毕业设计（论文）-基于PLC的交通信号灯控制系统设计.doc

毕业设计（论文）题 目： 基于PLC的交通信号灯控制系统设计系 部： 机电工程系专 业： 电气自动化学生姓名： 指导教师姓名：二一三年 五 月 十一 日【摘 要】: 随着社会的发展与进步，城市的变迁也在同步着，而城市发展规模与交通有着分不开的密切联系。当今社会城市交通举足轻重，交通拥堵已成为一大问题。交通信号灯的出现很大程度上缓解了这一难题，而合理的交通信号灯使得城市交通变得通畅不拥堵。因此，选择研究信号灯变得尤为重要，而利用PLC研究交通灯更是达到了学以致用的效果，所以本选题意义重大。【关键词】: 交通 交通灯 PLC【Abstract】: With the development and progress of society, the change is also in the city, and city development scale and transportation are closely linked inseparable. City traffic play a decisive role in todays society, traffic congestion has become a big problem. The traffic lights appear largely alleviated this problem, but the traffic lights according to the reasonable city traffic becomes smooth without congestion. Therefore, selection of signal lamp becomes particularly important, and PLC was used to study the traffic lights is to learn in order to practice effect, so the topic significance.【Key words】: traffic control traffic lights PLC 目 录摘要3一、PLC的概述41.1 PLC的定义41.2 PLC的简介.31.3 PLC的应用领域4二、PLC的组成与工作原理62.1 PLC的硬件系统62.2 PLC的软件系统72.3 PLC的工作原理8三、PLC的汇编语言与编程方法103.1 PLC的编程语言103.2 PLC的编程方法11四、交通信号灯概述124.1 交通信号灯的组成124.2 交通信号灯的工作原理134.3 交通信号灯的控制方法14五、十字路口交通灯的介绍165.1 十字路口交通灯的原理.155.2 十字路口交通灯示意图16六、PLC控制十字路口交通灯设计176.1 输入输出点分配表176.2 顺序功能图186.3 梯形图：186.4 指令表18七、小结19致 谢20参考文献21附录22序言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系统中最重要的组成部分。 不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)。 单片机控制系统设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，所以使用可编程控制器，其主要原因是因为PLC具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。一、PLC的概述1.1 PLC的定义国际电工委员会（IEC）在1987年对PLC做了如下定义:可编程控制器（Programmable Logic Controller ）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。1.2 PLC的简介目前，可编程控制器的产品很多，主要厂商集中在欧美国家及日本。美国与欧洲一些国家的PLC是在相互隔离的情况下研究开发的，产品有很大差异；日本的PLC则是从美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性。此外，日本的产品定位在小型PLC上，而欧美则以大、中型PLC为主。美国的PLC产品。美国有100多家PLC制造商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中A-B公司是美国最大的PLC制造商，产品约占美国市场的一半。欧洲的PLC产品德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司和法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子公司的电子产品以性能精良而久负盛名。在大、中型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。日本的PLC产品。日本PLC产品在小型机领域颇具盛名。某些用欧美中型或大型机才能实现的控制，日本小型机就可以解决。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等。在世界小型机市场上，日本的产品约占70%的份额。我国的PLC产品。我国有许多厂家及科研机构从事PLC的研制开发工作，产品有中国科学院自动化研究所的PLC-0088，北京联想计算机集团公司的GK-40，上海机床电器厂的CKY-40，杭州机床电器厂的DKK02，天境中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立电子厂的KKI系列，苏州机床电器厂的YZ-PC-001A，无锡华光电子工业有限公司的SR-10等。1.3 PLC的应用领域PLC广泛地应用在很多的部门，如电梯控制、防盗系统的控制、消防系统自动控制等。随着其性能价格比的不断提高，PLC的应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：(1) 开关量逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域。取代传统的继电器接触器电路，实现逻辑控制，既可以用于单台设备，也可用于多机群控及自动生产线，还可用于民用或家庭场合。(2) 运动控制PLC使用专用的运动控制模块，实现直线运动、圆周运动等场合的位置、速度等过程控制，广泛应用于各种机械的加工场合。(3) 模拟量控制PLC利用比例积分算法，实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID（比例积分微分）闭环过程控制。广泛应用于塑料加工、锅炉控制等设备控制。(4) 数据处理现代PLC具有数学运算、数据传输、数据转换、排序、查表等功能，可能实现数据采集、分析和处理，大大增强了PLC自动控制系统的功能。(5) 通信及联网经通讯端口，可以实现PLC之间、PLC与其它智能设备（如计算机、变频器、数控装置等）之间通信，组成功能强大的“分散控制、集中管理”的分布式自动控制系统（DCS系统），为现代工业自动化生产提供强有力的控制支持。2、 PLC的组成与工作原理PLC系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。2.1 PLC的硬件组成PLC的硬件是由主机微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。下面介绍PLC组成部分及作用。CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。 输入/输出单元是PLC与外部输入信号、是用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC外部的输入、输出电路的电源电压较高，从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或者使PLC工作出现异常。在I/O模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。编程器是PLC重要的外围设备，一般PLC都配有专门的编程器。通过编程器可以输入程序，并用用户程序进行检查、修改、调试和监视，还可以调用和显示PLC的一些状态和参数。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。2.2 PLC的软件系统PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，包括系统程序和用户程序。系统程序主要包括系统管理和监控程序以及对用户程序进行编译处理的程序，各种性能不同的PLC系统会有所不一样。使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。二、 PLC的工作原理 内部处理 通信服务 输入处理 程序执行 输出处理 PLC采用循环扫描的方式来进行工作，即在PLC通电并完成了对硬件和软件的初始化之后，用户程序反复不断地执行，以使PLC的输出及时的响应随时可能变换的输入信号，直到PLC停机或者切换到STOP状态为止。这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。PLC有两种基本的工作模式，即运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。如图1.2 RUN STOP 内部处理 通信服务图1.2PLC在RUN工作模式下，采用周期循环扫描、分时操作的工作方式，不断地采集输入信号、执行用户程序以刷新系统输出；同时，完成内部处理和通信服务等工作。扫描工作当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如下图所示PLC在停止模式下，只进行内部处理和通信服务工作。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，进行监控定时器复位等工作。在通信服务阶段，PLC与其他的带CPU的智能装置通信。 三、PLC的汇编语言与编程方法3.1 PLC的编程语言 PLC是按照程序进行工作的。程序就是用一定的语言描述出来的控制任务。常用的语言有梯形图、指令表、顺序功能图和功能块图等。 梯形图基本上沿用电气控制图的形式，采用的符号也大致相同。如图1.3所示，梯形图两侧的平行数线为母线，其间由许多触点和编程线圈组成的逻辑行。 图1.3梯形图指令表类似于计算机汇编语言的形式，用指令的助记符来编程四、PLC的程序设计基础（一） PLC中的程序结构（1）可编程序控制器是专为工业生产过程的自动控制而开发的通用控制器，编程简单是它的个突出优点，它没有采用计算机程序语言，而是开发了面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC编程语言。程序由两部分组成：操作系统，由PLC的生产厂家提供，它支持用户程序的运行；用户程序，由用户为了完成特定的控制任务而编写的应用程序。PLC的编程语言标准IEC 61131-3规定了下述5钟编程语言：顺序功能图，梯形图，功能块图，指令表和结构文本。其中较为常用的有顺序功能图、梯形图和指令表。顺序功能图，是一种位于其它编程语言之上的图形语言，用来编写顺序控制程序。它为我们提供了一种组织程序的图形方法。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件。梯形图程序是使用的最多的PLC图形编程语言。梯形图程序由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。功能块图用来表示定时器、计数器或者数学运算、数据处理等指令。PLC的梯形图也称之为电路或程序，是一种软件信息，反映PLC的输入输出逻辑控制关系的程序软件。需要注意的是，与传统的继电器控制系统的梯形图电路不同，PLC的梯形图不是真正的物理硬件电路，不能把他们当做硬件电路来对待。指令表程序，指令是程序中的最小独立单位，用户程序是由若干条顺序排列的指令而构成。一条指令一般由一个操作码和一个操作数组成，操作数由标识符和参数组成。操作码定义要执行的功能，它告诉CPU该执行什么操作；操作数为执行该操作所需要的信息，它告诉CPU用什么去做。一般情况下，指令的操作数在PLC的存贮器中。五、十字路口交通灯的介绍（一） 十字路口交通灯的原理及示意图在十字路口的东西、南北主干道上装设红灯、绿左转、绿直行和黄灯，控制机动车辆和非机动车辆，人行斑马线上装设红、绿灯控制行人。其控制过程为：东西南北方向主干道的红灯一直处于点亮状态，提示主干道上左转通行时直行禁止通行，直行通行时左转禁止通行，只有红灯亮时该方向车辆禁止通行。主干道车辆通行时交通灯信号的变化规律为：左转绿灯亮15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后直行绿灯亮（同时东西方向人行道绿灯亮），15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后绿灯全部熄灭，只有红灯亮，车辆禁止通行。该系统属于连续循环工作的控制系统，要求系统启动后能够周期性地连续循环工作，故系统中设置两个输入信号分别控制系统的启动和停止。PLC选用三菱F140MR基本单元，I/O接口数为24/16。分析系统的控制模型可以看出，人行道斑马线上的绿灯状态与直行绿灯信号相同，可用同一个控制信号。故整个控制系统需设置两个输入接口：X400接启动输入开关SB1，X401接停止输入开关SB2；再设置九个输出端口分别控制各信号灯。根据系统的控制模型和控制要求可画出系统中各输出信号的控制时序如图三所示。 六、应用PLC设计十字路口交通灯（一） 输入输出点分配表为了将十字路口交通灯的控制关系用PLC控制器实现，PLC需要1个输入点作为启动、停止开关，9个输出点。为了使用方便，所以选用三菱F140MR基本单元，I/O接口数为24/16。交通信号灯控制系统的 PLC 输入、输出点分配表。输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号启动按钮SB1I0.0主干道红灯Y430Q0.0停止按钮SB2I0.0南北左转绿灯Y432Q0.1南北方向黄灯Y433Q0.2南北直行绿灯Y431Q0.3东西左转绿灯Y532Q0.4东西方向黄灯Y533Q0.5东西直行绿灯Y531Q0.6南北人行道红灯Y534Q0.7东西人行道红灯Y434Q1.0表6.1 输入输出点分配表 根据以上I/O分配表和所选定的S7-200小型PLC，得到该控制系统的I/O外部接线如图二所示。（二） 顺序功能图由实验内容和分析控制过程，得出控制规律，根据以上分析绘出顺序功能图，见附录一：（三）梯形图：根据控制系统的顺序功能图，采用以转换条件为主要的设计方法，可以编写得到该十字路口交通灯的PLC控制系统的梯形图，见附录二。（四）指令表该十字路口交通灯的PLC控制系统的指令表，见附录三。七、 小结本次设计的是十字路口交通灯PLC控制系统设计与调试，由于这个课题和我们的生活联系很紧密，所以这让我做起来相对简单一点。 俗话说万事开头难，一开始我没有头绪，但是在老师和同学的指导下，我慢慢的就理解了，然后就开始了设计。首先我自己研究课题中的十字交通灯的基本要求，在了解透彻的情况下，就去查阅各种资料，然后初步确定了要以时间计时为转换条件来进行各工部间的联系。接着分析了设计中可能会遇到的问题。分析了这些问题之后，我就开始做准备工作。首先我先画顺序功能图，在反复揣摩与研究后顺利的完成了。然后就是确定各器件的型号。之后就是设计各器件的位置，使电路看起来整齐美观。然后我就开始画梯形图，在此之前，我先对顺序功能图进行了分析，在理解之后，去查阅了一些资料，就开始画梯形图了。这个过程是很困难，也很考验人的。在反反复复，一次又一次的编译、仿真与检查后，最后终于成功了。在这几周的忙碌中，我学到了许多，对PLC有了进一步的了解。在老师、同学的帮助下，我完成了设计。我认为本次设计不仅是学到了更多知识，也很好的锻炼了我面对困难时的意志力。致 谢能够顺利完成这次PLC控制十字交通灯的设计，首先要感谢我的指导教师胡凯老师，从开始选题到开题再到论文完成，老师给了我莫大的帮助。由于实习期间繁忙忘记了及时写论文，老师在百忙之中抽空打电话给我及时提醒我，还关心我实习生活问题。在写作过程中，胡老师也给了我许多宝贵的意见，为我能及时很好的完成论文奠定了基础，其次，也要感谢我的同学们，当我遇到难以解决的问题时，他们帮我去查阅资料，然后耐心的解释给我听。真的很感动，很感谢！因为我们互相理解、互相帮助，所以我们都学到了很多东西。总之，感谢胡老师和我的同学们，在此，向你们表示我衷心的谢意！参考文献 1宋伯生.陈东旭.PLC应用及实验教程M.北京:机械工业出版社,2006.P212 2孙同景.PLC原理及工程应用D. 北京:机械工业出版社,2008.P256 3周波.胡修玉. 可编程控制器原理与应用M.北京:国防工业出版社.2008.P1224钟肇新.范建东.冯太合.可编程控制器原理及应用M.广州:华南理工大学出版社.2008.P188附录附录一：（顺序功能图）附录二：（程序梯形图）附录三：（程序指令表）ORGANIZATION_BLOCK 主程序:OB1TITLE=程序注释BEGINNetwork 1 / 网络标题/ 网络注释LD SM0.1S M0.0, 1Network 2 LD M0.0A I0.0S M0.1, 1R M0.0, 1Network 3 LD M0.1A T37S M0.2, 1R M0.1, 1Network 4 LD M0.2A T38S M0.3, 1R M0.2, 1Network 5 LD M0.3A T39S M0.4, 1R M0.3, 1Network 11 LD M1.1A T45S M1.2, 1R M1.1, 1Network 12 LD M1.2A T46S M1.3, 1R M1.2, 1Network 13 LD M1.3A T47S M1.4, 1R M1.3, 1Network 14 LD M1.4A T48S M0.0, 1R M1.4, 1Network 15 LD M1.4O M0.1O M0.2O M0.3O M0.4O M0.5O M0.6O M0.7Network 22 LD M0.1LD M0.2A SM0.5OLDO M0.3O M0.6O M0.7O M1.0O M1.1O M1.2LD M1.3A SM0.5OLDO M1.4= Q0.7Network 23 LD M0.1LD M0.2A SM0.5OLDO M0.3O M0.4LD M0.5A SM0.5OLDO M0.6O M0.7LD M1.0Network 31 LD M1.0TON T44, 50Network 32 LD M1.1TON T45