机电传动控制课程设计.doc

襄 樊 学 院机电传动控制课程设计报告题 目专 业机械设计制造及其自动化班 级机制0812姓 名学 号指导教师职 称副教授2011年 9 月 27 日襄樊学院机械与汽车工程学院课程设计成绩评定表课程名称机电传动控制课程设计课 程 编 号07ZX091122专业机械设计制造及其自动化班 级 姓 名项目评 分 标 准评分等级得分折合分平时成绩（占20）1、态度端正，设计认真，能积极动脑思考，学习纪律好。优秀2、态度较好，较认真，能积极动脑思考，学习纪律较好。良好3、态度一般，较认真，能动脑思考，学习纪律尚可。中等4、态度较差，不够认真，不善于动脑思考，纪律较差。及格5、态度差，不认真，不动脑思考，纪律差。不及格图纸质量成绩（占40）1、绘图规范，标注准确，结构合理，图纸质量高。优秀2、绘图较规范、准确，结构基本合理，图纸质量较好。良好3、绘图基本规范、准确，结构基本合理，图纸质量一般。中等4、绘图不够规范、准确，结构不太合理，图纸质量较差。及格5、绘图不规范、准确，结构不合理，图纸质量差。不及格设计报告成绩（占40）1、撰写规范，设计思路清晰，知识运用熟练，设计详尽细致，按要求完成设计。优秀2、撰写较规范，设计思路基本清晰，知识运用较熟练，设计基本详尽细致，能按要求完成设计。良好3、撰写基本规范，设计思路基本清晰，知识运用尚可，设计基本详尽细致，能按要求完成设计。中等4、撰写不够规范，设计思路不太清晰，知识运用一般，设计不够详尽细致，基本完成设计。及格5、撰写不规范，设计思路不够清晰，知识运用不熟练，设计不够详尽细致，没有按要求完成设计。不及格总评成绩指导教师： 年 月 日注：1、该成绩评定表每位学生一份，并装订在设计说明书的最后；2、指导教师按课程设计大纲的要求评定成绩，并给出总评成绩；3、折合分：优秀90分,良好80-89分,中等70-79分,及格60-69分,不及格60分。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、同时能够减轻车辆尾气排放，从而对降低环境污染起到了不可低估的作用1。 分析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控制机目录1前言12设计内容及要求13硬件设计23.1 硬件选择23.2 PLC外部接设计23.2.1 PLC输入输出分配23.2.2 PLC外部接线图34 软件设计34.1 整体控制设计34.2 仿真与调试54.2.1调试中遇到的问题54.2.2 问题的分析与解决方案54.2.3 程序仿真65 设计总结86 参考文献8附录第一章 前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。 不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费2。 单片基控制系统设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，所以使用可编程控制器，其主要原因是因为PLC具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。 本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。第二章 PLC的介绍2.1 PLC的基本知识2.1.1 PLC产生和定义1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国数字设备公司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（programmable logic controller）。 80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为PC（programmable controller）即可编程控制器。国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下： “可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计3。” 2.1.2 PLC的基本组成目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的PLC以及同一家生产的不同型号的PLC其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍PLC各组成部分及作用4。编程器输出电路输入电路中央处理器（CPU）系统程序存储器用户程序存储器电源2.1.3 PLC的基本工作原理PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编好程序后，编程器将程序键入PLC的用户存储器中存储。PLC的控制功能就是运用用户程序来实现的。PLC运行程序的方式与微型机算计相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000存储地址所存放的第一条拥护指令开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址好递增的方向顺序执行拥护程序，直到END指令结束。然后再从头开始，并周而复始的重复，直至到停机或运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。我们把PLC这种执行程序的方式成为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输出，输出信号的处理与微型机算机不同 。微型机算机对输出、输出信号实时处理。而PLC对输出、输出信号是集中批处理。PLC扫描工作方式分为三个阶段：输出采样、程序执行、输出刷新5。 2.1.4 PLC的特点PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的特点而设计制造和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的优点。1) 可靠性高，抗干扰能力强2）通用性强，使用方便3) 采用模块化结构，使系统组合灵活方便4) 编程语言简单、易学，便于掌握5) 系统设计周期短6) 对生产工艺改变适应性强7) 安装简单、调试方便、维护工作量小8）体积小、重量轻、功耗低2.2 PLC的应用与前景 为了适应市场的各方面的需求,各生产厂家对PLC不断进行改进,推出功能更加强大、结果更加完美的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方向发展：一个向超小型、专用化和低价格的方向发展，以进行单机控制；另一个是向大型化、高速化、多功能化和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要6。第三章.设计与要求系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。控制对象有八个：东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。高峰时段按时序图二运行， 正常时段按时序图三运行，晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。高峰时段、 正常时段及晚上时段的时序分配按时序图一运行。硬件设计1.1硬件选择本设计采用PLC来实现对十字路口交通信号灯的控制，其控制方法是选用西门子的S7-200系列CPU224型号PLC对东西南北的红、黄、绿、左绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。控制过程中采用顺序控制设计法用多个定时器和计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制。根据交通信号灯的亮灭规律，可用PLC编程对其实行自动控制。晚上时段黄灯按一定规律亮灭循环，可先用定时器控制其亮灭，再用计数器控制其循环。高峰时段与正常时段可先选时序图中的90秒为一个周期，用定时器与计数器先实现一个周期的循环，再用计数器实现高峰时段与正常时段的交错循环。1.2PLC外部接线设计1.2.1PLC输入输出分配表3-1 I/O分配表输入信号输出信号名称符号地址名称符号地址起动开关SQ-ONI0.0东西红灯R-EWQ0.0停止开关SQ-OFFI0.0东西黄灯Y-EWQ0.1东西绿灯G-EWQ0.2东西左绿L-EWQ0.3南北红灯R-SNQ0.4南北黄灯Y-SNQ0.5南北绿灯G-SNQ0.6南北左绿L-SNQ0.71.2.2PLC外部接线图图示PLC外部接线图，选用的是西门子S7-200系列CPU224的PLC。图3.1PLC外部接线图软件设计1.整体控制设计 图4-1为本设计的顺序功能图，及控制流程为： 1.晚间时段：拉上起动开关I0.0,功能图直接进入晚间时段，M0.0置位，触点M0.0通，常闭开关I0.0和常闭触点T38为通，所有黄灯亮，定时器T37开始计时，0.4秒后黄灯灭，同时T38开始计时，0.6秒后经计数器C1计数，循环以上过程达到黄灯亮0.4秒，灭0.6秒循环闪亮的目的，重复32400次（9小时）后，常闭触点C1断开退出晚间时段，经M0.4进入正常时段（其中左支路实现正常时段运行状况，右支路实现高峰时段运行状况，并且左右支路互锁，运行周期周期均为90秒）。2.正常时段：M0.4置位，导通经M0.5东西红灯Q0.0亮维持55秒（T39 +T40 +T41+T42），同时南北左转弯绿灯Q0.7亮，T39开始计时，10秒后，Q0.7灭，常开触点T39闭合导通，南北绿灯Q0.6亮，T40计时30秒后，Q0.6灭，常开触点T40闭合，南北黄灯Q0.5亮，T41计时5秒，黄灯、东西红灯Q0.0灭，触点T41导通，东西左转弯绿灯Q0.3、南北红灯Q0.4亮，T42计时10秒后，Q0.3灭，触点T42导通，Q0.4继续处于亮的状态，同时东西绿灯Q0.2亮，T43开始计时，30秒后Q0.2灭，触点T43导通，东西黄灯亮Q0.1与东西红灯Q0.0亮维持5秒，T44到时，至此正常时段的一个周期工作完毕，经计数器C2计数，循环以上正常时段工作运行过程，期间常闭触头T44对以上定时器进行复位，以达到从新计时的目的，当C2计数达20次（30分钟）时，常闭触头C2断开，常开触头C2闭合，及左支路断开，右支路导通，进入高峰时段。图4-1 顺序功能图3.高峰时段：M1.2置位导通，经M1.3,东西红灯Q0.0亮维持60秒（T45 +T46 +T47+T48），同时南北红灯Q0.4、南北左转弯绿灯Q0.7亮，定时器T45计时，10秒后Q0.4、Q0.7灭，常开触点T46导通，南北黄灯Q0.5亮，T47计时5秒后，Q0.5灭，常开触点T47导通，东西左转弯绿灯Q0.3灭，同时触点T48通，东西绿灯Q0.2亮，T49计时，25秒后，Q0.2灭，触点T49导通，东西黄灯Q0.1亮，计时器T44计时5秒，T44到时，至此高峰时段的一个周期工作完毕，经计数器C3计数返回高峰时段运行状态，直到C3计数达51次（循环50次共1.25小时），这时常闭触点C3断开，常开触点C3导通，高峰时段运行支路断开，又从新进入正常时段运行状态。4.交叉循环运行：第二阶段正常时段的运行状况同一阶段正常运行状况，只是它们循环次数从20次变成331次（循环330次共8.25小时），工作到16:30又进入两小时的高峰运行时段，共循环80次，即C5计数80次后常闭触点C5断开，常开触点C5闭合，再次进入正常时段工作状态循环运行C6计数121次（循环120次共3小时）计数完后C6将所有定时器、计数器复位，又从新进入晚间时段重复以上工作过程。当拉下停止开关I0.0交通信号停止循环，计数器、计时器都复位清零，若再次拉上I0.0，交通灯继续从头开始循环闪亮。第四章.仿真与调试4.2.1 调试中遇到的问题1.在开始阶段按下起动按钮后无法实现黄灯闪烁。2.程序进入正常时段后，停留在正常时段循环中，即使C2计数完毕，但下面的计数器无法计数，程序无法前进。3.当晚间时段运行完毕后，正常时段与高峰时段两支路同时在运行。4.当一次大周期运行完后无法再进行第二次循环。5.当按下停止按钮I0.1，再松开I0.1后，有时黄灯不断闪烁，同时其他灯也在运行。6.当我们在调试时有I0.0、I0.1两个按钮开关，总共有4种情况，及I0.0置1、I0.1置0，I0.0置1、I0.1置1、I0.0置0、I0.1置0，I0.0置0、I0.1置1，同时他们的关断顺序不同也会产生不同的结果，总之，这里有两种情况是不用的，会产生不利影响的隐患。我就在思考可否只用一个开关来控制其通断，这样不仅消除了隐患，还使操作更便利，更符合要求。4.2.2 问题的分析与解决方案 1. 原因:无法实现黄灯闪烁是因为定时器T37、T38计数完后没有复位，所以只能计时一次。 措施：用计时器T38的常闭触点放在计时器T37前面，实现当T38计时完后常闭触点T38自动断开，实现对T37的复位，这样就可以实现T37的自动置位、复位，达到循环计时的目的。 2.原因：C3及其后面的计数器无法计数，可以判断出每次循环到计数器前时没有脉冲过来，及其一直处于断开或导通，经判断C2计数完毕后C3一直处于导通状态，但并没有脉冲过来使其计数。 措施：要使C3导通，我们就要在C2计数完毕后使其有个通断过程，产生脉冲使其计数，我们发现前面循环过程前，我们都采用了用T44的常闭触头来使下面的计时器复位，及当T44计数完毕后，T44常闭触头断开的瞬时将下面的计时器全部清零，包括T44自己本身。经思考我们也可以用T44的常闭触头来实现计数器没导通时有个瞬时通断过程（时间忽约不计），及只需在C3前面串上一个T44常闭触头。同理下面的计数器前也加上T44常闭触头即可。 3.原因：由于C1计数完后，常开触点C1导通，脉冲并不会因为C2在为左分支工作，而先进入左分支，而是自动分向两个分支，导致两边同时运行。 措施：这个问题主要出在左右分支即正常时段与高峰时段的运行状况不能同时运行，必须使他们互锁。考虑到后面正常时段与高峰时段要交替运行，我们必须同时对后面的运行进行考虑解决。后面共用了C2、C3、C4、C5、C6五个计数器，但我们只需考虑前四个。经过分析用表达示（!C2+C3*!C4+C5）和（C2*!C3 +C4*!C5）实现对左右分支的互锁。 4.原因：无法再继续运行，可见问题出在计时器或计数器上，又经过分析不会是计时器的问题，因为计时器的前后步紧密相连，前对后在每次运行后都进行了复位的，因此就是计时器的问题。我发现每次运行计数器到数后其运数器还一直在计数，第二次循环时，计数器并没有复位，因此无法计数，也就无法实现再循环。 措施：要想让第一次运行完后，程序能够实现自动再循环，需要对全部计时器、计数器进行复位，由上分析我们只需对计数器进行复位，最好的方法是，用最后一个计数器C6来对他们复位，即在每个计数器的复位接线上接一个常开触点C6，当最后一个计数器C6计数完毕后，常开触点C6闭合自动复位实现再循环。 5.原因：出现黄灯不断闪烁，其他灯也在运行是因为当我们把停止开关置于高电平时，程序运行到中段，C1已计完，但把I0.1按下，即置回低电平时，前面晚间时段再次导通 ，C1已被复位，因此会使黄灯不断闪烁，而还有其他灯在运行，则是因为我们之前加的脉冲进入了正常时段或高峰时段的循环中，没有断开这里面的脉冲，及我们的停止开关没有对步实现完全断开。 措施：我们在每个计数器加上停止开关I0.1的常闭触头，同时在计数器C1前面加上C1的常闭触头使其彻底断开，无法再继续运行，同时起到无法再向下输送脉冲的作用。同时要实现断开每一个步，还需在每步的前面加上一常闭触头I0.1，当按下I0.1后能够断开每一步，实现彻底停止的目的。 6.原因：用一个开关能使系统更趋于自动化，更加简便，更符合现实要求。 措施：经思考，我将原来的按钮开关换成了闸刀开关，用I0.0去替代所有的I0.1（考虑其通断关系），并去掉一些可以不用的触头，经多次调试最终使设计趋于完美。4.2.3 程序仿真 各时段的仿真运行情况如图4-2、图4-3、图4-4、图4-5所示。 图4-2 晚间时段运行情况 图4-3 正常时段运行情况图