交通指挥灯PLC控制系统设计.doc

25湖南信息职业技术学院学生毕业论文题 目： 交通指挥灯PLC控制系统设计 姓 名 郑 程 学 号 45 系 (部) 机电工程系 专 业 电气自动化 指导教师 邹灿红 开题时间 2008.06完成时间 2009.03 2009 年 03月 15 日湖南信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书学生姓名 郑 程学号45专业电气自动化所属系部机电工程系通信地址深圳市宝安二十二区新安二路187号精研科洁实业有限公司精密品质部邮政编码518101Email地址173989520联系电话号计（论文）课题交通指挥灯PLC控制系统设计指导教师姓名职 称指导教师工作单位联系方式指导教师所在教研室主任姓名电话电子邮箱邹灿红讲师湖南信息职业技术学院1397491666开题时间: 2008.06.15完成时间：2009.03.15湖南信息职业技术学院教务处制学生毕业设计(论文)答辩表学生姓名郑 程论文题目交通指挥灯PLC控制系统设计答辩时间与会人员姓名职务（职称）姓名职务（职称）姓名职务（职称）会议记录摘要： 会议主持人： 记 录 人： 年 月 日答辩小组意见评语：评定等级：负责人（签名）： 年 月 日 专家委员会意见评语：评定等级：负责人（签名）： 学院（公章）： 年 月 日 湖南信息职业技术学院教务处制湖南信息职业技术学院毕业设计(论文)成绩汇总表 序号姓 名班级学号毕业设计(论文)课题名称指导教师评定的成绩答辩委员会评定的成绩最后成绩1郑 程电气060145交通指挥灯PLC控制系统设计23456789101112131415填报时间： 年 月 日指导教师签字： 系部专家（主任）签字：注：凭此表和审改毕业设计（论文）原件核算课时湖南信息职业技术学院教务处制毕业设计任务说明书一、 设计课题：交通指挥灯PLC控制系统设计二、 设计目的：1、 毕业设计是对专业课程进行综合运用。旨在培养从事设计的方法，将所学理论知识运用于工程实践，提高设计技能；2、 培养学生对课程的综合应用能力；3、 学会查找相关的资料。三、 设计任务及要求在毕业设计中要求学生注重培养认真负责，踏实细致的工作作风，保质，保量，按时完成任务。在设计过程中必须做到1、 随时查阅教科书，加深专业知识的理解和运用；2、 及时理解查阅有相关资料，充分以挥自己的主观能动性和创造性；目 录第1章 绪论 71.1交通信号灯的作用与研究意义 71.2 PLC发展的现状 71.3可编程序控制器的特点及应用 81.4概述 101.4.1 PLC的基本结构101.4.2 PLC的工作方式 10 第2章 系统的方案设计 1121 任务要求 1122 十字口口交通灯模拟图 112. 3 设计内容 122. 4 编程方法的选用 132. 5 PLC的选型 142. 6 I/O分配表152. 7 外部接线图 162. 8顺序功能图 172. 9梯形图程序 18第3章 系统工作原理 21总 结22参考资料/致 谢 23第一章 绪论1.1交通信号灯的作用与研究意义 在当今生活中，车辆已经成为人们出行代步的主要方式，然而随着社会的不断发展，经济的不断进步，城市交通问题越来越引起人们的关注。根据京华时报12月13日报道，北京机动车保有量已突破350万辆，并以每天1000辆的速度递增。人车之间的矛盾越来越深，为此如何将人、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。而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，因此如何合理的安排交通信号控制系统的数量与分布，以及提高交通信号控制的效率成为人们必须解决的问题。1.2 PLC发展的现状目前PLC在向以下几个方面发展：1、 人机界面更加友好 PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC网络IPCCRT的模式被广泛应用。 2、网络通讯能力大大加强 PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔AB公司主推的三层网络结构体系，即EtherNet、ControlNet、DeviceNet，西门子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS网络等。 3、开放性和互操作性大大发展 PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下方面反映： 1）IEC形成了现场总线标准，这一标准包含8种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。 2）IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。虽然PLC开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。 3）OPC基金会推出了OPC（OLE for Process Control）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过OPC一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前，多数PLC软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了OPC功能。OPC与现场总线技术的结合，是未来控制系统向FCS技术发展的趋势。 4、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）DCS（过程控制）的模式变成PLCIPC模式。 5、工业以太网的发展对PLC有重要影响。以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于1）硬件上如合适应工业恶劣环境；2）通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。 1.3可编程序控制器的特点及应用 1）可编程序控制器的特点：1.编程方法简单易学 梯形图是使用得最广泛的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，但梯形图更形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电器技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来控制永福程序。 2.功能强，性能价比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程软件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同的继电器系统相比，具有很高的系能价比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 PLC产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置共用户选择，用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同功能，不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用于接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。通过修改用户程序，可以方便快速地适应工艺条件的变化。4.可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器，时间继电器。由于触电接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下输入与输出有关的少量硬件元件，接线可以减少到几点起控制系统的十分之一到百分之一，大大减少了因触电接触不良造成的影响。 PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5.系统的设计，安装，调试工作量少 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器，时间继电器，计数器等器件，是控制柜的设计，安装，接线工作量大大减少。6.维修工作量小，维修方便 PLC的故障率很低，具有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息，方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。7.体积小，功耗低 控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此开关柜的体积比原来小得多。PLC控制系统的配线比继电器控制系统少得多。2）可编程序控制器的应用： PLC主要用于以下几个方面：1.开关量逻辑控制 PLC用“与”，“或”，“非”等逻辑指令来实现触点和电路的串，并联，代替继电器进行组合逻辑控制，定时控制与逻辑控制。2.运动控制 PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线或圆周运动的位置，速度和加速度进行控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起，有的可以实现单轴，双轴，3轴和多轴位置控制。3.闭环过程控制 闭环过程控制是指对温度，压力，流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量和数字量之间的A/D转换与D/A转换，并对模拟量实行闭环PID控制。4.数据处理 现代的PLC具有数学运算和数据传送，转换，排序和查表，微操作等功能，可以完成数据的采集，分析和处理。5.通信联网 PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信，多台PLC之间的通信，PLC与其他职能控制设备之间的通信。1. 4概述可编程控制器简称PLC，是以微处理器为基础的通用工业控制装置，国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第三稿中，对PLC作了如下定义“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，转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。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”在当代工业生产中，由于其应用面广，功能强大，使用方便，广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC主要由CPU模块，输入模块，输出模块和编程器组成，其特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。以下重点介绍PLC的结构和工作方式：1.4.1 PLC的基本结构：1.CPU模块： CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC中，微处理器用于：刷新系统输出，诊断电源，采集数据，执行用户程序；存储器用于存储程序和数据。2.I/O模块： 输入（Input）和输出（Output）模块简称为I/O模块，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁，除此之外还有电平转换和隔离的作用。1）PLC输入接口可以检测被控对象的各种数据，作为PLC对被控制对象进行控制的依据，常用的开关量输入接口有：直流输入接口，交流输入接口，交/直流输入接口；2)PLC输出接口是将处理结果送给被控制对象，以实现控制的目的。3.编程器： 编程器用来生成用户程序，并用它来进行编辑，检查，修改和监视用户程序的执行情况。常用编程器有：1）专用编程器：简易编程器，智能编程器；2）通用编程系统：PLC上配专用编程软件包。4.电源： PLC一般使用AC220V或DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V，DC+/- 12V和DC24V等电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。1.4.2 PLC的工作方式：1） 扫描工作方式： PLC有两种基本的工作模式，即运行（RUN）模式与停止（STOP）模式。在运行模式下，PLC以反复执行用户程序来实现控制功能，直至PLC停机或切换到STOP模式。而在每次循环过程中，PLC要完成5个阶段：内部处理，通信服务，输入处理，程序执行，输出处理。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。2） 扫描周期：PLC在RUN工作模式时，进行扫描操作所需的时间陈伟扫描周期，典型值约在1100ms，具体以用户程序长短，指令种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。第二章 系统的方案设计课题：PLC交通灯控制系统设计：21任务要求:1该控制系统用于控制十字路口的交通，要求红、绿灯时间设置合理、有右拐弯的控制指示。2有相应的PLC选型及I/O分配表。3给出交通灯控制的梯形图及指令表。22十字路口交通灯模拟图 如下图所示，每一方向的车道都有4个交通灯：左转绿灯、直行绿灯、黄灯和红灯，每一方向的人行道都有两个交通灯：绿灯和红灯。当按下启动按钮时，首先东西向通行，南北向禁止通行，东西向车道的直行绿灯亮，汽车直行，20s后直行绿灯闪烁3s，随后黄灯亮3s，红灯亮，接着车道的左转绿灯亮，汽车左转，20s后左转绿灯闪烁3s，随后黄灯亮3s，红灯亮，在东西向车道直行绿灯和闪烁的同时，东西向人行道的绿灯同时亮和闪烁。东西向禁止通行后，转入南北向车道、人行道的通行，顺序与东西向相同。23 设计内容：1完成交通灯的电气控制部分设计。2了解交通灯的控制系统。3PLC的选型与配置和编程。4学习使用PLC编程软件。2. 4编程方法的选用： 在本课题中，使用以转换为中心的编程方法，而这种方法主要从以下两个方面考虑：1.步的处理如以转换为中心的编程方法的顺序功能图与梯形图的对应关系。实现图中X1对应的转换需要同时满足两个条件，即该转换的前及步是活动步(M1=1)和转换条件满足（X1=1）。在梯形图中，可以用M1和X1的常开触点组成的串联电路来表示上述条件。该电路接通时，两个条件同时满足，此时应完成两个操作，即将该转换的后续步变为活动步（用SET指令将M2置位），这种编程方法与转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，用它编制复杂的顺序功能图的梯形图时，更能显示出它的优越性。在已转换为中心的编程方法中，用该转换所用前及步对应的辅助继电器的常开触点与转换对应的触点或电路串联，做为是所有后续步对应的辅助继电器置位（使用SET指令）和使所有前级步对应的辅助继电器复位（使用RST指令）的条件。在任何情况下，代表步的辅助继电器的控制电路都可以用这一原则来设计，每一个转换对应一个这样的控制置位和复位的电路块，有多少个转换就有多少个这样的电路块。 这种设计方法特别有规律，在设计复杂的顺序功能图时既容易掌握，又不容易出错。以转换为中心的编程方法中，单序列和选择序列每一转换的前级步都只有一个，转换的后续步也都只有一步，所以单序列和选择序列步的处理方法相同。并行序列的分支处的转换的前级步只有一个，转换的后续步有多步，所以，并行序列的分支处对应的转换需要职位的辅助继电器有多个，如图以转换为中心的方法设计图中的转换“X0”和转换“1”，并行序列的合并处的转换的前级步有多个，转换的后续步只有一步，所以，并行序列的和并处对应的转换串联的代表步的辅助继电器的常开触点有多个，需要复位的辅助继电器也有多个，如已转换为中心图第33步所示。2.输出电路使用这种编程方法时，不能将输出继电器的线圈与SET和RST指令并联，这是因为已转换为中心图中前级步和转换条件对应的串联电路接通的时间十分短（只有一个扫描周期），转换条件满足后前级步马上被复位，在下一扫描周期控制置位、复位的串联电路被断开，而输出继电器的线圈至少应该在某一步对应的全部时间内被接通。所以应根据顺序功能图，代表步的辅助继电器的常开触点或他们的并联电路来驱动输出继电器的线圈。需注意地方：使用这种编程方法时，不能将输出继电器的线圈与SET和RST指令并联，这是因为相邻的前级步和转换条件对应的串联电路接通的时间是相当短的（只有一个扫描周期），转换条件满足后前级步马上被复位，在下一扫描周期控制置位、复位的串联电路被断开，而输出继电器的线圈至少应该在某一步对应的全部时间内被接通。所以应该根据顺序功能图，用代表步的辅助继电器的常开触点或他们的并联电路来驱动输出继电器的线圈。25 PLC的选型： 本课题选用三菱公司的FX2N系列PLC为载体，相对于其他品种的PLC三菱PLC具有以下特点：2. 体积极小的微型PLC；3. 先进美观的外部结构；4. 提供多个子系列供用户选择；5. 灵活多变的系统配置；6. 功能强，使用方便。而FX2N是FX系列中功能最强，速度最快高的微型PLC。它的基本指令执行时间高达0.08us,内置的用户存储器为8K步，可以扩展到16K步，最大可以扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块或功能扩展模块，可以实现多轴定位控制。机内有实时钟，PID指令用于模拟量闭环控制。有有很强的数学指令集，例如浮点数运算，开平方和三角函数等。每个FX2N基本单元可以扩展8个特殊单元。还可以通过通信扩展板或特殊适配器可以实现多种通信和数据连接。具有很高的性价比和很强的实用性。2. 6 I/O分配表输入输出点分配表输入继电器作用输出继电器作用X0启动按钮Y0东西向车道左转绿灯X1停止按钮Y1东西向车道直行绿灯Y2东西向车道黄灯Y3东西向车道红灯Y4南北向车道左转绿灯Y5南北向车道直行绿灯Y6南北向车道黄灯Y7南北向车道红灯Y10东西向人行道红灯Y11东西向人行道绿灯Y12南北向人行道红灯Y13南北向人行道绿灯2. 7 外部接线图2. 8 顺序功能图2. 9 梯形图设计 2. 9. 1 东西向车道控制2. 9. 2 东西向人行道控制2. 9. 3 南北向车道控制2. 9. 4 南北向人行道控制2. 9. 5 东西向车道及人行道时间设置2. 9. 6 东西向车道及人行道控制输出2. 9. 7 南北向车道及人行道时间设置2. 9. 7 南北向车道及人行道控制输出第三章 系统工作原理以上可以看出，当按下启动按钮后，系统开始以并列方式运行工作。下面分别介绍系统工作情况： 1）东西向车道： 系统开始工作，经系统自检后，东西向车道直行绿灯点亮，点亮15s，绿灯熄灭后绿灯以亮一秒灭一秒的方式闪烁，3s后，直行绿灯熄灭，同时左转绿灯点亮5s后以亮一秒灭一秒的方式闪烁3s,变为黄灯点亮4s后，红灯点亮3s，重新变为直行绿灯点亮，至此东西向车道系统流程结束； 2） 东西向人行道： 系统工作，经系统自检后，人行道红灯点亮45s后，绿灯点亮10s，之后绿灯以亮一秒灭一秒的方式闪烁5s,重新转变为人行道红灯，至此东西向人行道系统流程结束； 3） 南北向车道： 系统开始工作，经系统自检后，南北向直行红灯点亮30s后，南北向车道直行绿灯点亮15s，然后以亮一秒熄一秒闪烁3s，直行绿灯熄灭，同时转变为左转绿灯点亮5s，然后左转绿灯以亮一秒熄一秒的方式闪烁3s后，左转黄灯点亮4s，重新转变为直行红灯点亮，至此南北向车道流程结束； 4） 南北向人行道： 系统开始工作，经系统自检后，人行道绿灯点亮，在10s后，以亮一秒熄一秒的方式闪烁3s，转变为人行道红灯点亮45s，再重新转变为绿灯点亮。至此南北向人行道系统流程结束。 总的来说，系统是以通过反复执行用户程序来实现控制功能的，直至被切换至STOP模式。而东西向车道与南北向车道是相对的，在东西向车道绿灯点亮时，南北向车道禁止通行，同时同理，在南北向车道绿灯点亮时，东西向车道禁止通行，这样既不相冲突，又提高了工作的效率。总 结通过本次毕业设计，我受益匪浅，锻炼了自己的动手能力，也加深了自己对理论知识的理解程度。当然在此次设计过程中也暴露了自己在以前的学习当中被忽视的一些问题，例如