毕业设计（论文）-PLC控制在交通灯中的应用.docx

湖南工业职业技术学院毕业设计说明书系名称电气系专业及班级机电六 班学生姓名学 号八设计题目 PLC控制在交通灯中的应用指导教师教研室主任系 主 任 2015 年10月21日目 录前言1中文摘要2英文摘要31 可编程序控制器PLC的概况41.1 PLC的产生.41.2 PLC的定义51.3 PLC的工作原理51.4 PLC的应用领域61.5 PLC的发展趋势72控制要求82.1 交通灯控制系统的设计要求和工作过程82.2 交通灯的时序波形图93 硬件介绍和选取104 交通灯系统的设计与控制114.1 顺序图124.2 I/O分配及接线图134.3 编制程序154.4 调试程序21参考文献22谢辞23附录.24前言可编程序控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在日常生活中得到了广泛的应用。PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，PLC的平均无故障运行时间（又称平均故障间隔时间MTBF）已经高达几十万小时。其次，PLC具有通用性强，使用方便的特点。由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线。一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。PLC还具有功能强，适应面广的特点，现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，还具有数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，既可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。PLC还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。用户只需根据控制的规模和要求，适当选择PLC的型号和硬件配置，就可以组成所需的控制系统。随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是增加道路网。但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。因此，不可能通过无限制地修建道路来满足日益增长的交通需求。与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决道路拥挤的问题。第 16 页湖南工业职业技术学院毕业设计说明书中 文 摘 要 传统的交通灯控制系统大多是由数字电路来实现的，交通灯控制系统稳定性可靠性与抗干扰能力较差，随着社会经济的发展，数字电路交通灯越来越不能满足日益增长的交通压力，因此必须寻求一种新的方法来取代这种复杂而工作不稳定的控制系统。随着科技的发展，可编程控制器(PLC )的功能日益完善，可编程控制器已作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，已被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源等各种行业。它可靠性高、功能完善、抗干扰能力强，具有结构简单、重量轻等优点，是一种用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统。采用PLC控制交通信号灯，主要是考虑其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，特别是方便地实现多岔路口的控制。由于PLC本身具有通信联网功能，可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。在实际应用中，采用PLC控制城市交通信号灯，能根据不同的路况要求，随时修改控制程序，以改变各信号灯的工作时间和工作状况。与继电器或逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更高的可靠性、灵活性和经济实用性。本论文就是运用PLC原理来实现对十字路口的交通灯的控制，介绍了基于PLC在交通系统的运用，系统介绍了PLC的基本原理。关键词交通灯控制系统；可编程控制器（PLC）；十字路口；科学化管理；稳定性；可靠性ABSTRACTThe traditional traffic control system is mostly by digital circuit, traffic control system stability reliability and anti-interference ability is bad, With the development of society and economy, and digital circuit traffic lights to meet the growing traffic pressure, therefore, must seek a new method to replace the complex and working stability of the control system.With the development of science and technology, the programmable logic controller (PLC) function, the programmable controller has, as a kind of microcomputer technology as the core in automatic control equipment, has been widely used in mechanical manufacturing, metallurgy, chemical, energy, etc. It has high reliability, complete functions, strong anti-jamming capability, with simple structure, light weight, it is a kind of process control for industrial environment and the number of operating system. PLC control traffic lights, mainly is for use with the consideration of the characteristics of strong adaptability to environment, and its internal timer resources are very rich, but for now the widespread use of progressive light accurately control, particularly easily realize more control of the cross-roads. Because of PLC network communication function, has the same path can be composed of a LAN for signal unified dispatching management, can shorten the time of waiting vehicles, scientific management. In actual application of PLC control, urban traffic lights, can according to different conditions, modified at any time to change control procedures, the signal of working time and working conditions. And relay or logic circuit control system, PLC control system has higher reliability and flexibility and economic and practical. This paper is the application of the principle of PLC to control the traffic intersection, introduced in traffic system based on PLC is introduced, and the application of PLC system of basic principle.Key wordsTraffic control system； Programmable logic controller (PLC)；Crossroads； Scientific managemen；Stabilization；reliability1.1.PLC的产生20世纪20年代起，人们把各种继电器。定时器。接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统.由于它结构简单。容易掌握。价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差.20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：（1） 编程方便，可现场修改程序（2） 维修方便，采用插件式结构（3） 可靠性高于继电器控制装置（4） 体积小于继电器控制盘（5） 数据可直接送入管理计算机（6） 成本可与继电器控制盘竞争（7） 输入可以是交流150V以上（8） 输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等基于PLC交通灯控制系统的设计1.2 PLC的定义早期的可编程控制器是为了取代继电器控制线路，采用存储器程序指令完成顺序控制而设计的。它仅有逻辑运算、定时、计数等功能，采用开关量控制，实际只能进行逻辑运算，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC（Programmable Logic Controller）。进入20世纪80年代后，采用了16位和少数32位微处理器构成PLC，使得可编程逻辑控制器在概念、设计、性能上都有了新的突破。采用微处理器之后，这种控制器的功能不再局限于当初的逻辑运算，增加了数值运算、模拟量的处理、通信等功能，成为真正意义上的可编程控制器（Programmable Controller），简称为PC。但是为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，长将可编程控制器仍成为PLC。随着可编程控制器的不断发展，其定义也在不断变化。国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月又颁布了第三稿。1987年颁布的可编程控制器的定义如下：“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入、输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其相关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。”1.3 PLC的工作原理PLC实质上是一种专用与工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相近，在结构上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，内存模块，电源模块，底板或机架。这些模块可以按照一定的规则组合配置。输入接口部件件中央处理单元 CPU板 驱动受控原件接收现场信号电源部件图1 PLC操作过程按照可编程控制器系统的构成原理，可编程控制器系统由传感器，可编程控制器和执行器组成，可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序来实现控制任务，其操作过程如上图1所示。PLC输入模块的输入信号状态与传感器信号相对应，为传感器信号经过隔离和滤波后的有效信号。开关量输入电路通过识别传感器0、1电平，识别开关的通断。CPU在每个扫描周期的开始扫描输入模块的信号状态，并将其状态送入到输入映像寄存器区域；CPU根据用户程序中的程序指令来处理传感器信号，并将其处理的结果送到输出映像寄存器。现代的PLC已经具备了处理模拟量的功能，但是相对于开关量的处理较复杂一些。PLC输出模块具有一定的负载驱动能力，在额定负载以内，直接和负载相连，可以驱动相应的执行器。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。1.4 PLC的应用领域目前，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、保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几类：（1）开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制 在工业生产过程中，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PLC能处理模拟信号，PLC厂家生产有配套的A/D、D/A转换模块，使PLC可用于模拟量控制。（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，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在可使用专门的运动控制模块。广泛的运用于各种机床、机械、机器人、电器等场合。（4）过程控制 这是对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。PLC能编制各种控制算法程序，完成闭环控制。PID控制时一般闭环控制系统中常用的控制方法。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、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据采集、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。一般用于大型系统，如无人控制的柔性制造业。（6）通信及联网 PLC通信包含PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备间的通信。在工业自动化网络发展加快前提下，厂家都十分重视PLC的通讯功能，纷纷推出各自的网络系统，通讯十分方便。1.5 PLC的发展趋势1969年，美国数字设备公司（DEC）首先研制出第一台符合要求的控制器，即可编程逻辑控制器，并在美国GE公司的汽车自动装配上试用获得成功。此后，这项技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。总的来说发展趋势如下：(1)向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的储存容量。(2)向超大型、超小型两个方向发展。以适应不同类型的自动控制系统的需要。(3)PLC大力开发智能模块，加强联网通信功能。为了扩大适用范围，厂家还制定了通用的通信彼岸准，已构成更大的网络系统。4)增强外部故障的检测与处理能力。外部故障的几率很大，因此，PLC厂家致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性1 (5)编程语言多样化。PLC结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富。多种语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。控制要求2.1交通灯控制系统的设计要求和工作过程主要程序要求如下：信号灯受启动开关控制。当启动开关接同时，信号灯系统开始工作，先南北绿灯亮，后东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。（1）东西方向红灯亮维持30s期间，南北方向绿灯亮维持25s，然后绿灯闪亮3s后熄灭，同时南北方向黄灯亮，维持2s后熄灭，这时南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮。（2）南北方向红灯亮维持30s期间，东西方向绿灯亮维持25s，然后绿灯闪亮3s后熄灭，同时东西方向黄灯亮，维持2s后熄灭，这时南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。（3）上述动作循环进行。2.2 交通灯的时序波形图根据以上描述可简单绘制交通灯的时序波形图，如图3所示，南北方向绿灯和东西方向红灯先亮。2S启动南北绿灯南北黄灯南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯图3 时序波形图3S30S25S30S2S3S25S下一周期略去3 硬件介绍和选取（1）PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。 （2）输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。 （3）CPU的构成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。 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 （4）I/O的分配 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （5）电源的选择 根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。 电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压.电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和,同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素;电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。直流输入电源对于输入电压一般都是宽范围:如5V为4.5-9V,12V为9-18V,24V为18-36V,48V为36-72V,110V为60-160V。交流输入电源一般为220VAC(176-264V)和三相三线(四线),并带有PFC功率因数校正功能。（6）存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 经济性的考虑，选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。 输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。 （7）PLC 接地良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制干扰，PLC一般最好单独接地，与其它设备分别使用各自的接地装置，PLC的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近PLC。同时，接地电阻要小于100，接地线的截面应大于mm。另外，PLC的CPU单元必须接地，若使用了I/O扩展单元等，则CPU单元应与它们具有共同的接地体，而且从任一单元的保护接地端到地的电阻都不能大于100。（8）底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 本设计决定选用S7-200系列PLC。 4 交通灯系统的设计与控制4.1 顺序图分析系统控制要求，可绘制系统功能顺序图如下图4所示：原始状态I0.0南北绿灯亮，东西红灯亮，定时25秒状态1 S0.025秒时间到南北绿灯闪亮，定时3秒状态2 S0.13秒时间到南北黄灯亮，定时2秒状态3 S0.22秒时间到东西绿灯亮，南北红灯亮，定时25秒状态4 S0.325秒时间到东西绿灯闪亮，定时3秒状态5 S0.43秒时间到东西黄灯亮，定时2秒状态6 S0.52秒时间到图4 交通灯的功能顺序图4.2 I/O分配及接线图硬件结构设计必须了解各个对象的控制要求,分析对象的控制要求,确定输入/输出(I/O)接口的数量,确定所控制参数的精度及类型。如对开关量,模拟量的控制,用户存储器的存储容量等。选择合适的PLC机型及外设,以完成PLC的硬件结构配置。 根据上述选型及控制要求,绘制PLC控制交通灯的电路接线原理图,编制I/O接口功能表, I/O分配及其接线原理图分别如下表1和图5所示。表1 PLC I/O端口分配表输入功能输出功能I0.0启动Q0.0南北红灯I0.1停止Q0.1南北黄灯Q0.2南北绿灯Q0.4东西红灯Q0.5东西黄灯Q0.6东西绿灯4.3 编制程序根据控制要求和I/O口分配，用STEP 7-Micro/WIN软件编制程序如下图6所示：第 25 页4.4 调试程序（1）按图5将PLC与对应输入输出的设备连接起来。（2）用STEP 7-Micro/WIN软件编制系统的梯形图程序，将编制无误的程序下