孙丹杰---交通灯的PLC控制设计ppt.ppt

新乡职业技术学院毕业设计 题目 交通灯的PLC控制设计 第一章PLC的概述 1 1PLC的发展历程虽然PLC问世时间不长 但是随着微处理器的出现 大规模 超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步 PLC也迅速发展 其发展过程大致可分三个阶段 一 早期的PLC 60年代末 70年代中期 早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器 这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义 其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制 定时等 它在硬件上以准计算机的形式出现 在I O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求 装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路 存储器采用磁芯存储器 二 中期的PLC 70年代中期 80年代中后期 在70年代微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化 美国 日本 德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元 CPU 这样 使PLC得功能大大增强 三 近期的PLC 80年代中后期至今 进入80年代中 后期 由于超大规模集成电路技术的迅速发展 微处理器的市场价格大幅度下跌 使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高 而且 为了进一步提高PLC的处理速度 各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片 1 2PLC的构成PLC基本组成包括中央处理器 CPU 存储器 输入 输出接口 缩写为I O 包括输入接口 输出接口 外部设备接口 扩展接口等 外部设备编程器及电源模块组成 PLC内部各组成单元之间通过电源总线 控制总线 地址总线和数据总线连接 外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统 1 3PLC的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强可靠性高是电气控制设备的关键性能 PLC由于采用现代大规模集成电路技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时 一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长 从PLC的机外电路来说 使用PLC构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC带有硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 在应用软件中 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护 这样 整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了 2 配套齐全 功能完善 适用性强LC发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用于各种规模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代PLC大多具有完善的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 近年来PLC的功能单元大量涌现 使PLC渗透到了位置控制 温度控制 CNC等各种工业控制中 加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展 使用PLC组成各种控制系统变得非常容易 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近 只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制系统设计及建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产场合 5 体积小 重量轻 能耗低以超小型PLC为例 新近出产的品种底部尺寸小于100mm 重量小于150g 功耗仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化的理想控制设备 1 4PLC的功能LC是由模仿原继电器控制原理发展起来的 二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制 首先应用的是汽车制造行业 它以存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和运算等操作的指令 并通过数字输入和输出操作 来控制各类机械或生产过程 用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求 并事先存入PLC的用户程序存储器中 运行时按存储程序的内容逐条执行 以完成工艺流程要求的操作 PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器 在程序运行过程中 每执行一步该计数器自动加1 程序从起始步 步序号为零 起依次执行到最终步 通常为END指令 然后再返回起始步循环运算 PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期 不同型号的PLC 循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间 PLC用梯形图编程 在解算逻辑方面 表现出快速的优点 在微秒量级 解算1K逻辑程序不到1毫秒 它把所有的输入都当成开关量来处理 16位 也有32位的 为一个模拟量 大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算 把计算结果送给PLC的控制器 相同I O点数的系统 用PLC比用DCS 其成本要低一些 大约能省40 左右 PLC没有专用操作站 它用的软件和硬件都是通用的 所以维护成本比DCS要低很多 一个PLC的控制器 可以接收几千个I O点 最多可达8000多个I O 如果被控对象主要是设备连锁 回路很少 采用PLC较为合适 PLC由于采用通用监控软件 在设计企业的管理信息系统方面 要容易一些 1 5PLC的工作原理1 输入映像寄存器的内容是由设备驱动的 在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变 CPU采用集中输入的控制思想 只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行 2 扫描周期周而复始地进行 读输入 输出和用户程序是否执行是可控的 3 对同一个输出单元的多次使用 修改次序会造成不同的执行结果 4 各个电路和不同扫描阶段会造成输入和输出延迟 这是PLC的主要缺点在读输入阶段 CPU对各个输入端子进行扫描 通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中 紧接着转入用户程序执行阶段 CPU按照先左后右 先上后下的顺序对每条指令进行扫描 根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序 同时将执行结果写入输出映象寄存器 PLC信号的传递过程 如图1 1所示 图1 1PLC信号的传递过程 第二章系统的方案设计 2 1方案比较对于十字路口交通灯的设计 我最初选择了两种方案 一种方案是选用单片机作为控制器来进行控制处理工作 另一种方案是选用可编程控制器 PLC 作为控制器来进行控制处理工作 在第一种方案中 由于要使用单片机 而且必须单独设计电源 所以接线要相对复杂一些 就编程来说 采用汇编语言编程要更复杂一些 单片机的价格虽然便宜 只有一般可编程控制器的千分之一左右 它的体积也很小 只需要在电路板上设计一个很小的空间就可以安装 但是它的性能比起PLC不是很稳定 在第二种方案中 由于使用可编程控制器 而且可编程控制器有自带电源 它的接线要相对简单一些 就编程来说 由于是采用梯形图的编程方法 所以是非常直观的 当然也就要相对简单一些 而且 可编程控制器的稳定性相当的好 抗干扰能力也非常高 一般情况下可以安全运行达三十年以上 这正是交通灯设计中最需要的 对于两种方案来说 主要体现在控制器所选择的不同上 由于这一不同点而产生了编程方式 电源方式 成本高低 成品体积 使用稳定度等一系列的方面都有所区别 2 2扩展模块的选用对于小的系统 如80点以内的系统 一般不需要扩展 当系统较大时 就要扩展 不同公司的产品 对系统总点数及扩展模块的数量都有限制 当扩展仍不能满足要求时 可采用网络结构 同时 有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块 因此 在进行软件编制时要注意 当采用温度等模拟模块时 各厂家也有一些规定 请看相关的技术手册 各公司的扩展模块种类很多 如单输入模块 单输出模块 输入输出模块 温度模块 高速输入模块等 PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便 2 3确定所选PLC在满足控制要求的前提下 选型时应选择最佳的性能价格比 具体应考虑以下几点 1 性能与任务相适应 2 PLC的处理速度应满足实时控制的要求 3 PLC应用系统结构合理 机型系列应统一 4 在线编程和离线编程的选择 1 PLC容量估算PLC容量包括两个方面 一是I O的点数 二是用户存储器的容量 1 I O点的计算根据功能说明书 可统计出PLC系统的开关量I O点数及模拟量I O通道数 以及开关量和模拟量的信号类型 应在统计后得出I O总点数的基础上 增加10 15 的裕量 选定的PLC机型的I O能力极限值必须大于I O点数估算值 PLC能力接近饱和 一般应留有30 左右的裕量 2 容量计算用户应用程序占用多少内存与许多因素有关 如I O点数 控制要求 运算处理量 程序结构等 因此在程序设计之前只能粗略的估算 根据经验 每个I O点及有关功能器件占用的内存大致如下 所需存储器容量 KB 1 1 25 DI 10 DO 8 AI O 100 CP 300 1024其中 DI为数字量输入总点数 DO为数字量输出总点数 AI AO为模拟量I O通道总数 CP为通信接口总数 2 I O模块的选择 1 输入模块的选择PLC的输入模块用来检测来自现场 如按钮 行程开关 温控开关 压力开关等 电平信号 并将其转换为PLC内部的低电平信号 开关量输入模块按输入点数分 常用的有8点 12点 16点 32点等 按工作电压分 常用的有直流5V 12V 24V 交流110V 220V等 按外部接线方式又可分为汇点输入 分隔输入等 2 输出模块的选择输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号驱动外部负载 输出模块有三种输出方式 继电器输出 双向可控硅输出和晶体管输出 3 输出方式的选择继电器输出价格便宜 使用电压范围广 导通压降小 承受瞬间过电压和过电流的能力较强 且有隔离作用 但继电器有触点 寿命较短 且响应速度较慢 适用于动作不频繁的交 直流负载 当驱动电感性负载时 最大开闭频率不得超过1Hz 4 输出电流的选择模块的输出电流必须大于负载电流的额定值 如果负载电流较大 输出模块不能直接驱动 则应增加中间放大环节 对于电容性负载 热敏电阻负载 考虑到接通时有冲击电流 故要留有足够的裕量 3 分配输入 输出点一般输入点与输入信号 输出点与输出控制是一一对应的 在个别情况下 也有两个信号用一个输入点的 那样就应在接入输入点前 按逻辑关系接好线 如两个触点先串联或并联 然后再接到输入点 1 明确I O通道范围同型号的PLC 其输入 输出通道的范围是不一样的 应根据所选PLC型号 弄清相应的I O点地址的分配 2 内部辅助继电器内部辅助继电器不对外输出 不能直接连接外部器件 而是在控制其他继电器 定时器 计数器时作数据存储或数据处理用 根据程序设计的需要 应合理安排PLC的内部辅助继电器 在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途 避免重复使用 3 分配定时器 计数器对用到定时器和计数器的控制系统 注意定时器和计数器的编号不能相同 若扫描时间较长 则要使用高速定时器以保证计时准确 从上面的分析可以知道 系统共有开关量输入点2个 开关量输出点46个 如果选用CPU222的PLC 也需要扩展单元PLC 参照西门子S7 200产品目录及市场实际价格 选用主机为CPU226 2 4方案选择对于以上两种方案 综合各方面的因素考虑 主要从性价比 安装使用方便等方面来分析 使用PLC来设计交通灯 不但性能稳定 而且一次安装可以使用长达30年之久 在市场上有强的竞争力 而且从编程上来分析 PLC编程简单易学 容易看懂 不像单片机编程那么复杂 再次从安装上来分析 PLC安装简单 维修方便同时更能保证系统的稳定运行 或许有些地方要复杂一些 但解决起来也不是太困难 所以最终我选择了设计基于PLC交通灯设计 第三章硬件设计 3 1硬件设计步根据可编程控制器设计交通灯硬件部分的设计步骤 本设计的硬件设计步骤如下所示 1 PLC的选型 2 输入 输出点的估算 3 主机型号的选择 4 模块的扩展及I O编址 5 输入 输出端子的分配 6 画出I O接线图 3 2主机CPU及扩展模块选择根据设计要求 有开始按钮和停止按钮2个输入端及46个输出端的需要 由主机类型表3 1 设计中主机选用了为CPU226 CPU226的输入输出点比较多 共有I0 0 I2 7共24个输入 Q0 0 Q1 7共16个输出点 CPU226的24个输入点可以满足本设计中2个输入点的需求 但是16个输出点不能满足本设计46个输出点的需求 因此需要扩展5个EM222扩展模块 Q2 0 Q2 6 Q3 0 Q3 6 Q4 0 Q4 7 Q5 0 Q5 7 Q6 0和Q6 1共32个输出端口 3 3I O端口分配输入端口 I0 0接启动按钮 I0 2接停止按钮 3 4硬件设计框图PLC采用S7 200系列中型号为CPU226的控制器 它有24个数字量输入点数和16个数字量输出点数 交通灯控制系统硬件设计如图3 1所示 图3 1硬件设计框图 3 5接线图根据设计要求所需4个七段数码管和18个指示灯 在东西和南北方向的指示灯各有三组 左转 右转 直行 而且每组指示灯都有红 绿 黄三种颜色 而数码管有共阴和共阳两种接法 见附录 而我在本设计中选用的是共阴极接法 接线如图3 2所示 图3 2接线图 第四章软件设计 4 1PLC编程软件的基本思路4 1 1系统设计与设备选型a 分析你所控制的设备或系统 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 b 判断一下你所要控制的设备或系统的输入输出点数是否符合可编程控制器的点数要求 选型要求 c 判断一下你所统的复杂程度 分析内存容量是否够 4 1 2I O赋值 分配输入输出 a 将所要控制的设备或系统的输入信号进行赋值 与PLC的输入编号相对应 b 将所要控制的设备或系统的输出信号进行赋值 与PLC的输出编号相对应 4 1 3执行程序的过程及其特点PLC执行程序的过程分为三个阶段 即输入采样阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 1 输入采样阶段在输入采样阶段 PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样 并存入输入映像寄存器中 此时输入映象寄存器被刷新 接着进入程序处理阶段 在程序执行阶段或其它阶段 即使输入状态发生变化 输入映象寄存器的内容也不会改变 输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到 2 程序执行阶段在程序执行阶段 PLC对程序按顺序进行扫描执行 若程序用梯形图来表示 则总是按先上后下 先左后右的顺序进行 当遇到程序跳转指令时 则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转 当指令中涉及到输入 输出状态时 PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出 根据用户程序进行运算 运算的结果再存入元件映象寄存器中 对于元件映像寄存器来说 其内容会随程序执行的过程而变化 3 输出刷新阶段程序执行完毕后 进入输出处理阶段 在这一阶段里 PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态 输出继电器状态 转存到输出锁存器中 并通过一定方式输出 驱动外部负载 因此 PLC在一个扫描周期内 对输入状态的采样只在输入采样阶段进行 当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁 直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样 这方式称为集中采样 即在一个扫描周期内 集中一段时间对输入状态进行采样 4 2流程图根据交通灯运行规律表可知流程图如图4 1所示 图4 1流程图 4 3梯形图 第五章系统调试 5 1硬件调试根据电气接线图安装接线 PLC实际接线时 还应考虑到以下几个方面 一 应有电源输入线 通常为220V 50HZ交流电源 允许电源有一定的浮动范围 并且必须有保护装置 如熔断器等 若是干扰较强或对可靠性要求很高的场合 应在PLC的电源输入端加装带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器 二 输入端子八个为一组 公用一个COM端 PLC应单独接地 不要和其他电器元件共用接地线 接地线面积应大于2mm 并尽可能靠近PLC 三 PLC输出端接有线圈和电磁阀等感性元件时必须加保护电路 例如并接阻容吸收回路 对于交流电源 或续流二极管 对于支流电源 5 2软件调用编程工具将用户程序输入计算机 经过反复编辑 编译 下载 调试 运行 直至运行正确 打开梯形图编辑器将程序输入电脑 程序输入完成后 用CPU的下拉菜单或工具条中编译快捷按钮对程序进行编译 编译后在显示器下方的输入窗口显示编译结果 并能明确的指出错误的网络段 可以根据错误的提示对程序进行修改 然后再编译 一直到编译无误 程序编译成功后 单击标准工具条中下载快捷按钮打开文件菜单 选择下载项 弹出对话框 经选定程序块 数据块 系统块等下载内容后 按确认按钮将选中内容下载到PLC的存储器上 当PLC工作方式开关在TERM位置时还可用STEP MICRO WIN32的菜单命令或快捷按钮都可以对CPU工作方式进行软件设计 使用程序编辑器还可以在PLC运行监视程序执行的过程和各元件的状态及数据 打开调试菜单选中程序状态 这时闭合触点和通电线圈内部颜色变蓝 在PLC的运行工作状态随输入条件的改变定时及计数过程的运行 每个扫描周期的输入阶段将各个期间的状态刷新 同时还可以动态显示各个定时与计数器的当前值 以便在线动态观察程序的运行 出现错误易于发现更改 在STOP状态下对程序进行修改编辑 重新编译 下载 监视运行 如此反复修改调试 直到得到正确运行结果 结论 系统主要以PLC为核心 利用PLC的强大的控制功能 实现了对交通灯的控制 利用梯形图程序可以很直观的看出运行过程 利用可编程控制器控制交通灯 具有接线简单 编程直观 扩展容易等特点 调试结果表明 在适性 精确性和可靠性方面 到达到了设计的要求 表明该设计方案是可行的 交通灯的毕业设计 详细介绍了PLC的结构配置