PLC交通灯设计.doc

河南工业职业技术学院毕业设计（PLC交通灯设计）学生姓名:李其焰考 籍 号:02年级专业:机电一体化指导教师:李玉华学 院:河南工业职业技术学院 河南南阳 提交日期:2010年4 月 16日目录摘要 3 一 PLC的基础知识 5 1.1 概述 51.2 PLC的由来 6 1.3 PLC的定义 6 1.4 PLC的基本结构和工作原理 6 1.5 PLC的基本性能指标 14二 实训 16 2.1 十字路口交通信号灯设计控制要求. 16 2.2 控制思路设计步骤. 172.21 硬硬件及外围元器件 18 2.22 软件设计及调试 202.23 基本指令系统 212.3 梯形图 23 工作过程 26 2.4 助记符语言 27 设计总结 31 参考文献 32 摘 要近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。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。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应适合社会实际情况。因此，本人选择制作十字路口交通灯。Key word: Traffic light, PLC, automatic allies control。AbstractWith the development at full speed of science and technology in recent years, the application of the one-chip computer is moving towards deepening constantly, drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control at the same time. In measuring in real time and automatically controlled one-chip computer application system, the one-chip computer often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not enough, should also follow the structure of the concrete hardware , and direct against and use the software of targets characteristic to combine concretly, perfect .The appearance of the traffic signal lamp , make the traffic be controlled effectively, for dredging the flow of traffic, improving the traffic capacity of the road, there are obvious results to reduce the traffic accident. As China joins WTO, we will not only be in line with international standards in such different fields as economy ,culture ,sciencandtechnology ,etc. should be in line with international standards too in traffic control. As the saying goes want rich , repair the roads first , but way build up if control do road well to be unable to ensure the unblocked security in traffic. The traffic signal lamp of the important composition component controlled as the traffic should be suitable for the social actual conditions too. So, I choose to make the crossroad一 PLC的基础知识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的由来在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即： 1、编程方便，现场可修改程序；2、维修方便，采用模块化结构；3、可靠性高于继电器控制装置；4、体积小于继电器控制装置；5、数据可直接送入管理计算机；6、成本可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流115V；8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9、在扩展时，原系统只要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。 1.3 PLC的定义可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”1.4 PLC基本结构和工作原理PLC的基本结构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分为整体式和组合式（模块式）两种。整体式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专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。图1.11为一典型PLC结构简图1.41 中央处理单元 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 CPU的主要功能： 1）从存储器中读取指令 2）执行指令 3）顺序取指令 4）处理中断 1.42 存储器 存储器用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息等。A. PLC 常用的存储器类型 1. RAM (Random Assess Memory)，这是一种读/写存储器(随机存储器) ，其存取速度最快，由锂电池支持。 2. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。 3. EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改存储器的分类 1）系统程序存储器 用以存放系统程序（包括系统管理程序、监控程序功能子程序及对用户程序做编译处理的编译解释程序） 此类程序一般在PLC出厂前已将其固化在ROM或PROM中，用户不可修改 2）用户程序存储器 主要用于存放用户程序及数据，可以修改B. PLC 存储空间的分配 虽然各种PLC 的CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域： 系统程序存储区； 系统RAM 存储区(包括I/O 映象区和系统软设备等)； 用户程序存储区。 1. 系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序、等由制造厂商将其固化在EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC 的性能。 2. 系统RAM 存储区 系统RAM 存储区包括I/O 映象区以及各类软设备如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器、等存储器。 (1) I/O 映象区，由于PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O 的状态和数据，这些单元称作I/O 映象区，一个开关量I/O 占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O 占用存储单元中的一个字(16 个bit)， 因此整个I/O 映象区可看作两个部分组成：开关量I/O 映象区，模拟量I/O 映象区。 (2) 系统软设备存储区 除了I/O 映象区区以外，系统RAM 存储区还包括PLC 内部各类软设备(逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等)的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当PLC 断电时数据被清零。 1) 逻辑线圈 与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM 存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器，另外不同的PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。 2) 数据寄存器 与模拟量I/O 一样，每个数据寄存器占用系统RAM 存储区中的一个字(16bits) ，另外PLC 还提供数量不的特殊数据寄存器，具有不同的功能。 3) 计时器 4) 计数器 3. 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC 其存储容量各不相同。1.43 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去A. 输入输出接口单元 （1）输入接口电路 光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。 发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。 光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。 输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，也可由PLC内部提供。图1.12为一种型号PLC的直流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。图1.13为一种型号PLC的交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源图1.12 PLC的直流输入接口电路 描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存器的对应位由0变为1。 图1.13 PLC的交流输入接口电路B. 输出接口电路 PLC的继电器输出接口电路 工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。 三种类型： 继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载 晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载 晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载PLC的工作原理1. 循环扫描 PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理， 其工作过程如图1.14所示。 图4-4中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程图 1.14 PLC的工作过程 PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。图1.15 PLC程序执行原理图1.5 PLC的基本性能指标1. 外形尺寸 2. 输入输出点数 3. 机器字长 4. 速度5. 指令系统6. 存储器容量7. 扩展性8. 通信功能 二 实训2.1、十字路口交通信号灯设计控制要求 1、使用JH-120型可编程控制器 2、系统工作受开关控制，起动开关ON时则系统开始工作；起动开关OFF时则系统停止工作。 3、控制对象有六个：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，图1是十字路口交通信号灯示意图。信号灯的动作受开关总体控制，按一下起动按钮，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环动作；按一下停止按钮，所有信号灯都熄灭。信号灯控制的具体要求如表1所示。 表 1 交通灯控制要求2.2、控制思路设计步骤1、观察十字路口交通灯的工作时序2、设计IO口。3、画出状态转移图。4、写出指令表。5、用编程器输入指令。6、调试运行。7、IO端子接线图一)、硬件及外围元器件根据信号灯的控制要求，本模块所用的器件有：起动按钮SB1，停止按钮SB2，红黄绿色信号灯各四只，输入输出端口接线如图2所示。 图2 输入/输出接线图 由图可见：起动按钮SBl接于输入继电器XO端，停止按钮SB2接于输入继电器X1端，东西方向的绿灯接于输出继电器Y430端，东西方向黄灯接于输入继电器Y431端，东西方向的红灯接于输出继电器Y432端，南北方向绿灯接于输出继电器Y433端，南北方向的黄灯接于输出继电器Y434，南北方向红接于输出继电器Y435。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。二)、软件设计及调试根据十字路口交通信号灯的控制要求，可作出信号灯的控制时序图如图3所示。 图3 交通信号灯控制的时序图本模块我们采用基本逻辑的编程实现信号灯的控制。灯亮采用编程软件定时器实现，灯闪采用由定时器组成的脉冲发生器实现。现在我们来分析一下由T10及T11组成脉冲发生器的梯形图。由图4可知，当X400闭合时，T652得电，延时05秒后，T652触点闭合，定时器T653得电，延时05秒后，其常闭触点T653断开，T652线圈失电，其触点T652断开，而定时器T652再次得电，05秒后，T652再次闭合，如此周而复始，即可得到T652触发的工作波形如图5所示。 图4 周期为1秒的脉冲发生器 图5 T652触点的脉冲波形基本指令系统 LD：取指令，用于常开触点与母线连接。LDI：取反指令，用于常闭触点与母线连接。OUT：线圈驱动指令，用于将逻辑运算的结果驱动一个指定的范围。AND：与指令，用于单个触点的串联，完成逻辑“与”运算.ANI：与交指点。用于常闭点的串联，完成逻辑“与非”运算。OR：或指令，用于常开触点的并联。ORI:或指令，用于单个常闭触点的并联。ORB：串联电路块的并联指令ORB。当一个梯形图的控制线路由若干个先串联后并联的触点组成，可将每组串联的触点看作一个块，与母线相连的最上面的块按照触点串联的方式编写语句，下面依次并联的块称做子块。每个子块左边第一个触点有LD或LDI指令，其余串联的触点有AND或ANI指令，每个子块的语句编写完后，加一条ORB指令作为该指令的结尾，ORB指令的作用是将串联块，块指令。ANB：并联电路块的串联指令。当一个梯形图的控制线路有若干个先并联后串联的触点组成时，可将每组串联的触点看作一个块。与左母线相连的最上在的块按照触点串联的方式编写语句，下面依次并联的块称作子块。每个子块左边第一触点用LD或ANI指令，每个子块的语句编写完后，加一条ORB指令作为该指令的结尾。ORB指令的作用是将串联块相关联，是块或指令。ANB并联电路块的串联指令ANB。当一个梯形图的控制线路由若干个先并联，后串联的触点组成时，可将每组并联看成一个块。与母结相连的块，按照触点并联的方式编写语句，其后依次相连的块称作子块。每个子块最上面的触点用LD或LDI指令，其余与其并联的触点用OR或ORI指令。每个子块的语句编写完后，加一条：ANB指令，表示各并联电路块的串联MPSpush:进栈指令。MRDRead:读栈指令。MPPpop:出栈指令置位与复位指令SET、RST。SET指令用于对逻辑线圈M，输出继电器Y，状态了的置位，RST指令用于对逻辑线圈M1输出继电器Y1状态了的复位，对数据寄存器和变址寄存器V1Z的清零，还用于对计时器和计数器C逻辑线圈的复位，使它们的当前计时值和计数值清零。PLS脉冲：上升沿微分输出，专用于操作元件短时间脉冲输出。PLF：下降沿脉冲：下降沿微分输出控制线路由闭合到断开。MC：为主控指令，在主控电路块起点使用：MCR：为主控复位指令，在主控电路块终点使用。NOP：空操作指令。NOP是一条空操作指令，用于程序的修改。NOP指令在程序中占一个步序，没有元件编号。在使用时，预先在程序中插入NOP指令。以备在修改或增加指令时用。还可以用NOP指令取代已写入的指令，从而修改程序。END指令用于程序的结束，是无元件编写的独立指令。ROR：右循环移位指令。ROL：左循环移位指令。SFTL:左移指令。SFTR:右移指令。CJ和CJP:子程序调用指令。该指令用于跳过顺序中的 一部分，以减少扫描时间。SRET:子程序返回指令，指令不需要返回线路，直接与左母线相连。2.3 梯形图工作过程当起动开关，X400触点接通，Y432得电，南北红灯亮；同时Y432的动合触点闭合，Y433线圈得电，东西红灯亮。1秒后，T552的动合触点闭合，Y437线圈得电，模拟东西向行驶车的灯亮。维持到20秒，T456的动合触点接通，与该触点串联的T556动合触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使东西绿灯闪烁。又过了3秒，T457的动断触点断开，Y433线圈失电，东西绿灯灭；此时T457的动合触点闭合、T550的动断触点断开，Y434线圈得电，东西黄灯亮，Y437线圈失电，模拟东西向行驶车的灯灭。再过2秒后T455的动断触点断开，Y434线圈失电，东西黄灯灭；此时起动累计时间达25秒，T450的动断触点断开，Y432线圈失电，南北红灯灭，T450的动合触点闭合，Y435线圈得电，东西红灯亮，Y435动合触点闭合，Y430线圈得电，南北绿灯亮。1秒后，T553的动合触点闭合，Y436线圈得电，模拟南北向行驶车的灯亮。又经过25秒，即起动累计时间为50秒，T451动合触点闭合，与该触点串联的T556的触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使南北绿灯闪烁；闪烁3秒，T452动断触点断开，Y430线圈失电，南北绿灯灭；此时T452的动合触点闭合、T551的动断触点断开，Y431线圈得电，南北黄灯亮，Y436线圈失电，模拟南北向行驶车的灯灭。维持2秒后，T453动断触点断开；Y431线圈失电，南北黄灯灭。这时起动累计时间为5秒钟，T454的动断触点断开；T450复位，Y433线圈失电，即维持了30秒的东西红灯灭。上述是一个工作过程，然后再周而复始地进行。按停止按扭SB2，则辅助继电器X400断电并解除自锁。整个系统停