基于PLC交通灯控制毕业论文

扬州大学毕业设计题目基于PLC交通灯控制系别专业班级姓名孙行知学号指导教师日期2017年3月设计任务书设计题目：基于PLC的交通灯控制设计要求：设计一个用PLC控制的十字路口交通灯的控制系统，其控制要求如下：按一下启动按钮，信号灯系统按图所示要求开始工作，按一下停止按钮，所有信号灯熄灭，如图1.0所示。图1.0交通灯自动运行的动作要求设计进度要求：第一周：选定毕业设计题目；第二周：收集和查找相关资料；第三周：硬件的分析和设计；第四周：软件的分析和编译程序；第五周：上机调试并验证结果；第六周：撰写毕业设计论文；第七周：定稿毕业设计论文；第八周：准备毕业答辩。指导教师（签名）：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，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统应用于交通管理中，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特别是由PLC实现的控制系统，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，结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，可方便地设置定时时间，编程容易，功能扩展方便，修改灵活等，并且有完善的自诊断和显示功能，维修工作极为简单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。关键词：交通灯，PLC，程序，设计目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 II1PLC的特点及应用 11.1概述 11.2PLC的基本结构 21.3PLC的特点 31.4PLC的工作原理 41.5PLC的主要性能指标 42硬件设计 62.1CPU226介绍 62.2主机CPU及扩展模块的选择 102.3控制系统I/O分配表 112.4系统接线图 113软件设计 133.1功能指令介绍 133.2PLC交通灯的控制梯形图设计 154系统调试 304.1硬件调试 304.2软件调试 30结论 32致谢 331PLC的特点及应用1.1概述可编程控制器（ProgrammableController）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（ProgrammableLogicController），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（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。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如下几类。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.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、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造系统；也可用于过程控制系统，5.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。1.2PLC的基本结构PLC可编程序控制器主机的硬件电路由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、电源等五部分组成。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.中央处理器CPU是可编程序控制器的控制中心，在系统监控下工作，承担将外部输入信号的状态写入输入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU；大型PKC的CPU多采用位片式结构，具有高速数据处理能力。2.存储器 可编程序控制器的存储器由只读存储器ROM和随机存储器RAM两大部分构成。只读存储器ROM用以存放系统程序；中间运算数据和用户程序存在随机存储器RAM中，断电时，中间运算数据和用户程序保存在只读存储器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。3.基本I/O接口电路1)输入接口单元PLC内部输入电路的作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至PLC内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1s~15ms之间。多数PLC的输入接口单元都相同，通常有两种类型。一种是直流输入；另一种是交流输入。2)输出接口单元PLC输出电路用来将CPU运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。PLC输出电路结构形式分为继电式、晶体管式和晶闸管输出型三种。3)公共端点通常将一组PLC输入/输出电路公共端与PLC内部连在一起，以减少PLC外部接线。比如PLC一般以3、4个输出接点为一组，在PLC内部连成一个输出公共端，公共端点之间是绝缘隔离的。分组后，不同组的负载可以采用不同的驱动电源。4.接口电路PLC接口电路分为I/O扩展接口电路和外设通信接口电路两大类。1)I/O扩展接口电路I/O扩展电路用于连接I/O扩展单元，可以用来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。I/O扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。2)外设通信接口电路外设通信接口电路用于连接手持编程器、其他图形编程器和文本显示器等，并能组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡同通过RS-485接口与电缆和计算机连接可以实现编程、监控、联网等功能。5.电源PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（5V直流）。当输入端子为非干接点（无源接点）结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入端子使用）。1.3PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强；2.通用性高，使用方便；3.程序设计简单，易学，易懂；4.采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；5.系统设计周期短；6.安装简便，调试方便，维护工作量小；1.4PLC的工作原理扫描工作方式PLC的工作原理和计算机的工作原理基本上一致。但是工作方式有所不同，计算机采用的是等待命令的工作方式，而PLC采用循环扫描的工作方式。PLC有运行（RUN)与停止（STOP)两种工作方式。处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。当处于运行工作模式时，PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、执行程序和输出处理的操作，然后按上述过程循环扫描工作。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，也可以说PLC是“串行”工作的，这种传统的继电器控制系统“并行”工作有本质的区别，PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。1.5PLC的主要性能指标可编程控制器的种类很多，用户服务可以根据控制系统的具体要求选择不同技术性能指标的PLC。可编程控制器的技术性能指标主要有以下几个方面：1.I/O点数可编程控制器的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和，又称主机的开关量I/O点数。它是描述PLC大小的一个重要参数。2.存储容量PLC的存储器由系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器三部分组成。PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是系统性能的一项重要技术指标。3.扫描速度可编程控制器采用循环扫描工作方式。扫描速度与周期成反比。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。4.指令系统指令系统是指PLC所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。5.可扩展性小型PLC的基本单元（主机）多为开关量I\O接口，各厂家在PLC基本单元的基础上大力发展模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等智能扩展模块。智能扩展模块的多少及性能也已成为衡量PLC产品水平的标志。6.通信功能 通信有PLC之间的通信和PLC与计算机或其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块、通信协议和通信指令等内容。PLC的组网和通信能力也成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。2硬件设计2.1CPU226介绍S7--200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，CPU21X系列PLC现在已经很少用，CPU22X系列PLC用得较多，CPU22X型PLC有CPU222、CPU224、CPU226四种基本型号。CPU226具有24输入、16输出，共计40个数字量I\O点，13KB程序和数据存储空间。可以连接7个扩展模块，最大扩展248路数字量I\O或35路模拟量I\O点，也有高速计数和高速输出端，同时增加了通信口的数量，使其通信能力大大增强。1.CPU226系统的外形结构中各部分的名称及作用1)输入端子。输入24点共26个接线端子，名称为I0.0--I0.7、I1.0--I1.7、I2.0--I2.7和公共端子1M、2M。用于连接主令信号及检测信号，如启停按钮、行程开关、传感器等，与PLC内部的输入位存储器相对应。2)传感器电源端子。接线端子两个，名称为24V、0V，是PLC提供给传感器的电源。3)输入状态指示灯。当输入信号由0变1后对应指示灯亮。4)状态指示灯。PLC状态指示灯用于显示电源、运行、停止等。5)通信口。用于通过通信电缆与上位计算机、其它PLC、变频器或自控仪表连接。6)输出状态指示灯。用于显示输出信号的工作状态。7)PLC工作电源输入端。电源输入端接线端子3个，名称为L+、M、COM。输入为110--240V的交流电。8)输出端子。输出16点共19个接线端子，名称为Q0.0--Q0.7、Q1.0--Q1.7和公共端1L、2L、3L。用于连接被控对象，如接触器、电磁阀、信号灯等。与PLC内部的输出位存储器相对应。9)扩展模块。当PLC本身的点数不够用时，可通过扩展接口连接扩展模块来完成不同的任务，如数字量和模拟量控制模块。10)存储器卡。该卡位可以选择安装扩展卡。如EEPROM存储卡、电池和时钟卡。2.CPU226的主要技术指标PLC的交通控制系统的主要技术指标如表2.1。表2.1主要技术指标外形尺寸\mm190\80\62程序\W4096用户数据\W2560用户存储器类型EEPROM本机I\O点数24入16出扩展模块数量7数字量I\O映象区大小\bit256模拟量I\O映象区大小\bit32入32出I\O映象寄存器\bit128I\128Q内部继电器\bit256计数器\定时器256\256顺序控制继电器\bit2563.数据存储区及元器件功能1)输入继电器（I）每个输入继电器都有一个PLC的输入端子对应，它用于接收外部的开关信号。当外部的开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中其常开触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。在每个扫描周期的开始，PLC对个输入点进行采样，并把采样值送到输入映像寄存器。PLC在接下来的扫描周期各阶段不在改变输入映像寄存器中的值，直到下一个扫描周期的输入采样阶段。2)输出继电器（Q）每个输出继电器都有一个PLC的输出端子对应。当通过程序使得输出继电器线圈得电时，PLC主机上的输出端开关闭合，他可以作为控制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。在每个扫描周期的输入采样、程序执行等阶段，并不把输出结果信号直接送到输出继电器，而只是送到输出映像寄存器，只有在每个扫描周期的末尾才将输出映像寄存器中的结果信号几乎同时送到输出锁存器，对输出点进行刷新。3)通用辅助继电器（M)通用辅助继电器如同继电器控制系统中的中间继电器，在PLC中没有输入、输出端与之对应，因此通用辅助继电器的线圈不直接受输入信号的控制，其触点不能驱动外部负载，外部负载必须由输出继电器的外部硬接点来驱动。辅助继电器的常开常闭接点在PLC的梯形图中可以无限次自由使用。4)特殊标志继电器（SM)有些辅助继电器具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息。用户可以通过特殊标志位来沟通PLC与被控程序实现一定的控制动作，用户也可以通过直接设置某些特殊标志位来使设备实现某种功能。例如：SM0.0当PLC处于运行状态时，该位置1SM0.5提供0.5S高电平0.5S低电平，呈现方波，及占空比为50%。5)顺序控制继电器（S)顺序控制继电器就是根据顺序控制的特点和要求设计的。顺序控制继电器区是S7--200CPU为顺序控制继电器的数据而建立的一个存储区，用S表示。在顺序控制过程中，用于组织步进过程的控制。可以按位、字节、字、双字四种方式来存取。6)定时器（T)定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同。使用时要提前输入时间预设值。当定时器的当前值达到预设值时，他的常开触点闭合，常闭触点断开，利用定时器的触点就可以得到控制所需要的延时时间。7)计数器（C）计数器用来累计输入脉冲的次数。它是应用非常广泛的编程元件，经常用来对产品进行计数或进行特定功能的编程。使用时要提前输入他的设定值。当输入触发条件满足时，计数器开始累计他的输入端脉冲电位上升沿的次数，当计数器计数达到设定的设定值，其常开触点闭合，常闭触点断开。4.CPU226编程元器件的有效范围PLC的交通控制系统的编程元器件的有效范围如表2.2。表2.2编程元器件表的有效范围用户程序大小\KW4用户数据大小\KW2.5输入映象寄存器I0.0--I15.7输出映象寄存器Q0.0--Q15.7位存储器MM0.0--M31.7特殊存储器SMSM0.0--SM179.7定时器范围T0--T255记忆延迟1msT0，T64记忆延迟10msT1--T4，T65--T68记忆延迟100msT5--T31，T69--T95接通延迟1msT32，T96接通延迟10msT33--T36，T97--T100接通延迟100msT37--T63，T101--T255计数器C0--C255顺序控制继电器S0.0--S31.7字节存取VB0--5119IB0--15QB0--15MB0--31SMB0--179SB0--31LB0--63AC0--3字存取VW0--5118IW0--14QW0--14MW0--30SMW0--178T0--255C0--255LW0--62AC0--32.2主机CPU及扩展模块的选择经综合价格，性能考虑，应参照主机类型表2.3，根据设计要求有2个输入端及22个输出端的需要，设计中主机选用CPU226，CPU226的输入输出端点比较多，共有I0.0-2.7共24个输入，Q0.0-Q1.7共16个输出点。CPU226的24个输入点可以满足本设计中2个输入点的需求，但是16个输出点不能满足本设计22个输出点的需求。表2.3主机类型表型号主机输入点数主机输出点数可扩展模块数最大扩展电流/mACPU22164无0CPU222862340CPU22414107660CPU226241671000根据本设计输出端口、电流流量的需求及价格比较，可选扩展模块如表2.4，经比较后在设计中选用了1个8输出端口电流为50mA的EM222扩展模块。表2.4扩展模块表分类型号I/O规格功能及用途价格（元）数字量扩展模块EM221DI8*直流24V8路数字量24V直流输入698.99EM222DO8*直流24V8路数字量24V直流输出（固态MOSFET）830.05DO8*继电器8路数字量继电器输出961.11EM223DI4/DO4*直流24V继电器4路数字量24V直流输入4路数字量继电器输出847.53DI8/DO8*直流24V8路数字量24V直流输入.输出（固态）1240.71DI8/DO8*直流24V继电器8路数字量24V直流输入8路数字量继电器输出1328.08DI16/DO16*直流24V16路数字量24V直流输入.输出（固态）2420.26DI16/DO16*直流24V继电器16路数字量24V直流输入16路数字量继电器输出2612.482.3控制系统I/O分配表PLC的交通控制系统的I/O端口分配如表2.5。表2.5I/O端口分配表I0.0启动按钮Q0.4南北向红灯I0.1停止按钮Q0.5南北向绿灯Q0.0东西向红灯Q0.6南北向黄灯Q0.1东西向绿灯Q0.7南北向左转Q0.2东西向黄灯Q1.0--1.7数码管abcdefg（个位）Q0.3东西向左转Q2.0--2.7数码管abcdefg（十位）2.4系统接线图根据系统要求和所需要的硬件，系统数字量输入点总计2个点，输出点总计22个点。综合考虑到系统的性价比和系统的可扩展性，输入、输出点留出一定的富裕量，因此PLC选择SIEMENS的S7-200系列的CPU226继电器输出型和数字量扩展模块EM222，输入、输出端子电气接线图如下图2.1所示。图2.1系统硬件连接图3软件设计3.1功能指令介绍在设计中我所使用的功能数据转换指令、七段显示译码指令、字节与字整数之间的转换、TON定时器、循环右移指令、减计数器（CTD）具体如下。1.数据转换指令BCD码转换指令如图3.1所示，此指令作用是当使能输入有效时，将整数输入数据IN转换成BCD码类型，并将结果送到OUT输出。图3.1BCD码转换指令2.七段显示译码指令七段显示译码指令如图3.2所示，此指令作用是当使能输入有效时，将字节型输入数据IN的低四位有效数字产生相应的七段显示码，并将其输出到OUT指定的单元图3.2七段显示译码指令3.字节与字整数之间的转换字节与字整数转换指令图如图3.3所示，此指IN转换成字节类型，并将结果送到OUT输出。图3.3字节与字整数转换指令4.通电延时型定时器通电延时型定时器如图3.4所示，此指令作用IN端为输入端，用于连接驱动定时器线圈的信号；PT端为设定端，用于标定定时器的设定值。当连接于IN端的触点闭合时，定时器开始计时，当前值逐渐增长；当累积时间达到设定值PT时，定时器的状态被置1（线圈得电），动合触点闭合，当连接于IN端的触点断0（线圈失电）。图3.4通电延时型定时器5.循环右移指令循环右移指令如图3.5所示，此指令作用当使能输入有效时，字节、字、或双字节IN数据循环右移N个位后，将其结果输出到OUT所指定的存储单元中，并将最后一次移出位送SM1.1。图3.5循环右移指令6.减计数器（CTD）减计数器指令如图3.6所示，此指令作用当使能输入(LD)有效时，计数器把预置值（PV）装入当前值存储器，计数器状态位复位（置0）。当CD端每一个输入脉冲上升沿来时，减计数器的当前值从预置值开始递减计数，当前值等于0时，计数器状态位置位（置1），停止计数。图3.6减计数器3.2PLC交通灯的控制梯形图设计PLC交通灯的控制的程序梯形图如图3.7所示。本程序简洁易懂、便于修改、使用性强、条理性强。图3.7PLC交通灯的控制的程序梯形图4系统调试4.1硬件调试根据电气接线图安装接线，PLC实际接线时，还应考虑到以下几个方面：1.应有电源输入线，通常为220V、50HZ交流电源，允许电源有一定的浮动范围。并且必须有保护装置，如熔断器等。若是干扰较强或对可靠性要求很高的场合，应在PLC的电源输入端加装带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。2.输入端子八个为一组，公用一个COM端。PLC应单独接地，不要和其他电器元件共用接地线，接地线面积应大于2mm²，并尽可能靠近PLC。3.PLC输出端接有线圈和电磁阀等感性元件时必须加保护电路，例如并接阻容吸收回路（对于交流电源）或续流二极管（对于支流电源）。4.2软件调试用编程工具将用户程序输入计算机，经过反复编辑、编译、下载、调试、运行，直至运行正确。打开梯形图编辑器将程序输入电脑。程序输入完成后，用CPU的下拉菜单或工具条中编译快捷按钮对程序进行编译，编译后在显示器下方的输入窗口显示编译结果，并能明确的指出错误的网络段，可以根据错误的提示对程序进行修改，然后再编译，一直到编译无误。程序编译成功后，单击标准工具条中下载快捷按钮打开文件菜单，选择下载项，弹出对话框，经选定程序块、数据块、系统块等下载内容后，按确认按钮将选中内容下载到PLC的存储器上。当PLC工作方式开关在TERM位置时还可用STEP—MICRO/WIN32的菜单命令或快捷按钮都可以对CPU工作方式进行软件设计。使用程序编辑器还可以在PLC运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据，打开调试菜单选中程序状态。这时闭合触点和通电线圈内部颜色变蓝。在PLC的运行工作状态随输入条件的改变定时及计数过程的运行，每个扫描周期的输入阶段将各个期间的状态刷新，同时还可以动态显示各个定时与计数器的当前值，以便在线动态观察程序的运行，出现错误易于发现更改。在STOP状态下对程序进行修改编辑，重新编译、下载、监视运行，如此反复修改调试，直到得到正确运行结果。在最初的调试过程中因为所选用的主机扩展模块无法提供，所以我们把数码显示倒计和交通灯的闪亮分开来调试，在大二学习PLC课程时，交通灯的闪亮我们曾做过课程设计所以这部分并没有花太多的时间。在调试数码管倒计显示时遇到的困难就比较大了，在最初写程序时因为没有分析清楚七段显示译码指令输出的是字节还是字，结果在调试时根本无法成功的下载，编译中有一错误总是修正不过来，后来经过老师和同学的帮忙后，才算是把错误找出来准确的修改了。数码管倒计刚开始的初值本应是在减计数器中所赋予的初值显示，但在程序循环执行第一遍后，之后所送的初值显示都会比原来的值少1。所以又经过重新修改程序后循环才出现理想状态。结论本系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对交通灯的控制。利用梯形图程序可以很直观的看出运行过程。利用可编程控制器控制交通灯，具有