基于PLC控制的交通灯控制.doc

毕业论文题 目：基于PLC的交通灯控制系统副 标 题：学 生 姓 名：所在系、专业：机电工程系机电一体化技术班 级：指 导 教 师：日 期：2010.05.27I摘 要摘 要交通信号灯的出现使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也要与国际接轨。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性同时其内部定时器资源丰富可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别是对多岔路口的控制可方便实现。因此现在越来越多的将PLC应用于交通灯控制中。同时PLC还具有通信连网能力，将同一道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。关键词：交通灯；PLC；程序设计IAbstractThe traffic lights appear to be effectively controlled, traffic for relieves traffic flow, to improve traffic capacity, reduce the number of traffic accidents has obvious effect. With Chinas entry into WTO, we must not only in economy, culture, science and technology, etc, with the international standards in traffic control with international standards. Due to the use of PLC has strong adaptability to environment and the characteristics of the rich resources of internal timer can currently in widespread use of progressive lights on, especially for more accurate control of the cross-roads control can be easily realized. So now, more and more applying PLC in the control of traffic. Simultaneously also has the communication networking capability of PLC, the same path composed a LAN for signal unified dispatching management, can shorten the time of waiting vehicles, scientific management.Keywords：traffic light； Programmable Logic Controller；program Design目 录目 录摘 要IAbstractII1.引言12.相关知识介绍12.1 PLC简介12.1.1 PLC的特点及应用22.1.2可编程控制器的基本结构22.1.3可编程控制器的工作原理42.1.4 PLC的性能指标52.2 PLC控制系统设计概要52.2.1 PLC控制的基本原则52.2.2流程图功能说明62.2.3PLC程序设计步骤63.PLC控制的交通灯控制系统设计83.1控制要求83.2 PLC选型93.2.1选型原则93.2.2 I/O分配表93.3 PLC外部接线图103.4梯形图114 设计总结13致 谢14参考文献15I基于PLC的交通灯控制系统1.引言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重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，自80年代后期,许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，缓解交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结构复杂，可靠性低，故障率高,较难实现功能的变更。而可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活方便等优点。特别是由PLC实现的控制系统，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，可方便地设置定时时问，编程容易，功能扩展方便，修改灵活等，并且有完善的自诊断和显示功能，维修工作极为简单。本文从PLC的相关知识为出发点，设计了基于PLC控制的交通信号灯系统。2.相关知识介绍2.1 PLC简介20世纪60年代前，工业生产中广泛应用的电气自动控制系统是继电-接触器控制系统。它是用于控制简单、工作模式固定、对维修技术要求不高的场合。随着工业生产的发展，工业产品更新换代的周期越来越短，迫切需要一种新的控制装置来代替继电-接触器控制系统。1968年，美国通用汽车公司（GM）对外公开招标，要求新的电气控制装置具有更高的可靠性，并能够将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果。可编程控制器自此诞生。现代的PLC是以微处理器为基础的新型工业控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的通用产品，1985年，国际委电工委员会（IEC）的PLC标准草案第三稿对PLC作了如下定义：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。2.1.1 PLC的特点及应用（1）特点：1. 可靠性高，抗干扰能力强2. 通用性强，使用方便3. 程序设计简单，易学，易懂4. 采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便5. 系统设计周期短6. 安装简便，调试方便，维护工作量小7. 对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产（2）应用： 1.逻辑控制和顺序控制 2.位置控制 3.过程控制 4.数据处理 5.通信和联网2.1.2可编程控制器的基本结构图2.1 基本结构图PLC实际上是一种工业控制计算机，他的硬件结构与其他微机控制装置相似，PLC主要由CPU模块（中央处理器）、存储器、输入输出模块（简称为IO模块）、编程设备和电源五大部分组成。1.中央处理器单元CPUCPU是PLC的核心元件，它是PLC的运算和控制中心，实现算术运算和逻辑运算，并控制所有其他部件的操作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的，主要完成下列几项任务：在编程方式下，接收从编程器传送的用户数据和程序，并将它们存入预定的存储器。按扫面方式接收输入单元的状态或数据，并存入相应的数据存储区执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。响应外部设备的请求诊断PLC内部的工作状态及编程过程中的语法错误PLC中常用的CPU有通用处理器（如8086、80286、80386等）、单片机（如8031、8096等）和双极型位片式处理器（如AM2900、AM2901等）3种类型。2.存储器存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。按公式不同，可以分为以下几种类型。只读存储器ROM。ROM的内容由PLC制造厂家写入，并永久驻留。用户只能读取，不能改写。PLC掉电后，它的内容也不会丢失。因此，ROM用于存放系统程序。随机存储器RAM。RAM又称读写存储器。信息读出时RAM内容保持不变；写入时，新写入的信息则覆盖原来的内容PLC掉电后RAM的内容不再保留，它常用于存放既要读出、又要经常修改的内容。可擦除可编程只读存储器EPROM和电擦除可编程只读存储器EEPROM。EPROM是一种可擦除的只读存储器，在紫外线连续照射20分钟后，即可将存储器内容清除；EEPROM是一种可电擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其内容进行在线修改。断电情况下，他们信息都不会丢失，因此，它们都用于存放系统程序及需要长期保存的用户程序。3.输入输出单元输入输出单元即I/O单元，是CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。它将外部输入信号变换为CPU能接受的新号，或将CPU的输出信号变换为需要的控制信号去驱动控制对象（包括开关量和模拟量），以确保整个系统正常工作。另外，为了提高PLC的抗干扰能力，一般的I/O单元都配有光电隔离装置。4.电源PLC的电源分为3类：外部电源、内部电源和后备电源。在现场控制中，干扰侵入PLC的主要途径之一就是通过电源，因此设计合理的电源是PLC的可靠运行的必要条件。外部电源用于驱动PLC的负载或传递现场信号，有称用户电源。内部电源是指PLC的工作电源，其性能的好坏直接影响到PLC的可靠性为了保证PLC的工作可靠，通常采用开关式稳压电源和输入端带低通滤波器的稳压电源。RAM后备电源在停机或突然失电时，保证RAM中的信息不丢失。一般PLC采用锂电池作为RAM的后备电源，锂电池的寿命为3-5年。2.1.3可编程控制器的工作原理PLC是依靠执行用户程序来实现控制要求的。我们把使PLC进行逻辑运算、数据处理、输入和输出步骤的助记符称为指令，把实现某一控制要求的指令的集合称为程序。PLC在执行程序时，首先逐条执行程序命令，把输入端的状态值存放于输入映像寄存器中，在执行程序过程中把每次运行结果的状态存放于输出映像寄存器。PLC执行程序是以循环扫描方式进行的。每一扫描过程主要分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。输入采样阶段 在每一个扫描周期开始时，PLC顺序读取全部输入端信号，把输入端的通断状态存放于输入映像寄存器中。程序执行阶段 PLC按梯形图从左向右、从上到下逐条对指令进行扫描，并从输入映像寄存器和内部元件读入其状态，进行逻辑运算。运算的结果送入输出映像寄存器中。每个输出映像寄存器的内容将随着程序扫描过程而作相应变化。但在此阶段中，如输入端子状态发生变化，输入映像寄存器的状态也不会改变（它的新状态会在下一次扫描中才被读入）。输出刷新阶段 输出刷新阶段也叫输出处理阶段这是一个程序执行周期的最后阶段。可编程序控制器将本次执行用户程序的结果一次性地从 输出状态暂存区送到各个输出口，对输出状态进行刷新。为了连续的完成PLC所承担的工作，系统必须周而复始的依一定顺序完成一系列的具体工作。这种工作方式叫做循环扫描工作方式。除了上述三个主要阶段外，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信处理阶段，CPU处理从通信端口接收到的信息。2.1.4 PLC的性能指标PLC的性能指标较多，其中与构建PLC控制系统关系直接的几个技术指标有：I/O(输入/输出）点数、应用程序的存储容量和扫描速度。 1）I/O(输入/输出）点数输入/输出点数是PLC组成控制系统时所能接入的输入/输出信号的最大数量，表示PLC组成系统时可能的最大规模，在总的点数中，输入点与输出点总是按一定的比例设置的，往往是输入点数大于输出点数，且输入与输出点数不能互相代替。2）应用程序的存储容量应用程序的存储容量是存放用户程序的存储器容量。通常用K字（KW).K字节（KB）或K位（Kb)来表示，1K=1024。3）扫描速度扫描速度一般以执行1000条基本指令所需要的时间来衡量，单位为毫秒/千步，也有以执行一步指令时间计的，如微妙/步。一般逻辑指令与运算指令的平均执行时间有较大的区别，因而大多场合，扫描速度往往还需要表明执行哪类程序。不同厂家的PLC，其编程语言不同，互不兼容。梯形图语言、助记符语言较为常见，近年来功能图语言的使用量有上升趋势。一台机器能同时使用的编程方法多，则容易为更多的人使用。编程语言中还有一个内容是指令的功能。衡量指令功能强弱可看两个方面：一是指令条数多少，二是指令中有多少综合性指令。一条综合指令一般就能完成一项专门操作。比如查表、排序及PID功能等，相当于一个子程序。指令的功能越强，使用这些指令完成一定的控制目的就越容易。另外，可编程序控制器的可扩展性、可靠性、易操作性及经济性等指标也是用户关心的问题。2.2 PLC控制系统设计概要学习PLC的最终目的是能把它应用到实际控制系统中去。对于初学者来说，不知如何入手设计一个控制系统。若遇到世纪的工业控制项目，需采用PLC控制，往往不知所措。本指导书将课程设计的选题提供给大家，就是通过自己所学的电气控制及PLC的基础知识以及PLC的基本实验的体会，来进行分析综合，全面地考虑问题，联系实际，设计一个经济，实用及可靠的控制系统。2.2.1 PLC控制的基本原则在PLC控制系统设计时，应遵循以下基本原则：1.大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜索资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。2.在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单，经济，使用及维修方便；3.保证控制系统的安全，可靠；4.考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。2.2.2流程图功能说明（1） 根据生产的工艺过程分析控制要求。如需要完成的动作（动作顺序，动作条件及必须的保护和连锁等），操作方式（手动，自动；连续，单周期及单步等）；（2） 根据控制要求确定所需的用户输入，输出设备。据此确定PLC的I/O点数；（3） 选择PLC；（4） 分配PLC的I/O点，设计I/O电气接口连接图（这一步也可结合2步进行）；（5） 进行PLC程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。在设计传统继电器控制系统时，必须在控制线路（接线程序）设计完成后，才能进行控制台（柜）设计和现场施工。可见，采用PLC控制，可以使整个工程的周期缩短。2.2.3PLC程序设计步骤（1） 对于较复杂的控制系统，需绘制系统流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步；（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） 根据梯形图编制程序清单；（4） 用编程器将程序键入到PLC用户存储器中，并检查键入的程序是否正确；（5） 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止；（6） 待控制台（柜）及现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再回去修改程序或检查接线，直到满足为止；（7） 编制技术文件；（8） 交付使用。设计PLC控制系统的一般步骤见下图2.1所示： 工艺过程设计梯形图编制程序清单输入程序并检查调试设计控制台现场连接联机调试满足要求满足要求？交付使用编制技术文件确定用户I/O设备分析控制要求选择PLC分配I/O，设计I/O连接图绘制流程图PLC程序设计控制台设计及现场施工YNOONN图2.1程序设计步骤3.PLC控制的交通灯控制系统设计3.1控制要求十字路口交通灯布置如图3.1所示： 北西 东 南 3.1 交通指挥信号灯示意图 控制要求：信号灯受启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作 ，先南、北红灯亮，东、西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯熄灭。南、北绿灯和东、西绿灯不能同时亮；如果同时亮则应该关闭信号灯系统，并立刻报警。南、北红灯亮维持25s。在南、北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，并维持20s。到20s时，东、西绿灯闪亮，闪亮3s后熄灭。在东、西绿灯熄灭时，东、西黄灯亮，并维持2s。到2s时，东、西黄灯熄灭，东、西红灯亮。同时南、北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持30s,南北绿灯亮维持25s,然后闪亮3s钟后熄灭，同时南北黄灯亮，维持2s后熄灭。这时南北红灯亮，东西绿灯亮。上述动作循环进行。3.2 PLC选型3.2.1选型原则PLC最主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。1 功能与任务相适应。PLC的选型原则是在满足控制系统的功能需要的前提下，兼顾维修、备件的通用性及系统的扩展性。2 合适的I/O点数及类型。准确地统计出被控对象输入/输出点数的总需要量，并考虑今后的调整与扩充，一般在实际统计的I/O点数基础上加上10%20%的备用量。另外，应注意输入/输出信号的性质、参数，以选择合适的I/O类型，3 存储器类型及容量的选择。如交通灯信号灯控制系统，程序长期不变，故选择EEPROM或EPROM，当程序需要频繁改变则选择用RAM,用户所需存储容量可以预先选择。4 响应速度的要求及编程器等外围设备的选择。根据控制任务要求，可以算出I/O点数，根据I/O点数及动能要求，选择FX48MR型PC机，可满足控制系统要求。 3.2.2 I/O分配表根据分析，画出I/O分配表如表3.1所示。表3.1 I/O分配表3.3 PLC外部接线图实际的交通灯都是成对使用的，可以在图中的每个指示灯两端分别并联一个指示灯。如果输出点的输出电流不够，可以增加输出点，使一个输出点驱动一个信号灯，也可以在PLC的输出端增设中间继电器，再由中间继电器驱动信号灯。其外部接线图见图3.2所示。图3.2 外部接线图根据控制要求，画出交通灯的状态图，如图3.3所示：图3.3交通灯的状态图3.4梯形图如图3.4所示：本次交通灯程序设计分为两个部分，第一是定时器设定部分，根据交通灯动作时序编制定时程序，第二部分是指示灯输出部分，根据控制要求，把满足每个指示灯输出地条件进行逻辑组合。图3.4梯形图助记符语言：4设计总结在设计过程中经常会遇到这样或者那样的的情况，就是心里老想着这样的接法可以接得通，但仔细揣摩又总是实现不了，因此耗费在这方面的时间较多