课设PLC交通灯控制系统设计

摘 要 本设计是用 PLC 来实现对十字路口交通信号灯的控制 其控制方法是采用 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 控制过程中采用了顺序控 制设计法用了八个定时器六个计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的 控制 控制程序包括有顺序功能图 SFC 梯形图 LAD 指令表 STL 仿真 测试用的是 S7 200 汉化版的仿真软件进行仿真 最终经过多次调试实现了我们 所需的全部设计要求 关键词 PLC S7 200 交通信号灯 顺序功能图 梯形图 第一章第一章 PLC 基础知识基础知识 1 11 1 PLCPLC 的概述的概述 可编程控制器 简称 PLC 是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来 并逐渐发展成为以微处理器为核心 集计算机技术 自动控制技术及通讯技术 于一体的一种新型工业控制装置 PLC 改变原传统的 硬 接线程序控制方式为存储程序控制方式 即通过运行 事先编好 并存于程序存储器中的用户程序来完成控制的功能 而控制要求改 变时只需修改存储器中用户程序的部分语句即可 可编程控制器以其可靠性高 组合灵活 编程简单 维护方便等独特优势被日 趋广泛应用于国民经济的各个控制领域 它的应用深度和广度已成为一个国家 工业先进水平的重要标志 1 21 2 PLCPLC 的由来的由来 早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器 接触器控制系统 简称继电器控制系统 随着 20 世纪工业生产的迅速发展 市场竞争越来越激烈 工业产品更新换代的周期日趋缩短 新产品不断涌现 传统的继电器控制系统 难以满足现代社会小批量 多品种 低成本 高质量生产方式的生产控制要求 为了改变这一现状 美国通用汽车公司在 1969 年公开招标 要求用新的控制装 置取代继电器控制装置 并从用户角度提出了招标研制新一代工业控制器 可 编程序逻辑控制器 的十条要求 即 1 编程方便 现场可修改程序 可迅速重新设计 2 可靠性高于继电器控制装置 对环境的适应性高 3 维修简单 采用模块化结构 4 体积小于继电器控制装置 能量消耗小 5 能与中央处理系统进行通信 以便监视系统运行状态和情况 6 系统能接受按钮及限位开关的信号流 7 输出信号能直接驱动电动机起动器及电磁阀线圈 8 在扩展时 原系统只要很小变更 并在很短时间内变更完毕 9 成本可与继电器控制系统竞争 10 用户程序存储器容量至少能扩展到 4000 个存储字节或存储单元 这就是著名的 GM10 条 1969 年 美国数字设备公司 DEC 研制出第一台 PLC 在美国通用汽车 自动装配线上试用 获得了成功 这种新型的工业控制装置以其简单易懂 操 作方便 可行性高 通用灵活 体积小 使用寿命长等一系列优点 很快地在 美国其他工业领域推广应用 到 1971 年 已经成功地应用于食品 饮料 冶金 造纸等工业 这一新型工业控制装置的出现 也受到了世界其他国家的高度重 视 1971 日本从美国引进了这项新技术 很快研制出了日本第一台 PLC 1973 年 西欧国家也研制出它们的第一台 PLC 我国从 1974 年开始研制 于 1977 年开始工业应用 1 3 PLC 的的定定义义 可编程控制器 Programmable Controller 是计算机家族中的一员 是为 工业控制应用而设计制造的 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 它主要用来代替继电器实现 逻辑控制 随着技术的发展 这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范 围 因此 今天这种装置称作可编程控制器 简称PC 但是为了避免与个 人计算机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程控制器简称 PLC 可编程控制器一直在迅速发展中 因此到目前为止 尚未对其下最后的定 义 国际电工委员会 IEC 又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿 第二稿 并在 1987 年 2 月通过了对它的如下定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类可编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定 时 计数与算术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 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外部设备 都按易于与 工业控制系 统联成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 总之 可编程控制器是一台计算机 它是专为工业环境应用而设计制造的计算 机 它具有丰富的输入 输出接口 并且具有较强的驱动能力 但可编程控制器 产品并不针对某一具体工业应用 在实际应用时 其硬件需根据实际需要进行 选用配置 其软件需根据控制要求进行设计编制 1 41 4 PLCPLC 的工作原理和过程的工作原理和过程 PLC 虽然以微处理器为核心 具有微机的许多特点 但它的工作方式却与 微机有很大不同 危机一般采用等待命令和中断的工作方式 而 PLC 则是采用 顺序扫描 不断循环 的方式进行工作的 当 PLC 运行时 CPU 根据用户按 控制要求编写好并存于用户存储器中的程序 按指令步序号周期性的程序循环 扫描 如果无跳转指令 则从第一条指令开始逐条执行用户程序 直到程序结 束 然后重返回第一条指令 开始下一轮扫描 每次完成对输入信号的采样和 对输出状态的刷新等工作 如此周而复始 PLC 工作过程大体分三个阶段 输入刷新阶段 程序执行阶段 输出刷新 阶段 1输入刷新阶段 PLC 在此阶段首先以扫描方式按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子 的通断状态或输入数据 并将其存入内存中各对应的输入状态映像寄存 器中 这一过程称为输入刷新 随后关闭输入端口 进入程序执行阶段 在程序执行阶段 即使输入端状态有变化 输入状态映像寄存器中的内 容也不发生变化 变化了的输入信号状态只能在下一周期的输入刷新阶 段被读入 2程序执行阶段 PLC 在程序执行阶段 按用户程序顺序扫描执行每条命令 所需的执行 条件可以从输入映像寄存器中和元件状态寄存器中读入 经过相应的运 算处理后 将结果再写入元件映像寄存器中 因此对于每一个元件来说 元件映像寄存器中所存的内容会随着程序的执行进程而改变 3输出刷新阶段 当程序所有指令执行完毕 输出状态映像寄存器的通断状态在 CPU 的控 制之下被一次集中送至输出锁存器中 并通过一定输出方式 推动外部 相应执行元件工作 1 5 PLC 的的结结构构 PLC 是以微处理器为核心的电子系统 索然厂家品种繁多 功能和指令系统 存在差异 但其结构和工作原理大同小异 它一般由中央处理单元CPU 存储器 输入 输出接口 电源 I O 扩展接口 外部设备接口 编程器等几 个主要部分构成 中央处理单元 CPU CPU 作为整个 PLC 的核心起着总指挥的作用 是 PLC 运算和控制的中 心 主要任务是 1 诊断电源 内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误 2 用扫描的方式采集由现场输入装置送来的数据和状态 并存入寄存器中 3 运行状态时 按用户程序中存放的先后顺序逐条读取指令 经编译后 按指令规定的任务完成各种运算和操作 根据运算结果存储相应数据 并更 新所有标志位的状态和输出映像寄存器的内容 4 将存于数据寄存器中的数据处理结果和输出映像寄存器的内容送至输出 电路 5 按照 PLC 中系统程序所赋予的功能按接收并存储从编程器输入的用户程 序和数据 响应各种外部设备的工作请求 存储器 PLC 内部存储器有两类 一类是系统程序存储器 用以存放系统程序 包括系统管理程序 监控程序 模块化应用功能子程序以及对用户程序做编译处理的编译解释程序等 一类是用户存储器 包括用户存储区及工作数据存储区 其中用户程序存储 区主要存放用户已编制好或正在调试的应用程序 工作数据存储区则包括存 储各种输入端状态采样结果和各输出状态运算结果的输入 输出映像寄存器 区 定时器 计数器的设定值和经过值存储区 各种内部编程元件状态及特殊 标志位存储区 存放暂存数据和中间运算结果的数据寄存器区等等 输入 输出接口 输入 输出接口是将 PLC 与现场各种输入 输出设备连接起来的部件 输入接口通过 PLC 的输入端子接受现场输入设备 如限位开关 操作按钮 光电开关 温度开关等 的控制信号 并将这些信号转换成CPU 所能接 受和处理的数字信号 输出接口则相反 它将 CPU 处理过的输出数字信号传送给输出端的电路元 件 以控制其接通或断开 从而驱动接触器 电磁阀 指示灯等输出设备获 得或是去工作所需的电压或电流 电源 PLC 的电源是指将外部输入的交流经过整流 滤波 稳压等处理后转换为满 足 PLC 的 CPU 存储器 输入输出接口等内部电子电路工作需要的直流电 源电路或电源模块 输入 输出接口电路的电源彼此相互独立 以避免或减 小电源间的干扰 现在许多 PLC 的直流电源采用直流开关稳压电源 这种电源稳压性能好 抗干扰能力强 不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用 而且可以为输 入设备或输出设备的传感器提供标准电源 编程器 编程器是人与 PLC 联系和对话的工具 是 PLC 最重要的外围设备 用户 可以利用编程器来输入 读出 检查 修改 调试用户程序 也可以用它监 视 PLC 的工作状态 显示错误代码或修改系统寄存器的参数设置 I O 扩展接口 若主机 基本单元 的 I O 接口不能满足 输入输出设备点数需要时 可以 通过此接口用扁平电缆线将 I O 扩展单元与基本单元相连 以增加I O 点 数 外部设备接口 外部设备接口可将编程器 上位计算机 图形监控系统 打印机 条码判读 器等外部设备与主机 CPU 连接 以完成相应操作 1 6 6 PLCPLC 的主要技术性能的主要技术性能 PLC 的主要技术性能 通常可以用以下各种指标进行描述 1 I O 总点数 I O 总点数是衡量 PLC 可以接收输入信号 I 和输出信号 O 的数量 PLC 输入输出有开关量和模拟量两种 其中开关量用最大 I O 点数表示 模 拟量用最大 I O 通道数表示 2 用户程序存储容量 用户程序存储量是衡量可存储用户应用程序多少的指标 通常以字或 K 字为 单位 PLC 中通常以字为单位来存储指令和数据 一般的逻辑操作指令每条 占一个字 定时 计数 移位等指令占 2 个字 而数据指令占 2 4 个字 3 编程语言 编程语言一般有梯形图 语句表 控制系统程序流图等几种 因 PLC 不同而 不同 4 编程手段 手持编程器 CRT 编程器 计算机编程分为小型 中型及大型 PLC 的编程装 置 5 指令执行时间 指令执行时间是指 CPU 执行基本指令所需要的时间 一般每步几至几十微秒 6 扫描速度 扫描速度是指扫描 1K 字用户程序所需的时间 一般以 ms K 字为单位 7 指令系统 指令系统的指令种类和数量是衡量 PLC 的软件功能强弱的重要指标 PLC 的 指令一般分为基本指令和高级指令两部分 8 内部继电器的种类和数量 PLC 内部继电器是指内部辅助继电器 定时器 计数器 移位寄存器 特殊 功能继电器等 其数量多少关系到编程是否灵活方便 9 其它除以上基本性能外 不同的 PLC 还有一些其他指标 如输入 输出方式 特殊功能模块种类 自诊断 通讯联网 远程 I O 监控 主要硬件型号 工作环境及电源等级等 第二章第二章 模拟交通灯控制系统设计要求模拟交通灯控制系统设计要求 2 12 1 十字路口交通灯控制设计要求描述十字路口交通灯控制设计要求描述 1 按下开关 S1 后 交通灯白天模式工作 南北红灯亮 10s 同时东西绿 灯先平光亮 5s 再闪烁亮 3s 然后东西黄灯亮 2s 总共 10s 结束后 东西红灯 亮 10s 同时南北绿灯平光亮 5s 再闪烁亮 3s 然后南北黄灯亮 2s 依次循环 下去 在此过程中 数码管跟随红灯亮的 10s 开始显示时间的减少 一直的循 环 2 白天时 按下开关 S3 提前进入夜间模式 当此时按 S2 时 交通灯控 制系统可以关断 但夜间模式时按 S4 键进入不了强制通行状态 因夜间一般不 会出现强制通行的任务 3 白天模式时 按下 S4 交通灯进入强制通行状态 交通灯所有红灯亮 并且 数码管显示全为 8 象征吉利 此时一般是有大的领导来的时候 要一 路同行时使用 当通行完毕后按 S1 即可恢复正常 4 当过一段时间 白天模式进行 60s 后 自动进入夜间模式 夜间模式持 续 30s 时 自动转为白天模式 在夜间模式时 只能有黄灯闪烁 按任意按钮 都没有作用 只要是 PLC 通电 夜间模式就能执行 保证夜间不管是什么情况 总能保证夜间模式的执行 白天正常工作时红黄绿灯亮灭对应时间如下 东西信号绿灯亮绿灯闪黄灯红灯亮 时间5s3s2s10s 南北信号红灯亮绿灯亮绿灯闪黄灯亮 时间10s5s3s2s 数码管显 示 数字显示由 9 0 递减数字显示由 9 0 递减 夜间模式只能黄色灯闪 不能关闭 30s 后转为白天模式 再 60s 转为夜间 模式 强制通行强制所有红灯亮 同时数码管显示 8 按 X0 恢复正常 2 2 十字路口交通灯的路况画出模拟图 第第 3 章章 交通灯控制系统硬件设计交通灯控制系统硬件设计 3 1 PLC 机型和容量的选择步骤与原则机型和容量的选择步骤与原则 随着 PLC 技术的发展 PLC 产品的种类也越来越多 不同型号的 PLC 其结 构形式 性能 容量 指令系统 编程方式 价格等也各有不同 适用的场合 也各有侧重 因此 合理选用 PLC 对于提高 PLC 控制系统的技术经济指标有 着重要意义 PLC 的选择主要应从 PLC 的机型 容量 I O 模块 电源模块 特殊功能模 块 通信联网能力等方面加以综合考虑 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠 维护方便的前提 北 南 东 西 2 1 交通指挥灯示意图 绿 黄 红 绿黄 红 红 黄 绿 绿 红 黄 下 力争最佳的性能价格比 选择时主要考虑以下几点 1 合理的结构型式 PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式 整体式 PLC 的每一个 I O 点的平均价格比模块式的便宜 且体积相对较 小 一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中 而模块式 PLC 的功能扩展灵活方便在 I O 点数 输入点数与输出点数的比例 I O 模块的 种类等方面选择余地大 且维修方便 一般于较复杂的控制系统 2 安装方式的选择 PLC 系统的安装方式分为集中式 远程 I O 式以及多台 PLC 联网的分布 式 集中式不需要设置驱动远程 I O 硬件 系统反应快 成本低 远程 I O 式适 用于大型系统 系统的装置分布范围很广 远程 I O 可以分散安装在现场装 置附近 连线短 但需要增设驱动器和远程 I O 电源 多台 PLC 联网的分布 式适用于多台设备分别独立控制 又要相互联系的场合 可以选用小型 PLC 但必须要附加通讯模块 3 相应的功能要求 一般小型 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数等功能 对于只需要开关 量控制的设备都可满足 对于以开关量控制为主 带少量模拟量控制的系统 可选用能带 A D 和 D A 转换单元 具有加减算术运算 数据传送功能的增强型低档 PLC 对于控制较复杂 要求实现 PID 运算 闭环控制 通信联网等功能 可视 控制规模大小及复杂程度 选用中档或高档 PLC 但是中 高档 PLC 价格较贵 一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合 4 响应速度要求 PLC 是为工业自动化设计的通用控制器 不同档次 PLC 的响应速度一般都 能满足其应用范围内的需要 如果要跨范围使用 PLC 或者某些功能或信号有 特殊的速度要求时 则应该慎重考虑 PLC 的响应速度 可选用具有高速 I O 处理功能的 PLC 或选用具有快速响应模块和中断输入模块的 PLC 等 5 系统可靠性的要求 对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足 对可靠性要求很高的系统 应考虑 是否采用冗余系统或热备用系统 6 机型尽量统一 主要考虑到以下三方面问题 1 机型统一 其模块可互为备用 便于备品备件的采购和管理 2 机型统一 其功能和使用方法类似 有利于技术力量的培训和技术水平 的提高 3 机型统一 其外部设备通用 资源可共享 易于联网通信 配上位计算 机后易于形成一个多级分布式控制系统 3 23 2 PLCPLC 容量的选择步骤与原则容量的选择步骤与原则 PLC 的容量包括 I O 点数和用户存储容量两个方面 1 I O 点数的选择 PLC 平均的 I O 点的价格还比较高 因此应该合理选用 PLC 的 I O 点的 数量 在满足控制要求的前提下力争使用的 I O 点最少 但必须留有一定的裕 量 通常 I O 点数是根据被控对象的输入 输出信号的实际需要 再加上 10 15 的裕量来确定 2 存储容量的选择 用户程序所需的存储容量大小不仅与 PLC 系统的功能有关 而且还与功能 实现的方法 程序编写水平有关 一个有经验的程序员和一个初学者 在完成 同一复杂功能时 其程序量可能相差25 之多 所以对于初学者应该在存储容量 估算时多留裕量 PLC 的 I O 点数的多少 在很大程序上反映了 PLC 系统的功能要求 因此 可在 I O 点数确定的基础上 按下式估算存储容量后 再加20 30 的裕量 存储容量 字节 开关量 I O 点数 10 模拟量 I O 通道数 100 3 3 本系统选择的本系统选择的 PLC 本次交通灯设计用的是 FP 1C40 可编程控制器 由于实验室的 PLC 是松下 FP 1C40 可编程控制器 所以为了方便演示而选择的 3 4 可编程控制器可编程控制器 I O 端口分配端口分配 根据对交通指挥信号灯系统控制设计分析 系统采用自动控制方式 输入 有系统白天模式按钮 白天关闭系统按钮 夜间模式按钮 白天强制通行按钮 输出有东西方向 南北方向各两组指示信号 由于每一个方向的两组指示灯中 同种颜色的指示灯同时工作 为了节省输出点数 可采用并联输出方法 当夜 间模式时有显示正处于夜间模式的指示灯 当处于白天模式时有处于白天模式 的指示灯 当处于强制通行时 有处于强制通行模式的指示灯 由此可知 该 系统所需的输入点数为 4 输出点数为 16 全部是开关量 则可将 I O 分配用 表 3 1 和表 3 2 表示 表 3 1 输入口地址分配表 白天工作开按钮 S1X0 白天工作关按钮 S2X1 夜间模式按钮 S3X2 输入口地 址分配表 强制通行按钮 S4X4 表3 2输出口地址分配表 东西红灯Y0数码管 a 段Y8 东西黄灯Y1数码管 b 段Y9 东西绿灯Y2数码管 c 段YA 南北红灯Y3数码管 d 段YB 南北黄灯Y4数码管 e 段YC 南北绿灯Y5数码管 d 段YD 显示强制通行Y6数码管 f 段YE 输出口地 址分配表 显示夜间模式Y7显示白天工作YF 3 33 3 PLCPLC 外部接线图外部接线图 Y0 X0 Y1 X1 X2 Y2 X3 Y3 COM Y4 Y8 Y9 Y5 YA Y6 YB YC Y7 YD YF YE COM1 A GB C D E F 东西红灯 东西绿灯 东西黄灯 南北红灯 南北绿灯 南北黄灯 强制同行 夜间显示 白天显示 电源 数码 管端 口 白天开 S1 白天关 S2 夜间开 S3 强制通行 S4 图 3 1 PLC 外部接线图 第四章第四章 模拟交通灯控制系统软件设计模拟交通灯控制系统软件设计 4 14 1 时序图时序图 交通等正常白天工作时 对指挥灯的控制要求按一定时序进行 如下 夜间模式时 只有每个路口的黄灯交替闪烁 4 2继电器 定时器 计数器 寄存器功能分配表继电器 定时器 计数器 寄存器功能分配表 如附件 4 所示 4 3流程图流程图 根据交通灯工作的实际控制情况 可得出其流程图如图附5所示 4 44 4 程序梯形图程序梯形图 根据对交通信号灯的控制要求及 PLC 控制系统的 I O 分配的定义 可对 PLC 进行控制程序的设计 其梯形图如附件 6 所示 下面对所设计的梯形图作几点说明 1 当按下 S1 按钮 白天模式指示灯 YF 亮 Y0 接通 10s 东西红灯亮 10s 数码管由 9 每秒递减至 0 同时 Y5 接通亮 南北绿灯亮 5s 闪烁 3s 启动 南北红灯 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 南北绿灯 南北黄灯 图 3 2 交通信号灯时序状态示意图 之后 Y4 接通南北黄灯亮 2s 之后 南北黄灯灭 数码管由 9 每秒递减至 0 Y3 接通 南北红灯亮 10s 同时 Y2 接通 东西红灯变为绿灯亮 5s 闪 3s 然后 Y1 接通 东西黄灯亮 2s 2 白天时 按下 S3 进入强制通行状态 Y0 和 Y3 保持接通 东西南北 红灯一直亮 3 白天时 按下 S2 可以进入夜间模式 Y1 和 Y4 同时间隔通电 南北 黄灯闪烁 再按其他键可以返回其他状态 4 白天时 按下 S1 关闭整个系统 但时间照样走 5 夜间时执行夜间模式 Y1 和 Y4 同时间隔通电 东西南北黄灯闪烁 同时按其它键都没有关闭或更换模式的功能 第五章第五章 系统的软硬件调试系统的软硬件调试 5 1 硬件调试 硬件调试 接通电源 检查松下 FP 1C40 型可编程控制器是否可以正常工作 接头 是 否接触良好 然后把其与电脑的通信口连接 电脑与 PLC 连接正确之后 再连接交通灯的外接电路 将数码管和模拟交通连接 并连上电源线 通 过下载程序 调试电路是否正确 5 2 软件调试 软件调试 打开 FPSOFT 软件 按要求输入梯形图 看软件是否与 PLC 可编程控制 器正常连接 下载此梯形图到 PLC 可编程控制器 进行下一步的运行调 试 5 3 运行调试 运行调试 在硬件调试和软件调试的基础上 运行此程序并进行调试直至程序可以 按 照系统要求运行 参考文献和资料参考文献和资料 1 吴建强 姜三勇编著 可编程控制器原理及其应用 哈尔滨工业大学出 版社 1998 年 9 月 2 常斗南主编 可编程控制器原理应用实验 机械工业出版社 1998 年 7 月 3 李俊秀 赵黎明主编 编程控制器应用技术实训指导 化学工业出版社 2004 年 1 月 4 中国期刊网 附件 附件 1 输入口地址分配表 白天工作开按钮 S1X0 白天工作关按钮 S2X1 夜间模式按钮 S3X2 输入口地 址分配表 强制通行按钮 S4X4 附件 2 输出口地址分配表 东西红灯Y0数码管 a 段Y8 东西黄灯Y1数码管 b 段Y9 东西绿灯Y2数码管 c 段YA 南北红灯Y3数码管 d 段YB 南北黄灯Y4数码管 e 段YC 南北绿灯Y5数码管 d 段YD 显示强制通行Y6数码管 f 段YE 输出口地 址分配表 显示夜间模式Y7显示白天工作YF 附件 3 PLC 接线原理图 Y0 X0 Y1 X1