。
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