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1、 XXX工程系毕业设计（论文）课题名称PLC交通灯电气控制设计班 级04工业电气自动化姓 名XXX学 号 指导老师签名XXX 目录摘要一、PLC的概述.41.1 PLC的发展历程.41.2 PLC的构造.51.3 CPU的构造.51.4 I/O模块.61.5 电源模块.6 1.6 底版或机架 .61.7 PLC系统的其它设备.71.8 PLC的通信联网.7二、交通信号灯控制的实现.72.1 实现目标.7三、PLC的选型 .8 3.1 三菱FX系列PLC的概述.83.2 FX2N系列PLC的特点：.93.3三菱FX系列PLC的主要性能.103.4逻辑分析与程序设计.12四、功能说明.17五、总结
2、.17 六、参考文献PLC交通灯电气控制设计The control design of the PLC transportation light electricity摘 要: 针对近年来城市交通的拥挤现象,特别是驾驶员违章严重、交通事故频发、车辆尾气污染等问题,介绍丁集计算机、信息、电子及通讯等众多高新技术手段于一体的智能交通指挥中心控制系统.该系统的安装及使用,大大缓解了城市道路堵塞现象、提高了道路的通行能力.减少了驾驶员违章的次数,抑制了交通事故的发生,同时对减轻车辆尾气排放,从而降低环境污染都起到了不可低估的作用.分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通
3、灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。 关键词: 交通控制 交通灯 PLC控制机 Take off to want: Aim at in recent years hustle of city transportation phenomenon, especially the pilot be illegal severity, traffic accident Pin hair, vehicle tail spirit pollution etc. problem, introduction the D gather numerous Gao Xin
4、 technique meanses, such as calculator, information, electronics and communication.etc. in the commanding center of the intelligence transportation of the integral whole control system.Should system of install and usage, consumedly alleviated city road to stop phenomenon, exaltation go through of ro
5、ad ability.Decrease the illegal number of times of pilot, repressed traffic accident of occurrence, in the meantime to ease vehicle tail spirit emissions, lowered pollution of the environment to all have thus cant under-estimation of function.Analysis the present condition of modern control and mana
6、gement problem of the city transportation, combine city country transportation of actual the circumstance elaborated a transportation light control system of work principle, give a kind of simple practical city transportation light control system of hardware electric circuit design project. Keyword:
7、 The transportation control transportation light PLC control machine1 引言随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，
8、随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用
9、不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。本论文分为3部分，其中，第一部分介绍的是PLC的一些基础知识，这是很多PLC初学者经常会遇到的疑惑，希望能给出一些帮助；第二部分介绍PLC在交通灯上的应用；第三部分介绍PLC的选型。通过交通灯的应用的程序设计实例，将PLC的程序设计开发思路和实际需要有机地融合在一起，使读者可以更好地理解PLC的控制，同时也提高自己的编程水平。一、PLC的概述1.1 PLC的发展历程在工
10、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）。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），现在，仍
11、常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是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。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。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30-40%。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
12、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。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。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。1.2 PLC的构造从结构上分，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。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。1.3 CPU的构造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
13、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
14、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。1.4 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。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分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是
15、指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。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（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受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。1.5 电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路
16、提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。 1.6底版或机架 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。1.7 PLC系统的其它设备1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。2、
17、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。1.8 PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有R
18、S-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。二、交通信号灯控制的实现2.1 实现目标车行灯：绿30s 黄10s 红25s人行灯：红45s 绿10s 绿闪5s交通灯变化顺
19、序（单循环周期65s）说明如下。 当按下启动开关X5后，M100接通车行灯绿灯亮，人行灯红灯亮。车行灯绿灯亮30s后变成黄灯，人行灯这时还是红灯。车行灯黄灯亮10s后变为红灯，5s后车行灯还是红灯，但这时人行灯变成了绿灯。10s后绿等闪烁5次变成红灯。这时车行灯还是红灯，当过了5s后，车行灯变成了绿灯。如此周而复始的循环。通过上面对系统设计的要求，可以看到要实现如此一个信号灯控制，首先要设置相应的系统启动按钮作为系统的输入控制。其他的就是输出信号了，主要就是各个信号灯的控制输出了。总的有车行灯的绿灯、黄灯、红灯和人行灯的绿灯、红灯。通过上述的分析，可以看到，系统需要1个输入和6个输出，对于这样
20、一个小型的系统可以选择一些小型PLC就可以满足需求。图1是一个通用的PLC配置示意图。 图1 PLC控制接线图 SB0X5COMCOMY30Y31Y32Y33Y34HL0HL1HL2HL3HL4三、PLC的选型3.1 三菱FX系列PLC的概述 FX系列PLC是日本三菱公司继F1、F2系列PLC之后推出的小型机。它同时具有单元式PLC的简单易用和模块、式PLC的功能强大、配置灵活的优点，其机型种类较多，主要有FX0S、FX0N、FX1、 FX1N、FX2 、FX2N 、FX2NC等。系统配置既固定又灵活，基本上能满足各种工业控制要求。当控制要求较简单时，可选用容量较小的FX0S或FX0N机型；当
21、控制要求较复杂时，可选用性能高、处理速度快、容量大的FX2N或FX0N机型。 FX2N系列是小型化、高速度、高性能等很多方面都是相当于FX系列中最高档次的超小型程序装置。除输入输出16-256点的独立用途外，还可以适用于多个基础组件间的连接、模拟控制、定位控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的PLC。3.2 FX2N系列PLC的特点：（1）系统配置既固定又灵活可进行16-256点的灵活输入输出组合。可连接扩展模块，包括FX0N系列扩展模块。（2）编程简单，指令丰富编程种类如表1。 表1 简单的编程种类指令种类 指令数目/种 基本指令 27 步进梯形指令 2 应用指令 128（298个）功能指
22、令种类多，有高速处理指令、便利指令、数据处理、特殊用途指令等。（3）品种丰富可选用16/32/48/64/80/128/点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。也可根据电源及输入输出形式，自由选择。（4）高性能内置程序容量8000步，最大可扩充至16K步，可输入注释，还有丰富的软主件。（5）高速运算1个指令的运行时间，基本指令只需0.08us，应用指令在1.52us至几百微秒之间。（6）多种特殊用途FX2N系列中，1台基本单元最多可连接8台扩展模块或特殊功能模块，连接上相当的特殊功能模块后，可应用在模拟控制、定位控制等特殊场合。（7）外部机器通信简单简化一台FX2N主机可安装一个机能扩充
23、板，使用FX2N-485-BD及FX0N-485ADP的FX2N系列PLC间，可作简易PLC通信连接。（8）共同的外部设备可以享受FX系列的外部设备，如便携式简易编程器FX-10PE、FX-20P-E（需使用FX-20P-CAB0作连接线）。用SC-09电缆线与微机连接，可使用FX-PCS/WIN编程软件。3.3三菱FX系列PLC的主要性能 FX系列PLC基本单元和扩展单元的电源电压适应范围为100240VAC，用户程序存储容量大，有丰富的内部软元件，功能强且多，处理速度快，现将FX0S、FX2、FX2N三种PLC的主要技术性能对比写入表2.3中 从表2可见，在FX系列的众多机型中，要数FX2
24、N（或FX2NC）系列的功能最强、处理速度最快容量最大，属于高档的小型机。 表2 FX系列PLC的性能指标项 目FX0SFX2（FX2C）FX2N（FX2NC）运动控制方式 反复扫描程序I/O 刷 新 方 式批处理方式（在执行END指令时成批刷新），但有输入输出刷新指令处理速度（基本指令）1.63.6us/步0.7us/步0.08us/步存 储 器 容 量 和 类 型内附800步EEPROM（不可装存储卡盒）内附2K步RAM（可装EEPROM、EPROM存储卡盒），最大可达8K步内附8K步RAM（可装RAM，EEPROM、EPROM存储卡盒），最大可达16K步程 序 语 言 梯形图、指令表、S
25、FC（状态转移图）指 令 数基本指令20步，步进指令2条，应用指令50条基本指令20步，步进指令2条，应用指令85条基本指令27步，步进指令2条，应用指令298条最大I/O点数30 256 256输入继电器（8进制编号）最多16点，X0X17最多128点，X0X117 最多184点，X0X267输出继电器（8进制编号）最多14点，Y0 Y15最多128点，Y0 Y117最多184点，Y0 Y267辅助继电器普通型496点，M0M495500点，M0M499500点，M0M499保持型16点，M496M511524点，M500M10232572点，M500M3071特殊型255点，M8000M8
26、254256点，M8000M8255256点，M8000M8255状态（）普通型64点S0-S63（其中S0-S9用于初始化） 500点S0-S499（其中S0-S9用于初始化、，S10-S19用于返回原点）保持型无500点S500-S9999其中固定用于故障报警）定时器100只有点定时器（），其中有点在为时可变更为点，46点，T200-T2451无4点，T246-T2491006点T250-T255计数器加计数器普通型14点（16位）C0-C13100点（16位）C0-C99保持型2点（16位）C14、C15100点（16位）C100-C199减计数器普通型 无20点（32位）C200-C2
27、19保持型无15点（32位）C220-C234高速计数器1相1输入7点 C235-C238、C241、C242、C24411点C235-C245（32位加/减计数 保持型）1相2输入3点C246、C247、C2495点C246-C250（32位加/减计数 保持型）2相2输入3点C251、C252、C2545点C251-C255（32位加/减计数 保持型）数据寄存器普通型30点（16位）D0-D29200点（16位）D0-D199200点（16位）D0-D199保持型2点（16位）D30、D31312点（16位）D200-D5117800点（16位）D200-D7999特殊用70点（16位）D8
28、00-D8069256点（16位）800-8255256点（16位）800-8255变址用2点（16位）V、Z2点（16位）V、Z16点（16位）V0-V7、Z0-Z7指针跳转用64点P0-P6364点P0-P63128点P0-P127中断用4点I00-I309点I0-I8 15点I0-I8 I010-I060 嵌套（N）8点N0-N7（主控线路用） 常数十进制数（K）16位：-32768 +32767 32位：-2147483648 +2147483647十六进制数（H）16位：000-FFFF（H） 32位：00000000-FFFFFFFF（H） 表3.3 FX系列PLC的性能指标3.4
29、逻辑分析与程序设计1.交通信号灯系统时序逻辑分析（1）控制要求通常为车道常开绿灯，人行道常开红灯。红绿灯的变化时序如图2X000/X001车道绿灯Y2车道黄灯Y1车道红灯Y0人行道绿灯Y4人行道红灯Y310s30s5s10s0.5s5s图2 人行道与车道红绿灯控制时序图开始30内红绿灯保持不变，后车道灯由绿变黄，黄灯亮10后，由黄变红。车道红灯亮后5，人行道绿灯才亮，10后人行灯开始闪烁，亮暗间隔0.5，共闪烁5次后才变为人行道红灯亮。此后5，车道绿灯才亮。至此又恢复为通常状态。（2）输入/输出端口设置人行道与车道红绿灯PLC控制的I/O端口分配如表3表3 人行道与车行道红绿灯PLC控制的I/
30、O端口分配图 输入 输出 名称输入点 名称输出点启动按钮 SB0 X5车道红灯HL0 Y30车道黄灯 HL1 Y31车道绿灯 HL2 Y32人行道红灯 HL3 Y33人行道绿灯 HL4 Y34（3）状态表人行道与车道红绿灯PLC控制的状态表如表4 表4 人行道与车道红绿灯PLC控制的状态表 图3 状况转移图工步号状态号状态输出/状态功能状态转移 原位S0PLC初始化X5：S0-S20 S0-S30第1工步 S20Y32得电，车行灯绿灯亮T20：S20-S21 S30Y33得电，人行灯红等亮T22：S30-S31第2工步 S21Y31得电，车行灯黄灯亮T21：S21-S22第3工步 S22Y30
31、得电，车行灯红灯亮T26：S22-S0第4工步 S31Y34得电，人行灯绿灯亮T23：S31-S32第5工步 S32Y34失电，人行灯绿灯暗T25：S32-S33 S33Y34得电，人行灯绿灯亮T24：S33-S32C0：S33-S34第6工步 S34Y33得电，人行灯红灯亮T26：S34-S0（4）状况转移图按表4人行道与车行道红绿灯PLC控制的状态表，可以画出等效的并行结构SFC图如下所示。（5）梯形图和指令表如下表所示表5 指令表四、功能说明实现图3.4（1）所示的动作要求的梯形图。用定时器T24和T25分别表示人行道绿灯闪光时的接通和断开时间，即闪光时，绿灯（Y34）接通0.5s，断开
32、0.5s，其闪光次数（5次）用计数器C0来计数。当一个周期执行完时，定时器T26的常闭触点断开，使M8002 线圈断开，从而使各定时器（T20-T26）和计数器C0均复位，T26的常闭触点又闭合，重复执行上一周期的动作过程。五、总结本论文介绍FX2N系列PLC交通灯控制系统的应用设计,关键是系统总体设计,核心则是控制程序设计。重要点掌握PLC系统设计的基本原则和设计的一般流程,要有一个整体的概念。在满足控制要求、环境要求和性价比等条件下，合理选择PLC的机型和硬件配置，正确地进行内存估算，合理选择输入/输出模块，完成PLC的硬件与软件的设计。六、参考文献1PLC原理及应用俞国亮主编，清华大学出版社，20052可编程控制器及其系统 邹金慧主编，重庆大学出版社，20023MITSUBISHI.FX1S、FX1N、F2N、F2NC编程手册。20014MITSUBISHI.FX系列通信用户手册。200118