机械本科论文-PLC交通灯控制系统设计.doc

可编程控制器件及应用课程考查论文题目： PLC交通灯控制系统 专业班级： 2010级电科一班 学号： 222010322072015 姓名： 田冲 成绩： 绪论随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起们的关注。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。（一）PLC设计的意义随着交通越来越发达所出现的问题也越来越多,路面狭窄,车辆拥挤。尤其是到了上下班的时候,许多车辆在路口浪费了很多的时间,不仅给车主带了很多的麻烦也给交通部门带了不少麻烦。为了解决这些问题,国家政府也花了不少的心思和精力去研究,探讨。为了能有效地解决交通问题,政府对城市进行了有规模的城市规划和道路扩建与维修。还有就是对交通灯进行了研究和改善,调整交通灯的时间控制和变换频率以及工作时间的控制,从而使交通更为畅通和安全,提高了交通灯的自身作用和价值。（二）PLC设计的内容与目标内容：PLC交通灯控制系统设计目标：更好地解决人，车，路三者之间的协调PLC的结构和工作原理1.1.1 PLC的基本结构在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成2。 1. 中央处理器(CPU) 中央处理器(CPU)一般由控制器运算器和寄存器组成。它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不序地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。 CPU的主要任务如下： (1) 按PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。 (2) 用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。 (3) 诊断电源或PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。 (4) 在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。 2. 存储器 PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。 (1)系统存储器 系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。其主要内容包括3个部分：系统管理程序、 用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。 (2)用户存储器用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。PLC使用的存储器有3种类型：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和可擦除可编程只读存储器(EEPRO)。3. 输入/输出接口单元PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。 4. 扩展接口和通信接口PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。(2)通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。5. 电源部分PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位PLC的中央处理器、存储器等。电路提供5V、+-12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。6. 编程设备编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。7. 其他部件有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。1.1.2 PLC的工作原理PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面做了特别的考虑2。1. PLC的3个工作阶段当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段完成。上述3个阶段即为一个周期。在整个运行期间PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。(1)输入采样阶段PLC。在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。(2)用户程序执行阶段。根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。当指令中涉及输入/输出时，PLC从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。(3)输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。2. PLC对输入/输出的处理规则PLC对输入/输出的处理规则如下：输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上有个刷新期间的通/断状。2 交通灯控制系统的PLC设计交通信号灯工作原理1.信号灯由一个按钮控制其启动，一个按钮控制其停止。 2.信号灯分为南北绿灯，南被黄灯，南北红灯和东西绿灯，东西黄灯，东西红灯及报警灯。 3.南北红灯亮，并维持25S。当南北红灯亮时，东西绿灯也亮，维持20S后，东西绿灯闪烁3S后熄灭，然后东西黄灯亮2S后熄灭，接着东西红灯亮，南北绿灯亮。 4.东西红灯亮，并维持30S。当东西红灯亮时， 南北绿灯也亮，维持25S后， 南北绿灯闪烁3S后熄灭，然后南北黄灯亮2S后熄灭，接着南北红灯亮， 东西绿灯亮。按以上方式周而复始地工作。如表2：表1 交通灯亮闪表东西 信号 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 红灯亮 时间 20S 3S 2S 30S 南北 信号 红灯亮 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 时间 25S 25S 3S 2S 图1 交通灯的放置PLC硬件设计2.1.1 交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表表2 交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表输入信号输出信号 名称 代号 输入点编号启动按钮 SB1 I0.0停止按钮 SB2 I0.1名称 代号 输入点编号南北绿灯 HL1-1 HL1-2 Q0.0南北黄灯 HL2-1 HL2-2 Q0.1 南北红灯 HL3-1 HL3-2 Q0.2报警灯 HL4 Q0.3东西绿灯 HL5-1 HL5-2 Q0.4东西黄灯 HL6-1 HL6-2 Q0.5东西红灯 HL7-1 HL7-2 Q0.62.1.2 交通信号灯PLC控制硬件接线图 图2 交通信号灯PLC控制硬件接线图其中,S7-200 CPU222系统有8个输入信号和6个输出信号. 1个模拟量电位器，最多可扩展10AI/AO点。4KB用户程序区和2KB数据存储区。有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。可以进行一定模拟量的控制和2个模块的扩展，对于比较适合小型的控制系统。所以在这个设计中选用了S7-200 CPU2224。 在硬件接线图中，输入口I0.0接收启动按钮SB1的输入，输入口I0.1接收停止按钮SB2的输入；输出口Q0.0接收南绿灯(HL1-1)和北绿灯(HL1-2) ， 输出口Q0.1接收南黄灯(HL2-1)和北黄灯(HL2-2) ， 输出口Q0.2接收南红灯(HL3-1)和北红灯(HL3-2) ，输出口Q0.3接收报警灯(HL4)， 输出口Q0.4接收东绿灯(HL5-1)和西绿灯(HL5-2) ， 输出口Q0.5接收东黄灯(HL6-1)和西黄灯(HL6-2) ， 输出口Q0.6接收东红灯(HL7-1)和西红灯(HL7-2)。PLC软件设计 设计交通信号灯PLC控制梯形图和指令语句。2.1.3 交通信号灯PLC控制梯形图 2.1.4 交通信号灯PLC控制的指令表 LD I0.0 I0.0闭合 O M0.0 AN I0.1 = M0.0 M0接通闭合并自锁 LD M0.0 LPS AN Q0.3 AN T41 TON T37 , +250 LRD A T37 TON T38 , +250 LRD A T38 TON T39 , +30 LRD A T39 TON T40 , +20 LRD A T37 TON T41 , +300 LRD A T44 TON T42 , +20 LRD AN Q0.3 AN T37 TON T43 , +200 LRD A T43 TON T44 , +30 LRD AN T46 TON T45 , +5 LRD A T45 TON T46 , +5 LRD AN T37 AN Q0.3 = Q0.2 LRD LD Q0.6 AN T38 LD T 38 AN T39 A T45 OLD ALD = Q0.0 （南北绿灯工作） LRD AN T38 AN T40 = Q0.1 （南北黄灯停止工作） LRD LD Q0.2 AN T43 LD T43 AN T44 A T45 （南、北向红灯工作） OLD ALD = Q0.4 （南北绿灯闪烁） LPP LPS A T44 AN T42 = Q0.5 （东、西黄灯停止工作） LRD A T37 = Q0.6 LPP A Q0.0 A Q0.4 （东西向绿灯亮） = Q0.32.1.5 程序说明(1)按下启动按钮SB1，I0.0闭合，M0接通闭合并自锁。第3逻辑行中的M0.0常开触点闭合，计时器T37接通并计时；第9逻辑行中的T43接通并计时，第11、12逻辑行中的T45，T46T组成1S的时钟脉冲；第13逻辑行中的Q0.2接通，南、北向红灯工作；由于Q0.2的接通，第17逻辑行中Q0.4接通，东、西向绿灯亮5。(2)经过20S后，第9逻辑行行中的T43动作，第17逻辑行中的计时器T43的常闭触点断开，Q0.4断电；第18逻辑行中的T43的常开触点闭合，使得当T45常开触点闭合是Q0.4接通，T45的常开触点断开时Q0.4断开，此时东、西绿灯闪烁。(3)由于第9逻辑行中的T43动作，第10逻辑行中的T43的常开触点闭合，同而计时器T44接通，经过3S后，T44动作；T44在第18逻辑行中的常闭触点断开，东、西绿灯闪烁结束；同时第19逻辑行中的T44的常开触点闭合，Q0.5接通，东、西黄灯工作；第8逻辑行中的T44的常开触点闭合，计时器T43接通并计时；经过2S后，T43动作，第19逻辑行中的T43的常闭触点断开，Q0.5失电，东、西黄灯停止工作。(4)当东、西黄灯停止工作时，第3逻辑中的计时器T37正好经过25S计时动作，第13逻辑行中的T37的常闭触点断开，南、北红灯熄灭；第20逻辑行中的T37的常开触点闭合，Q0.6接通，东、西红灯工作；由于Q0.6的接通，因而第14逻辑行中的Q0.0的常开触点闭合，南、北绿灯工作。(5)T37动作后，第4逻辑行中的T37的常开触点闭合，T38接通并计时，第7逻辑行中的T37的常开触点闭合，T41接通并计时。(6)经过25S后，第4逻辑行中的T38动作，第14逻辑行中的计时器T38的常闭触点断开，Q0.0断电；第15逻辑行中的T38的常开触点闭合，使得当T45的常开触点闭合时Q0.0接通，T45常开触点断开时Q0.4断开，此时南、北绿灯闪烁。(7)由于第4逻辑行中的T38动作，因而第5逻辑行中的T38的常开触点闭合，计时器T39接通，经过3S后，T39动作；T39在第15逻辑行中的常闭触点断开，南、北绿灯闪烁结束；同时第16逻辑行中的T39的常开触点闭合，Q0.1接通，南、北黄灯工作第6逻辑行中的T39的常开触点闭合，计时器T40接通并计时；经过2S后，T40动作，第16逻辑行中的T40的常闭触点断开，Q0.1失电，南、北黄灯停止工作。(8)当南、北向黄灯停止工作时，正好东、西向红灯工作了30S，即第7逻辑行中的T41计时30S，此时T41动作，第3逻辑行中的T37复位，且使得第4、7、13、20逻辑行中的常开触点复位，进入下一次循环。2.1.6 交通信号灯的状态波形图图3 交通信号灯的状态波形图参考文献1 廖常初. 可编程序控制器的编程方法与工程应用.M 重庆大学出版社，3055页（2001）2 钟肇新 ,彭侃 . 可编程序控制器原理及应用. M 华南理工大学出版社，6075页（2002）3 戴仙金 . 西门子S7-200系列PLC应用与开发.M