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1、 南京工程高等职业学校五年制高职毕业设计姓 名： 学 号： 系 部： 电子工程系 专 业： 电气自动化技术 设计题目：基于PLC的十字路口交通灯控制系统设计指导教师： 职 称： 2017年4月26日 南 京基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计摘要交通信号灯的出现 使交通得以有效管制 对于疏导交通流量、提高道路通行能力 减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理 力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统 以及该系统软、硬件设计方法 实验证明该系统实现简单、经济 能够有效地疏导交通 提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状 结合交通的实际情
2、况阐述了交通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 PLC 设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要 广泛的应用于各个行业。随着科技的发展 可编程控制器的功能日益完善 加上小型化、价格低、可靠性高 在现代工业中的作用更加突出。PLC 可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一,PLC、机器人
3、、CAD/CAM 将成为工业生产的三大支柱。由于 PLC 具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将 PLC 应用于交通灯系统中。同时,PLC 本身还具有通讯联网功能,将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理,可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理。由于 PLC 具有对使用环境适应性强的特性 同时其内部定时器资源十分丰富 可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确的控制 特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多的将 PLC 应用于交通灯系统中。同时有些还引
4、入触摸屏模拟十字路口红绿灯闪亮及车辆通行 十分形象地显示出了 PLC 在交通灯系统中的实际应用。关键词 交通灯 PLC 程序 设计I基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计摘要 .目录I引言 .11. 可编程控制器 .21.1概述.21.2可编程控制器的简介 .21.2.1 PLC 的特点 .21.2.2PLC 的应用 .31.2.3PLC 的分类 .41.2.4PLC 的结构 .41.2.5PLC 的工作原理 .41.2.6 PLC 编程语言 .51.2.7 PLC 的基本指令 .62. 设计的主要内容 .113. PLC 控制系统设计概要 .123.1设计的基本原则和内容 .123.2设
5、计的步骤和实现过程 .124 交通信号灯控制系统的硬件设计 .164.1交通灯毕业设计论文编程器件 .164.2交通信号灯的控制要求 .164.3交通信号灯的控制时序 .174.4PLC 硬件控制电路的设计 .184.4.1 PLC 的选型 .184.3.2 I/O 配置表 .184.3.3 PLC 控制电路接线图 .195 交通信号灯控制系统的程序设计 .215.1STEP7 编程软件的概述 .215.2交通信号灯程序设计过程 .215.2.1 PLC 的状态转移 .215.2.2 交通信号灯程序设计步骤 .225.3交通信号灯的 PLC 程序 .23结论 .26致谢 .27参考文献 .28
6、II基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计引言交通灯控制的改造 将把 PLC 控制技术应用到改造方案中去 从而更好的疏导交通。本文对 PLC 控制交通灯的工作过程作了详细阐述 论述了采用 PLC 控制交通灯的优越性交通信号灯的出现 使交通得以有效管制 对于疏导交通流量、提高道路通行能力 减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理 力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统 以及该系统软、硬件设计方法 实验证明该系统实现简单、经济 能够有效地疏导交通 提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状 结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理
7、给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的 PLC 设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要 广泛的应用于各个行业。随着科技的发展 可编程控制器的功能日益完善 加上小型化、价格低、可靠性高 在现代工业中的作用更加突出。1基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计1. 可编程控制器1.1 概述可编程控制器 Programmable Controller 是计算机家族中的一员 是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展 这种装置的功能已经大
8、大超过了逻辑控制的范围 因此 今天这种装置称作可编程控制器简称 PC。但是为了避免与个人计算机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程控制器简称 PLC。1.2 可编程控制器的简介1.2.1 PLC 的特点1 可靠性高 抗干扰能力强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
9、互继电器控制系统的 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被软件程序所取代 故寿命长 可靠性大大提高。2 通用性高 使用方便 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
10、变得非常容易。3 程序设计简单 易学 易懂 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采用先进的模块化结构 系统组合灵活方便2基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计以超小型 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 是实现机电一体化的理想控制设备。5
11、 安装简便 调试方便 维护工作量小 系统设计周期短 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。1.2.2 PLC 的应用目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业 使用情况大致可归纳为以下几个方面1 开关量的逻辑控制这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现逻辑控制、顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流
12、水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2 模拟量控制在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和数字量Digital之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块使可编程控制器用于模拟量控制。 3 运动控制PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说 早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界
13、上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机 PLC能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5 数据处理现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算、函数运算、逻辑运算 、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能 可以完成数据的采集、
14、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以利用通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统 如无人控制的柔性制3基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计造系统 也可用于过程控制系统 如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展工厂自动化网络发展得很快 各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能 纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口 通信非常方便。1.2.3 PLC 的分类1按 plc 的结构形式
15、分类整体式 模块式。2 按 plc 的 I/O 点数分类小型 256 点以下 中型 256 点以上 2048 点以下 大型 2048 点以上。 3 按 plc 功能分类 抵挡型 中挡型 高档型。1.2.4 PLC 的结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机 其硬件结构基本上与微型计算机相似。 PLC 按其结构形式可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。PLC 的基本结构框图如图 1
16、-1 所示。输中央处理单元接入CPU 板口接部口件部输件出图 1-1 PLC 基本结构框1.2.5 PLC 的工作原理1 输入采样阶段 在此阶段 顺序读入所有输入缎子通断状态 并将读入的信息存入内存 接着进入程序执行阶段 在程序执行时 即使输入信号发生变化 内存中输入信息也不变化 只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。2程序执行阶段 plc 对用户程序扫描。4基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计3 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕通过隔离电路 驱动功率放大器 电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。1.2.6 PLC 编程语言采用面向控制过程、面向问题、简单直观的 PLC
17、 进行编程 其编程语言常用的有梯形图、语句表、功能图等。1 梯形图由继电器控制逻辑演变而来 两者具有一定程度的相似性 但梯形图编程语言功能更强更方便。是使用最多的 PLC 图形编程语言。梯形图与继电器电路图很相似 具有直观易懂的优点 特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。触点电表逻辑输入条件 例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑运算的结果 常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图 并将它下载到 PLC。主要特点图由自上而下、从左到右的顺序排列 两列垂
18、直线为母线。每一逻辑行 起使左母线。梯形图中采用继电器名称 但不是真实物理继电器称为“软继电器”每个梯级流过的是概念电流 从左向右 其两端母线设有电源。输入继电器 用于接入信号 而无线圈 输入继电器 通过输入接入的继电器晶体及晶闸管才能实现。2 语句表语句表又叫指令表 它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言 用指令的助记符编程 由多条语句组成一个程序段 可以实现某些不能用梯形图或功能块图表示的功能。3 功能块图功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。即用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系 方框的左侧为逻辑运算的输入变量 右侧为输出变量输入、输出端的小圆圈表示“非”运算
19、方框被“导线”连接在一起 信号自左向右流动。例 下图是三菱公司的 FX2N 系列产品的最简单的梯形图例5基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计X000X001Y000X010图 1-2FX2N 产品系列梯形图它有两组 第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个 END 指令 用以 结束程序。梯形图与助记符的对应关系 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系 而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲 其顺序为 先输入 后输出 含其他处理 先上 后下 先左 后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为表 1-1FX2N 产品系列梯形图助记符地址指令变量0000LDX0000
20、001ORX0100002ANDX0010003OUTY0000004END反之根据助记符 也可画出与其对应的梯形图1.2.7 PLC 的基本指令1输入输出指令 LD/LDI/OUT下面把 LD/LDI/OUT 三条指令的功能、梯形图表示形式、操作元件以列表的形式加以说明6基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计表 1-2符号功能梯形图表示操作元件LD 取常开触点与母线相连X Y M T C,SLDI 取反常闭触点与母线相连X Y M T C,SOUT 输出线圈驱动Y M T C S,FLD 与 LDI 指令用于与母线相连的接点此外还可用于分支电路的起点。OUT 指令是线圈的驱动指令 可用于
21、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等 但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出 能连续使用多次。X000Y000表 1-3地址指令数据0000LDX000图 1-30001OUTY000表 1-4符号 名称功能梯形图表示操作元件AND 与常开触点串联连接X Y M T C,SANDI 与非常闭触点串联连接X Y M T C,SOR 或常开触点并联连接X Y M T C SORI 或非常闭触点并联连接X Y M T C S2 触点串连指令 AND/ANDI 、并联指令 OR/ORI AND、ANDI 指令用于一个触点的串联 但串联触点的数量不限 这两个指令可连续使用。OR、OR
22、I 是用于一个触点的并联连接指令。7基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计表 1-5X001 X002Y001地址指令数据0002LDX001X0030003ANDIX0020004ORX003图 1-40005OUTY0013电路块的并联和串联指令 ORB、ANB表 1-6符号 名称功能梯形图表示操作元件ORB 块或电路块并联连接无ANB 块与电路块串联连接无含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块” 串联电路块并联连接时 支路的起点以 LD 或 LDNOT 指令开始 而支路的终点要用 ORB 指令。ORB 指令是一种独立指令 其后不带操作元件号 因此 ORB 指令不表示触点 可以
23、看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接 应在每个并联电路块之后使用一个 ORB 指令 用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制 也可将所有要并联的电路块依次写出 然后在这些电路块的末尾集中写出 ORB 的指令 但这时 ORB指令最多使用 7 次。将分支电路 并联电路块 与前面的电路串联连接时使用 ANB 指令 各并联电路块的起点 使用 LD 或 LDNOT 指令 与 ORB 指令一样 ANB 指令也不带操作元件如需要将多个电路块串联连接 应在每个串联电路块之后使用一个 ANB 指令 用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制 若集中使用 ANB 指令 最多使用 7 次。8基于 P
24、LC 的十字路口交通灯控制系统设计ANX000X002X003Y006X001X004X005ORBX003X006图 1-5表 1-7地 址指 令数 据0000LDX0000001ORX0010002LDX0020003ANDX003000LDIX0044000ANDX0055000ORX0066000ORB74程序结束指令0008ANBENDORX0030009001OUTY00609基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计表 1-8符号 名称功能梯形图表示操作元件END 结束程序结束无4程序结束指令 END在程序结束处写上 END 指令 PLC 只执行第一步至 END 之间的程序 并立
25、即输出处理。若不写 END 指令 PLC 将以用户存贮器的第一步执行到最后一步 因此使用 END 指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时 可以将 END 指令插在各程序段之后 分段检查各程序段的动作 确认无误后 再依次删去插入的 END 指令。10基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计2. 设计的主要内容1 交通信号灯的控制要求 2 交通信号灯的控制时序 3 PLC 应将控制电路设计 4 交通信号灯程序设计过程 5 交通信号灯的 PLC 程序因为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
26、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 1。11基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计3. PLC 控制系统设计概要3.1 设计的基本原则和内容我们在学习了 PLC 的大量相关知识后 要能够把其运用在实际设计当中。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。所以我们首先要了解 PLC 控制系统的设计原则和内容。1PLC 控制系统设计的基本原则最大限度地满足被控对象的控制要求保证控制系统的高可靠、安全满足上面条件的前提下 力求使
27、控制系统简单、经济、实用和维修方便选择 PLC 时 要考虑生产和工艺改进所需的余量。 2 PLC 控制系统设计的基本内容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分配 I/O 设计电气接线图 考虑安全措施选择适合系统的 PLC设计程序调试程序 一个是模拟调试 一个是联机调试设计控制柜 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。验收、交付使用。3.2 设计的步骤和实现过程1 PLC 控制系统设计的一般步骤对于复杂的控制系统 最好绘制编程流程图 相当于设计思路设计梯形图程序输入 PLC 模拟调试 修改 直到满足要求为止现场施工完毕后进行联机调试 直至可靠地满足控制
28、要求编写技术文件交付使用。因为没有实际的操作实地及经验 所以只能用以书面形式的理论来表述。但我们在设计流程图时 也要遵循以下过程分析生产工艺过程根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备 分配 I/O选择 PLC设计 PLC 接线图以及电气施工图程序设计和控制柜接线施工。12基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计具体的设计步骤框图如图 3-1 所示。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设计控制柜编制程序清单输入程序并检查现场连接N调试满足Y联机调试NN满足编制技术文件交付使用图 3-1 控制系统设计步骤框图13基于 PLC 的十字路口交通灯控
29、制系统设计2PLC 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。输入采样阶段在输入采样阶段 PLC 以扫描工作方式按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 此时输入映像寄存器被刷新。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 输入映像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。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
30、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像寄存器中读出 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。对于元件映像寄存器来说 其内容会随程序执行的过程而变化。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
31、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像寄存器中输出 对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映像寄存器中。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
32、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14基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计成 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。15基于 PLC 的十字路口交通灯控制系统设计4 交通信号灯控制系统的硬件设计4.1 交通灯毕业设计论文编程器件一般情况下 X 代表输入继电器 Y 代表输出继电器 M 代表辅助继电器 SPM 代表专用辅助继电器 T 代表定时器 C 代表计数器 S 代表状态继电器 D 代表数据寄存器 MOV 代表传输等。4.2 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