毕业论文-plc应用于交通灯系统设计

山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 1 - 目目 录录 摘要摘要. - 2 - 第一章第一章 PLCPLC 的特点及应用的特点及应用- 4 - 1.1 概述 - 4 - 1.2 PLC 的特点 - 4 - 1.3 PLC 的应用 - 4 - 第二章第二章 PLCPLC 的结构和原理的结构和原理 - 6 - 2.1 PLC 的分类 - 6 - 2.2 PLC 的结构 - 6 - 2.3 PLC 的工作原理 - 6 - 2.4 PLC 编程语言 - 7 - 2.5 PLC 的基本指令 - 8 - 2.6 控制系统编程器件. - 10 - 第三章第三章 梯形图的设计与编程方法梯形图的设计与编程方法.- 11 - 31 工艺过程和控制要求. - 11 - 32 方案论证. - 11 - 3. 3 系统设计. - 13 - 第四章第四章 梯形图和组态梯形图和组态 - 15 - 41 交通灯梯形图设计 - 15 - 44 交通灯组态设计 - 19 - 第五章第五章 PLCPLC 交通灯毕业论文设计总结交通灯毕业论文设计总结.- 25 - 谢谢辞辞.- 25 - 参考文献参考文献.- 27 - 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 2 - 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。 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：交通灯、 PLC 、程序、 设计。 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 3 - Abstract In this paper, PLC（ programmable controller） based on microprocessor, a combination of computer technology, automatic control technology and communication technology developed a new type of industrial control device. It has advantages of simple structure, convenient programming and high reliability, has been widely used in automatic control of industrial process and location. According to statistics, the programmable controller is used in industrial automation device up to a device. Because the PLC has to use the environment characteristics of strong adaptability, while its internal timer is very rich in resources, but for the current widespread use of “progressive“ signal for precise control, especially control of the fork in the road more easily realized. So now more and more, PLC applies to traffic light system. It self also has communications networking function, at the same time, PLC will be on the same path of light form a unified scheduling management for local area network (LAN), can shorten vehicles waiting time, realize the scientific management. Key words:Traffic lights, PLC, process, design. 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 4 - 第一章第一章 PLCPLC 的特点及应用的特点及应用 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 PLC 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； 1.3 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 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 5 - 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。 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 6 - 第二章第二章 PLCPLC 的结构及原理的结构及原理 2.1 PLC 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 2.3 PLC 的工作原理 1.PLC 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 输 入 接 口 部 件 中央处理单元 CPU 板 编 程 装 置 接 口 部 件 输 出 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 7 - 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。 2.4 PLC 编程语言 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。 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。 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.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：下图是西门子公司 S7_200 系列产品的最简单的梯形图例： 用以实现启动、停止控制。 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， 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 8 - 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 I0.0LD I0.1OR I0.2AND I0.3OUT I0.4END 反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图 2.5 PLC 的基本指令 1 输入输出指令（LD/LDN/=（OUT） ） 下面把 LD/LDN/=(OUT)三条指令的功能、梯形图表示形式 以列表的形式加以说明： 符号功能梯形图表示操作数 LD（常开）常开触点与母线相连I，Q，M,SM，T,C,V,S LDN（常闭）常闭触点与母线相连I，Q，M,SM，T,C,V,S =（OUT） （输出）线圈驱动（）Q,M,SM,T,C,V,S 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 9 - LD 与 AN 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. 2 触点串连指令（A/AN） 、并联指令（O/ON） 符号（名称）功能梯形图表示 A（与）常开触点串联连接 AN（与非） 常闭触点串联连接 O（或）常开触点并联连接 3 定时器指令S7- 1）类型、编号及分辨率 TON接通延时 TONR有记忆接通延时 TOF断开延时 2）种分辨率（时基） ：1ms、10ms、100ms分别对应不同的定时器号 定时器 6 个要素： 指令格式（时基、编号等）预置值PT 使能IN复位3 种定时器不同 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 10 - 当前值Txxx定时器状态（位）可由触点显示 定时值=时基预置值 PT。 由于定时器的计时间隔与程序的扫描周期并不同步， 定时器可能在其时基（1ms、10ms、100ms）内任何时间启动，所以，未避免计时 时间丢失，一般要求设置 PT 预置值必须大于最小需要的时间间隔。例如：使用 10ms 时基定时器实现 140ms 延时（时间间隔） ，则 PT 应设置为 15 （10ms15=150ms） 。 3） 功能 （1）接通延时定时器 TON一般用于单一时间间隔的定时 指令格式：见图，编号与分辨率及定时器类型有关。 2.6 控制系统编程器件 一般情况下，I 代表输入继电器，Q 代表输出继电器，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。 STEP7 Microwin V4.0 编程软件 S7-200 系列 CPU224 型 PLC 一台 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 11 - 第三章第三章 梯形图的设计与编程方法梯形图的设计与编程方法 3.1 工艺过程和控制要求 路口东西方向绿灯显示（南北方向亮红灯）20 秒后，绿灯以占空比为 50的 一秒周期（0.5 秒脉冲宽度）闪烁 3 次（南北方向亮红灯） ，然后变为黄灯亮 2 秒（南北方向红灯亮） ；然后南北方向绿灯显示（南北方向亮红灯）25 秒后，绿 灯以占空比为 50的一秒周期（0.5 秒脉冲宽度）闪烁 3 次（东西方向亮红灯） ， 然后变为黄灯亮 2 秒（东西方向红灯亮） ；如此循环工作。 十字路口交通灯示意图 3.2 方案论证 方案一：基于数电技术的控制系统： 1. 秒脉冲发生器能输出频率为 1HZ 的方波，用此方波当作整个系统的 CP，也是 定时器和控制器的信号源。 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 12 - 2. 图中 TL:表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为 25 秒，即车辆正常通行的 时间间隔。 定时时间到，TL=1，否则，tl=0。 图中 TY：表示黄灯亮的时间间隔为 5 秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。 图中 ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控 制定时器开 始下个工作状态的定时。 3. 甲车道信号灯和乙车道信号灯，是两路车道车子通行信号。 4. 系统作用发挥主要构件：定时器、控制器和译码器。 方案二：按照设计要求和西门子 S7-200PLC 的功能设计思想如下：给出一个启动 信号时系统开始工作。 首先，南北方向交通处于禁止状态即南北方向红灯亮起，东西方向绿灯亮 20S，之后闪烁 3S，接下来是东西方向黄灯亮 2S，这期间南北方向红灯一直是处 于亮的状态 20S。这里东西方向绿灯亮 20S 需要设计一个 20S 的延时，同时闪烁 3S 必须设计一个 3S 延时和一个占空比 50%的一秒脉冲配合来实现闪烁。黄灯控 制要一个 2S 延时。 其次，当东西方向交通处于禁止状态即东西方向红灯一直处于亮的状态。南 北方向绿灯亮 25S，之后闪烁 3S，接下来南北方向黄灯亮 2S，期间东西方向红 灯持续处于亮的状态 30S。同样的要 25S，3S，2S 延时各一个和一个占空比 50% 的一秒脉冲信号。 综上所述，可编程控制器要求有一个输入信号来控制系统的启动和停止，共有 12 个交通灯，但是南北方向和东西方向的红黄绿三种灯可看作一个，所以系统 要求要有 8 个输出，其中 6 个是控制灯的，有两个代表两个方向上小车的通行状 态。通过下面的状态分析表，时序图可以更好的理清设计思路。 交通灯状态分析表： 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 13 - 交通灯时序图： 在这里实现这些设计要求有两种方法：a，各个灯亮的时间都用一个计时器 来控制，绿灯的闪亮用闪烁电路实现；b，由于各个等亮起的时间都是可以清晰 确定的知道的，所以可以用一个计时器，在设计所个比较指令，从而通过比较计 时器数值来决定在某个时间段会有什么样的动作。 方案论证： 采用数电技术控制系统， 系统实现复杂， 电器元件复杂， 且易受干扰， 系统可靠性较低。采用 PLC 系统实现起来简单系统设计调试相对方便。在 PLC 系统中由于使用比较指令的方法程序设计简单， 所以这次设计选用， 用 PLC 系统， 并且使用一个计时器和比较指令。 3.3 系统设计 3.3.1 硬件设计 从上面分析可以得出要求 1 输入，8 输出，根据西门子 S7-200 系列 PLC 和 实验室的配置情况，这里选择主机为 CPU226 完全可以满足要求。 根据设计分析交通灯输入输出点分配表为： 序号序号PLCPLC 地址（地址（PLCPLC 端子）端子） 电气符号电气符号 （面板端子）（面板端子） 功能说明功能说明 1I0.0SD启动 2Q0.0东西灯 G 3Q0.1东西灯 Y 4Q0.2东西灯 R 5Q0.3南北灯 G 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 14 - 6Q0.4南北灯 Y 7Q0.5南北灯 R 8主机输入 1M 接电源+24V；电源正端 9主机 1L、2L、3L、面板 GND 接电源 GND电源地端 由上面输入输出点分配可以得出外部接线图： 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 15 - 第四章第四章梯形图和组态梯形图和组态 4.1 交通灯梯形图设计 设计系统梯形图为: 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 16 - 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 17 - 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 18 - 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 19 - 4.2 交通灯组态设计 组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计 算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。 组态王 kingview6.55 是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端 自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战 略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库 （KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、 分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以 获得最优化的结果。 组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计 算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。 组态王 kingview6.55 是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向 低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭 建战略性工业应用服务平台为目标， 集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据 库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇 总、 分析及管理的有效平台， 使企业能够及时有效地获取信息， 及时地做出反应， 以获得最优化的结果。 1) 本设计采用通用工业监控软件组态王。 组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。 工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行 搜索、 添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。 工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的 设备及 相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。 运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动 画设计 显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。 2) 组态设计过程： （附录 1） 第一步：创建新工程 为交通灯工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件。 第二步：定义硬件设备并添加工程变量 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 20 - 添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和 I/O 变量。 本设计硬件设备设置为 com1 端口PLC西门子S7-200 系列 PPI 接口并设置 各 I/O 变量。 第三步：制作图形画面并定义动画连接 按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效 果。 第四步：上机演示。 3 系统调试 调试思路流程为： 先目测结合外部接线图检查有无接线错误， 再用万用表检查各个接点接触是 否良好。若各个接点都检查无误，用编程软件 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4 输入 程序（注意：各个网络中比较指令时间数值的上下限必须检查无误）经编译检查 没有错误之后，下载到 PLC 中运行，运行之后检查试验台上各个灯的亮灭情况是 否符合要求。若有错误则返回编程环境下检查，直至没有错误为止。 调试过程中遇到的问题： a： 在调试过程中因为在各个网络的设计中把比较指令的错误的设计成了= 从而导致计时器还没有开始计时的时候第一个网络就已经上电， 经检查思考后问 题得到解决。 b：在画各灯的时序图的时候各切换的时间点把握不够明确，经过自习阅读 设计要求，滤清思路之后问题得到解决。 c:在寻找设计方案的时候，由于受到本学期学习 PLC 影响，从而想不出其他 方法的设计方案，经过跟同学讨论可上网查阅资料之后找到了数电方法的方案 总结或结论 通过这次 PLC 课程设计，达到了预期目的，进一步掌握了 PLC 的原理和系统 设计方法。培养和锻炼了应用 PLC 的能力。为今后实际应用和设计 PLC 系统打下 了良好的基础。通过这样的一次经历，进一步认识到不管在什么设计中，细节都 是决定设计能不能成功的关键因素。 无论做什么事情都要有认真仔细的态度和一 丝不苟的精神。 通过本次设计， 让我很好的锻炼了理论联系实际， 与具体项目、 课题相结合开发、 设计产品的能力。既让我懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践 中遇到的问题怎样用理论去解决。 在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和网 络成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，要判断优劣、取舍相关知识，不 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 21 - 知不觉中查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以 后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我受益非浅。 在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做 大量的工作， 花大量的时间才能解决。 自然而然， 我的耐心便在其中建立起来了。 为以后的工作积累了经验，增强了信心。 1 组态设计过程 第一步：创建新工程 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 22 - 第二步：定义硬件设备并添加工程变量 1 定义硬件设备 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 23 - 2 工程变量 第三步：制作图形画面并定义动画连接 1制作图形画面 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 24 - 山东杏林科技职业学院2013 届毕业生毕业论文 - 25 - 第五章第五章 PLCPLC 交通灯毕业论文设计总结交通灯毕业论文设计总结 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