课程设计（论文）-十字路口交通信号灯的PLC电气控制系统.doc

I 摘 要 当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。 因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。 本文设计了一十字路口交通灯控制系统。首先根据要求设计了系统控制的顺序功能 图，在此基础上写出对应的梯形图以及指令表，最后进行了仿真，结果表明本方案 适用可行。 关键词：交通灯；PLC控制；梯形图；顺序功能图 目 录 摘要I 1 PLC 概述1 2 十字路口交通信号灯的 PLC 电气控制系统2 2.1 十字路口交通信号灯的控制要求2 2.2 PLC 硬件控制电路设计3 2.3 PLC 控制程序设计4 2.4 梯形图6 2.5 指令表7 2.6 十字路口交通信号灯系统电气工艺设计9 2.7 十字路口交通信号灯梯形图程序调试9 2.8 仿真图10 课程设计总结12 参考文献13 1 1 PLC 概述 可编程序控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是在继电顺 序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。它是在继 电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置,是计算机技术在工业控制 领域的一种应用技术。进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅 猛发展，极大推动了PLC在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越 广阔，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制中。 20世纪60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新 的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体 要求基本为： 它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单成本低。它能把计 算机的功能和继电器控制系统结合起来。但编程要比计算机简单易学、操作方便。系 统通用性强。1969 年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台 PLC，并在GM公司汽车生产线上首次试用成功，实现了生产的自动化。其后日本、 德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来，但是主要应用于顺序控制，只能进 行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC。其定义：可编程控制器是一种数 字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器， 用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的 指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器 及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则 设计。 我国在七十年代末期开始对PLC进行研究、生产和应用。在近十年来，取得了非 常好的成绩。特别是在应用方面，随着国力的增强和生产力的提高，PLC已经渗透到 了各个领域。在生产方面，为了提高生产效率和工业的自动化，我们引进了许多在世 界上都处于领先技术的成套设备，大量地使用PLC等先进技术。还有三峡工程、秦川 电站、天津开发区的康师傅方便面生产线等都用了PLC控制。现在PLC不但应用于 冶金、矿业、机械、轻工等工业自动控制中，在其他领域它也有着广泛地应用。 2 2 十字路口交通信号灯的 PLC 电气控制系统 2.1 十字路口交通信号灯的控制要求 随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号 灯，才使车流、人流有了规范，同时，减少了交通事故发生的概率。然而，交通信号 灯不合理使用或设置，也会影响交通的顺畅。 交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行， 黄灯表示警示。交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、 车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。 交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使各 同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口 畅通和安全。 十字路口交通信号灯现场示意图（如图 2.1 所示） ，南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯， 为确保交通安全，要求如下。 （1）正常控制时 当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应 禁止通（红灯）；同样，当南北方向允许通行（绿灯） 时，东西方向应禁止通行（红灯）。 在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司 机提前减速并刹车，应有明显的提示信号：绿灯闪烁 同时黄灯亮。 信号灯控制系统启动后应能自动循环动作 （2）输入/输出信号分配 使用PLC数字量输入，输出量控制红绿灯， OUTPUT 01接：东西方向红灯，用 Y0表示； OUTPUT 02接：东西方向绿灯，用 Y1表示； OUTPUT 03接：东西方向黄灯，用 Y2表示； OUTPUT 04接：南北方向红灯，用 Y3表示； 图 2.1 交通信号灯现场示意图 3 OUTPUT 05接：南北方向绿灯，用 Y4表示； OUTPUT 06接：南北方向黄灯，用 Y5表示。 有如下表格（一）说明： 表（一） 红灯绿灯黄灯 东西方向Y0Y1Y2 南北方向Y3Y4Y5 （3）交通灯规则 初态是两个路口的红灯全亮1s；之后，东西路口的绿灯亮，南北路口的红灯亮 20S，东西方向通车20S；东西路口绿灯灭，南北方向黄灯开始闪烁5S；之后，东西 路口红灯亮，而同时南北路口的绿灯亮，南北方向通车20S；南北方向绿灯灭，东西 方向黄灯开始闪烁5s；之后，再切换到东西路口通车，重复上述过程。 2.2 PLC 硬件控制电路设计 (1) 硬件结构设计。 了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象 的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量； PLC平均的I/O点的价格还比较高， 因此应该合理选用PLC的I/O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O 点最少，但必须留有一定的裕量。 通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上1015 的裕量来确定。用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与 功能实现的方法、程序编写水平有关。 一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差 25之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。 PLC的I/O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在 I/O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加2030的裕量。确定所控 制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等， 4 选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。PLC作为通用工业控制计 算机，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，只用PLC的少量开关量 逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 (2) 绘制外部接线图 用一个输出点驱动两个信号灯，如果PLC输出点的输出电流不够，可以用一个输 出点驱动一个信号灯，也可以在PLC输出端增设中间继电器，由中间继器再去驱动信 号灯。根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，编制I/O接口功能 表。据信号控制要求，外部及线图（如图2.2所示） 2.3 PLC 控制程序设计 （1） PLC的状态转移 电源 图 2.2 十字路口交通信号灯 PLC 外部接线图 东西黄 东西绿 南北红 南北黄 南北绿Y0 Y1 Y2 Y4 Y5 Y6 COM 东西红 COM RUN FX2N 5 在设计较为复杂的程序时，仅仅采用简单的逻辑处理已经很难保证程序的正确性 和易读性，所以就需要采用别的方法来编制程序。为了保证程序逻辑的正确以及程序 的易读性，我们可以将一个控制过程分为若干个阶段，在每一个阶段均设立一个控制 标志，当每一个阶段执行完毕，就启动下一个阶段的控制标志，将本阶段的控制标志 清除。 所谓“状态”是指特定的功能，因此状态转移实际上就是控制系统的功能转移。机 电自控系统中机械的自动工作循环过程就是电气控制系统的状态自动、有序、逐步转 移的过程。这种功能流程图完整地表现了控制系统的控制过程，各状态的功能、状态 转移顺序和条件，它是PLC应用控制程序设计的极好工具。 （2）PLC的顺序功能图（如图2.3所示） 图 2.3 十字路口交通信号灯 PLC 的顺序功能图 （3）十字路口交通信号灯PLC的程序设计说明 据图2.3所示的状态转移，说明十字路口交通信号灯PLC的程序设计。 （1）PLC开始运行时，M8002产生一初始脉冲，使初始状态S0置1。 （2）当S0状态为1时，触点接通，交通指挥系统南北向红灯Y3亮，东西向红 灯亮，持续1s。 T2 T3 T4 S4 S0 S1 S2 S3 Y1 Y3 T1 Y5 T2 Y0 Y4 T3 Y2 T4 M8002 T0 T1 Y0 Y3 T0 6 （3）定时时间T0到时，状态从S0转移到S1，使S1置1，东西向绿灯亮，南 北向红灯亮，同时驱动T1定时20S。 （4）定时时间T1到时，状态从S1转移到S2，使S2置1，驱动T2定时5S， 同时使南北路口方向黄灯闪烁5S。 （5）定时时间T2到时，状态从S2转移到S3，使S3置1，东西向红灯亮，南 北向绿灯亮，同时驱动T3定时20S。 （6）定时时间T3到时，状态从S3转移到S4，使S4置1，驱动T4定时5S 同时使东西向黄灯闪烁亮5S。 （7）延时5S后，转移条件T4闭合，一方面状态从S4转移到S1，使S1置 1，状态S1之后进行循环执行。 2.4 梯形图 7 8 图 2.4 十字路口交通信号灯 PLC 控制梯形图 2.5 指令表 根据图2.4可写出如下指令 LD M8002 /初始化脉冲 SET S0 /S0转换条件满足 STL S0 /S0变为活动步 OUT Y0 /输出灯Y0 OUT Y3 /输出灯Y3 OUT T0 K10 /T0被启动 LD T0 /T0时间到并置位 SET S1 /S1转换条件满足 9 STL S1 /S1变为活动步 OUT Y1 /输出灯Y1 OUT Y3 /输出灯Y3 OUT T1 K200 /T1被启动 LD T1 /T1时间到并置位 SET S2 /S2转换条件满足 STL S2 /S2变为活动步 OUT T2 K50 /T2被启动 LDI T5 /T5被接通 OUT T6 K5 /T6 被启动 LD T6 /T6 时间到被置位 OUT T5 K5 /T5 被启动 OUT Y5 /输出灯Y5 LD T2 /T2被启动 SET S3 /S3 转换条件满足 STL S3 /S3 变为活动步 OUT Y0 /输出灯 Y0 OUT Y4 /输出灯 Y4 OUT T3 K200 /T3被启动 LD T3 /T3时间到并置位 SET S4 /S4转换条件满足 STL S4 /S4变为活动步 LDI T7 /T7 被接通 OUT T8 K5 / T8被启动 LD T8 /T8时间到并置位 OUT T7 /T7被启动 OUT Y2 /输出灯Y2 LD T4 /T4时间到并置位 SET S1 /S1转换条件满足 10 RET /程序返回 LD S4 /S4常开闭合 OUT T4 K60 /延时6S 2.6 十字路口交通信号灯系统电气工艺设计 按设计要求设计绘制电气装置总体配置图、电器板电器元器件平面图、控制面板 电器平面图及相关电气接线图。 （1）先根据控制系统要求和电气设备的结构，确定电器元器件的总体布局以及电控 箱内装配板与控制面板上应安装的电器元件。 （2）依据用户要求满足操作方便、美观大方、布局均匀对称等设计原则，绘制电控 箱电器板元件布置图、电器面板元件布置图、电气接线图等，如图2.5所示。进出引 线采用接线端子板连接。 （3）依据电器元件布置图及电器元器件的外形尺寸、安装尺寸，绘制电器板、控制 面板、垫板等零部件加工图。图中应注明外形尺寸、安装孔径、定位尺寸与公差、板 材厚度以及加工要求等。 （4）依据电器安装板、控制面板尺寸设计电控箱，绘制电控箱安装图。 2.7 十字路口交通信号灯梯形图程序调试 在调试系统控制程序时，所有的输入信号均用开关信号来代替，所有的输出均用 指示灯来表示。调试时，首先按控制系统PLC接线图完成硬件接线，并仔细检查接线 图 2.5 十字路口交通信号灯 PLC 11 是否有误，特别要注意接线时不能出现短路、断路及反接等情况，否则会造成硬件损 坏及人身意外。 首先电源开关打开，将指令输入PLC，程序监控状态，打开PLC，手动开电动阀 旋钮开关，观察输出指示灯是否按预计效果闪灭，并通过监控状态观察程序的运行过 程及输入输出信号、内部元件状态的变化，从中可以发现硬件接线是否有误及程序实 现方案、结构是否正确。 进行手动切换看是否满足十字路口交通信号灯的控制要求，要分析并描述实际出 现的问题，最后解决问题。 2.8 仿真图 图 2.6 东西方向绿灯亮、南北方向红灯亮 12 图 2.7 南北方向黄灯亮 图 2.8 南北方向绿灯亮、东西方向红灯亮 13 图 2.9 东西方向黄灯闪烁亮 课程设计总结 PLC是一门侧重应用方向的学科。所以要多一点实践，不要看不起小的项目，在 其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法，总结中不断进步。 在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有 一个题目，我们做的是十字路口交通信号灯的PLC电气控制。由于平时大家都是学理 论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资 料并学习。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同 学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。 通过这次设计实践，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用 方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实 践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己 想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要 14 求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到 加强，看到了实践与理论的差距。 在课程设计过程中我了解到，P