PLC课程设计-十字路口交通灯设计.doc

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第1章 绪 论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)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。 单片基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。第2章 PLC的结构和工作原理2.1PLC的基本结构在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。中央处理器(CPU):中央处理器(CPU)一般由控制器运算器和寄存器组成。它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不序地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面做了特别的考虑。目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的PLC以及同一家生产的不同型号的PLC其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC的主机由微处理器（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。下面分别介绍PLC各组成部分及作用。2.2 PLC的工作原理PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编好程序后，编程器将程序键入PLC的用户存储器中存储。PLC的控制功能就是运用用户程序来实现的。PLC运行程序的方式与微型机算计相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000存储地址所存放的第一条拥护指令开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址好递增的方向顺序执行拥护程序，直到END指令结束。然后再从头开始，并周而复始的重复，直至到停机或运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。我们把PLC这种执行程序的方式成为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输出，输出信号的处理与微型机算机不同 。微型机算机对输出、输出信号实时处理。而PLC对输出、输出信号是集中批处理。PLC扫描工作方式分为三个阶段：输出采样、程序执行、输出刷新。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段完成。上述3个阶段即为一个周期。在整个运行期间PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。(1)输入采样阶段PLC。在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。(2)用户程序执行阶段。根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC以先左后右，先上后下的5步序逐句扫描。当指令中涉及输入/输出时，PLC从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。(3)输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计数器，可以实现24小时的累计。LED数码管将“时、分、秒”计数器的输出状态显示。校时电路是来对“时、分、秒”显示数字进行校对调整 2.3 PLC的基本指令 1.输入输出指令 LD与LDI指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。OUT指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。2.触点串连指令、并联指令 CX含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连接时，支路的起点以LD或LDNOT指令开始，而支路的终点要用ORB指令。ORB指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，ORB指令不表示触点，可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接，应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令，用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电路块的末尾集中写出ORB的指令，但这时ORB指令最多使用7次。将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用ANB指令，各并联电路块的起点，使用LD或LDNOT指令；与ORB指令一样，ANB指令也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之后使用一个ANB指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中使用ANB指令，最多使用7次。1. 触点指令 触点指令包括逻辑取和线圈驱动指令，它有两种连接形式，即串联和并联。 (1)逻辑取和线圈驱动指令。指令格式为：LD 取指令；LDN 取反指令；线圈输出指令。 (2)触点串联指令。指令格式为：A 常开触点串联：AN 常闭触点串联。 (3)触点并联指令。指令格式为：O 常开触点并联：ON 常闭触点并联。 2. 逻辑电路块的连接指令 电路块连接指令主要有两种形式：串联电路块的并联指令和并联电路块的串联指令。串联电路块的并联指令其格式为：OLD；并联电路块的串联指令其格式为：ALD。 3. 置位，复位指令 置位指令的格式为：S bit, N;复位指令的格式为：R bit N。 4. 取反指令 其格式为：NOT。 3PLC的工作方式1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。2）程序执行阶段：PLC对用户程序扫描。3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。2.4 PLC的硬件单元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、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。其结构如图所示。中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。2.5 PLC的特点PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的特点而设计制造和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的优点。1) 可靠性高，抗干扰能力强2）通用性强，使用方便3) 采用模块化结构，使系统组合灵活方便4) 编程语言简单、易学，便于掌握5) 系统设计周期短6) 对生产工艺改变适应性强7) 安装简单、调试方便、维护工作量小8）体积小、重量轻、功耗低2.6 PLC的功能 1逻辑控制功能 逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是PLC的最基本功能之一。PLC设置有“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑指令，根据外部现场（开关、按钮或其它传感器）的状态，根据指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电机等）。因此，PLC可代替继电器进行开关控制，完成接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。另外，在PLC中一个逻辑位的状态可以无限次的使用，逻辑关系的修改和变更也十分方便。 2定时控制功能定时控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执行时，PLC将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或延时控制，以满足生产工艺的要求。3计数控制功能 计数控制功能是PLC的基本功能之一。PLC为用户提供了许多计数器，计数器记到某一个数时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中进行修改。程序执行时，PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个计数过程的计数控制。 4步进控制功能 PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进行下一道工序。有些PLC还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用都极为方便。 5数据处理功能 PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联、实现程序、数据的显示的打印。 第3章 十字路口交通灯的介绍3.1 控制要求交通灯的工作过程：系统工作状态受开关控制，启动开关ON则系统工作，启动开关OFF则系统停止工作；控制对象：南北主干道和东西主干道各有六个交通灯，其中左转有红、黄、绿三个；直行有红、黄、绿三个；南北人行道和东西人行道各有红、黄、绿三个交通灯。控制规律：1）正常循环 按下启动按钮，交通灯开始工作，先亮南北方向绿灯和东西方向红灯，主干道南北方向左转绿灯亮10S，黄灯亮2S后红灯亮；左转绿灯灭的同时直行绿灯亮，持续30S，绿灯闪亮3S,黄灯亮2S后，红灯亮。当南北主干道红灯全亮时，东西主干道按照南北主干道相同的规律依次点亮左转和直行方向灯。人行道上的红、黄和绿灯与同方向主干道上的直行灯运行方式相同。2）急车强制通过控制 急车的强通受强通开关控制。无急车时，按正常循环运行，又急车来时，打开急车强通开关，不管原来信号灯的状态，一律让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过，断开急车强通开关，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3S,随后按正常时序控制。 图3-1 十字路口交通灯原理图3.2 时序图图3-2 十字路口交通灯时序图3.3 PLC控制器及地址分配据要求，应有一个输入控制变量，八个输出变量。它们分别为控制启停的 变量I0.0，控制南北红灯HL1、HL2的Q0.0,控制南北黄灯HL3、HL4的Q0.3，控制东西黄灯HL9、HL10 的Q0.4，东西绿灯HL11、HL12的Q0.5，控制南北车灯HL14的Q0.6 ， 控制东西车灯HL13的Q0.7。 3.4 PLC原理图 图3-3 PLC原理图 3.5 编制梯形图图3-4 梯形图第4章 十字路口交通灯的仿真及调试 4.1 控制系统的程序调试步骤1）对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。由于本控制系统简单就可以省略这一步。2）设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。3）将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。4）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。4.2 调试过程遇到的问题及解决方法在起初情况，按下转换开关，根据设计的要求,应该亮的灯有“南北红灯”、“东西绿灯”，由于设计中未考虑周全，当按下转换开关时，不仅“南北红灯”、“东西绿灯”亮，而且“南北绿灯”、“东西红灯”也亮，断电后，对程序进行检查，发现把程序转换到高峰时段后，没有对定时器终止，所以才会出现灯亮混乱的情况。在设计中，当程序处在早上八点之后的正常时段时，程序运行了一个周期后，就不再循环了。断电后对程序进行检查，发现程序执行完一个周期后，定时器没有被复位，检查得知是因为对T37的分段控制不当。对程序进行修改后，调试后都正常4.3 交通灯的实际接线图图4-1 交通灯的实际接线图 结论 致谢 通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的做法可以行得通，但实际接上，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。 我趁着做课程设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于