毕业设计：交通灯的PLC控制设计[1]

I 设计题目 设计题目 交通灯的交通灯的 PLCPLC 控制设计控制设计 设计要求 设计要求 表 1 交通灯运行规律表 东西方向南北方向 时间 时间 绿灯红灯红灯 15s 黄灯红灯红灯 4s 红灯绿灯红灯 32s 红灯黄灯黄灯 4s 红灯红灯红灯 55s 绿灯红灯红灯 15s 黄灯红灯红灯 4s 红灯绿灯绿灯 18s 红灯红灯红灯 39s 红灯黄灯黄灯 2s 在本设计中有开始按钮和停止按钮 2 个输入端口 共有 4 个七段数码管和 18 个 指示灯 指示灯的具体亮 熄如上表 1 在东西方向和南北方向各设一组数码管显 示器 按倒计时的方式显示通行和停止时间 设计进度要求 设计进度要求 第一周 搜集设计资料 第二周 观察交通灯的运行规律 第三周 进行硬件设计 第四周 进行软件设计 第五周 整理资料 第六 七周 修改整理设计报告 第八周 毕业答辩 II 摘摘 要要 PLC 可编程序控制器是以微处理器为基础 综合了计算机技术 自动控制技术 和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置 它具有结构简单 编程方便 可靠 性高等优点 已广泛用于工业过程和位置的自动控制中 据统计 可编程控制器是 工业自动化装置中应用最多的一种设备 专家认为 可编程控制器将成为今后工业 控制的主要手段和重要的基础设备之一 PLC 机器人 CAD CAM 将成为工业生产的 三大支柱 由于 PLC 具有对使用环境适应性强的特性 同时其内部定时器资源十分 丰富 可对目前普遍使用的 渐进式 信号灯进行精确控制 特别对多岔路口的控 制可方便地实现 因此现在越来越多地将 PLC 应用于交通灯系统中 同时 PLC 本 身还具有通讯联网功能 将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理 可缩短车辆通行等候时间 实现科学化管理 本设计是以 PLC 控制为核心的交通灯 选用西门子 S7 200 系列 CPU226 型主机 5 个 EM222 DO8 直流 24V 型数字量扩展模块 并利用定时 计数器作定时计数 用 LED 七段数码管作为计时显示用 利用 CPU226 的 2 个输入点作为启动按钮和停 止按钮 16 个输出点和一个 EM222 扩展模块的输出点作为东西方向和南北方向的左 转 右转 直行的红 黄 绿灯 并利用 4 个 EM222 的 28 个输出点分别作为东西方 向和南北方向的数码管个 十位显示输出 本交通灯系统简单 实用性强 成本低 使用维护方便 软件功能强 运行稳定可靠等优点 关键词 PLC 交通灯 倒计数 显示 目 录 摘 要 II 1 PLC 的概述 1 1 1 PLC 的发展历程 1 1 2 PLC 的构成 2 1 3 PLC 的特点 2 1 4 PLC 的功能 3 III 1 5 PLC 的工作原理 3 2 硬件设计 5 2 1 硬件设计步骤 5 2 2 主机 CPU 及扩展模块选择 5 2 3 I O 端口分配 6 2 4 硬件设计框图 7 2 5 接线图 8 3 软件设计 9 3 1 PLC 编程软件的基本思路 9 3 2 梯形图 10 4 系统调试 23 4 1 硬件调试 23 4 2 软件调试 23 5 结 论 24 致 谢 25 参考文献 26 1 1 1 PLCPLC 的概述的概述 1 11 1 PLCPLC 的发展历程的发展历程 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 另外 还采取了一些措施 以提高其抗干扰的能力 在软件编程上 采用广大电气工程技术 人员所熟悉的继电器控制线路的方式 梯形图 因此 早期的 PLC 的性能要优于继电 器控制装置 其优点包括简单易懂 便于安装 体积小 能耗低 有故障指示 能重 复使用等 其中 PLC 特有的编程语言 梯形图一直沿用至今 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 在软件方面 除了保持其原有的逻辑运算 计时 计数等功能以外 还增加 了算术运算 数据处理和传送 通讯 自诊断等功能 在硬件方面 除了保持其原有 的开关模块以外 还增加了模拟量模块 远程 I O 模块 各种特殊功能模块 并扩大 了存储器的容量 使各种逻辑线圈的数量增加 还提供了一定数量的数据寄存器 使 PLC 的应用范围得以扩大 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 这 样使得 PLC 软 硬件功能发生了巨大变化 2 1 21 2 PLCPLC 的构成的构成 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 31 3 PLCPLC 的特点的特点 1 3 11 3 1 可靠性高 抗干扰能力强可靠性高 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 1 3 21 3 2 配套齐全 功能完善 适用性强配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 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 1 3 31 3 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎易学易用 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 3 1 3 41 3 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造系统的设计 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 1 3 51 3 5 体积小 重量轻 能耗低体积小 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 41 4 PLPLC C 的功能的功能 PLC 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 51 5 PLCPLC 的工作原理的工作原理 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 CUP 采用集中输入的控制思想 只能使用输入映像寄存器的 4 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 CUP 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 CUP 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 1 PLC 信号的传递过程 5 2 2 硬件硬件设计设计 2 12 1 硬件设计步骤硬件设计步骤 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 2 22 2 主机主机 CPUCPU 及扩展模块选择及扩展模块选择 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 2 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 表 2 1 主机类型表 型号主机输入点数主机输出点数可扩展模块数最大扩展电流 mA CPU22164 无 0 CPU222862340 CPU22414107660 CPU226241671000 根据本设计输出端口及电流流量的需求 可选扩展模块如表 2 2 经比较后在设计 中选用了 5 个 8 输出端口 电流为 50mA 的 EM222 扩展模块 6 表 2 2 扩展模块表 分类型号I O 规格功能及用途 EM221 DI8 直流 24V8 路数字量 24V 直流 输入 DO8 直流 24V8 路数字量 24V 直流 输出 固态 MOSFET EM222 DO8 继电器8 路数字量继电器输 出 DI4 DO4 直流 24V4 路数字量 24V 直流 输入 输出 固态 DI4 DO4 直流 24V 继 电器 4 路数字量 24V 直流 输入 4 路数字量继电器输 出 DI8 DO8 直流 24V8 路数字量 24V 直流 输入 输出 固态 DI8 DO8 直流 24V 继 电器 8 路数字量 24V 直流 输入 8 路数字量继电器输 出 DI16 DO16 直流 24V16 路数字量 24V 直 流输入 输出 固态 数字量扩展模块 EM223 DI16 DO16 直流 24V 继电器 16 路数字量 24V 直 流输入 16 路数字量继电器 输出 7 2 32 3 I OI O 端口分配端口分配 输入端口 I0 0 接启动按钮 I0 2 接停止按钮 输出端口分配如表 2 3 和表 2 4 表 2 3 七段数码管输出端口分配表 东西向南北向 Q0 0 Q0 6 七段数码管 个位 Q2 0 Q2 6 七段数码管 个位 Q1 0 Q1 6 七段数码管 十位 Q3 0 Q3 6 七段数码管 十位 表 2 4 交通灯输出端口分配表 东西向南北向方向 颜色 红灯 Q4 0Q4 3Q4 6Q5 1Q5 4Q5 7 绿灯 Q4 1Q4 4Q4 7Q5 2Q5 5Q6 0 黄灯 Q4 2Q4 5Q5 0Q5 3Q5 6Q6 1 2 42 4 硬件设计框图硬件设计框图 图 2 1 硬件设计框图 8 2 52 5 接线图接线图 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 接线图如图 2 2 所示 a b c d e f g dp a b c d e f g dp a b c d e f g dp a b c d e f g dp CPU 226 Q0 0 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 4 Q0 5 Q0 6 Q1 6 Q1 5 Q1 4 Q1 3 Q1 2 Q1 1 Q1 0 Q2 0 Q2 1 Q2 2 Q2 3 Q2 4 Q2 5 Q2 6 Q3 0 Q3 1 Q3 2 Q3 3 Q3 4 Q3 5 Q3 6 E EM M2 22 22 2E EM M2 22 22 2 E EM M2 22 22 2 E EM M2 22 22 2 E EM M2 22 22 2 Q4 0 Q4 1 Q4 2 Q4 3 Q4 4 Q4 5 Q4 6 Q4 7 Q5 0 Q5 1 Q5 2 Q5 3 Q5 4 Q5 5 Q5 6 Q5 7 Q6 0 Q6 1 Q6 2 Q6 3 东西方向左转红灯 东西方向左转绿灯 东西方向左转黄灯 东西方向直行黄灯 东西方向直行绿灯 东西方向直行红灯 东西方向右转红灯 东西方向右转绿灯 东西方向右转黄灯 南北方向左转红灯 南北方向左转绿灯 南北方向左转黄灯 南北方向直行红灯 南北方向直行绿灯 南北方向直行黄灯 南北方向右转红灯 南北方向右转绿灯 南北方向右转黄灯 24V COM COM COM COM 1L 1M 24V I0 0 I0 1 I0 2 I0 3 启动按钮 停止按钮 Q6 4 Q6 5 Q6 6 Q6 7 S S7 7 2 20 00 0 东西方向个位 东西方向十位 南北方向十位 南北方向个位 GND 图 2 2 接线图 9 3 3 软件设计软件设计 3 13 1 PLCPLC 编程软件的基本思路编程软件的基本思路 3 1 13 1 1 系统设计与设备选型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 判断一下你所要控制的设备或系统的复杂程度 分析内存容量是否够 3 1 23 1 2 I OI O 赋值 分配输入输出 赋值 分配输入输出 a 将你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 列表 b 将你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 3 1 33 1 3 执行程序的过程及特点执行程序的过程及特点 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 10 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 3 23 2 梯形图梯形图 11 12 13 14 15 17 18 19 19 20 21 22 23 4 4 系统调试系统调试 4 14 1 硬件调试硬件调试 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 4 24 2 软件调试软件调试 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 24 5 5 结结 论论 本系统主要以 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 在适应性 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 交通灯的设计课题 详细介绍了 PLC 的结构配置 工作原理 编程方法和通信 等内容 并在此基础上介绍了 PLC 控制系统的设计原则 设计步骤 硬件设计 软 件设计等 最后在实例中介绍常用 PLC 的型号和资源配置 本课程是以实际生活中的设计 运行 管理 维护安装为目的 培养学生应用 PLC解决实际问题和独立工作的能力 培养实事求是 严肃认真 细致踏实的工作作 风 为将来从事自动化设备的生产 调试 安装打下必要的基础 使我们熟练掌握 PLC的硬件配线 熟悉PLC的编程规则 熟悉编程软件的使用 掌握应用