十字路口交通灯的PLC控制系统设计.doc

常州工程职业技术学院*职业技术学院毕业综合课题（设计、论 文）（2009届）题目： 十字路口交通灯的plc控制系统设计 学生： * _学院（系）： 自动化技术系 专业班级： 生产过程自动化技术 指导教师： * 专业技术职务： 讲师 ii摘要：本文是利用plc对十字路口交通灯进行模拟控制，从而能够对真正的十字路口交通灯控制系统有更深入的了解。我们利用发光二级管来代替交通信号灯作为被控制对象，通过24v转换电源为发光二极管供电。并且通过计算机软件编写程序，将编写好的程序写入到plc中，通过plc的16个输出信号控制相应的中间继电器的通断，进而通过中间继电器控制发光二极管的亮、灭和闪烁等状态。最后通过有效的布局将相应的器件安装到相应的地方，组成模拟的十字路口交通灯控制系统。通过对真正的十字路口交通灯控制系统的模拟，使我们比较深刻的认识了真正的十字路口交通灯控制系统的工作过程，知道了许多交通灯的相关知识。本控制系统可有效解决现有交通的道路拥挤、交通秩序混乱等问题。关键词： 交通灯 plc控制 中间继电器 目录第一章 前言11.1、题的背景和意义11.2、课题的现状、发展趋势和已解决的问题1第二章 控制方案设计42.1、技术控制要求42.2、总体方案确定42.2.1、方案的原理42.2.2、方案的特点52.2.3、 方案的选择依据5第三章 硬件、软件选择和硬件连接73.1、输入点和输出点分配73.2、硬件选择73.3、软件选择83.4、硬件连接9第四章 软件编程104.1、编写程序流程图104.2、编写梯形图11第五章 系统调试135.1、系统程序调试135.2、系统硬件调试135.3、联机调试14第六章 总结16致谢17参考文献18附件：19程序梯形图：19程序指令表：22电源图：25plc输入端接线图26plc输出端接线图：27电气原理图：29第一章 前言1.1、题的背景和意义随着我国经济的飞速发展，城市人口越来越多，居民出行次数和机动车拥有量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡等问题日趋严重。人们经常会为道路拥挤、交通秩序混乱、出行时间过长等城市交通问题倍感苦恼，例如：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。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，如何才能保持城市交通的安全便捷、高效畅通和绿色环保，已成为政府政策规划的一个重点问题。通过对十字路口交通灯控制系统的设计与制作，使我们进一步巩固和加深了对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握。同时也培养自身综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，更使我们受到了plc系统开发的综合训练，从而能够使我们进行plc系统设计和实施，并且掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思路。更重要的是：通过对十字路口交通灯系统的每个环节的实际制作，锻炼了自身的刻苦钻研、勇于探索、实事求是、善于与他人合作的工作作风，这为我们将来的上岗实习做好了充分的准备。1.2、课题的现状、发展趋势和已解决的问题近年来，随着大规模集成电路的发展，以微处理器为核心的可编程控制器（plc）得到了迅猛的发展。早期的plc主要用于顺序控制，今天的plc已经能够应用于闭环控制、运动控制以及复杂的分布式控制系统，已逐步发展成为有一类解决自动化问题的有效而便捷的方式。由于plc自身具有功能完善、结构模块化、开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性高、性价比高、等优点，因而在工业生产中具有广阔的应用前景，并被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。而且随着集成电路的发展和网络时代的到来，plc必将能够获得更大的发展空间。plc主体由三部分组成，主要包括中央处理器cpu、存储系统和输入、输出接口。plc基本结构如图1-1所示：图1-1 plc的组成框图系统电源有些在cpu模块内，也由单独作为一个单元的，编程器一般看作plc的外设。plc内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的开关信号、模拟信号各种以及各种传感器检测信号作为plc的输入变量，它们经plc的输入端子进入plc的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信息和数据；经plc内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。plc的各部分协调一致地实现对现场设备的控制。plc采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的。可编程控制器的工作过程包括两个部分：自诊断及通信响应的固定过程和用户程序执行过程，如图1-2所示:图1-2 plc工作过程框图plc在每次执行用户程序之前，都先执行故障自诊断程序、复位、监视、定时等内部固定程序，若自诊断正常，继续向下扫描，然后plc检查是否有与编程器、计算机等的通信请求。如果有与计算机等的通信请求，则进行相应处理。当plc处于停止(stop)状态时，只循环进行前两个过程。而在plc处于运行（run）状态时，plc从内部处理、通信操作、输入扫描、执行用户程序、输出刷新五个工作阶段循环工作。每完成一次以上五个阶段所需要的时间成为有一个扫描周期。一次扫描周期也可以简单的分为输入处理、程序执行、输出处理三个阶段。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存储容量。目前，有的plc的扫描速度可达0.1ms/k步左右。plc的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的plc最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。而当前中小型plc比较多，为了适应市场的多种需要，今后plc要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有i/o点数达14336点的超大型plc，其使用32位微处理器，多cpu并行工作和大容量存储器，功能强。小型plc由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型plc，最小配置的i/o点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要。为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程i/o模块、通信和人机接口模块等。这些带cpu和存储器的智能i/o模块，既扩展了plc功能，又使用灵活方便，扩大了plc应用范围。而加强plc联网通信的能力，则是plc技术进步的潮流。另外plc的外部故障的检测与处理能力也在不断的增强。而在plc系统结构不断发展的同时，plc的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数plc使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（basic、c语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是plc进步的一种趋势。所以通过plc对十字路口交通灯进行控制，是大势所趋。由于plc十字路口交通灯控制系统比原来的继电器-接触器控制系统更加的稳定、效率更高，而且减少了很多的外部继电器和接触器的使用，具有更高的可靠性和安全性，控制效果更加明显，很好的弥补了原有控制系统的不足，更有效的解决现有的十字路口的交通控制方面所面临的交通拥挤，车流量不均衡，出行时间过长等问题。因此，我们利用plc控制系统来控制十字路口交通灯，使十字路口交通的管理更科学化，更有条理，也使交通更加的便捷畅通。第二章 控制方案设计2.1、技术控制要求运用自己所学知识，设计一个十字路口交通灯控制系统电路，要求使用三菱plc进行控制，能够指挥车辆在十字路口完成左转和不同路口的直行，并且设计出十字路口交通灯控制系统的实物模型。功能：东西两组灯，南北两组灯，分别用来指示转弯和直行。如下表所示。黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。同步设置人行横道红、绿灯指示。具体交通灯控制电路状态如表2-1所示：表2-1 交通灯控制电路状态表状态直行灯（南北）左转灯（南北）直行灯（东西）直行灯（东西）持续时间（s）红黄绿红黄绿红黄绿红黄绿s000110010010027s10100101001003s210000110010027s31000100101003s410010000110027s51001000100103s610010010000127s70101001000103s000110010010027注：0表示灯灭，1表示灯亮。2.2、总体方案确定2.2.1、方案的原理本方案所要实现的是模拟十字路口交通灯的运行，并利用plc对十字路口交通灯进行控制：总共有2个输入点和16个输出点，两个输入是系统的开和关，用代替交通灯的发光二极管的亮、灭和闪烁作为信号的输出，把灯分为东西两组，南北两组，各有红、黄、绿三种，分别用来指示左转弯和直行，另外，还有四组人行道上的红绿灯。首先，按照控制要求利用计算机编程软件编写好科学合理的程序并输入plc，plc按照所输入的程序给出输出并通过外部中间继电器对硬件电路进行相应的逻辑顺序控制，使交通灯按控制要求进行亮、灭和闪烁来完成科学的交通控制要求。2.2.2、方案的特点plc运用与交通灯控制系统有较强的优势,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。因此，plc的这种特点可以使十字路口交通灯的plc控制系统正常运行较长时间。 性能稳定可靠,抗干扰性好：由于plc可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。所以十字路口交通灯的plc控制系统因为plc的应用也具有了这样的一些优点。 由于 plc的功能强大,实现灵活,可扩展性好，并可根据实际需要改变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，在加上良好的性价比。本十字路口交通灯的plc控制系统，比之原有的交通灯控制系统，控制更加的灵活，功能更加的丰富。 2.2.3、 方案的选择依据 利用plc进行的十字路口交通灯的控制与继电器-接触器控制系统相比省去了很多的继电器、接触器，不但节约了成本，而且传输速率高，更便捷稳定，抗干扰能力强,因此我们选用了plc对交通灯系统进行控制。外部的执行设备我们选择了中间继电器，这里用它主要是为了保护plc的触点不被意外烧坏，因为plc毕竟比中间继电器贵多了，且可以由一个输入控制几个输出动作，减少了plc的输出点数。交通灯我们用发光二级管代替，这种二极管压降只有2v。 第三章 硬件、软件选择和硬件连接3.1、输入点和输出点分配 按照前面的控制要求，而且加入了过街人行道的信号灯控制，所以经过认真的考虑本系统使用了plc的2输入点和16个输出点。具体的输入/输出点分配如表所3-1示：表3-1 输入/输出点分配输入/输出点分配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sbix0直行红灯（南北）hl1y0停止按钮sb2x1直行黄灯（南北）hl2y1直行绿灯（南北）hl3y2左转红灯（南北）hl4y3左转黄灯 (南北)hl5y4左转绿灯（南北）hl6y5直行红灯（东西）hl7y6直行黄灯（东西）hl8y7直行绿灯（东西）hl9y10左转红灯（东西）hl10y11左转黄灯（东西）hl11y12左转绿灯（东西）hl12y13过街红灯（南北）hl13y14过街绿灯（南北）hl14y15过街红灯（东西）hl15y16过街绿灯（东西）hl16y17注：表中所有直行灯和左转灯都分别是由9个发光二极管和一个相关电阻串联而成，所有过街灯分别是由5个发光二极管和一个相关电阻串联而成（为了保证24v压降）。3.2、硬件选择本控制系统选用了三菱的fx2n-48mr这一型号的小型plc. fx2n-48mr是小型化,高速度,高性能装置，有48个输入和输出点，而我们只需要2个输入点和16个输出点，所以相当充足。除此之外，这一型号的plc还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,而且系统配置既固定又灵活是一套可以满足多样化广泛需要的plc。因此本系统选择了这一型号的plc。中间继电器本系统选择了容量为：220v，5a，有4副触点的中间继电器（共16个），它上面是4付常开触点，下面是4付常闭角触点，当线圈通电后，利用电磁力把动衔铁拉下来，使上面4付常开角触点闭合，下面4付常闭角触点分开。 中间继电器是将一个输入信号变成一个或多个输出信号的继电器。它的输入信号为线圈的通电或断电。它的输出是触头的动作（所带常开点闭合，常闭点打开），它的触点接在其它控制回路中，通过触点的变化导致控制回路发生变化（例如导通或截止）。中间继电器的特点是触头数目较多，可完成多回路的控制；触头容量较大，一般为220v，5a；动作灵敏，动作时间不大于0.05s。它与接触器不同的是触头无主、辅之分，所以当电动机额定电流不超过5a时，也可用它来代替接触器使用，也就是说可以认为它是一个小容量的接触器。以上中间继电器的特点也正是我们需要的。系统其他硬件的选择：型号为dz47-60 c10的低压断路器和型号为rt18-32 32a-380v的熔断器组合使用来保护电路，并且使用了上海明纬电子有限公司的220vac24dc的转换电源给电路供电。因为这些低压电器都是现有的东西，我们当然要充分利用了。用发光二级管（串接相应电阻保证24v压降）来代替交通信号灯。具体硬件选择如表3-2所示：表3-2具体硬件选择表硬件名称型号数量可编程控制器（plc）三菱fx2n-48mr1台中间继电器220v，5a16个低压断路器dz47-60 c101个熔断器rt18-32 32a-380v1个转换电源220vac24dc1个发光二级管2v多量3.3、软件选择至于编写程序的软件，本系统的设计使用了三菱电机的swopc-fxgp/win-c编程软件，它是专为fx系列plc设计的中文编程软件，可在windows9x、windows3.1以上操作系统运行。此软件可用梯形图、指令表、顺序功能图符号来创建plc的程序，并可将程序储存为文件，用打印机打印出来。可给编程元件、程序块建立注释、设置寄存器数据。通过串行口，可将用户程序与plc进行通讯、文件传送，可实现各种监控和测试功能。所以，我们利用里面的梯形图和指令表进行编程。而且，我们一直学的就是这个软件，我们比较熟悉，使用起来也比较方便。至于画图软件本系统当然也选用了我们所熟悉且能够熟练使用的autocad 2004。3.4、硬件连接硬件连接需要根据附录中的各图进行相应的连接，首先要根据布置图进行大体的硬件布置规划，将相应的器件安装到相应的地方。然后，根据plc的输入输出端接线图进行相应的连接，并根据转换电源图把转换电源和plc相连接，最后再根据控制电路电气原理图把控制电路和其他部分相连接。同时我们尽量做到线路敷设平直，固定点位置正确，导线剖削规范，线路安装正确，导线压接规范，元件安装整齐、紧固。第四章 软件编程4.1、编写程序流程图 编写程序流程图是编写一个好的程序之前，所必须要求认真做的一步。只有先按照系统的控制要求，一步一步地写出程序控制流程图，才能够在编写程序的时候，不至于出现思维上的混乱，导致编写的程序出现较大的错误。所以，在编写十字路口交通灯控制系统之前我们也编写了程序控制流程如图4-1所示：图4-1 程序控制流程图 首先，按下启动按钮x0，进入m0步，输出信号：y17、y14、y2、y3、y6、y11（过街绿灯（东西）、过街绿灯（南北）、直行绿灯（南北）、直行绿灯（南北）、直行红灯（东西）、左转红灯（东西）等灯亮。），27秒后进入m1步输出信号：y14、y6、y11、y1、y4、y17（过街绿灯（南北）、直行红灯（东西）、左转红灯（东西）等灯亮，直行黄灯（南北）、左转红灯（南北）、过街绿灯（东西）等灯闪烁），3秒后进入m2步，后面同此类似，按照控制流程编写，最后由m8步返回m0步完成程序的循环。4.2、编写梯形图我们编写梯形图是所使用的是步进指令的编程方法，stl为步进开始指令，而ret为步进结束指令stl和ret指令必须和状态继电器s配合使用才具有步进功能。stl也成步进触点指令（占1步），stl的梯形符号称为stl触点，它没有动断触点。stl s20和stl s21都是stl触电。在梯形图中，stl触电与母线相连，使用stl指令后，母线移至触点右侧，其后需用ld、ldi、out等指令，直至出现下一条stl指令或出现ret指令。stl指令使新状态继电器置位，而前一状态继电器自动复位，其触点断开。步进指令ret也称为步进返回指令，在一系列stl指令之后必须使用ret指令，以表示步进指令功能结束，母线恢复至原位。我们在运用步进指令编写顺序控制程序时，首先确定整个十字交通灯控制系统的流程，然后将复杂的任务或过程分解成若干个工序（状态），最后弄清各工序成立的条件、工序转移的条件和转移的方向，这样就可以画出程序工作的流程图。最后根据控制要求，采用stl、ret指令的多种步进顺序控制方式进行相应的程序编写。具体的程序设计介绍如图4-2、图4-3、图4-4所示： 图4-2 系统启动程序如图4-2所示：m8002是特殊辅助继电器，仅在运行开始时瞬间接通，产生初始脉冲。当x0接通时，m8002产生初始脉冲程序启动，进入下一步，线圈y17、y14、y2、y3、y6和y11接通（既东西走向过街人行道的绿灯亮、南北走向过街人行道的绿灯亮、南北走向直行绿灯亮、南北走向左转红灯亮、东西走向直行红灯亮和东西走向左转红灯亮），接通27s（时间继电器的设定时间）后，时间继电器的常开触点t0闭合，进入下一步（置位s21步）。图4-3 由m8013控制的脉冲输出程序如图4-3所示：m8013为plc内部的一个特殊的时钟继电器，这种继电器在plc运行时，不断发出时间宽度为1s的脉冲，及0.5s通0.5s断。当继电器m8013中有信号通过时，它的输出为通断交替，使y1、y4和y17能0.5s通、0.5s断交替，既南北走向黄灯、南北走向左转黄灯和东西走向过街人行道绿灯闪烁（1s烁一次）。从而实现外接在相应输出上的发光二级管能够在时间继电器t1触点接通前的3s内不停的闪烁。当y14、y6、y11、y1、y4和y17接通（既南北走向的绿灯亮、东西走向直行红灯亮、东西走向左转红灯亮、南北走向黄灯闪烁、南北走向左转黄灯闪烁和东西走向过街人行道绿灯闪烁）3s后，时间继电器t1的常开触点闭合，置位s22步。后面的程序都和这里的差不多，只要按照前面的流程图编写下去即可。图4-4 置零及循环结束程序如图4-4所示:这里是为了能够让系统随时开始和随时关闭：当闭合x1时，置零s0到s30步，使系统所有线圈失电，进而达到关闭系统的目的。当闭合x0时置位s20步，plc开始从s20步开始循环扫描，系统开始运行。第五章 系统调试5.1、系统程序调试 对于plc控制系统来说，可以用装在plc上的模拟开关来模拟输入信号的状态，用输出点的指示灯来模拟被控对象，将设计号的软件程序传送到plc中，就可以进行程序调试了。而在对系统的程序进行调试前，首先应该对plc的外部接线、供电系统、执行机构、检测元件和开关的运行等进行检查。（1）外部接线的检查包括对输入/输出接线的正确性检查。（2）供电系统的包括对plc的供电电源接线的正确性检查和电压检查、外部供电电源的检查等。（3）执行机构的运行检查包括执行机构对输入信号的响应时间和运转正反等状态检查。有时要和检测元件和开关的运行检查一起进行，以便了解执行机构运行后检测元件和开关是否有相应的输出信号。（4）检测元件和开关是plc输入信号的来源。要对检测元件、开关、按钮等信号在运行后的响应进行检查，了解他们的状态是否有相应的变化等。正式调试的方法是：根据程序的执行顺序先后，分别用手动的方法分别对输入点进行开闭的动作，检查程序是否按照过程控制的要求进行动作、相应的输出信号是否存在，延时的时间是否正确，对于一些输出通道的反馈信号也应该根据是否有系统输出，再用手动给出相应的反馈输入信号，直到整个运行程序正确运行。5.2、系统硬件调试 系统的硬件调试主要是对十字路口交通灯控制系统的控制电路硬件系统进行调试。 由于条件有限，我们对硬件调试主要是用万用表进行检测调试：（1）我们要做的是检查电气线路上的电焊点是否齐全、紧固，有不松动活发热变色现象，保持电气线路的接触良好。（2）在不通电的情况下，用万用表打到电阻档测量各条线路两接点之间和硬件两端的电阻，看是否有电阻显示，如果有电阻值则说明线路是通的，硬件是好的，没有则说明没有通或硬件是坏的。需要仔细检查原因，并且解决问题。5.3、联机调试首先接通所有的电源，然后将前面的正确程序输入到外接控制电路的plc中，按照前面程序调试时的方法进行调试，只是，原先的模拟开关变成了真正的开关，指示灯变成了真正的被控对象发光二级管。根据各个部分的器件动作，看看是否符合自己的控制目地，如果不是，则进行修改调试直到程序正确运行为止。具体调试过程中出现的问题、原因与解决方法：（1）接好220v电源后，整个系统没有任何的指示灯，包括24v转换电源。这个问题最后经过万用表的检查原因是24v转换电源的220v外接电源线没有接好（不通）。解决办法是把不通的地方重新连接。（2）运行后，南北走向北向的直行绿灯和东西走向的过街人行道下面的红灯不亮。经检查后知道的原因是组成两处信号灯的串联的发光二级管中有一个坏了。解决的办法是把坏掉的那个发光二级管换掉。（3）东西走向东向的两个过街人行道绿灯都不亮，但是和它有相同动作要求的西向的过街人行道的绿灯却是亮的。经过检查所得出的原因是：东向的两个过街人行道绿灯接在中间继电器的同一个触点上的，而线头和继电器触点之间没有接好（不通）。解决的办法是把这两根线从新接一下。（4）南北走向的南向过街人行道的两个绿灯不亮，而北向的两个过街人行道亮，问题现象好像和第（3）项的一样。经过我们仔细的检查得出的原因并不是第（3）项的原因，因为，继电器与、相应的两条线的线头之间的接触是良好的，没有不通。而真正的原因是：中间继电器与南向的两个过街人行道绿灯相接的触点坏掉了，不与中间继电器的线圈吸合。而解决的办法是，把别的中间继电器上面的带有线圈和触点衔铁片的方块盒换到这个中间继电器上，当然要求被换的这个中间继电器在控制系统中没有用到这对触点。同样，也可以从新接线，把这两个信号灯接到坏了的中间继电器的别的触点上，不过这样有点麻烦，所以我们使用了上面的方法来解决。实际整体完成图如图5-1所示、局部完成图如图5-2所示：图5-1 “十字路口交通灯的plc控制系统”实际完成图图5-2 “十字路口交通灯的plc控制系统”局部完成图第六章 总结通过对本课题的设计编程到制作实物，不但进一步巩固和加深我们对自己所学的可编程控制器、电工基础、电子技术、维修电工等基础理论知识、基本技能的掌握，使之更系统化，而且增强我们通过所学的基础理论知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，同时培养自己的自学能力。而另一方面，我们通过对自己的plc应用能力的训练，使自己能够进行plc系统设计和实施。并且掌握了一般自动控制系统的工作原理和设计思路。通过对十字路口交通灯的plc控制系统的设计也使我们对国情和工业生产实际有所认识，并且摆正了自己设计思想，使我们设计出的程序更符合实际生产中的应用（虽然我们只是模拟真正的十字路口交通灯控制系统）。除此之外，我想更重要的是，通过对本课题的设计培养了我们积极进取、思路严谨、认真刻苦、不怕困难、敢于创新的做事态度，和自己与他人的团队合作能力，为我们将来的上岗实习打下坚实的基础。不论课题设计的结果怎样，我想有一点我可以肯定，那就是我们通过对课题的设计，真的是受益匪浅。致谢从得