十字路口交通信号灯plc控制系统设计与调试.doc

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1、,毕业论文(设计)题 目 十字路口交通信号灯plc控制系统设计与调试 学 院 成都理工大学工程技术学院 姓 名 张 浩 班 级 2 班 学 号 2200920304211 指导教师 阎 智 武 讲 师 专 业 电子测量技术与仪器 十字路口交通信号灯plc控制系统设计与调试作者姓名:张 浩专业名称:电子测量技术与仪器指导教师:阎智武讲师,摘要当今时代是一个自动化时代,交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此,一个好的交通灯控制系统,将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展,以及人工智能在控制技术方面的广泛运用,智能设备有了很大的发展,是现代科技

2、发展的主流方向。自从交通灯诞生以来,其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样,从而使交通灯显得更加智能化。交通信号灯主要是以PLC来实现控制导航的,PLC以微处理器为核心,普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计,编程容易,功能扩展方便,修改灵活,而且结构简单,抗干扰能力强。本设计是用PLC来实现对十字路口交通信号灯的控制,其控制方法是采用西门子的S7-200系列CPU224型号PLC对东西南北的红、黄、绿、左绿灯实现有规律的循环闪亮,以达到对交通信号灯的控制。控制过程中采用了顺序控制设计法用了八个定时器六个计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象

3、的控制。控制程序包括有顺序功能图(SFC)、梯形图(LAD)、指令表(STL)等。关键词 PLC,交通控制,自动化, S7-200,交通信号灯,顺序功能图,梯形图,仿真调试,自动控制。AbstractToday is a automation era, the traffic lights control of the devices and many industry computer closely related. Therefore, a good traffic control system, will give road congestion, illegal control to

4、 give technical innovation. Along with large scale integrated circuit and the rapid development of computer technology, and artificial intelligence in the control technology and extensive application, intelligent equipment had the very big development, the development of modern science and technolog

5、y is the mainstream of the direction. Since the traffic lights since birth, the internal control system of the circuit is constantly improving. Design method also began to varied, thus make the traffic lights appear more intelligent. The traffic lights are based on PLC to achieve control of navigati

6、on, PLC to micro processor as the core, widespread use of the relay contact device control system based on electrical diagram of ladder diagram language program design, programming easy, convenient function extension, modification flexible, and simple structure, strong anti-interference ability. Thi

7、s design is to realize with PLC to cross the traffic lights control, and its control method is to use the Siemens S7-200 PLC on CPU224 type series the thing north and south the red, yellow, green, left the cycle of regular green light realize ablaze, in order to achieve the control of traffic lights

8、. Process control adopted order control design method used eight timer six counter in different period of points to eight realize frequency automatic control object control. Control programs include a sequence diagram (SFC), function ladder diagram (LAD), instructions table (STL), and so on. Key wor

9、ds PLC, Traffic control, Automation, S7-200, traffic lights, order function diagram, ladder diagram, the simulation commissioning, automatic control目录摘要I目录1第一章 绪论31.1 课题介绍及研究意义31.2 相近研究课题的特点及优缺点分析31.3现行研究存在的问题及解决办法41.4 本论文的目的及工作内容51.5 PLC的简介6第二章 系统方案设计102.1 研究设计中要解决的问题102.2 方案原理分析102.2.1 功能要求102.2.2

10、性能要求112.3可行性研究122.3.1 要解决的问题的可行性分析及复杂性分析122.3.2具体实现中采用的关键技术142.3.3 经济可行性分析162.3.4 设计任务和内容162.3.5 控制系统设计概要16第三章 十字路口交通信号灯的具体设计213.1 十字路口交通信号灯的控制要求213.2十字路口交通信号灯控制系统电路图243.3 PLC硬件控制电路设计253.4 PLC控制程序设计263.5 详述控制系统的实现方法283.6 检测与调试303.6.1 调试中遇到的问题313.6.2 问题的分析与解决方案31第四章 交通灯系统的设计344.1 交通系统的发展趋势344.2 选择VHD

11、L硬件描述语言设计的优势344.3 红绿灯交通信号系统功能描述354.4 红绿灯交通信号系统的VHDL模块371) 时钟脉冲发生电路372) 计数秒数选择电路393 )倒计时控制电路424) 红绿灯信号控制电路465) 建立程序包486) 连接各个模块48第 5 章 结论505.1 心得505.2难点分析50附录52附录一:交通信号灯控制的梯形图52附录二:红绿灯交通信号系统的VHDL程序代码53附录三:55参考文献:62第一章 绪论1.1 课题介绍及研究意义可变程序控制器(PLC)是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自60年代问世以来,PLC得到了突飞猛进的发展,尤其在数据处理、网络通信

12、及与DCS等集散系统融合方面有了很大的进展,可变程序控制器已经成为工业自动化强有力的工具,得到了广泛的普及和推广应用。城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输,提高运营效率来设计的。但是交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统。十字路口车辆穿梭,行人熙攘,车行车道,人行人道,有条不紊。靠什么来实现这井然秩序呢?靠的是交通信号灯的自动指挥系统。那么控制系统是如何实现红、绿、黄三种颜色信号灯有条不紊工作的呢?交通信号灯控制方式很多,可以用电子电路来实现,也可以用单片机编程控制来实现。本文主要介绍如何利用PLC来实现十字路口交通灯的控制。1.2 相近研究课题的特

13、点及优缺点分析城市交通矛盾的日益突出,已开始影响城市的发展,解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史,是目前发达国家普遍采用的交通管理方式,这种方式是在发达的交通网络基础上,应用卫星定位系统,对所辖区域的交通流量实施有效控制,使有限的交通网络功能得到充分合理的利用,极大发挥城市的载体功能。智能交通系统将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外,智能交通系统能够减少交通事故,减少因事故造成部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下,我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。目前国内外对智能交通系统的理

14、解不尽相同,但不论从何种角度出发,有一点是共同的:智能交通系统是用各种高新技术,特别是电子信息技术提高交通效率,增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方面都取得了相当大的进展,对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用。从各国的发展来看,智能交通系统能使交通基础设施发挥出最大的效能,提高服务质量;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源,从而获得巨大的社会及经济效益。它不但有可能解决交通的拥堵,而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。1.3现行研究存在的问题及解决办法俗话说“要想富,先修路”,可见交通是否发

15、达,关系着一个城市的发展速度。对于一个正在蓬勃发展的城市来说,有了宽敞的马路还是不够的,交通信号灯的存在也不容忽视。通过调查:司机:没交通信号灯的地方多,路标与交通信号灯不符。现场目击:没有信号灯、信号灯设置不合理导致路口混乱。交警部门:信号灯的设置要看交通流量以及考虑到经济发展。城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统,以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑,而不是基于控制理论的方法。近多年来,随着众多研究控制理论出身的学者的加盟,使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。(1)静态多段配时控制静态多段配时控制是利用历史

16、数据实现的一种开环控制,其基本设计思想源于线性规划。它没有考虑交通需求的随机波动,没有考虑城市道路交通流的实时进化过程,其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而言,每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性,车流的运动变化仍有一定的规律可循。因此研究静态多段配时控制,将其作为其他控制策略的“参照系”,或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。这种方法简便易行,尤其适用于稳态交通环境,颇受交通工程人员欢迎。(2) 准动态多段配时控制准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似,只不过多段的划分不是以时间为依据,而是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特

17、征值来表达。被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。准动态多段配时控制是一闭环控制系统。由于反馈的引入,所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善,但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式,所以系统动态性能的改善又十分有限,故称之为准动态系统。1.4 本论文的目的及工作内容在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通,并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展,原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统,使其适应现在的交通状况,成为研究的课题。 按照城市交通控制的需要,本文讨论了用PLC实现系统连续循环运行,工作规律按时序图

18、运行(见附图)绿灯闪烁时按0.5秒间隔运行和提示警告方式运行两方式,通过传感器与PLC完成对交通异常状况(滞留或堵车)的判别及处理。 系统工作受开关控制,起动开关 ON 则系统工作;起动开关 OFF 则系统停止工作。东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个,东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个,东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个,东西方向左转弯绿灯两个,南北方向左转弯绿灯两个。正常时序控制对路面进行控制.南北方向红灯时,东西方向绿灯.绿灯闪3秒紧接着黄灯闪2秒,变红灯.南北方向红灯直接变绿灯.东西方向红灯时同理. 急车强通时,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通. 急车强通

19、信号受急车强通开关控制;无急车时,信号灯接正常时序控制;有急车来时,一律强制让急车方向的绿灯亮,使急车放行,直至急车通过为止。交通滞留的异常情况,在路口与路尾设置两个传感器进行检测车流量.交通路段车流量繁忙时,传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。当一方车流量过大的时候,PLC要对控制这一路段的信号灯进行调控,让滞留或堵车的一方绿灯时间加长,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不必要的麻烦与事故,就、控制进行很方便,很便捷。1.5 PLC的简介PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令,进行逻辑运算

20、,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。 事实上,PLC就是以嵌入式CPU为核心,配以输入,输出等模块,可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。1.6 PLC的用途与特点PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、

21、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型: (1)顺序控制这是PLC应用最广泛的领域,用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、随着电子技术和计算机技术的迅猛发展,PLC的功能也越来越强大,更多地具有计算机的功能,所以又简称PC(PROGRAMMABLE CONTROLLER),但是为了不和切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。 (2)运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下,PLC把扫描目标位置的数据送给模版

22、块,其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时,位置控制模块保持适当的速度和加速度,确保运动平滑。 相对来说,位置控制模块比计算机数值控制(CNC)装置体积更小,价格更低,速度更快,操作方便。 (3)闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数,如温度、压力、速度和流量等。PID(Proportional Intergral Derivative)模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。 (4)数据处理在机械加工中,出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制(C

23、NC)设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列,已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递,该公司采用了窗口软件。通过窗口软件,用户可以独自编程,由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。 (5)通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化(FA)系统、柔性制造系统(FMS)及集散控制系统(DCS)等发展的需要,必须发展PLC之间,PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统,不仅PLC数据通信

24、速率要求高,而且要考虑出现停电故障时的对策。plc的特点有: (1)抗干扰能力强,可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力,但使用了大量的机械触头,使设备连线复杂,由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良,容易出现故障,PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线可减少互继电器控制系统1/10-1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成,大部分继电器和复杂的连线

25、被软件程序所取代,故寿命长,可靠性大大提高。(2)配套齐全,功能完善,适用性强 PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (3)易学易用,深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达

26、方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 (4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造 ,PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 (5)体积小,重量轻,能耗低 以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现

27、机电一体化的理想控制设备。第二章 系统方案设计2.1 研究设计中要解决的问题1) 按题意要求,画出PLC端子接线图、梯形图控制程序2)讲述程序设计思路、PLC的选择、程序框图及工作流程。3)完成PLC端子接线工作,并利用编程器输入梯形图控制程序,完成调试2.2 方案原理分析2.2.1 功能要求随着PLC技术的发展,PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC,其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同,适用的场合也各有侧重。因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联

28、网能力等方面加以综合考虑。 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点:1、合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式PLC的功能扩展灵活方便在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。2、安装方式的选择 PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件,系统反应快、成本低;

29、远程IO式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程IO可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程IO电源;多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。3、响应速度要求 PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速IO处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。4、系统可靠性的要求 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很

30、高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。5、机型尽量统一 主要考虑到以下三方面问题: 1)其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。 2)其功能和使用方法类似,有利于技术力量的培训和技术水平的提高。 3)其外部设备通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。2.2.2性能要求 一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带AD和DA转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。 对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能

31、,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。2.2.3 工作环境要求1 温度:PLC要求环境温度在055oC,安装时不能放在发热量大的元件下面,四周通风散热的空间应足够大。2 湿度:为了保证PLC的绝缘性能,空气的相对湿度应小于85%(无凝露)。3 震动:应使PLC远离强烈的震动源,防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时,必须采取减震措施,如采用减震胶等。4 空气:避免有腐蚀和易燃的气体,例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境,可将PLC安装在封闭性较好的控制室或

32、控制柜中。5 电源:PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中,可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器,以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端,当输入端使用外接直流电源时,应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源,由于纹波的影响,容易使PLC接收到错误信息。2.3可行性研究2.3.1 要解决的问题的可行性分析及复杂性分析1.PLC工作原理:PLC的工作原理:电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道,要实现可靠的电力线高速数据通信,必须解决低压配电网上各种因素如:噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性

33、负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。 一. 扫描技术 当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证

34、在任何情况下,该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即,在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,

35、而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。这时,才是PLC的真正输出。系统24小时循环运行,工作规律按时序图运行(如图2-1)。绿灯闪烁时按0.5秒间隔运行。提示警告方式运行时,控制规律为:东、南、西、北四个方向黄灯全部闪亮,其余灯全部熄灭。黄灯闪亮按亮0.4秒,暗0.6秒的规

36、律反复循环。图2-1 工作时序图2.3.2具体实现中采用的关键技术1 .PLC输入输出分配表2-1 I/O分配表输入信号输出信号名称符号地址名称符号地址起动开关停止开关SQ-ON SQ-OFF I0.0东西红灯R-EWQ0.0东西黄灯Y-EWQ0.1东西绿灯G-EWQ0.2东西左绿L-EWQ0.3南北红灯R-SNQ0.4南北黄灯Y-SNQ0.5南北绿灯G-SNQ0.6南北左绿L-SNQ0.72 .PLC外部接线图图2-1是PLC外部接线图,选用的是西门子S7-200系列CPU224的PLC。2.3.3 经济可行性分析其实,使用PLC,还要考虑经济指标。经济是基础,经济上不合算,不能带来经济效益

37、,使用PLC也就没有基础。所以,这个指标也是重要的。经济指标最简单的就是看价格。一般讲,同样技术性能的PLC,价格低其经济指标就好 此外,还要看供货情况,供货不及时,影响使用,价格即使低,也不一定就好;看技术服务,资料不全,用户出现问题得不到技术支持也不好。 对经济指标还要作综合分析,要看使用了PLC能否带来效益,然后,再分析使用哪家的PLC效益更好些2.3.4 设计任务和内容任务:设计一个能够控制十二盏交通信号灯的模拟系统。并且要求交通信号灯按照交通规则的模试来运行。实验通过控制六个交通灯就好了。内容:因为本课程设计是交通灯的单片机控制设计,所以要了解实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字

38、路口为东西南北走向。然后转状态1南北红灯,东西绿灯通车。过一段时间转状态2东西绿灯灭,黄灯闪烁几次,南北仍然红灯。再转状态3,南北绿灯通车,东西红灯。过一段时间转状态4,南北绿灯灭,闪几次黄灯,东西仍然红灯。最后循环至状态12.3.5 控制系统设计概要我们在学习了PLC的大量的相关知识后,要能够把其运用在实际训练当中。当然要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统,需要丰富的专业知识和实际的工作经验。一、 PLC控制系统设计的基本原则1) 最大限度地满足被控对象的控制要求。2) 保证控制系统的高可靠、安全。3) 满足上面条件的前提下,力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便。4) 选择PLC时,要

39、考虑生产和工艺改进所需的余量。二、 PLC控制系统设计的基本内容1) 选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象。2) 分配I/O,设计电气接线图,考虑安全措施。3) 选择适合系统的PLC.4) 设计程序5) 调试程序,一个是模拟调试,一个是联机调试。6) 设计控制柜,编写系统交付使用的技术文件,说明书、电气图、电气元件明细表。7) 验收、交付使用。三、 PLC控制系统设计的一般步骤1 流程图功能说明1) 分析生产工艺过程。2) 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备,分配I/O。3) 选择PLC。4) 设计PLC接线图以及电气施工图。5) 程序设计和控制柜接线施工。2 PL

40、C程序设计的步骤1) 对于复杂的控制系统,最好绘制编程流程图,相当于设计思路。2) 设计梯形图。3) 程序输入PLC模拟调试,修改,直到满足要求为止。4) 现场施工完毕后进行联机调试,直至可靠地满足控制要求。5) 编写技术文件6) 交付使用。3 设计步骤框图如下: 分析控制要求确定I/O设备选择PLC分配I/O、设计电气图编写流程图设计梯形图编制程序清单输入程序并检查调试满足NY联机调试满足NN编制技术文件交付使用设计控制柜现场连接四、控制系统执行程序的过程及特点PLC执行程序的过程分为三个阶段,即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。1输入采样阶段 在输入采样阶段,PLC以扫描工作方式按

41、顺序对所有输入端的输入状态进行采样,并存入输入映象寄存器中,此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段,在程序执行阶段或其它阶段,即使输入状态发生变化,输入映象寄存器的内容也不会改变,输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。2程序执行阶段在程序执行阶段,PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示,则总是按先上后下,先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时,则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时,PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出,根据用户程序进行运算,运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说,其内容

42、会随程序执行的过程而变化。3输出刷新阶段程序执行完毕后,进入输出处理阶段。在这一阶段里,PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态(输出继电器状态)转存到输出锁存器中,并通过一定方式输出,驱动外部负载。因此,PLC在一个扫描周期内,对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁,直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样,即在一个扫描周期内,集中一段时间对输入状态进行采样。在用户程序中如果对输出结果多次赋值,则最后一次有效。在一个扫描周期内,只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出,对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状

43、态一直保存在输出映象寄存器中。这种方式称为集中输出。对于小型PLC,其I/O点数较少,用户程序较短,一般采用集中采样、集中输出的工作方式,虽然在一定程度上降低了系统的响应速度,但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离,从根本上提高了系统的抗干扰能力,增强了系统的可靠性。而对于大中型PLC,其I/O点数较多,控制功能强,用户程序较长,为提高系统响应速度,可以采用定期采样、定期输出方式,或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。从上述分析可知,当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应,需要一段时间,这种现象称为PLC输入输出响应滞后。对一般的工业控制

44、,这种滞后是完全允许的。应该注意的是,这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成,更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟,以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟,同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。第三章 十字路口交通信号灯的具体设计3.1 十字路口交通信号灯的控制要求随着城市和经济的发展,交通信号灯发挥的作用越来越大,正因为有了交通信号灯,才使车流、人流有了规范,同时,减少了交通事故发生的概率。然而,交通信号灯不合理使用或设置,也会影响交通的顺畅。交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行,绿灯表示准许通行,黄灯表示警示。交通信号

45、灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。交通信号灯用于道路平面交叉路口,通过对车辆、行人发出行进或停止的指令,使各同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰,从而提高路口的通行能力,保障路口畅通和安全。十字路口交通信号灯现场示意图如图3-1所示,南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯,为确保交通安全,要求如下。1)采用PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。系统上电后,交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。SA1手柄指向左45时,接点SA1-1接通,交通指挥系统开始按常规正常控

46、制功能工作,按照如图3-2所示工作时序周而复始,循环 图3-1往复工作。SA1手柄指向中间0时,接点SA1-2接通,交通指挥系统南北向绿灯常亮,东西向红灯常亮,。SA1手柄指向右45时,接点SA1-3接通,交通指挥系统东西向绿灯常亮,南北向红灯常亮。图3-1交通灯现场示意图2)正常控制时 当东西方向允许通行(绿灯)时,南北方向应禁止通行(红灯);同样,当南北方向允许通行(绿灯)时,东西方向应禁止通行(红灯)。在绿灯信号要切换为红灯信号之前,为提醒司机提前减速并刹车,应有明显的提示信号:绿灯闪烁同时黄灯亮。信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。信号灯动作的时序图如图3-2所示,它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的,置1表示信号

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