十字路口交通信号灯plc设计

1 摘 要 2 Abstract 2 1 1 概述 4 1 2 PLC 的由来 4 1 3 PLC 的定义 4 1 4 PLC 基本结构和工作原理 5 1 4 1 中央处理单元 5 1 4 2 存储器 6 1 5 PLC 的基本性能指标 11 2 1 十字路口交通信号灯设计 11 2 1 1 控制要求 11 2 1 2 道路交通灯设计流程图 12 2 2 十字路口交通信号灯程序设计 13 2 2 1 可编程控制器选择 13 2 2 2 十字路口交通灯模拟控制时序图 13 2 2 3 可编程控制器 I O 端口分 16 2 2 4 程序梯形图 17 2 2 5 梯形图程序 24 2 2 6 本文小结 26 设计心得体会 27 参 考 文 献 28 2 摘摘 要要 近年来随着科技的飞速发展 PLC 的应用正在不断地走向深入 同时带动 传统控制检测日新月益更新 在实时检测和自动控制的单片机应用系统中 单 片机往往是作为一个核心部件来使用 仅单片机方面知识是不够的 还应根据 具体硬件结构 以及针对具体应用对象特点的软件结合 加以完善 交通信号灯的出现 使交通得以有效管制 对于疏导交通流量 提高道路 通行能力 减少交通事故有明显效果 随着中国加入 WTO 我们不但要在经济 文化 科技等各方面与国际接轨 在交通控制方面也应与国际接轨 俗话说 要想富 先修路 但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保 障畅通安全 作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应适合社会实际情 况 因此 本人选择制作十字路口交通灯 Key word Traffic light PLC automatic allies control Abstract With the development at full speed of science and technology in recent years the application of the one chip computer is moving towards deepening constantly drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control at the same time In measuring in real time and automatically controlled one chip computer application system the one chip computer often uses as a key part only one chip computer respect knowledge is not enough should also follow the structure of the concrete hardware and direct against and use the software of target s characteristic to combine concretly perfect The appearance of the traffic signal lamp make the traffic be controlled effectively for dredging the flow of traffic improving the traffic capacity of the road there are obvious results to reduce the traffic accident As China joins WTO we will not only be in line with international standards in such different fields as economy culture sciencandtechnology etc should be in line with international standards too in traffic control As the saying goes want rich repair the roads first but way build up if control do road well to be unable to ensure the unblocked security in traffic The traffic signal lamp of the important composition component controlled 3 as the traffic should be suitable for the social actual conditions too So I choose to make the crossroad 4 1 1 概述概述 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 1 2 PLC 的由来的由来 在 60 年代 汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置 构成的 当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装 随着生产的发展 汽车型号更新的周期愈来愈短 这样 继电器控制装置就需 要经常地重新设计和安装 十分费时 费工 费料 甚至阻碍了更新周期的缩 短 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 并提出了十项招标指标 即 1 编程方便 现场可修改程序 2 维修方便 采用模块化结构 3 可靠性高于继电器控制装置 4 体积小于继电器控制装置 5 数据可直接送入管理计算机 6 成本可与继电器控制装置竞争 7 输入可以是交流 115V 8 输出为交流 115V 2A 以上 能直接驱动电磁阀 接触器等 9 在扩展时 原系统只要很小变更 10 用户程序存储器容量至少能扩展到 4K 1 3 PLC 的定义的定义 可编程控制器 简称 PLC Programmable logic Controller 是指以计 算机技术为基础的新型工业控制装置 在 1987 年国际电工委员会 International Electrical Committee 颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了 如下定义 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电 子装置 它采用可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺 5 序运算 计时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输 入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该 按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 1 4 PLC 基本结构和工作原理基本结构和工作原理 PLCPLC 的基本结构的基本结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机 从结构上分 PLC 分为整体式和组合式 模块式 两种 整体式 PLC 包括 CPU 板 I O 板 显示面板 内存块 电源等 这些元素组合成一个不可拆卸的整体 模块式 PLC 包括 CPU 模块 I O 模块 内存 电源模块 底板或机架 这些模 块可以按照一定规则组合配置 PLC 专为工业场合设计 采用了典型的计算机结构 主要是由 CPU 电源 存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成 图 1 11 为一典型 PLC 结构简图图 1 4 1 中央处理单元中央处理单元 CPU 是 PLC 的核心 起神经中枢的作用 每套 PLC 至少有一个 CPU 它 按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据 用扫描的方式采集 由现场输入装置送来的状态或数据 并存入规定的寄存器中 同时 诊断电源 和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等 进入运行后 从用户 程序存贮器中逐条读取指令 经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信 号 去指挥有关的控制电路 CPU 主要由运算器 控制器 寄存器及实现它们之间联系的数据 控制及 状态总线构成 CPU 单元还包括外围芯片 总线接口及有关电路 内存主要用 CPU 输 入 单 元 输 出 单 元 编程器或其他设备 接触器 电磁阀 指示灯 行程开关 继电器触点 6 于存储程序及数据 是 PLC 不可缺少的组成单元 CPU 的主要功能 1 从存储器中读取指令 2 执行指令 3 顺序取指令 4 处理中断 1 4 2 存储器存储器 存储器用来存放系统程序 用户程序 逻辑变量和其它一些信息等 A PLC 常用的存储器类型常用的存储器类型 1 RAM Random Assess Memory 这是一种读 写存储器 随机存储器 其 存取速度最快 由锂电池支持 2 EPROM Erasable Programmable Read Only Memory 这是一种可擦除的 只读存储器 在断电情况下存储器内的所有内容保持不变 在紫外线连续照射下 可擦除存储器内容 3 EEPROM Electrical Erasable Programmable Read Only Memory 这是一种 电可擦除的只读存储器 使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改 存储器的分类存储器的分类 1 系统程序存储器 用以存放系统程序 包括系统管理程序 监控程序功能子程序及对用 户程序做编译处理的编译解释程序 此类程序一般在 PLC 出厂前已将其固化在 ROM 或 PROM 中 用户不 可修改 2 用户程序存储器 主要用于存放用户程序及数据 可以修改 B PLC 存储空间的分配存储空间的分配 虽然各种 PLC 的 CPU 的最大寻址空间各不相同 但是根据 PLC 的工作 原理其存储空间一般包括以下三个区域 系统程序存储区 系统 RAM 存储区 包括 I O 映象区和系统软设备等 用户程序存储区 1 系统程序存储区 在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序 包括 7 监控程序 管理程序 命令解释程序 功能子程序 系统诊断子程序 等由制 造厂商将其固化在 EPROM 中 用户不能直接存取 它和硬件一起决定了该 PLC 的性能 2 系统 RAM 存储区 系统 RAM 存储区包括 I O 映象区以及各类软设备如 逻辑线圈 数 据寄存器 计时器 计数器 变址寄存器 累加器 等存储器 1 I O 映象区 由于 PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读 入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设 因此它需要一定数量的存储单元 RAM 以存放 I O 的状态和数据 这些单元称 作 I O 映象区 一个开关量 I O 占用存储单元中的一个位 bit 一个模拟量 I O 占用存储单元中的一个字 16 个 bit 因此整个 I O 映象区可看作两个部分组 成 开关量 I O 映象区 模拟量 I O 映象区 2 系统软设备存储区 除了 I O 映象区区以外 系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软 设备 逻辑线圈 计时器 计数器 数据寄存器和累加器等 的存储区 该存储 区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域 前者在 PLC 断电 时由内部的锂电池供电 数据不会遗失 后者当 PLC 断电时数据被清零 1 逻辑线圈 与开关输出一样 每个逻辑线圈占用系统 RAM 存储区中的一个位 但不能直接驱动外设 只供用户在编程中使用 其作用类似于电器控制线路中 的继电器 另外不同的 PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈 具有不同的功能 2 数据寄存器 与模拟量 I O 一样 每个数据寄存器占用系统 RAM 存储区中的一个 字 16bits 另外 PLC 还提供数量不的特殊数据寄存器 具有不同的功能 3 计时器 4 计数器 3 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序 不同类型的 PLC 其存储容 量各不相同 1 43 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用 如果没有一个良好的 可靠得电源系统是无法正常工作的 因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也 十分重视 一般交流电压波动在 10 15 范围内可以不采取其它措施 而将 PLC 直接连接到交流电网上去 8 A 输入输出接口单元 1 输入接口电路 光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成 发光二级管 在光电耦合器的输入端加上变化的电信号 发光二极管就产 生与输入信号变化规律相同的光信号 光电三级管 在光信号的照射下导通 导通程度与光信号的强弱有关 在 光电耦合器的线性工作区内 输出信号与输入信号有线性关系 输入接口电路 工作过程 当开关合上 二极管发光 然后三极管在光的照射下导通 向内部 电路输入信号 当开关断开 二极管不发光 三极管不导通 向内部电路输入 信号 也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成 PLC 内部所能接受的 数字信号 通常 PLC 的输入类型可以是直流 交流和交直流 输入电路的电源可由外 部供给 也可由 PLC 内部提供 图 1 12 为一种型号 PLC 的直流输入接口电路的电路图 采用的是外接电源 图 1 13 为一种型号 PLC 的交流输入接口电路的电路图 采用的是外接电源 图 1 12 PLC 的直流输入接口电路 描述了一个输入点的接口电路 其输入电路的一次电路与二次电路用光 耦合器相连 当行程开关闭合时 输入电路和一次电路接通 上面的发光管用 于对外显示 同时光耦合器中的发光管使三极管导通 信号进入内部电路 此 内 部 电 路 COM 输入1 输入 n 9 输入点对应的位由 0 变为 1 即输入映像寄存器的对应位由 0 变为 1 图 1 13 PLC 的交流输入接口电路 B 输出接口电路 PLC 的继电器输出接口电路 工作过程 当内部电路输出数字信号 1 有电流流过 继电器线圈有 电流 然后常开触点闭合 提供负载导通的电流和电压 当内部电路输出数字 信号 0 则没有电流流过 继电器线圈没有电流 然后常开触点断开 断开负 载的电流或电压 也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使 负载动作或不动作 三种类型 继电器输出 有触点 寿命短 频率低 交直流负载 晶体管输出 无触点 寿命长 直流负载 晶闸管输出 无触点 寿命长 交流负载 PLC 的工作原理的工作原理 1 循环扫描 PLC 采用循环扫描工作方式 这个工作过程一般包括五个阶段 内部处 理 与编程器等的通信处理 输入扫描 用户程序执行 输出处理 其工作过程如图 1 14 所示 内 部 电 路 COM 输入1 输入n 10 图 4 4 中当 PLC 方式开关置于 RUN 运行 时 执行所有阶段 当 方式开关置于 STOP 停止 时 不执 行后 3 个阶段 此时可进行通信处理 如对 PLC 联机或离线编程 图 1 14 PLC 的工作过程 图 1 15 PLC 程序执行原理图 PLC 执行的五个阶段 称为一个扫描周期 PLC 完成一个周期后 又重新执行 内部处理 通信处理 输入扫描 执行用户程序 输出处理 RUN方式 否 是 开 始 按钮 接触器 输 入 映 象 寄 存 器 输 出 映 象 寄 存 器 程序执行 输 出 电 路 输 入 电 路 按钮 输入采样用户程序执行输出刷新 11 上述过程 扫描周而复始地进行 1 5 PLC 的基本性能指标的基本性能指标 1 外形尺寸 2 输入输出点数 3 机器字长 4 速度 5 指令系统 6 存储器容量 7 扩展性 8 通信功能 2 1 十字路口交通信号灯设计十字路口交通信号灯设计 2 1 1 控制要求 控制要求 1 系统工作受开关控制 启动开关 ON 则系统工作 起动开关 OFF 则系 统停止工作 2 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 3 控制规律 当起动开关接通时 交通信号灯控制系统则开始工作 先同时使南北红灯 东西红灯亮 南北左转信号灯亮 20 秒后 东西红灯灭 东西绿灯亮 南北左 转信号灯灭 35 秒到时 东西绿灯开始闪烁 3 秒后东西绿灯灭 东西黄灯亮 2 秒到 东西黄灯灭 东西红灯亮 东西左转信号灯亮 20 秒后 东西左转信 号灯灭 南北红灯灭 南北绿灯亮 35 秒到时 南北绿灯开始闪烁 3 秒后南 北绿灯灭 南北黄灯亮 2 秒到 南北黄灯灭 南北红灯亮 南北左转信号灯 亮 20 秒后 东西红灯灭 东西绿灯亮 南北左转信号灯灭 则一个周期完成 此后 整个交通灯控制系统就按照以上的时序一个周期又一个周期的循环 当 起动开关关断时 交通信号灯系统停止工作 12 2 1 2 道路交通灯设计流程图道路交通灯设计流程图 启动开关 东西绿灯亮 东西绿灯闪 东西黄灯亮 东西红灯亮 东西主干道 1 0S 2 S 2 S 1 4S 南北红 灯亮 南北绿 灯亮 南北绿 灯闪 南北黄灯 亮 南北主干道 14 S 1 0S 2S 2 S 启动开 关 南北红 灯亮 南北绿 灯 南北绿 灯闪 1 4S 1 0S 4 S 东西绿灯 亮 东西绿灯 闪 东西红灯 亮 1 0S 4S 4S 东西行人 道 南北行人道 结束 结束 交通灯模拟控制系统流程图 13 2 2 十字路口交通信号灯程序设计十字路口交通信号灯程序设计 2 2 1 可编程控制器选择可编程控制器选择 本次交通灯设计用的是来自 OMRON 的 CPM1A 30CDR A 可编程控制器 2 2 2 十字路口交通灯模拟控制时序图十字路口交通灯模拟控制时序图 和此行 人道相交叉 的主干道红 灯 启动 南北红 东西绿 东西红 南北绿 1 0S 4 S 14S 十字路口行人道交通灯模拟控制时序图 14 启 动 南北红 东 西 绿 东西黄东西红南北绿 南 北 黄 10S 2 S 2 S 10S 2 S 2 S 14S 10S 2 S 2 S ON OFF 十字路口主干道交通灯模拟控制时序图 15 南北红 东 西 绿 东西黄东西红南北绿 南 北 黄 15 2 S 2 S 10S2 S 2 S 14S 152 S 2 S 东西向绿灯延时时序图 启动 OFF ON 16 2 2 3 可编程控制器可编程控制器 I O 端口分端口分 启动开关0000停止开关0001 东西主干道绿灯1000东西主干道黄灯1001 东西主干道红灯1002南北主干道绿灯1003 南北主干道黄灯1004南北主干道红灯1005 东西行人道绿灯1100东西行人道红灯1101 南北行人道绿灯1102南北行人道红灯1103 东西向绿灯延迟控制 按钮 0002南北向绿灯延迟控制按 钮 0003 PLC 0 000 0 001 100 0 10 01 10 02 10 03 10 04 100 5 1 100 11 01 11 02 11 03 0 002 0 003 0 004 0 005 17 2 2 4 程序梯形图程序梯形图 20300 0000 000120000 20300 203002000120203 20301 20301 TIM005 TIM027 TIM002201030001 20000 20000 TIM002 20001 TIM018 TIM005202030001 20001 18 20100 TIM000 100 TIM001 120 TIM002 140 TIM003 100 TIM004 120 TIM005 140 0004 20100 00000001 20001 TIM005 TIM027 20105 20105 20102 20100 20102 20103 0001 20103 20001 TIM016 150 TIM017 170 TIM018 190 0005 TIM018 0005 20200 0000 0001 20001 20200 0004 19 20 20100 TIM002 TIM018 20205 20202 20200 20202 20203 0001 20002 20001 TIM025 150 TIM026 170 TIM027 190 TIM027 TIM00020000 TIM01620103 0001 20003 20001 TIM001TIM000 TIM017TIM016 000120004 20203 20001 TIM006 2 21 TIM006 TIM008 TIM010 TIM009 20004 TIM007 0001 20004 20001 TIM007 2 20003 20002 000120009 1000 1001 20001 TIM002TIM001 TIM018TIM017 0001 20009 1103 20001 TIM00220000 TIM01820103 0001 20009 TIM00220000 TIM01820103 000120103 20015 20001 20014 20015 0001 1005 22 TIM00320001 TIM02520203 00010001 20005 TIM004TIM003 20013 TIM025 00010001 20006 20004 TIM008 2 TIM005TIM004 TIM027TIM026 000100011004 20006 20005 000120013 1003 20013TIM00520001 TIM02720203 000100011101 20009TIM00520001 TIM02720203 0001000121000 20011 21000 0001 1002 TIM026 23 TIM002TIM001 TIM017 0001000120004 TIM009 2 TIM018 TIM005TIM004 TIM026 0001000120004 TIM011 100 TIM027 20008 20007 20003 20002 20013 0001 1100 20008 20005 20006 20009 0001 1102 20009 0002 TIM011 20009 TIM010 2 24 0002 20010 20011 TIM012 010 TIM013 010 20010 TIM012 TIM013 20010 TIM014 100 20013 0003 TIM014 20013 TIM015 010 20014 20010 20013 25 2 2 5 梯形图程序 梯形图程序 0LD 00001OR 203002AND NOT 0001 3AND NOT 200004OUT 203005LD 20300 6AND NOT 200017AND NOT 202038OUT 20301 9LD 2030110OR TIM 00511OR TIM 027 12OR 2000013AND NOT TIM 00214AND NOT 20103 15AND NOT 000116OUT 2000017TIM 000 100 18TIM 001 12019TIM 002 14020LD TIM 002 21OR 2000122OR TIM 01823AND NOT TIM 005 24AND NOT 000125AND NOT 2020326OUT 2001 27TIM 003 10028TIM 004 12029TIM 005 140 30LD 000431OR 2010032AND NOT 0000 33AND NOT 000534AND NOT 000135OUT 20100 36LD 2010037AND 2010538OUT 20102 39LD TIM 00540OR TIM 02741OUT 20105 42LD 2010243OR 2010344AND NOT 0001 45AND NOT TIM 01846OUT 2010347TIM 016 150 48TIM 017 17049TIM 018 19050LD 0005 51OR 2020052AND NOT 000153AND NOT 0000 54AND NOT 000455OUT 2020056LD TIM 002 57LD TIM 01858OUT 2020559LD TIM 20200 60AND 2020561OUT 2020262LD 20202 63OR 2020364AND NOT 000165AND NOT 027 66OUT 2020367TIM 025 150 68TIM 026 170 69TIM 027 19070LD 2000071AND NOT TIM 000 72LD 2010373AND NOT TIM 01674OR LD 75AND NOT 000176OUT 2000277LD TIM 000 78AND NOT TIM 00179LD TIM 01680AND NOT TIM 017 81OR LD 82AND NOT 2000483AND NOT 0001 84OUT 2000385TIM 006 00286LD TIM 006 87OR TIM 00888OR TIM 01089OR TIM 009 90OR 2000491AND NOT TIM 00792AND NOT 0001 93OUT 2000494TIM 007 00295LD 20002 26 96OR 2000397AND NOT 000198AND NOT 20009 99OUT 1000100LD TIM 001101AND NOT TIM 002 102LD TIM 017103AND NOT TIM 018104OR LD 105AND NOT 20009106AND NOT 0001107OUT 1001 108LD 20000109AND NOT TIM 002110LD 20103 111AND NOT TIM 018112OR LD113AND NOT 20009 114AND NOT 0001115OUT 1103116LD20000 117AND NOT TIM 002118LD 20103119AND NOT TIM 018 120OR LD121AND NOT 20103122AND NOT 0001 123OUT 20015124LD 20015125OR 20014 126AND NOT 0001127OUT 1005128LD 20001 129AND NOT TIM 003130LD 20203131AND NOT TIM 025 132OR LD133AND NOT 0001134OUT 20005 135LD TIM 003136AND NOT TIM 004137LD TIM025 138AND NOT TIM 026139OR LD140AND NOT 20004 141AND NOT 0001142OUT 20006143TIM 008 002 144LD 20005145OR 20006146AND NOT 20013 147AND NOT 0001148OUT 1003149LD TIM 004 150AND NOT TIM 005151LD TIM 026152AND NOT TIM 027 153OR LD154AND NOT 0001155AND NOT 20013 156OUT 1101157LD 20001158AND NOT TIM 005 159LD 20203160AND NOT TIM 027161OR LD 162AND NOT 20013163AND NOT 0001164OUT 1101 165LD 20001166AND NOT TIM 005167LD 20203 168AND NOT TIM 027169OR LD170AND NOT 0001 171AND NOT 20009172OUT21000173LD 21000 174OR 20011175AND NOT 0001176OUT 1002 177LD TIM 001178AND NOT TIM 002179LD TIM 017 180AND NOT TIM 018181OR LD 182AND NOT 20004 183AND NOT 0001184OUT 20007185TIM 009 002 186LD TIM