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电气电子毕业设计论文
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毕业设计8PLC交通灯电气控制设计,电气电子毕业设计论文
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1 XXX职业技术学院 XXX工程系 毕业设计（论文） 课题名称 PLC交通灯电气控制设计 班 级 04工业电气自动化 姓 名 XXX 学 号 041002101 指导老师签名 XXX 2007年 6 月 1 日 nts 2 目录 摘要 一、 PLC的概述 .4 1.1 PLC的发展历程 .4 1.2 PLC的构造 .5 1.3 CPU的构造 .5 1.4 I/O模块 .6 1.5 电源模块 .6 1.6 底版或机架 .6 1.7 PLC系统的其它设备 .7 1.8 PLC的通信联网 .7 二、交通信号灯控制的实现 .7 2.1 实现目标 .7 三、 PLC的选型 .8 3.1 三菱 FX系列 PLC的概述 .8 3.2 FX2N系列 PLC的特点： .9 3.3三菱 FX系列 PLC的主要性能 .10 3.4逻辑分析与程序设计 .12 四、功能说明 .17 五、总结 .17 六、 参考文献 nts 3 PLC交通灯电气控制设计 The control design of the PLC transportation light electricity 摘 要 : 针对近年来城市交通 的拥挤现象 ,特别是驾驶员违章严重、交通事故频发、车辆尾气污染等问题 ,介绍丁集计算机、信息、电子及通讯等众多高新技术手段于一体的智能交通指挥中心控制系统 .该系统的安装及使用 ,大大缓解了城市道路堵塞现象、提高了道路的通行能力 .减少了驾驶员违章的次数 ,抑制了交通事故的发生 ,同时对减轻车辆尾气排放 ,从而降低环境污染都起到了不可低估的作用 . 分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。 关键词 : 交通控制 交通灯 PLC控制机 Take off to want: Aim at in recent years hustle of city transportation phenomenon, especially the pilot be illegal severity, traffic accident Pin hair, vehicle tail spirit pollution etc. problem, introduction the D gather numerous Gao Xin technique meanses, such as calculator, information, electronics and communication.etc. in the commanding center of the intelligence transportation of the integral whole control system.Should system of install and usage, consumedly alleviated city road to stop phenomenon, exaltation go through of road ability.Decrease the illegal number of times of pilot, repressed traffic accident of occurrence, in the meantime to ease vehicle tail spirit emissions, lowered pollution of the environment to all have thus cant under-estimation of function. Analysis the present condition of modern control and management problem of the city transportation, combine city country transportation of actual the circumstance elaborated a transportation light control system of work principle, give a kind of simple practical city transportation light control system of hardware electric circuit design project. Keyword: The transportation control transportation light PLC control machine 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指挥系统中最重要的组成部分。 nts 4 随着城市机动车量的不断增加，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，因此，自 80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速 道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，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。 目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器 ，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC是必要的。 本论文分为 3部分，其中，第一部分介绍的是 PLC的一些基础知识，这是很多 PLC初学者经常会遇到的疑惑，希望能给出一些帮助；第二部分介绍 PLC在交通灯上的应用；第三部分介绍 PLC的选型。通过交通灯的应用的程序设计实例，将PLC的程序设计开发思路和实际需要有机地融合在一起，使读者可以更好地理解PLC的控制，同时也提高自己的编程水平 。 一、 PLC的概述 1.1 PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。 1968年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable Controller（ PC）。 nts 5 个人计算机（简称 PC）发展起来后 ，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（ PLC），现在，仍常常将 PLC简称 PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（ IEC）对 PLC的定义是：可编程控制器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贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系 统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪 80年代至 90年代中期，是 PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40%。在这时期， PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。 PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 1.2 PLC的构造 从结构上分， PLC分为固定 式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC包括 CPU板、 I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC包括 CPU模块、 I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 1.3 CPU的构造 CPU是 PLC的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC至少有一个 CPU，它按 PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进 入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成， CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存nts 6 储程序及数据，是 PLC不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析 CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。 CPU的控制器控制 CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指 挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是 PLC的重要参数，它们决定着 PLC的工作速度， IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 1.4 I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O）完成的。 I/O模块集成了 PLC的 I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC系统，输出模块相反。 I/O分为开关量输入（ DI），开关量输出（ DO），模拟量输入（ AI），模拟量输出（ AO）等模块。 开关量是指只有开和关（或 1和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的 I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模 拟 量 ： 按 信 号 类 型 分 ， 有 电 流 型 （ 4-20mA,0-20mA ）、 电 压 型（ 0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用 IO外，还有特殊 IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块 按I/O点数确定模块规格及数量， I/O模块可多可少 ，但其最大数受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 1.5 电源模块 PLC电源用于为 PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC或 110VAC），直流电源（常用的为 24VAC）。 1.6底版或机架 大多数模块式 PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 nts 7 1.7 PLC系统的其它设备 1、编程设备：编程器是 PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC及 PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如 EPROM、 EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的 电位器，打印机等。 1.8 PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出 网络就是控制器 的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使 PLC与 PLC 之间、 PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数 PLC具有 RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC的通信，还未实现互操作性， IEC规定了多种现场总线标准， PLC各厂家均有采 用。 对于一个自动化工程 (特别是中大规模控制系统 )来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。 二、交通信号灯控制的实现 2.1 实现目标 车行灯：绿 30s 黄 10s 红 25s 人行灯：红 45s 绿 10s 绿闪 5s 交通灯变 化顺序（单循环周期 65s）说明如下。 当按下启动开关 X5后， M100接通车行灯绿灯亮，人行灯红灯亮。车行灯绿灯nts 8 亮 30s后变成黄灯，人行灯这时还是红灯。车行灯黄灯亮 10s后变为红灯， 5s后车行灯还是红灯，但这时人行灯变成了绿灯。 10s后绿等闪烁 5次变成红灯。这时车行灯还是红灯，当过了 5s后，车行灯变成了绿灯。如此周而复始的循环。 通过上面对系统设计的要求，可以看到要实现如此一个信号灯控制，首先要设置相应的系统启动按钮作为系统的输入控制。其他的就是输出信号了，主要就是各个信号灯的控制输出了。总的有车行灯 的绿灯、黄灯、红灯和人行灯的绿灯、红灯。 通过上述的分析，可以看到，系统需要 1个输入和 6个输出，对于这样一个小型的系统可以选择一些小型 PLC就可以满足需求。图 1是一个通用的 PLC配置示意图。 图 1 PLC控制接线图 三、 PLC的选型 3.1 三菱 FX系列 PLC的概述 FX系列 PLC是日本三菱公司继 F1、 F2系列 PLC之后推出的小型机。它同时具有单元式 PLC的简单易用和模块、式 PLC的功能强大、配置灵活的优点，其机型种类较多，主要有 FX0S、 FX0N、 FX1、 FX1N、 FX2 、 FX2N 、 FX2NC等。系统配置既固定又灵活，基本上能满足各种工业控制要求。当控制要求较简单时，可选用容量较小的 FX0S或 FX0N机型；当控制要求较复杂时，可选用性能高、处理速度快、容量大的 FX2N或 FX0N机型。 SB0 X5 COM COM Y30 Y31 Y32 Y33 Y34 HL0 HL1 HL2 HL3 HL4 nts 9 FX2N系列是小型化、高速度、高性能等很多方面都是相当于 FX系列中最高档次的超小型程序装置。除输入输出 16-256点的独立用途外，还可以适用于多个基础组件间的连接、模拟控制、定位控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的PLC。 3.2 FX2N系列 PLC的特点： （ 1）系统配置既固定又灵活 可进行 16-256点的灵活输入输出组合。可连接扩展模块，包括 FX0N系列扩展模块。 （ 2）编程简单，指令丰富 编程种类如表 1。 表 1 简单的编程种类 指令种类 指令数目 /种 基本指令 27 步进梯形指令 2 应用指令 128（ 298个） 功能指令种 类多，有高速处理指令、便利指令、数据处理、特殊用途指令等。 （ 3） 品种丰富 可选用 16/32/48/64/80/128/点的主机，可以采用最小 8点的扩展模块进行扩展。也可根据电源及输入输出形式，自由选择。 （ 4）高性能 内置程序容量 8000步，最大可扩充至 16K步，可输入注释，还有丰富的软主件。 （ 5）高速运算 1个指令的运行时间，基本指令只需 0.08us，应用指令在 1.52us至几百微秒之间。 （ 6） 多种特殊用途 FX2N系列中， 1台基本单元最多可连接 8台扩展模块或特殊功能模块，连接上相当的特殊功能模块后 ，可应用在模拟控制、定位控制等特殊场合。 （ 7）外部机器通信简单简化 nts 10 一台 FX2N主机可安装一个机能扩充板 ， 使用 FX2N-485-BD及 FX0N-485ADP的 FX2N系列 PLC间 ， 可作简易 PLC通信连接。 （ 8）共同的外部设备 可以享受 FX系列的外部设备，如便携式简易编程器 FX-10PE、 FX-20P-E（需使用 FX-20P-CAB0作连接线）。用 SC-09电缆线与微机连接，可使用 FX-PCS/WIN编程软件。 3.3三菱 FX系列 PLC的主要性能 FX系列 PLC基本单元和扩展单元的电源电压适应范围 为 100240VAC，用户程序存储容量大，有丰富的内部软元件，功能强且多，处理速度快，现将 FX0S、FX2、 FX2N三种 PLC的主要技术性能对比写入表 2.3中 从表 2可见，在 FX系列的众多机型中，要数 FX2N（或 FX2NC）系列的功能最强、处理速度最快容量最大，属于高档的小型机。 表 2 FX系列 PLC的性能指标 项 目 FX0S FX2（ FX2C） FX2N（ FX2NC） 运动控制方式 反复扫描程序 I/O 刷 新 方 式 批处理方式（在执行 END指令时成批刷新），但有输入输出刷新指令 处理速度 （基本指令） 1.63.6us/步 0.7us/步 0.08us/步 存 储 器 容 量 和 类 型 内附 800步 EEPROM（ 不可装存储卡盒 ） 内附 2K步 RAM（ 可装EEPROM、 EPROM存储卡盒 ）， 最大可达 8K步 内附 8K步 RAM（ 可装RAM ， EEPROM 、EPROM存储卡盒 ）， 最大可达 16K步 程 序 语 言 梯形图 、指令表、 SFC（状态转移图） 指 令 数 基 本指令 20步，步进指令 2条，应用指令50条 基本指令 20步，步进指令 2条，应用指令85条 基本指令 27步，步进指令 2条，应用指令 298条 nts 11 最大 I/O点数 30 256 256 输入继电器 （ 8进制编号） 最多 16点， X0X17 最多 128点， X0X117 最多 184点， X0X267 输出继电器 （ 8进制编号） 最多 14点， Y0 Y15 最多 128点， Y0 Y117 最多 184点， Y0 Y267 辅助 继电 器 普通型 496点， M0M495 500点， M0M499 500点， M0M499 保持型 16点， M496M511 524点， M500M1023 2572点， M500M3071 特殊型 255点， M8000M8254 256点， M8000M8255 256点， M8000M8255 状态（） 普通型 64点 S0-S63（ 其中S0-S9用于初始化 ） 500点 S0-S499（ 其中 S0-S9用于初始化、 ，S10-S19用于返回原点 ） 保持型 无 500点 S500-S9999其中固定用于故障报警） 定时器 100 只有 点定时器（），其中有点在为时可变更为 点， 46点， T200-T245 1 无 4点， T246-T249 100 6点 T250-T255 计 数 器 加计 数器 普通型 14点（ 16位） C0-C13 100点 （ 16位） C0-C99 保持型 2点（ 16位） C14、 C15 100点 （ 16位） C100-C199 减计 数器 普通型 无 20点（ 32位） C200-C219 保持型 无 15点（ 32位） C220-C234 nts 12 高速 计数 器 1相 1输入 7 点 C235-C238 、C241、 C242、 C244 11点 C235-C245（ 32位加 /减计数 保持型） 1相 2输入 3点 C246、 C247、 C249 5点 C246-C250（ 32位加 /减计数 保持型） 2相 2输入 3点 C251、 C252、 C254 5点 C251-C255（ 32位加 /减计数 保持型） 数 据 寄 存 器 普通型 30点（ 16位） D0-D29 200 点（ 16 位）D0-D199 200 点（ 16 位）D0-D199 保持型 2点（ 16位） D30、D31 312 点（ 16 位）D200-D511 7800 点（ 16 位）D200-D7999 特殊用 70 点（ 16 位）D800-D8069 256 点（ 16 位）800-8255 256 点（ 16 位）800-8255 变址用 2点（ 16位） V、 Z 2点（ 16位） V、 Z 16点（ 16位） V0-V7、Z0-Z7 指针 跳转用 64点 P0-P63 64点 P0-P63 128点 P0-P127 中断用 4点 I00-I30 9点 I0-I8 15点 I0-I8 I010-I060 嵌套 （ N） 8点 N0-N7（ 主控线路用 ） 常 数 十进制数（ K） 16位 ： -32768 +32767 32位 ： -2147483648 +2147483647 十六进制数（ H） 16位 ： 000-FFFF（ H） 32位 ： 00000000-FFFFFFFF（ H） 表 3.3 FX系列 PLC的性能指标 3.4逻辑分析与程序设计 1.交通信号灯系统时序逻辑分析 （ 1）控制要求 通常为车道常开绿灯，人行道常开红灯。红绿灯的变化时序如图 2 nts 13 开始 30内红绿灯保持不变，后车道灯由绿变黄，黄灯亮 10后，由黄变红。车道红灯亮后 5，人行道绿灯才亮， 10后人行灯开始闪烁，亮暗间隔 0.5，共闪烁 5次后才变为人行道红灯亮。此后 5，车道绿灯才亮。至此又恢复为通常状态。 （ 2）输入 /输出端口设置 人行道与车道红绿灯 PLC控制的 I/O端口分配如表 3 表 3 人行道与车行道红绿灯 PLC控制的 I/O端口分配图 输入 输出 名称 输入点 名称 输出点 启动按钮 SB0 X5 车道红灯 HL0 Y30 车道黄灯 HL1 Y31 车道绿灯 HL2 Y32 人行道红灯 HL3 Y33 人行道绿灯 HL4 Y34 （ 3）状态表 X000/X001 车道绿灯 Y2 车道黄灯 Y1 车道红灯 Y0 人行道绿灯 Y4 人行道红灯 Y3 10s 30s 5s 10s 0.5s 5s
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