毕业设计（论文）-基于PLC的交通灯设计.doc

基于PLC的交通灯设计摘要 交通灯的发展已经有百年的历史，自诞生以来，人们就没有停止对它的升级与改进，因此它的功能越来越完善。技术人员不断地对其内部电路进行改进，运用不同的设计方法和各种先进的设备进行设计。PLC作为现代工业自动化中的控制装置，具有结构简单、编程简单、可靠性高等优点，随着PLC的小型化，它的可靠性与灵活性得到了进一步的提高，非常适合用于交通灯的设计。本文就基于三菱FX系列PLC提供了一种交通灯的设计方法，因此具有修改灵活、抗干扰能力强的优点。本文简要的介绍了PLC的功能特点、结构原理、发展趋势，所设计交通灯的功能要求，顺序功能图，I/O接口分配，程序语句，调试过程。最终实现了交通灯控制系统的自动化。关键词：PLC 交通灯 顺序功能图Design of traffic light based on PLCABSTRACTThe traffic lights have been developed for a hundred years of history, since its birth, the people never stop to upgrade and improvement, and its function is more and more perfect. The internal circuit is constantly being improved, design method and application of the device is varied also. PLC as the modern industry automation control device, has the advantages of simple structure, easy programming, high reliability, with the PLC miniaturization, its reliability and flexibility has been further improved, very suitable for the design of traffic lights. This paper based on Mitsubishi FX series PLC provides a traffic light design method, so it has a modified flexible, strong anti-interference capability. This paper briefly introduces the functions and features of PLC, the structure principle, development trend, the design of the function of traffic lights, sequential function chart, I/O interface allocation, program, the debugging process. The eventual realization of a traffic light control system automation.Key words：PLC traffic light sequence function chartII目录摘要IABSTRACTII引言1第一章 PLC概述21.1 PLC统简介21.1.1 PLC的定义21.1.2 PLC的特点21.1.3PLC的应用领域31.2 PLC的结构31.3 PLC的工作原理4（1）输入处理5（2）程序执行5（3）输出处理51.4 PLC的发展趋势61.5 三菱FX系列PLC简介71.5.1 三菱FX系列PLC型号说明71.5.2 三菱FX系列PLC的系统配置71.5.3 三菱FX系列PLC主要性能指标81.5.4 三菱FX系列PLC变编程系统8第二章 交通灯系统92.1 交通灯的设计思路92.2 交通灯的布置图9第三章 交通灯系统的硬件与程序设计93.1 PLC的选型103.2 输入输出端口的分配103.3 交通灯系统的程序设计103.3.1 程序梯形图113.3.2 程序指令表113.4 系统程序工作过程分析133.5 程序的调试和修改14第四章 总结16致谢17参考文献.18引言近年来我国经济社会发展迅速，人们的生活水平不断提高，汽车销量也不断攀升，上路的车辆越来越多，不仅仅是北上广等一线城市，就连一些经济比较发达的小城镇都出现了交通拥堵的现象。提高道路交通能力的最直接的方法就是大规模修建道路，拓宽现有道路，建设立体交通路网。而修建道路往往耗费巨额资金和大量土地，因此道路的修建不会大规模持续，如何采用合适的控制方法，保障城市交通有序、安全、快速运行，提高城市道路的交通能力，实现交通的科学化管理成为摆在我们面前的问题，单片机能完成交通灯一般的控制过程，它的控制功能比传统继电器控制电路强大很多，但是它在抗干扰能力和整个控制功能上还不尽如人意。PLC是专为工厂自动控制设计的，对各种复杂的环境能很好地适应，有着更好的控制能力，因此可以广泛应用于交通灯的控制领域。通过多种多样的扩展模块，可以实现外部接线简化，内部工作的可靠性高，稳定性高，抗干扰能力强。本设计就采用三菱FX系列PLC给出了一种交通灯的设计方法。第一章 PLC概述1.1 PLC统简介1.1.1 PLC的定义可编程控制器（ProgrammableController）简称为PC，但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，将可编程控制器简称为PLC（ProgrammableLogic Controller）。PLC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可以外联很多相关设备，能够很容易的扩展其控制功能，从而实现了其功能的多元化，使得它们在工业控制中形成了一个整体。PLC从诞生至今，得到了异常迅猛的发展，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。1.1.2 PLC的特点（1） 编程方法简单易学目前很多企业中的工程技术人员已经习惯了读取传统的继电器控制图，为了迎合他们的习惯，PLC采用了梯形图语言。梯形图语言采用了与继电器电路原理图相通并且相近的电路符号和表达方式，编程设备的操作和使用也很简单。因此，PLC对于工程技术员来说非常易于接受。（2） 硬件配套齐全，用户使用方便工程技术人员与开发了各种与PLC相关的硬件与软件装置，不仅大大的扩展了控制功能，而且用户不必自己设计和制作硬件装置，大大地方便了用户。（3） 通用性和适应性强（4） 可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC中的中间继电器和时间继电器全部由软件进行模拟，唯一的硬件元件就是与输入和输出有关的驱动元件，所以接线量只有到继电器控制系统的十分之一到百分之一，因此因为触点接触不良造成的故障大为减少。所以可靠性成为很多技术人员选择PLC作为控制装置的首要条件。（5） 系统的设计、安装、调试工作量少传统的继电器控制系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等器件在PLC中都被软件所取代，这使得控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少，调试工作也主要集中在程序的修改上。（6） 维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低并具有完善的诊断和显示功能。（7） 体积小，能耗低1.1.3 PLC的应用领域（1） 开关量控制（2） 运动控制（3） 闭环过程控制（4） 数据处理（5） 通信联网1.2 PLC的结构PLC种类有很多，根据I/O点数和存储容量可分为小型、中型和大型三个等级；根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式和模块式。但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。（1）中央处理单元（CPU）在PLC中起着总指挥作用的是CPU，它作为整个PLC系统的核心，一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。（2）存储器（RAM、ROM）系统程序、用户程序及工作数据等都是在存储器中存放。存储器在功能上一般分为三种，系统程序存储器用于存放系统软件;用户程序存储器用于存放应用软件，数据存储器用于存放工作数据。（3）输入输出单元（I/O单元）在PLC中承担PLC与被控对象间传递输入输出信号任务的接口部件是I/O单元。I/O单元因为承担着传递信息的重任，因此再设计时就加入了良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。（4）电源（5）编程器（6）通信接口图1-1为PLC基本结构组成图编辑器电源中央处理单元（CPU）输出电路输入电路系统程序存储器用户程序存储器 图1-1 PLC基本结构组成图图1-2为PLC控制系统组成图模拟数据采集开关信号输入液晶显示器上位机微型计算机易控组态软 件下位机可编程控制器PLC-FX2N48MR负载信号输出打印机图1-2 PLC控制系统组成图1.3 PLC的工作原理PLC是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，而CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，因此PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。（1）输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。接着进入程序执行阶段。（2）程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。（3）输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。图1-3为PLC扫描过程图开始内部处理通信处理RUN方式？输入扫描程序执行输出处理否是图1-3 PLC扫描过程图图1-4 为PLC运行图执行用户程序元素映象寄存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子输入输入端子读写读输出 图1-4 PLC运行图1.4 PLC的发展趋势现代工业对PLC的设计与功能提出了更高的要求，PLC主要朝着以下几个方面发展。(1) 高速度、大容量(2) 超大型、超小型(3) 大力开发智能模块，加强通信联网能力(4) 增强外部故障的检测与处理能力(5) 编程语言多样化1.5 三菱FX系列PLC简介三菱FX系列可编程控制器是三菱公司推出的高性能小型可编程控制器，它逐步替代了三菱公司F系列的PLC产品。FX系列PLC包括多种产品，具有较高的性价比，适用于大多数单机控制场合，是我国应用最广泛的PLC系列产品之一。1.5.1 三菱FX系列PLC型号说明单元类型：M-基本单元 E-输入/输出扩展单元 EX-扩展输入模块 EY-扩展输出模块输出方式：R-继电器输出 S-晶闸管输出 T-晶体管输出特殊品种：D-DC电源，DC输入 A-AC电源，DC输入 H-大电源输出扩展模块 V-立式端子排的扩展模块 C-接茬口输入/输出方式 F-输入滤波器1ms的扩展单元 L-TTL输入型扩展单元 S-独立端子扩展单元1.5.2 三菱FX系列PLC的系统配置三菱FX系列PLC主要由基本单元、扩展单元、扩展模块以及一些特殊功能模块构成。实际应用时根据需要，可以仅用基本单元，也可以将上述各部分组合起来使用。其基本单元包括CPU、存储器、输入/输出接口和电源，是PLC的主要组成部分。1.5.3 三菱FX系列PLC主要性能指标PLC的性能指标众多，主要性能通常通过以下指标来描述：(1) 输入输出点数(2) 用户存储容量(3) 扫描速度(4) 指令系统条数(5) 编程元件的种类和数量1.5.4 三菱FX系列PLC变编程系统三菱公司专门为其生产的PLC开发了专用的编程软件FXGPWIN，改编成软件不仅可以使用基本的指令表进行编程，也可以使用梯形图的编程方式，这种编程方式可以在图形画面上进行符号作图，对工程技术人员来说形象简便、易于掌握。还可以采用对应机械动作流程进行顺序控制设计的SFC(顺序功能图)方式，不论是指令表编程方式、梯形图编程方式、SFC方式都可以实用软件进行相互转化，十分方便。第二章 交通灯系统2.1 交通灯的设计思路运用PLC设计简单的十字路口红绿交通灯，共有南北东西四个方向，每个方向各有红黄绿三盏信号灯，另外还有模拟南北方向和东西方向行驶车的灯，总共八盏灯。交通灯启动之后，没有人为的关断可以自动循环下去。其控制过程如下：（1）东西绿灯亮20秒，南北红灯亮25秒；（2）东西绿灯闪烁3秒后熄灭；（3）东西黄灯亮2秒后熄灭；（4）东西红灯亮30秒，南北绿灯亮25秒；（5）南北绿灯闪烁，3秒后熄灭；（6）南北黄灯亮，2秒后熄灭；（7）南北红灯亮，东西绿灯亮，回到初始状态。交通灯将重复刚才的步骤，没有人为的将启动开关断开，交通灯将永远的循环下去。2.2 交通灯的布置图6.黄灯亮，2秒后熄灭十字路口交通灯布置图如图2-1所示 5绿灯闪烁，3秒后熄灭北红黄绿4.绿灯亮25秒绿 黄 红1.红灯亮25秒行车灯行车灯东西南绿黄红红 黄 绿 1.绿灯亮20秒2.绿灯闪烁，3秒后熄灭3.黄灯亮，2秒后熄灭4.红灯亮30秒图2-1十字路口交通灯布置图第三章 交通灯系统的硬件与程序设计3.1 PLC的选型由于模拟南北方向和东西方向行驶车的灯分别与南北方向和东西方向的红灯控制规律相同，所以可以将模拟行驶车的灯与对应的红灯合并为一个控制信号进行控制，现在需要两个输出信号，再加上南北方向和东西方向的绿灯、红灯共四个输出信号，共需要六个输出信号。由于控制系统需要控制系统启动和关断的按钮，所以还需要两个输入点。选用三菱型号为FX2N-48MR的PLC，这款PLC输出点为24个，输出点为24个，完全能满足本设计的控制需要。3.2 输入输出端口的分配输入信号共两个，即启动/关断开关X0，启动按钮X1；输出信号共八个，分别为南北绿灯、南北黄灯、南北红灯、东西红灯、东西黄灯、东西绿灯、西行驶车灯、南北行驶车灯。详细分配情况如表1所示。表1 交通灯I/O分配表输入输出输入继电器外接输入信号输出继电器外接输出信号X0启动/关断开关Y0南北绿灯X1启动按钮Y1南北黄灯Y2南北红灯Y3东西红灯Y4东西黄灯Y5东西绿灯Y6东西行驶车灯Y7南北行驶车灯3.3 交通灯系统的程序设计设计交通灯可以采用不同的程序设计方法，常用的有顺序控制设计方法以及经验设计法。顺序控制设计方法，顺序控制设计方法具有思路清晰、层次分明、设计规范、易于调试等特点。采用顺序控制设计法实现PLC的控制，首先要根据具体要求，画出相应的功能图。再将功能图转化为相应的梯形图；经验设计法延续了传统的继电器电气原理图的设计方法，在一些典型控制电路的基础上，根据控制系统的具体要求，采用许多辅助继电器来完成记忆、互锁等功能。该方法随意性较大，调试时间长，要求设计者具有丰富的设计经验。本设计采用经验设计法，对交通灯进行控制。本设计有2个输入信号，8个输出信号，使用了10个时间继电器，运用主控指令实现了程序的自循环，用一个输入信号进行主控指令的控制，以此来实现程序的启动和关断；运用了PLC编程中的闪烁电路实现了交通灯的闪烁。3.3.1 程序梯形图本设计的梯形图程序如下图3-1、图3-2 图3-1 交通灯PLC梯形图程序（1）图3-2 交通灯PLC梯形图程序（2）3.3.2 程序指令表根据程序梯形图编译得出程序指令表，见图3-3、图3-4 图3-3 交通灯程序指令表（1） 图3-4 交通灯程序指令表（2）3.4 系统程序工作过程分析（1） 将X0闭合，执行主控指令，系统开始执行第一步，按下按钮X1，系统开始启动。南北红灯、南北行驶车灯亮，Y2的触点动作，东西绿灯亮，同时T0、T2开始计时。（2） 20秒后，T0定时时间到，T0常闭触点断开，常开触点闭合，同时T2触点恢复原闭合状态，定时器T1开始计时，闪烁电路被启动，东西绿灯开始闪烁，定时器T3也被启动。（3） 3秒后，T3定时时间到，T3常闭触点断开，常开触点闭合，东西绿灯熄灭，东西黄灯亮，定时器T4开始计时。（4） 2秒后，T4定时时间到，T4常闭触点断开，常开触点闭合，东西黄灯熄灭，东西绿灯亮，南北红灯和行驶车灯熄灭，东西红灯和行驶车灯亮，定时器T5开始计时，Y5线圈控制的触点闭合，定时器T0返回原状态，其控制的触电也返回原状态，定时器T3、T1、T2及它们控制的触点都返回原状态，南北绿灯亮，定时器T7开始计时。（5） 25秒后，T5定时时间到，T5常闭触点断开，常开触点闭合定时器，T7返回原状态，T6、T8开始计时，南北绿灯的闪烁电路启动，南北绿灯开始闪烁。（6） 3秒后，T8定时时间到，T8常闭触点断开，常开触点闭合，南北绿灯熄灭，南北黄灯亮，定时器T9开始计时。（7） 两秒后，T9定时时间到，T9常闭触点断开，常开触点闭合，南北黄灯熄灭，南北红灯和行驶车灯亮，西红灯和行驶车灯熄灭，Y2控制的线圈动作，东西绿灯亮。此时所东有的时间继电器都返回了初始状态，整个系统又返回了初始启动时的状态，没有人为的关断，系统将循环着运行下去。（8） 如果想要中断系统的运行，可以将X0断开。3.5 程序的调试和修改（1）首先将PLC与对应输入输出的设备连接起来，使用三菱公司提供的专用编程软件FXGPWIN，将编制好的梯形图程序输入软件，并进行编译，编译无错误之后把程序写入PLC中，并将模式选择开关拨至RUN状态。（2）调试运行，将X0闭合，并按一下启动按钮X1，系统被启动。当 PLC 运行时，可以使用FXGPWIN软件中的监视功能监控整个程序的运行过程，以方便调试程序，监控下可以观察到定时器的定时值会随着程序的运行而动态变化，通电闭合的触点和线圈会变蓝。借助FXGPWIN 软件的监控功能可以看到某一个时刻各个触点的状态，可以很方便的找到程序在哪个触点或者继电器上出了问题，在哪个地方中断了程序的运行，从而找到程序设计上的错误，对程序的修改和完善提供了很大的帮助。在程序调试和检测的阶段，遇到了很多在设计程序的过程中没有遇到的新问题，比如在刚开始运行程序时，发现绿灯定时时间到了之后没有闪烁，于是又查阅资料，将闪烁电路加入原程序中，从而实现绿灯的闪烁。加入闪烁电路也虽然简单，但是要想与原来的程序融合在一起也不是件简单的事，有时候需要很巧妙的设计，需要在以前的电路上进行更改，触电的闭合与关断都需要仔细的研究；在程序的调试过程中还遇到了程序不能实现循环的问题，程序在第一个周期内运行的很好，但是运行完一个周期后就停止了，不再进行第二个周期。后来通过仔细的研究程序，找出了前一个周期与后一个周期衔接的方法，实现了交通灯的循环往复的运行。不得不提的是，在程序的调试与修改的过程中，FXGPWIN软件中的监视功能帮了很大的忙，不仅缩短了时间，而且使找错误变得很容易，使脑力劳动大大减少。第四章 总结经过艰苦的努力，这项设计工作终于完成了。这次的设计使我收获颇丰，不仅仅是专业知识上的又一次深化，整个的设计过程也给了我很多以前没有过的心得和体会。通过这次的毕业设计，我认识到自己在专业知识的运用上还有很多欠缺的地方，本来在书本上掌握很熟练的东西，实际运用时却又要翻看课本，因此要多多实践，进一步对器件的功能进行更加灵活的掌握。在做一项设计时要有一种平和的心态，做设计本来就是一件细致并且耗时的