毕业设计（论文）-交通灯PLC控制系统.doc

1 概述1.1 概述 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。 不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。 单片机控制系统设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，所以使用可编程控制器，其主要原因是因为plc具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。 本设计介绍了应用plc实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对plc控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。1.2 系统设计内容及要求 1.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。 2.控制对象有八个： 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。 3控制规律： （1）高峰时段、正常时段及晚上时段的时序分配按图1运行。 图1 各时段运行分配时序图 （2） 高峰时段按图2运行。 图2 高峰时段运行时序图 （3） 正常时段按图3运行。图3 正常时段运行时序图 （4） 晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。 4设计任务 （1）根据控制要求设计程序及必要的硬件系统。 （2）plc选择及i/o及其它plc元器件分配。 （3）选择电器元件，编制元件目录表。 （4）绘制梯形图。 （5）用计算机绘制主电路图、plc控制电路图、电器元件布置图。 （6）编写设计说明书及设计小结。2 plc的介绍2.1 plc的基本知识 可编程逻辑控制器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。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的plc以及同一家生产的不同型号的plc其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。如图4所示，plc的主机由微处理器（cpu）、存储器（eprom、rom）、输入/输出模块、外设i/o接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍plc各组成部分及作用。编程器输出电路输入电路中央处理器（cpu）系统程序存储器用户程序存储器电源 图4 plc硬件结构组成框图2.2 plc的组成部分及作用plc专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由cpu、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。1.中央处理器(cpu)中央处理器(cpu)一般由控制器运算器和寄存器组成。它们都集成在一个芯片内，cpu通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。用户程序和数据事先存入存储器中，当plc处于运行方式时，cpu按循环扫描方式执行用户程序。2.存储器plc的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。(1)系统存储器 系统存储器是指用来存放plc的系统程序的存储器，它由plc生产厂家编写并固化在rom内，用户不能直接更改。(2)用户存储器用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的plc编程语言编写的各种用户程序。3.输入/输出接口单元plc的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。4. 扩展接口和通信接口plc具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是plc的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。(2)通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，plc或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。5.电源部分plc一般使用220交流电源，内部的开关电源位于plc的中央处理器、存储器等中。电路提供5v、12v、24v等直流电源使plc能正常工作。6.编程设备编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。7.其他部件有些plc还可以有errom写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强plc的存储容量和扩展功能。2.3 plc的工作原理当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。1.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，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.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。在程序执行的过程中如果使用立即i/o指令则可以直接存取i/o点。即使用i/o指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。3.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。3 plc控制系统设计3.1 十字路口交通灯的原理3.1.1 十字路口交通灯的原理分析及示意图如图5是十字路口交通信号灯示意图，本系统的控制对象有八个，分别为东西方向红灯两个，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。本控制系统律分为高峰时段和正常时段进行控制，晚上时段按提示敬告方式运行。 图5 十字路口交通信号灯的示意图 3.1.2 时序分析正常时段(6:30-7:00；8:15-16:30；19:00-21:00)：南北绿灯亮维持25秒，闪烁5秒后南北黄灯亮5秒，然后熄灭，同时南北红灯亮，东西左转弯绿灯亮5秒闪烁5秒后，东西方向绿灯亮，同时东西方向红灯熄灭，25秒后东西方向绿灯闪烁5秒后熄灭，东西黄灯亮5秒后熄灭，同时东西方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮同时南北方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮5秒闪烁5秒后熄灭，同时南北绿灯亮。高峰时段（7:00-8:15；16:30-19:00）：南北绿灯亮维持30秒，闪烁5秒后南北黄灯亮5秒，然后熄灭，同时南北红灯亮，东西左转弯绿灯亮5秒闪烁5秒后，东西方向绿灯亮，同时东西方向红灯熄灭，20秒后东西方向绿灯闪烁5秒后熄灭，东西黄灯亮5秒后熄灭，同时东西方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮同时南北方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮5秒闪烁5秒后熄灭，同时南北绿灯亮。 晚间时段（21:00-6:30）：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。 3.2 plc硬件选择 fx2n系列plc是三菱公司fx系列中性能优越的小型plc，除了输入/输出独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接、运动控制、闭环控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的、性价比较高的plc。由于本设计所使用的i/o接口并不是很多，所以我采用的是三菱fx2n-16mr型plc，它的i/o接口总数为16，8个漏型输入接口，8个继电器型输出接口，使用的电源是dc24v。它可对东西南北的红、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。控制过程中采用顺序控制设计法用多个定时器和计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制，根据交通信号灯的亮灭规律，可用plc编程对其实行自动控制。晚上时段黄灯按一定规律亮灭循环，可先用定时器控制其亮灭，再用计数器控制其循环。高峰时段与正常时段可先选时序图中的90s为一个周期，用定时器与计数器先实现一个周期的循环。3.3 plc硬件接线及i/o端口分配3.3.1 i/o 分配 通过学习可知道x代表输入继电器，y代表输出继电器。表1为plc外接分布。 表1 i/o接口分布表输入信号输出信号启动按钮sb1x0东西方向红灯hl1、hl2y0停止按钮sb2x1东西方向黄灯hl3、hl4y7东西方向绿灯hl5、hl6y6东西方向左转绿灯hl7、hl8y5南北方向红灯hl9、hl10y4南北方向黄灯hl11、hl12y3南北方向绿灯hl13、hl14y2南北方向左转绿灯hl15、hl16y1 3.3.2 其他器件分配m代表辅助继电器，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。分配表如表2。表2 t、m、s等器件分配表名称代码功能作用数据寄存器dd200存放修改数据300/250数据寄存器dd201存放修改数据200/250数据寄存器dd3 d4 d5存放读入的时分秒数据寄存器dd20 d21预存6:30数据寄存器dd30 d31预存7:00数据寄存器dd40 d41预存8:15数据寄存器dd50 d51预存16:30数据寄存器dd60 d61预存19:00数据寄存器dd70 d71预存21:00中间辅助继电器mm3 m11统计出两段晚间期中间辅助继电器mm6 m9统计出两段高峰期中间辅助继电器mm4 m7 m10统计出三段正常期中间辅助继电器mm20控制晚间期中间辅助继电器mm21控制正常期中间辅助继电器mm22控制高峰期中间辅助继电器mm100控制子程序开启定时器tt0/t1、t2东西方向左转绿灯5s/闪5s定时器tt3/t4、t5东西方向绿灯d200s/闪5s定时器tt6东西方向红灯/黄灯亮5s定时器tt7/t8、t9南北方向左转绿灯5s/闪5s定时器tt10/t11、t12南北方向绿灯d201s/闪5s定时器tt13南北方向黄灯亮5s定时器tt14/t15晚间0.4/0.6闪烁3.3.3 硬件接线 根据信号灯的控制要求，所有的器件有：三菱fx2n系列plc、起动按钮sb1、停止按钮sb2、红黄信号灯各4只、绿色信号灯8只。由图6可见：起动按钮sb1接于输入继电器x0端，停止按钮sb2接于输入继电器x1端，东西方向的绿灯hl5、hl6接于输出继电器y6端，东西方向黄灯hl3、hl4接于输出继电器y7端，东西方向的红灯hl1、hl2接于输出继电器y0端，东西方向左转绿灯hl7、 hl8接于输出继电器y5端，南北方向绿灯hl13、hl14接于输出继电器y2端，南北方向的黄灯hl11、hl12接于输出继电器y3，南北方向红灯hl9、hl10接于输出继电器y4，南北方向左转绿灯hl7、hl8接于输出继电器y1端。将输出端的com1及com2用导线相连，输出端的电源为交流220v。如果信号灯的功率较大，一个输出继电器不能带动两只信号灯，可以采用一个输出点驱动一只信号灯，也可以采用输出继电器先带动中间继电器，再由中间继电器驱动信号灯，当然实验中可以驱动信号灯进行仿真。 图6 plc硬件接线4 程序设计4.1 总程序设计流程 开始 循环运行读取时钟参数 判断时间段并标 记 n n y y y 正常时段时序晚间时段时序高峰时段时序结束 图7 主程序流程图4.2 时间段判断程序本段程序为时段的判断程序，通过运用时钟读取指令，将时间参数读到以d0开始的8个字节中，其中字节d3所代表的是小时，d4代表的是分钟，运用比较指令将不同的时间段进行分类，并通过置位m20、m21、m22进行标注，其中m20代表夜间时序，m21代表正常时序,m22代表高峰时序。具体程序如图8。图8 时间判断程序梯形图4.3 其他程序设计4.3.1 正常时序程序及高峰时序程序 对比实验要求中的时序图2和图3，可知正常时段的交通灯时序与高峰时段相比各个等的亮灭顺序一致，仅时间存在差别，所以只需对个别参数进行修改，接下来以正常时序为例进行说明。参照正常时序图，可将整个过程看做由多个90s的大周期组成，每个周期内又有6个小的时间段，根据需要满足的亮灯时间段条件进行亮灯控制。在编程过程中需要用到多个定时器对时间进行分段，以每个定时器的开关状态作为相关交通灯的控制条件。具体程序如图9。图9 正常时序程序梯形图4.3.2 晚间时序程序此过程主要控制东西方向与南北方向的黄灯闪烁，定时器t15控制周期内黄灯亮的时间0.4s，定时器t14控制闪烁0.6s。具体程序如图10。 图10 晚间时序程序梯形图4.4 程序调试 (1) 时间段调试：先通过时间读取指令将现实时间与数据寄存器中的时间进行比较,再通过中间继电器对时间段进行标记，接下来进行识别工作。（2）高峰时间段调试：本程序是将整个过程分为若干大周期，将每个周期作为一小时间段，利用时间定时器的状态区分时间段，从而为交通灯的亮灭提供条件，调试过程中可将其先运行，根据闪亮顺序的异常进行个别调试。 （3）晚间时间段调试：调试过程中注意定时器的关断状态，以及时间设置。（4）综合调试：将时间的判断程序、晚间时段程序、高峰时段程序及正常时段程序结合在一起进行调试。当plc运行时，可以使用gx软件中的监视功能监控整个程序的运行过程，以方便调试程序。在gx软件上，单击 “在线”“监视”“监视开始”，可以全画面监控plc的运行，这时可以观察到定时器的定时值会随着程序的运行而动态变化，通电闭合的触点和线圈会变蓝。5 设计小结 在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。 我趁着做课程设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内