毕业设计-基于PLC的十字路口交通灯控制.doc

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。在该设计中，还引入F940触摸屏模拟十字路口红绿灯闪亮及车辆通行，十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。关键词：交通灯 PLC 触摸屏 通讯 AbstractThe programmable preface in PLC controller is a kind of new industry controls the device,it regard microprocessor as the foundation, synthesizing the calculator technique, automatic control technique to develop with the communication technique .It has the construction simple, the plait distance is convenient, high etc. in dependable advantage, already extensive used for the industry process with the automatic control of the position inside.According to the covariance, the programmable controller is a kind of equipments that industry automate to equip the inside the application at most.The expert thinks, the programmable controller will become the main means that aftertime industry control with the one of the important foundation equipmentses, the PLC, robot, CAD/ CAM will become three major of pillar that industry produce.Because the PLC has to the strong characteristic in adaptability in environment in usage, its inner part settles at the same time the machine resources is abundant very, can to current widespread usage of enter the type gradually the signal beacon proceeds the precision controls, special the oscular control in a many branch roads can realizes expediently.So that is applied the PLC more and more now in transportation light system inside.At the same time, PLC still have the communication internet function, constitute the same of the signal beacon on the road a the bureau area net proceeds to unify to adjust a management, can shorten the vehicle go through waiting time, realizing scientific management.In that design, still leads into the F940 touch hold the emulation intersections traffic lights bright and the vehicle goes through,images an actual application for displaying PLC in transportation light system.Keywords: The transportation light， PLC ，The touch holds , Communication第一章 引言顺应市场对小批量、多品种、多规格、低成本和高质量产品的需求，可编程序控制器极高的可靠性和灵活性发挥了极大的影响力，这一以微处理器为基础的新型工业控制装置，已成为当代工业自动化的主要支柱之一。因此，对可编程序控制器的教学无疑是极其重要的一个环节，那么一个较为逼真的PLC教学实验模块设计的研制就显得尤为必要，对学生理解和掌握可编程控制器的原理和操作方法、编程方法，都有很大帮助。十字路口交通灯控制系统是一个非常经典的教学实验。1.1 交通灯现状与发展近年来，随着我国经济的发展，城市的交通拥挤问题日趋严重，因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。目前，有多种对十字路口交通灯的改良设计，有一种用PLC对道路十字路口交通灯作自适应模糊控制的方法，较好地解决了车辆流量不均衡、不稳定的问题。因此，十字路口交通灯控制的设计还存在非常广阔的前景。 1.2 PLC可编程控制器PLC可编程控制器是以微处理机为基础发展起来的新型工业控制装置。它以体积小、功能强、可靠性高、以及应用安装方便的优点，很快在我国的工业控制中占据了主导地位，并且还在不断地发展。根据这一发展形势，全国各地高校、各类职业技术学校都将PLC教学纳入教学任务，作为电子、电气、以及工业自动化类专业的一门必修课。基于PLC的以下优势，在十字路口交通系统中得到了广泛的应用：1、PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；2、编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；3、抗干扰能力强，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，使得实际应用成为可能。1.2.1 PLC的发展在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫Programmable Controller（PC）。随着电子技术和计算机技术的发生，PC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。上世纪80年代，个人计算机发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller（PLC），并将“PLC”作为其产品的注册商标。现在，仍常常将PLC简称PC。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统.近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展迅速，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。1.2.2 PLC特点与应用PLC特点可以总结为以下九个方面：（1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。（2）连续PID控制等多功能，PID在中断站中。（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。（5）PLC网格既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。（6）大系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。（7）PLC网络如Siemens公司的SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSECNET/MINI。（8）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。（9）制造商：GOULD（美）、AB（美）、GE（美）、OMRON（日）、MITSUBISHI（日）、Siemens（德）等。PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功应用，PLC在相当多的应用中取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）DCS（过程控制）的模式变成PLCIPC模式。1.2.3 PLC运用于交通灯的优势PLC运用与交通灯控制系统有教强的优势，主要可从以下四个方面来描述。使用寿命长：从目前反馈情况看，目前控制电路的使用寿命大部分均不足五年这与其电路设计、元器件选型、工作环境及控制方式等因素有关，是其本身无法克服的固有缺点。PLC作为工业控制单元，应用于各种控制环境，内部电路、机械结构设计极为精良，所用器件均选用标准工业级产品，其使用寿命一般可保证在十年以上。性能稳定可靠，抗干扰性好：PLC应用于各种工业控制现场，其硬件及软件设计均考虑到各种生产环境，其电压适用范围很宽，具有极强的抗电磁干扰、抗震动、抗高温、高湿等特性，性能极为稳定、可靠。功能强大，实现灵活，可扩展性好：从挡车器来看，PLC型挡车器作为老型号挡车器的升级产品，其功能得到极大增强，目前可实现的功能有：自动抬杆、自动落杆、防砸车、防砸人、各种情况的自动报警、设备保护及故障识别等。以上功能可实现各种组合，并可根据实际需要改变上述功能的控制过程及方式，并可根据使用者要求在不增加或少增加硬件的基础上开发新的控制功能。良好的性价比：虽然PLC型产品其成本的增加与其性能的提高并非成线性关系，所以无论将其作为整机用于新品开发，还是作为老设备改进均有其良好的性价比。1.2.4 FX2N系列PLCFX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入输出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。 系统配置既固定又灵活。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。备有可自由选择，丰富的品种。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。令人放心的高性能。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。以及具有丰富的软元件。1.3 F940触摸屏 F940 GOT 是一个5.7寸STN液晶体显示器，具有阔视角、高速回应、功能齐备、性能可靠等优点。可以一边观看画面中对可编程控制器的各软件的监视以及数据的变化一边进行显示。显示画面分为用户制作内容和GOT欲置内容，欲置的画面有多种功能。F940最多可以显示500个用户制作画面，可同时显示数个画面，也可以自由切换。除可显示英文、数字、片假名、汉字等文字之外，还能显示直线、圆、四边形等简单的图形。另外F940GOT-SWD可用8种颜色的色彩画面进行显示。可用数值或条形图监示并可编程控制器元件的设定值或现在值，通过可编程控制器的位元件的ON/OFF可颠倒显示画面的指定区域。可变更正在监示的数值或条形图的数据。开关可通过GOT的操作键来ON/OFF可编程控制器的位元件，可将显示面板设定为触摸键行使开关功能。F940可使最多256点的可编程控制器的连续位元件与报警信息相对应。位元件ON后，在用户画面上，与对应的信息重合，显示。此外，位元件ON后，也可显示指定的用户制作画面。位元件ON后，用户制作画面上显示与软元件相对应的信息，也可一览显示。可保存最多1000个报警（位元件ON时）记录。可记忆各软元件的报警次数，还可通过画面制作软件打印。其它，还有多种功能：内存实际计时器，可设定、显示时间；进行起动继电器梯形图制作软件的个人电脑与可编程控制器间的数据通信的借口将发挥作用，这时GOT的画面显示也同时进行；可调节画面的对比度和蜂鸣器音量等。1.3.1 画面状态画面状态是用来显示用户画面制作软件所制作的画面的状态。也可以显示报警信息。一个画面可以对按文件、直线、四边形、圆等功能分类的内容进行组合后显示。另外，当有数个画面时，可用GOT的操作键和可编程控制器对画面进行切换后显示（画面切换的条件及切换后显示哪个画面，可由用户自由设定）。触摸显示画面上的数值或文字码，通过（触摸键）操作便可进行。在FX-PCS-DU/WIN型画面制作软件中，须将数值、文字码设定为“可设定”。输入数字有两种方法：显示键盘和呼出键盘。若是以下情况，则数值和条形图的数据将不变更。（1）GOT的状态禁止变更的状态时（用FX-PCS-DU/WIN型画面制作软件时），若数据变更的对象部件为“禁止”则不能变更。解决方法：将其设定为“许可”超过上限，下限范围时，作为数据设定范围，数值数据和条形图中设定了上、下限值。若输出的值超出了这个范围，则不能变更。解决方法：变更上、下限值的范围。画面显示为*的内容，若在画面上监示可编程控制器中不存在的元素序号时，数值数据为*。解决方法：变更为画面上的数值的元素序号。（2）可编程控制器的状态若可编程控制器上安装了EPROM存储器，则FX和A系列的定时器，计数器的设定值和文件寄存器的现在值都不能变更。若可编程控制器上安装了EPROM（只有FX系列）存储器或正处于RUN时，定时器、计数器的设定值和文件寄存器的现在值都不能变更。若可编程控制器上登录了关键字，则FX和A系列的定时器、计数器的设定值和文件寄存器的现在值都不能变更。解除关键字。1.3.2数据传送在GOT与用于制作画面的外围设备（个人电脑）之间，进行画面数据、采样数据、报警记录的传送（读出/写入），可通过下述操作显示数据传送画面。但无论GOT显示哪个画面，若从个人电脑传来画面数据，则将切换画面显示，直至传送完毕后才再次返回到原画面。进行采样时的个人电脑传送，在进行采样时传送需注意：个人电脑GOT，将中止采样，但保存所采样的数据。个人电脑GOT，采样继续，数据也将被保存。个人电脑GOT，与读出一样，继续采样，保存数据。个人电脑传送1.4 RS232通讯计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的 DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定。（1）接口的信号内容实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号内容见下列附表。引脚序号信号名称符号流向功能2发送数据TXDDTEDCEDTE发送串行数据3接收数据RXDDTEDCEDTE接收串行数据4请求发送RTSDTEDCEDTE请求DCE将线路切换到发送方式5允许发送CTSDTEDCEDCE告诉DTE线路已接通可以发送数据6数据设备准备好DSRDTEDCEDCE准备好7信号地信号公共地8载波检测DCDDTEDCE表示DCE接收到远程载波20数据终端准备好DTRDTEDCEDTE准备好22振铃指示RIDTEDCE表示DCE与线路接通,出现振铃（2）接口的电气特性：在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-5 -15V；逻辑“0” +5 +15V。噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号 作为逻辑“1” 。（3） 接口的物理结构：RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端,插座在DTE端.。一些设备与PC机连接的RS-232-C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。4）传输电缆长度：由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%。其中1号电缆为屏蔽电缆，型号为DECP.NO.9107723 内有三对双绞线，每对由22# AWG 组成，其外覆以屏蔽网。2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯电缆。由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。第二章 设计要点2.1 开题十字路口交通信号灯示意图如下，信号灯的动作受开关总体控制，按一下启动按钮，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下表所示：东西信号绿灯亮绿灯闪亮黄灯亮红灯亮时间25S3S2S30S南北信号红灯亮绿灯亮绿灯闪亮黄灯亮时间30S25S3S2S在PLC与F940触摸屏之间，以RS 422实现通讯。屏幕文件下载完成后，应对其通讯口的通讯参数进行设置。在与PLC连接之前，还要用编程器设置PLC相应通讯口的通讯参数，使之与触摸屏一致。二者的通讯参数设置完成后，就可以用通讯电缆把触摸屏与PLC连接起来，进行实际的画面操作。2.2 重点采用FX2N系列可编程序控制器控制十字路口交通灯工作。可编程序控制器由STOP状态进入RUN状态时，同时触摸键“启动”按钮按下，M11由OFF变成ON时，将M10置为ON，东西方向绿灯亮，初始化脉冲M8002将M20置为ON，东西方向车子开始行驶，南北车辆等待。T0开始计时，25S后绿灯闪亮3S，闪烁次数由C0控制，3次。Y1为ON，黄灯亮，东西方向后面车辆停止，已过线的车辆继续行驶。T1计时2S后，Y2为ON，东西红灯亮。此时，Y4为ON，南北绿灯亮，南北方向车子开始行驶，东西车辆等待。T5计时25S，绿灯闪亮，由C1控制次数，3次。状态同东西方向，T7计时黄灯2S。触摸键“停止”按钮按下，M12由OFF变成ON时，所有灯Y0至Y5全复位，车辆位置M20至M29，M30至M39全复位，返回初始状态。2.3 难点小车之间的动态显示，通过多张图片的切换来实现。东西方向以M20至M27控制不同位置的小车， 1S时钟脉冲M8013控制，图片切换使用 MOV D10 D0 ，FMOV K-1 D1 K2指令。ROLP K4M20 K1，INCP D10指令循环，实现M20至M27依次置ON。南北方向同理，以M30至M37控制。第三章设计过程3.1 PLC梯形图设计3.2 PLC指令LDP X0ORP M11SET M10LDP X1ORP M12RST M10ZRST Y0 Y5ZRST C0 C1MOV K0 D10SET M20ZRST M21 M29ZRST M30 M39RST M50LD M8002ORP T7SET M20LD M10SET Y0MSPANI C0OUT T0 K250MPPSET Y3MPSAND M8013MPSANI T1ROLP K4M20 K1MPPANI T1INCP D10MPPANDP M28SET M20RST M28MOV K0 D10LD M8000MOV D10 D0FMOV K-1 D1 K2OUT M100LDI T3AND T0RST Y0OUT C0 K4LD T0MSPANI T8OUT T3 K5MPPANI T8OUT T8 K10LD C0SET Y1RST Y0OUT T1 K20LDP C0SET M50LDP T1SET M30MOV K9 D10ZRST M20 M29LD T1MPSAND M8013ROLP K4M30 K1INCP D10MPPANDP M38SET M30RST M38MOV K9 D10LD T1RST Y1SET Y4ANI C1OUT T5 K250LD T5MPSANI T6RST Y4OUT C1 K4MRDANI T9OUT T6 K5MPPANI T9OUT T9 K10LD C1RST Y4SET Y5OUT T7 K20LDP C1SET M51LD T7ZRST Y0 Y5ZRST C0 C1LDP T7ZRST M30 M39MOV K0 D10RST M51RST M50END 3.3 F940触摸屏图象设计在计算机上启动SWOPCFXDU/WINC作图软件后，首先使用相应的菜单创建一个新的屏幕文件。屏幕文件是一个全局画面和多个局部画面的集合，有一组将要下载到触摸屏中的屏幕画面数据。在创建新的屏幕文件时，对文件进行一些必要的设置，具体包括: (1)输人文件名称和文件注释; (2)选择触摸屏的型号; (3)输人全局画面的名称; (4)“动作环境设定”下“PLC类型”设定所连接的可编程控制器FX系列。设置完成后，便进行画面的创建。其设计流程如图所示。 创建画面的过程其实就是在新画面上配置各种部件的过程，部件包括按钮、指示灯、数字显示器和画面选择开关等。通过相应的菜单，可以很容易地建立一个新画面的窗口。在新画面上配置一个部件时，只需从部件中选择所需的部件，输人与部件对应的PLC功能存储器的名称，并对此部件的相关属性进行设置后即可完成一个部件的配置。 (1)自动打开的画面清单，点击“新建”创建新的画面，并定义画面序号及名称； (2)在共通画面上设置触摸键“启动”和“停止”按钮； (3)点击所要选择的触摸键(选择手指按上时ON，手指离开则OFF的开关)；(4)在打开的触摸键属性设置窗口中，标签输入“启动”，选择“M12”，“开关”。另一个触摸键标签输入“停止”，选择“M11”，“开关”； (5)新建初始画面，以线条及图形画出十字路口简易模拟图；(6)并在东西、南北方向以图形指示器表示红绿黄灯，相应输出继电器Y0至Y5 ，ON时显示相应颜色，OFF时显示黑色表示灯灭；(7)在“显示和项目”下拉菜单下，点击“图形库”添加进事先画好的小车，在“部件”下拉菜单下点击“图形指示器”，回到画面上空白处点击，即跳出对话框，设置位元件“M51”、“M50”，ON时显示小车，OFF时