PLC交通灯课程设计说明书-基于松下FP-C40型可编程控制器实现交通灯控制.docx

基于松下FP-C40型可编程控制器实现交通灯控制华 北 水 利 水 电 学 院PLC原理及应用 课 程 设 计 说 明 书20122013学年第 1 学期姓 名： XXX 学 号： XXXXXXXXXX 专 业 班 级： XXXXXXXXX 指 导 教 师： XXX 院 、 系 ： 机械学院 目录课 程 设 计 任 务 书2一、前言3二、PLC简介32.1、PLC简介3三、PLC的选型原则43.1、PLC机型和容量的选择步骤与原则43.1.1、PLC容量的选择步骤与原则43.1.2、PLC型号的选择5四、系统总体方案及硬件设计54.1、系统总体方案54.1.1、设计目的54.1.2、设计任务及要求64.1.3、设计思路74.2、硬件设计84.2.1、 型号选择84.2.2 、I/O分配表84.2.3硬件电路图连接9五、交通灯软件设计105.1、计数器105.1.1、计数器工作原理105.1.2、计数器的设置105.2、比较指令115.2.1、比较指令对红绿灯的控制115.2.2、比较指令对数码管显示的控制13六、交通灯的仿真与调试及总结166.1、 系统的调试过程166.2、总 结16附录、梯形图18参考文献21课 程 设 计 任 务 书课程设计名称PLC原理及应用课程设计专业班级（学生人数）机自05663（74人）指导教师本学期承担相应课程教学任务情况课程设计目的及任务设计目的：学会设计有一定难度的PLC控制系统设计任务：设计交通信号控制系统课程设计要求1、研究现代都市交通对交通信号控制需求、提出交通信号控制系统需求目标；2、根据交通信号控制系统需求目标、提出交通信号PLC控制系统方案；3、设计PLC控制系统硬件电路；4、设计PLC控制系统软件；5、调试PLC控制系统6、写出课程设计报告课程设计目标独立完成系统需求分析、PLC选型、硬件设计、程序设计、调试、写出设计、试验报告。参考文献及资料1、吴建强、姜三勇编著可编程控制器原理及其应用，哈尔滨工业大学出版社,1998年9月。2、常斗南主编，可编程控制器原理应用实验，机械工业出版社，1998年7月。3、中国期刊网4、其他工控资料一、前言PLC技术学习即将结束，课程设计是其中最后一个环节，是对以前所学的知识及所掌握的技能的综合运用和检验。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中最重要的组成部分。二、PLC简介2.1、PLC简介可编程控制器简称PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。可编程控制器（PLC）是用来取代控制系统中的继电器的一种设备，它通过检测输入端口，并根据输入端口的状态，按照程序控制输出口，可编程控制器的程序一般要使用一定的软件编写，使用人员通过输入预先编写的程序，使可编程控制器按预定的控制方案执行控制任务。目前大多数城市采用的交通信号灯指挥控制系统，采用电子线路加继电器构成，也有少数采用单片机构成。对信号灯的要求也越来越高，采用电子线路加继电器的控制方式，则需要加入大量的中间继电器，时间继电器，计数器等器件。而且交通控制智能化需要按实际情况而改变参数，如使用继电器控制，则很难实现。如使用单片机控制，则需要引入大量I/O接口电路、硬件设计，而且这两种控制方式的抗干扰能力十分有限。采用可编程控制器对交通信号灯进行管理，技能满足控制要求，又具有高的抗干扰和稳定性。三、PLC的选型原则3.1、PLC机型和容量的选择步骤与原则 3.1.1、PLC容量的选择步骤与原则随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面。 （1）IO点数的选择 PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的裕量。 通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的裕量来确定。 （2）存储容量的选择 用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。 PLC的IO点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%30%的裕量。 存储容量(字节)开关量IO点数10模拟量IO通道数100 3.1.2、PLC型号的选择本次交通灯设计用的是来自日本松下FP1- C40型可编程控制器。产品规格：FP-1是一种近代功能非常强的小型机，在某些功能上甚至与大型机相媲美。C40表示该种型号的可编程控制器有40个输入点、输出点。24个输入点，16个输出点，输入输出之和为40。主机控制单元内有高速计数器，可输入频率高达10Hz的脉冲并可同时输入两路脉冲。另外单元还配有RS-232C接口，可实现PLC与PC之间的通讯，在PC机上的梯形图编程可直接传送到可编程控制器中。使用FP-1的I/O链接单元，通过远程I/O可实现与主FP系统进行I/O数据通讯，从而实现一台主控制单元对多台控制单元的控制。本系统就是应用可编程控制器（PLC）对十字路口交通控制等实现控制。本系统采用PLC是基于以下四个原因：（1）PLC具有很高的可靠性，抗干扰能力。通常的平均无障碍时间都在30万小时以上；（2）系统设计周期短，维护方便，改造容易，功能完善，实用性强；（3）干扰能力强，具有硬件故障的自我检查功能，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；（4） 近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，是的实际应用成为可能。四、系统总体方案及硬件设计 4.1、系统总体方案 4.1.1、设计目的PLC原理与应用课程设计是学完PLC原理与应用课程之后的一个实践教学环节。它一方面能够使学生获得综合运用过去所学PLC原理与应用课程及其他测控系统知识进行PLC原理与应用系统设计能力，另外，也为以后作毕业设计进行一次综合训练和准备。学生通过PLC原理与应用课程设计，应该在以下各方面得到训练：（1）学会根据具体被控制对象的实际情况，结合PLC技术发展的现状，提出控制系统的系统需求目标；（2）学会根据系统需求，结合欲选定PLC型号的技术指标，设计PLC控制系统方案；（3）提高应用PLC基本指令、控制指令、高级指令编写程序的能力；（4）学会PLC控制系统综合调试技术、排除调试中软硬件的故障，优化程序结构等。 4.1.2、设计任务及要求利用PLC设计控制十字路口交通灯的全自动运行，系统启动后，根据设置好的东西南北方向的通车时间控制东西南北方向指示灯按照一定的规律运行，完成一个周期工作后自动进入下一个周期继续运行。城市路口交通灯控制系统用于十字路口的车辆以及行人的交通管理。(1) 信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北绿灯亮，东西红灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。(2) 南北绿灯和东西绿灯不能同时亮。(3) 南北绿灯亮维持5S，在南北绿灯亮的同时东西红灯也亮，并维持8S。到5s时，南北绿灯灭，南北黄灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在南北黄灯熄灭后，南北红灯亮维持8s，有数码管显示倒计时，同时东西的绿灯也亮并维持5S。5s后，东西绿灯熄，东西黄灯闪烁3s。3s后，南北红灯熄灭，南北绿灯亮，东西红灯亮。(4)东西红灯亮维持8S，并有数码管显示倒计时。南北绿灯亮维持5S。然后南北黄灯闪烁3S，熄灭。这时南北红灯亮，东西绿灯亮。(5) 周而复始 .当交通繁忙时按下X0时，南北干道的绿灯长亮，东西道路红灯长亮。当交通繁忙时按下X1时，东西干道的绿灯长亮，南北道路红灯长亮。（6）到达夜间时，按下启动夜间模式，东西南北四路口黄灯均闪烁。（7）当有特殊车辆需要紧急通过时，按下启动紧急模式，此时东西南北四路口均显示红灯其自动模式流程如下图4-1所示绿1亮红2黄1闪红2绿2亮红15s黄2闪红15s3s3s(步1)(步3)(步2)(步4) 图4-1 自动模式流程图 4.1.3、设计思路某十字路口东西方向和南北方向各装有直行控制红、黄、绿交通信号灯，另外还有倒计时显示器。显示器用于显示相应方向直行控制当前点亮信号灯还要持续的时间(剩余时间)，设计的规律如下：北 南东西 图4-2交通指挥灯示意图绿 黄红绿黄红红黄绿绿红黄(1). 系统启动后，南北方向绿灯亮、东西方向红灯亮。(2). 南北直行绿灯亮5秒,与此同时东西红灯亮8秒。 (3). 南北直行绿灯熄灭，黄灯闪烁3秒，然后南北直行红灯亮并维持8秒，同时东西方向绿灯亮。(4). 东西绿灯亮5秒熄灭，黄灯闪3秒，然后南北直行绿灯亮5秒，东西红灯亮并维持8秒。(5). 循环执行上述2到4步，实现对交通信号灯的控制。(6). 到达夜间时，按下X2启动夜间模式，东西南北四路口黄灯均闪烁。(7). 当有特殊车辆需要紧急通过时，按下X3启动紧急模式，此时东西南北四路口均显示红灯。(8). 当交通繁忙时按下X0时，南北干道的绿灯长亮，东西道路红灯长亮。当交通繁忙时按下X1时，东西干道的绿灯长亮，南北道路红灯长亮。 4.2、硬件设计 4.2.1、 型号选择输入控制X0、X1、X2、X3、X4、X5，输出端有东西、南北方向红绿黄灯及一个数码管显示共十三个输出点，所以选用日本松下公司生产的FP-1系列。 4.2.2 、I/O分配表如表4-3：输入交通灯控制开关X5东西长绿控制开关X0南北长绿控制开关X1夜间模式控制开关X2紧急模式控制开关X3加/减计数控制开关X4输出aY0bY1cY2dY3eY4fY5gY6南北绿灯Y7南北黄灯Y8南北红灯Y9东西绿灯Y10东西黄灯Y11东西红灯Y12 4.2.3硬件电路图连接如图4-4所示 图4-4 硬件电路图 第 23 页 图4-5数码管对应关系图数码管：a 对应 Y0b对应 Y1c 对应 Y2d 对应 Y3e 对应 Y4f 对应 Y5g 对应 Y6五、交通灯软件设计5.1、计数器5.1.1、计数器工作原理F118（UDC）：可逆计数器指令，该指令的功能为在加/减控制触点的控制下对一指定的寄存器进行加/减计数。可逆计数器必须有三个控制触点才能正常工作，对于本例中的可逆计数器：图5-1触点X1为加/减计数控制触点。X1闭合时，为加计数；X1断开时，为减计数。触点X2为计数触点，X2的开合次数即为计数值。X3为复位触点。当X3闭合的一瞬间，DT0中的内容清零。若X3一直处于闭合状态时，DT0中的内容就一直为零。当X3断开的一瞬间，寄存器WR0中的数据被传送到DT0中。对于本例，由于PLC复位后WR0的内容为零，故DT0的内容也为零。5.1.2、计数器的设置在总开关X5闭合状态下，首先按下X4开关，使计数器处于加计数状态。如果没有其他特殊情况出现时，1s时钟脉冲继图5-2电器R901C以1s为周期重复通/断动作来给计数器计数的信号，计数器以每秒加一的速度逐渐变大，若出现特殊情况，X0或X1或X3按下或X5断开时则计数器停止加一动作并且保存计数器中原有数据，待下次启动时，依然从此数据开始加计数。R10和X2并联为复位触点。当R10或X2闭合的一瞬间，DT0中的内容清零。若R10或X2一直处于闭合状态时，DT0中的内容就一直为零。当R10或X2断开的一瞬间，寄存器WR0中的数据被传送到DT0中。对于本例，由于PLC复位后WR0的内容为零，故DT0的内容也为零，当计数器中数据达到16或X2开关闭合时，计数器复位，复位后DT0中数据变为零，在X2断开后，计数器从零开始每秒加一，依次循环重复计数。5.2、比较指令5.2.1、比较指令对红绿灯的控制利用比较指令来实现十字路口的交通灯控制图5-3在自动控制情况下，当计时器中的数值小于5时，即DT05时Y7、Y12接通，南北绿灯持续亮5s，同时东西方向红灯也亮，当计数器中的数值大于5时，小于8时，则Y7不接通南北绿灯熄灭但黄灯Y8以0.2秒为周期频闪，Y12依然接通东西方向红灯持续亮。当计数器中的数值大于8小于13时，则Y8、Y12不接通，Y9、Y10接通东西方向绿灯持续亮5s，南北红灯也亮。当计数器中的数值大于13小于16时，南北红灯Y9依然亮，东西方向绿灯Y10熄灭但黄灯Y8以0.2秒为周期频闪。到达16秒时，计数器复位，从零开始计数，循环往复。当使用手动控制按钮时，比较指令则失效。到达夜间时，按下X2启动夜间模式，东西南北四路口黄灯Y8、Y11均以0.2秒为周期频闪。同时计数器复位，在X2断开后四个路口恢复到正常状态，计数器从零开始计时。如下图：图5-4 当有特殊车辆需要紧急通过时，按下X3启动紧急模式，此时东西南北四路口均显示红灯Y9、Y12持续亮，同时计数器停止计数并保存已存在的数据。当X3断开时，计数器从以保存的数据开始计数，即四个路口恢复到紧急模式启动前的状态。如下图：图5-5当交通繁忙时按下X1时，东西干道的绿灯Y7长亮，南北道路红灯Y12长亮。同时计数器停止计数并保存已存在的数据。当X1断开时，计数器从以保存的数据开始计数，即四个路口恢复到紧急模式启动前的状态。如下图：图5-6当交通繁忙时按下X0时，南北干道的绿灯Y10长亮，东西道路红灯Y9长亮。同时计数器停止计数并保存已存在的数据。当X0断开时，计数器从以保存的数据开始计数，即四个路口恢复到紧急模式启动前的状态。如下图：图5-7 5.2.2、比较指令对数码管显示的控制由于给出的PLC学习机上只有一个八段码数码显示管，所以本次设计的倒计时数码管只对各路口出现红灯时才会起作用。由于输出继电器不能同时出现多个相同的，所以利用内部寄存器R11R18来间接控制数码管的显示。在自动情况下，当计数器显示等于0或者等于8时，R11接通，数码管显示7；当计数器显示等于1或者等于9时，R12接通，数码管显示6；当计数器显示等于2或者等于10时，R13接通，数码管显示5；当计数器显示等于3或者等于11时，R14接通，数码管显示4；当计数器显示等于4或者等于12时，R15接通，数码管显示3；当计数器显示等于5或者等于13时，R16接通，数码管显示2；当计数器显示等于6或者等于14时，R17接通，数码管显示1；当计数器显示等于7或者等于15时，R18接通，数码管显示0。在手动控制情况下，数码管均不显示数字。该段程序梯形图如下：图5-8六、交通灯的仿真与调试及总结6.1、 系统的调试过程（1）将PLC与对应输入输出的设备连接起来。（2）用Fpsoft软件编制图的梯形图程序，将编制无误的程序分别下载到PLC中，并将模式选择开关拨至RUN状态。（3）调试运行。按下启动开关，南北绿灯亮维持5s，在南北绿灯亮的同时东西红灯也亮，并维持8s。到5s时，南北绿灯灭，南北黄灯闪烁，闪烁3s后熄灭。在南北黄灯熄灭后，南北红灯亮维持8s，有数码管显示倒计时，同时东西的绿灯也亮并维持5s。5s后，东西绿灯熄，东西黄灯闪烁3s。3s后，南北红灯熄灭，南北绿灯亮，东西红灯亮。之后自动开始第二周期的循环显示。（4）监控运行。当PLC运行时，可以使用Fpsoft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。在Fpsoft软件上，单击“PLC写入”“监视”“监视开始”，可以全画面监控PLC的运行，这时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。借助于Fpsoft软件的监控功能可以检查哪些线圈和触点该通电时没通电，从而为进一步修改程序提供帮助。6.2、总 结在近两星期的日子里，经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过