PLC控制过街交通灯_毕业设计.doc

常州工程职业技术学院常州工程职业技术学院毕业综合课题（设计、论文）题目： 过街交通灯plc控制系统的设计 学院（系）： 自动化技术系 专业班级： 自动化0521 摘要：由于城市的交通拥挤问题日趋严重，因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。我们所做的设计是利用plc控制的过街交通灯模型，它利用译码器驱动数码管, 能够像现实生活中的过街交通灯一样运行工作，通过自动控制从而实现倒计时。关键字：plc交通灯控制系统、硬件设计、故障诊断。目 录第一章 概述31.1 交通灯控制系统的概述31.2 plc控制系统的概述3第二章 plc控制系统的设计应用52.1 plc控制系统的应用52.2 plc的特点62.3 plc交通灯控制系统的设计步骤7第三章 总体方案的设计113.1 技术要求113.2 总体方案的确定11第四章 硬件设计124.1 译码器的选择124.2 数码管的选择14第五章 软件设计155.1 译码电路的设计155.2 数码管电路的设计16第六章 调试176.1 初步调试176.2 现场调试17第七章 总结18致谢19参考文献1920第一章 概述1.1 交通灯控制系统的概述由于交通问题的日益严峻，人和车辆的矛盾也日益加剧，那么现在主要解决的问题就是交通系统的可靠性和功能性，其实就是交通灯的可靠运行的问题。可靠性是交通灯正常工作的基本要求（所以我们选择了使用plc来控制交通灯的运行），其中功能性是十分重要的，现在城市交通拥挤问题的严重，使交通的管理日益复杂，其中交通灯的角色是十分重要的，现在的交通秩序的维持主要是靠交通灯来实现的，加强交通灯的功能可以在一定程度上解决一些问题。我们的设计就是用plc控制过街交通灯，利用译码器驱动数码管, 通过自动控制从而实现倒计时。采用plc控制交通灯有很多好处，我们将在下面介绍它的优点。1.2 plc控制系统的概述自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（programmable logic controller，plc）取代传统继电器控制装置以来，plc得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，plc的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，plc在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的plc不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控制的首选产品，plc在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的plc年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和plc市场容量基数的不断扩大，近年来plc在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家plc的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球plc的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。plc是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的plc只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入plc的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。相同i/o点数的系统，用plc比用dcs，其成本要低一些（大约能省40%左右）。plc没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比dcs要低很多。一个plc的控制器，可以接收几千个i/o点（最多可达8000多个i/o）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用plc较为合适。plc由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。近10年来，随着plc价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用plc进行控制，plc在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内plc在我国仍将保持高速增长势头。通用plc应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但plc相对一般嵌入式控制器具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用plc或定制plc取代嵌入式控制器。plc发展到今天，已经形成了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，十字路口交通灯的控制也可以使用它来完成。除了逻辑处理功能以外，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。多种多样的功能单元大量涌现，使plc渗透到了位置控制、温度控制等各种工业控制中。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。第二章 plc控制系统的设计应用2.1 plc控制系统的应用目前，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) 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、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，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。plc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。plc是在继电器控制逻辑基础上，与3c技术(computer,control,communication)相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域，plc早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大，在国内外plc已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化的各行各业。2.2 plc的特点由于我们所做的设计主要是用plc控制的，所以在此介绍一下它的优点：1) 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用plc构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，plc带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除plc以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。由于在交通灯的运行环境比较恶劣，所以较高的可靠性是交通灯控制系统的首要选择条件，即使出现故障，也能在短时间内排除，实现交通灯的可靠运行。2) 配套齐全，功能完善，适用性强plc发展到今天，已经形成了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，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。多种多样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。完善的数据运算能力能确保交通灯控制系统的正常运行。3) 易学易用，深受工程技术人员欢迎plc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，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。4) 系统的设计，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，同时日常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而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。它的这一特点为过街交通灯的设计周期缩短了很多，同时也是很多人能够参与它的设计。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，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3 plc交通灯控制系统的设计步骤1) 系统设计与设备选型我们所要实现的是模拟过街灯的运行，需要输入1个点，输出21个点，fx2n48mr型号有24输出点，刚刚好，不需要扩展模块。由于我们只是用来控制红绿灯和数码管的运行，所以此系统不是很复杂，用三菱公司的fx2n48mr型号的plc来控制是可行的。2) i/o点的配制输入设备x000按钮1和按钮2输出设备y0-y3车道数码管十位y4-y7车道数码管个位y10车道绿灯y11车道黄灯y12车道红灯y13人行道红灯y14人行道绿灯y15-y20人行道数码管十位y21-y24人行道数码管个位表2-1 i/o点的配制3) 设计控制原理图plc控制原理电路图如图2-1所示，数码管的控制电路图如图2-2所示。图2-1 plc控制电路图图2-2 数码管的驱动电路图4) 程序写入plc。5) 编辑调试修改程序。6) 监视运行情况。在监视方式下，监视控制程序的每个动作是否正确。如不正确则返回步骤5，如果正确则做下一步。7) 运行程序。第三章 总体方案的设计3.1 技术要求通过此交通灯控制系统的控制，来实现以下现象：1) 按下人行道两边的任意一按钮，人行道上显示器从25秒开始倒计时，同时机动车道的显示器也开始从22秒倒计时，此期间人行道红绿灯为红灯，车辆交通灯为绿灯。2) 22秒后，机动车辆交通灯由绿灯变为黄灯，并且黄灯闪烁三秒（每秒闪烁一次），同时人行道红绿灯还是为红色。3) 在机动车道黄灯闪烁三秒后，机动车道红绿灯变为红色，人行道红绿灯变为绿色，等候的人们开始过街。这时，机动车道的显示器从22秒开始倒计时，人行道显示器从25秒开始倒计时。4) 22秒后，人行道交通灯由绿灯变为黄灯，并且黄灯闪烁三秒（每秒闪烁一次），同时机动车道交通灯还是红色。三秒后人行道为红灯，机动车道为绿灯。直到有人再次按下按钮为止,开始重复上面的步骤。5) 此毕业设计设计的最终目的是设计制作出一个用plc控制的人行道过街灯模型,使其能像真实的交通信号灯一样工作，实现自动控制。 3.2 总体方案的确定实现过街灯的控制有多种方法，plc、电器和微机都能实现交通灯的控制，但是他们的特性都没有plc优良。下面是此三方案的比较：1) plc最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”，用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。实现成本低，范围广，高速率plc能够提供高速的传输。便捷，稳定，抗干扰能力强。plc采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。plc是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。plc用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。2) 继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。3) 微机控制系统抗干扰能力较差，对工作要求较高，设计研制周期较长，由于交通灯的工作环境比较恶劣，由于时间的限制设计微机控制系统周期太长。所以，不适合用微机控制系统实现交通灯的控制。鉴于以上三方案的比较，plc控制系统运行速度快、特性优良，因此本选择plc来控制。第四章 硬件设计4.1 译码器的选择译码器的种类很多，但它们的工作原理和分析设计方法大同小异，其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型，使用十分广泛的译码电路。译码器是典型的组合数字电路，译码器是将一种编码转换为另一种编码的逻辑电路，学习译码器必须与各种编码打交道。从广义的角度看，译码器有四类：1) 二进制码译码器，也称最小项译码器，n中取一译码器，最小项译码器一般是将二进制码译为十进制码；2) 代码转换译码器，是从一种编码转换为另一种编码；3) 显示译码器，一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码，并通过显示器件将译码器的状态显示出来。4) 编码器，一般是将十进制码转换为相应的其它编码，其实质与代码转换译码器一样，编码是译码的反过程。下图为译码器逻辑图，请按图进行连线。其中a，b，c，d接拨号开关，a，b，c，d，e，f，g接数码显示接口，管脚映射均为i/o口，映射后，通过拨号开关改变输入二进制码，则输出数码管上显示相应的数值。图4-1 七段译码器逻辑图我们选择的译码器是74ls48型号的，其工作原理与上面说的是一样的，它的真值表如表4-1所示：图4-2 bcd-七段译码器驱动器74ls48引脚功能表七段译码驱动器功能表十进数或功能输入bi/rbo输出备注/tdltrbid c b aabcdefg0hh0 0 0 0h111111011hx0 0 0 1h01100002hx0 0 1 0h11011013hx0 0 1 1h11110014hx0 1 0 0h01100115hx0 1 0 1h10110116hx0 1 1 0h00111117hx0 1 1 1h11100008hx1 0 0 0h11111119hx1 0 0 1h111001110hx1 0 1 0h000110111hx1 0 1 1h001100112hx1 1 0 0h010001113hx1 1 0 1h100101114hx1 1 1 0h000111115hx1 1 1 1h0000000bixxx x x xl00000002rbihl0 0 0 0l00000003ltlxx x x xh11111114表4-1 74ls48引脚功能表七段译码驱动器功能表4.2 数码管的选择我们选用的数码管的型号是sm42052（图4-3所示），因为我们要实现的倒计时是一个两位的数为了方便倒计时的实现和美观，所以选用此型号。如图2所示为它的控制原理电路图。图4-3 sm42052数码显示器第五章 软件设计5.1 译码电路的设计继电器的常闭触点5v电源继电器的常开触点译码器图4-4 译码电路图图4-5 译码驱动电路实物图图4为此设计的译码电路图，图4-5为译码电路实物图，通过plc驱动继电器来控制继电器的常开和常闭触点，从而控制译码器管脚的电平的高低。5.2 数码管电路的设计本设计中用的数码电路就是为了来实现过街灯中的倒计时。用译码器来驱动数码管，从而实现数字的显示。如图2所示，给译码器加上5v的电源，它的其他功能端是由继电器的常开触点控制的，而继电器的线圈是连接在plc的输出端的，只要线圈得电，常开触点闭合译码器开始工作。译码器的输出端连接的是七段码显示器，显示器所需要的电压很小，所以要在译码器的输出端加上电阻以达到分压的作用。第六章 调试为了使控制系统满足设计要求，在连接好电路时要经过反复调试使其能够正常工作，所以，调试一般可分为两个步骤，初步调试（也可叫模拟调试）和现场调试。6.1 初步调试当我们自己用发光二极管做好交通灯模型时，要检测其能不能正常发光，如果不能正常发光，则其中有可能没焊好，还有可能是因为二极管坏了。由于我们是用十二个发光二极管串联的，为了预防由于一个二极管损坏而要检查所有的二极管的麻烦，我们在焊接前就要检查所用的二极管是否正常。首先我们用现有的24v电源来检查发光二极管是否正常，因为二极管是串联的并且每个二极管分压2v，所以用24v电压正好满足。其次，为了实现倒计时，指导老师给我们选用的是sm42052编码器，但是我们都不知道它的管脚图，所以要我们自己来测试。我们只知道它是共阴极的，所以首先要测出来它的电源管脚，然后逐个测试其他管脚的作用，并且记录下来。在测试的时候由于不知道它的额定电压是多少，我们选用的5v电源还是高了，结果烧坏了好几个数码管，最后我们串联了一个300欧姆的电阻才可以。接下来是译码器的调试，我们选用的是74ls48型号的译码器，是在数字逻辑实验箱上来测试它的特性的，由于上次烧坏了两个数码管，我们吸取了教训，不敢再用好的数码管实验了，就用了上次烧坏的那两个，我们在查找资料的时候找到了一张关于此译码器的连接电路图，可是结果我们连接好电路的时候却不能实现我们预期的目的，最后经过我们的测试原来那张图是错误的，不是把1千欧的电阻并联在译码器的输出端，而是应该串联在它的输出端。6.2 现场调试等我们把所有的硬件都安装上了以后，就可以现场调试了。首先要把plc连入电脑再把编写好的程序写入plc，经过运行出现了一些问题。当到计时该到19秒时，它不显示19，而是显示39，可是当我们演示了几遍之后，有时候显示19，可是有的时却又来回跳动显示。我们判定一定是控制车道数码管显示器十位出现了问题。我们判定有可能是接触不良的原因。于是我们又重新焊了一遍控制车道十位上的译码器的管脚，结果还是不行，接着又检查了一遍其他的连接线，故障还是有。因为译码器是通过继电器的再和数码管连接的，所以我们又检查了各个继电器的线圈、常开合常闭触点，最后发现有个继电器的常闭触点没有接通，这个继电器就是用来控制车道十位上数字变化的。换了一个新的以后就可以了。换过以后又演示了几遍，新的问题又出现了，有的时候却只出现奇数，经过我们的观察又有一个继电器接触不好，所以又换了一个才正常工作。我们的程序还有点问题，和老师的规定有一些不同，所以我们又把程序改了，直到符合要求为止。第七章 总结这次的设计使我真正懂得了怎样实现交通灯的自动控制，通过将近一个月时间的设计到成品的制作成功，除了数码管的选择以外，我们所选用的制作材料都是比较符合实际要求的，其中plc的选择是很重要的，因为它的特性优良，能够在恶劣的环境下正常工作，如温度高、湿度大、金属粉尘多，距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等，此外，plc的无故障工作时间长，最多可达几十万小时以上，这是选择它的首要条件，它还有一个很重要的条件，就是使用控制简单，能够被更多的人接受，这样就实现了产品大众化。实际的倒计时显示器当然不是用我们所使用的数码管，实际的显然也比我们用的大的多，为了更好的使人看到时间倒计时，灯光上也要有许多注意的地方。虽然我们的毕业设计能够实现我们预期的效果，但是还有许多不足的地方，其中就是继电器的选择，继电器是非常容易损坏的，且使用寿命短，另一个不足的是数码管的管脚容易损坏。本课题使我们进一步巩固和加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握，培养我们综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力。使我们对plc控制系统有了一定的了解，亲身体会了plc交通灯控制系统的成品制作，并在实践过程中学到了很多东西。近几年来，随着交通的拥挤，自助式人行道过街灯必将流行起来，为广大人民群众带来了便利。随着各种控制系统的发展，交通灯的控制将越来越容易实现，自助式人行道过街灯将向着智能化的趋势发展。致谢本论文是在祝骅老师的悉心指导下完成的。祝老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在祝老师的指导下完成的，倾注了祝老师大量的心血。在此，谨向祝老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！感谢王老师、佘老师、邓老师、金老师等对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。常州工程职业技术学院颜院长、自动化系邓主任、张书记、王老师、祝老师等老师为我提供了良好的设计条件，谨向各位同仁表示诚挚的敬意和谢忱。在三年的学习期间，感谢我的同学程增桥、杨敏、王增进、赵恒林、张松伟、苗争艳、黄贵银等对我生活和学习的帮助。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的毕业论文的，愿同窗之间的友谊永远长存。感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年了，仿佛就在昨天。只是今后大家就难得再聚，没关系，各奔前程，大家珍重。但愿来自江西的曾国明工作顺利，平平安安，跟我一样留在常州的张增增，叶浩都前程似锦，快快乐乐，也愿离开我们寝室的时候开开心心。我们在一起的日子，我会记永远记得。参考文献1、城市交通的智能控制系统综述 陈建平， 房海蓉， 胡准庆