PLC交通灯毕业论文--基于PLC的交通灯控制系统设计.doc

1 目目 录录 题目题目-2 摘要摘要-2 一、一、 PLCPLC 的特点及应用的特点及应用- 3 1.1 概述-3 1.2 PLC 的特点- 3 1.3 PLC 的应用- 3 二、二、 PLCPLC 的结构及原理的结构及原理- 4 2.1 PLC 的分类- 4 2.2 PLC 的结构- 4 2.3 PLC 的工作原理- 4 2.3.1 PLC 的工作方式- 4 2.4 PLC 汇编语言- 4 2.4.1 梯形图-4 2.4.2 -语句表-5 2.4.3 梯形图与助记符的对应关系-5 2.5 PLC 的基本指令- 5 2.6 PLC 交通灯毕业设计编程器件- 7 三、三、 梯形图的设计与编程方法梯形图的设计与编程方法-7-7 31 控制要求- 7 3. 2 控制时序-7 2 33 PLC 交通灯毕业设计硬件及外围元器件- - -8 3.4 流程图-9 34 I/O分配表- 11 四、四、 程序设计程序设计-11 41 PLC 交通灯毕业设计梯形图- 11 42 PLC 交通灯毕业设计指令图- 11 43 软件设计- 16 五、交通信号灯的作用和意义五、交通信号灯的作用和意义16 5.1 交通灯的作用与意义-16 5.2 基于 PLC 设计交通灯的意义-16 六、六、PLCPLC 交通灯毕业论文设计总结交通灯毕业论文设计总结- 17 参考文献参考文献-18 基于基于 PLCPLC 的交通灯控制系统设计的交通灯控制系统设计 摘要摘要：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、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. 关键词：关键词：交通灯，PLC，程序设计 一、一、PLCPLC 的的特点及应用特点及应用 1.11.1 概述概述 3 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。 1.21.2 PLCPLC 的特点的特点 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；7 对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生 产； 1.31.3 PLCPLC 的应用的应用 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 4 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。 二、二、 PLCPLC 的结构及原理的结构及原理 2.12.1 PLCPLC 的分类的分类 1按 plc 的结构形式分类：1）整体式；2）模块式。 2按 plc 的 I/O 点数分类：1）小型 256 点以下；2）中型 256 点以上，2048 点 以下；3）大型 2048 点以上。 3按 plc 功能分类：抵挡型，中挡型，高档型。 2.22.2 PLCPLC 的结构的结构 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。 PLC 的基本结构框图如下： 接受 驱动 现场信号 受控元件 输 入 接 口 部 件 中央处理单元 CPU 板 电 源 部 件 接 口 部 件 输 出 5 2.32.3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 2.3.12.3.1 plcplc 的工作方式的工作方式 （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。 （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。 2.42.4 PLCPLC 汇编语言汇编语言 采用面向控制过程，面向问题，简单直观的 plc 编写横语言，常用的有：梯形图， 语句表，功能图等。 2.4.12.4.1 梯形图梯形图：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。 主要特点： （1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使 左母线。 （2）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” （3）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。 （4）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。 2.4.22.4.2 语句表：语句表： 又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编程。例：下图是三菱 公司的 FX2N 系列产品的最简单的梯形图例： X000 X001 Y000 X010 END 6 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。 2.4.32.4.3 梯形图与助记符的对应关系：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： 地址指令变量 0000LDX000 0001ORX010 0002ANDX001 0003OUTY000 0004END 反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图 2.52.5 PLCPLC 的基本指令的基本指令 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： 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,S LDI（取反）常闭触点与母线相连 X，Y，M，T，C,S OUT（输出） 线圈驱动 Y，M，T，C，S,F LD 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。 X000 Y000 地址 指令 数据 0000 LD X000 0001 OUT Y000 2 、触点串连指令（AND/ANDI） 、并联指令（OR/ORI） 符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件 7 AND（与） 常开触点串联连接 X，Y，M，T，C,S ANDI（与非） 常闭触点串联连接 X，Y，M，T，C,S OR（或） 常开触点并联连接 X，Y，M，T，C，S ORI（ 或非） 常闭触点并联连接 X，Y，M，T，C，S 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、ORI 是用于一个触点的并联连接指令。 X001 X002 Y001 地址 指令 数据 0002 LD X001 X003 0003 ANDI X002 0004 OR X003 0005 OUT Y001 3、 电路块的并联和串联指令（ORB、ANB） 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 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。 ANB X000 X002 X003 Y006 8 X001 X004 X005 ORB X006 X003 地 址 指 令 数 据 0000 LD X000 0001 OR X001 0002 LD X002 0003 AND X003 0004 LDI X004 0005 AND X005 0006 OR X006 0007 ORB 0008 ANB 0009 OR X003 0010 OUT Y006 4 程序结束指令（END） 符号（名称） 功能 梯形图表示 操作元件 END（结束） 程序结束 无 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。 其他还有一些指令，如置位复位、脉冲输出、清除、移位、主控触点、空 操作、跳转指令等。 由梯形图写出与之对应的助记符形式的指令。并由后面的 GPP 软件传输到 PLC 中， 结束 9 实时运行。 2.62.6 PLCPLC 交通灯毕业设计编程器件交通灯毕业设计编程器件 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。 三、三、 梯形图的设计与编程方法梯形图的设计与编程方法 3 31 1 控制要求控制要求 信号灯受启动及停止按钮的控制，当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，并 周而复始地循环工作，当按下停止按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号灯 都熄灭。 3 32 2 控制时序控制时序 交通灯示意图如图 1 所示，在东西南北两个方向均安装信号灯，两个方向各 6 个 灯，分为红、黄、绿三种颜色。工作时序如图 2 所示，假设东西向较忙，绿灯时 间是南北向的 2 倍(40s)。按下起动按钮后，南北向绿灯亮维持 20s，20s 后，南 北黄灯闪烁 3 次，计 6S，期间，东西向红灯也亮，并维持 26s；26s 后，东西方 向绿灯亮 40s，后东西向黄灯闪烁 3 次，计 6s，期间，南北向红灯也亮，并维持 46so 接下去周而复始，直到停止按钮被按下为止。 3 33 3 PLCPLC 交通灯毕业设计硬件及外围元器件交通灯毕业设计硬件及外围元器件 启动开关 东西绿灯亮 东西绿灯闪 东西黄灯亮 东西红灯亮 东西主干道 10S 2S 2S 14 S 南北红灯亮 南北绿灯亮 南北绿灯闪 南北黄灯亮 南北主干道 14S 10S 2S 2 S 启动开关 南北红灯亮 南北绿灯 南北绿灯闪 14S 10S 4S 东西绿灯亮 东西绿灯闪 东西红灯亮 10S 4S 14S 东西行人道 南北行人道 结束 结束 交通灯模拟控制系统流程图交通灯模拟控制系统流程图 10 根据信号灯的控制要求，所有的器件有：三菱 FX 系列 PLC、起动按钮 SB1、停止 按钮 SB2、红黄绿色信号灯各 4 只，输入输出端口接线如图 3 所示。由图可见：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 xl 端，东西方向的绿灯接于输出继电器 Y5 端，东西方向黄灯接于 输出继电 PLC 0000 0001 1000 1001 1002 1003 1004 1005 1100 1101 1102 1103 交通灯控制 PLC I/O 端口 000 2 0003 0004 0005 器 Y4 端，东西方向的红灯接于输出继电器 Y3 端，南北方向绿灯接于输出继电器 Y2 端，南北方向的黄灯接于输出继电器 Y1，南北方向红灯接于输出继电器 Y0。 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。 3.43.4 交通灯流程图交通灯流程图 启动开关 按下脉冲开关 原来控制循环系统 行人道绿灯点亮，主干道 红灯闪亮 结束 Y N 启动开关 按下脉冲开 关 对应方向绿灯点亮时间延 长到 15 秒，另一方向红灯 点亮延长到 15 秒 再次按下启动 开关 按此次控制方式进行循环 原来方式控制系统 结束 Y N Y N 手动控制车流量流程图 3 35 5 I/OI/O 分配表分配表 11 四、程序设计四、程序设计 4 41 1 PLCPLC 交通灯毕业设计交通灯毕业设计梯形图梯形图 4 42 2 PLCPLC 交通灯毕业设计交通灯毕业设计指令图指令图 4 43 3 软件设计软件设计 采用步进梯形指令双流程编程实现，应用并联分支结构，其状态转移图如图 4 所示。由图可知，我们把东西和南北方向信号灯的动作分成两个流程同时起动， 分别运行各自的时序动作，相互之间的配合由统一的时钟进行有机配合，不会出 现差错。现仅以南北方向的动作简单分析一下工作原理，东西方向工作过程基本 相同，在此不再赘述。系统起动时，利用 M8002 开机脉冲自动进入 XO 状态，系 统处于等待状态。 当启动按钮 SB1 按下时，xO11 接通， Y1 和 Y4 同时起动，Y1 使南北绿灯亮， Y4 使东西红灯亮(东西方向以下不分析)，x0 起动的同时 TO 开始计时，20s 后利 用 常开接点的闭合使状态进入 T4，此时 Y3 和 Y5 起动，T4 使南北黄灯亮，T1 计时 6s，6s 后进入 T2，在 T3 状态下，起动 CO 和 T2，此时南北黄灯灭，CO 计 数加 1，T2 时间到时，如果 co,J-数不到 3 次，状态转到 T0 循环，如果 CO 计数 到 3 次，状态转入 T4，这样就做到了南北方向黄灯闪烁 3 次的要求。南北方向 黄灯闪烁 3 次后，系统进入 T4 状态，在 T4 状态下，为下次闪烁作好准备，同时 起动 Y3 和 Y5，Y1 使南北红灯亮，亮 46s 后进入 X0 状态，至此南北方向的一个 循环执行完，此时东西方向也应该完成，在两个方向都完成后(必须都完成)，又 重新进入 X0 和 X11，如此反复工作。在任何时候按下停止按钮 12 SB2，Xl 接通，并复位相关状态和计数器，系统自动停止。 五、五、PLCPLC 交通信号灯的作用和意义交通信号灯的作用和意义 5.15.1 交通灯的作用与意义交通灯的作用与意义 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中最重要的组成部分。许多大城市如北京，上海，南 京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自 80 年代后期，这些城市纷纷修建 城市高速公路，在高速公路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。 然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没 有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速 道路的交通状况必然受高速道路和普通道路耦合出交通状况的制约。所以，如何 采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干 道与匝道，城区与周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规 划部门亟待解决的主要问题。 5.25.2 基于基于 PLCPLC 设计交通灯的意义设计交通灯的意义 根据交通等工艺控制要求和特点，我们采用了日本三菱公司 FX2N_48MR。三 菱 PLC 有小型化，高速度，高性能等特点，三菱可编程控制器指令丰富，可以接 各种输入，输出扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信 设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程控制器 （PLC）对十字路口交通控制等实现控制。本系统采用 PLC 是基于以下四个原因： （1）PLC 具有很高的可靠性，抗干扰能力。通常的平均无障碍时间都在 30 万小 时以上； （2）系统设计周期短，维护方便，改造容易，功能完善，实用性强； （3）干扰能力强，具有硬件故障的自我检查功能，目前空中各种电磁干扰日益 严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下 正常工作的 PLC； （4）近年来 PLC 的性能价格比有较大幅度的提高，是的实际应用成为可能。 六、六、PLCPLC 交通灯毕业论文设计总结交通灯毕业论文设计总结 6.16.1 程序调试程序调试 经过设计，想一次性把程序完成是非常难的，在调试中就出现了不少的错误。 13 刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来而且在完成了一个周 期后就循环不起来了。那时真的不知道从哪里入手，只好一条一条地检查才发现 了一条指令把常闭写成了输出，而导致真正的输出口就没有收到信号了。灯虽然 是亮了但仍然循环不起来。从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出来。 突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控，于是发现了在 程序的第一周期一切都运行正常但再运行下去的时候第二周期就再没有反应了， 包括里面的辅助继电器，最后发现原来是程序前面没有并上完成这个循环的继电 器号。后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了。虽然找错误是一个枯 燥无味的工作，但只要你耐心的去做的话，你肯定能学到有用的动西。 6.26.2 难点分析难点分析 其实现场实况车辆的流量是变化的，本设计只是对其路灯起到一个开关的作 用，即开关量控制系统。由于所学知识及设备有限，无法对其路灯进行智能化控 制，所以在编程时就没把智能控制这一块加上去，再加上编程软件无法下载，在 画梯形图方面受到一点阻碍。因为实际的红绿灯控制中行人道的红绿灯和主干道 的红绿灯是有这一定的对应关系的，所以在编程前一定要理清它们，这样有利于 在编程时简化程序、减少 PLC 不必要的运算 。 6.36.3 心得体会心得体会 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