电气0801梅宏飞

济源职业技术学院济源职业技术学院 毕毕 业业 设设 计计 题目 交通灯的 PLC 控制设计 系别 电气工程系 专业 电气自动化技术 班级 电气 0801 姓名 梅宏飞 学号 08040123 指导教师 赵小霞 日期 2010 年 12 月 济源职业技术学院毕业设计 2 设计任务书 设计题目 设计题目 交通灯的 PLC 控制设计 设计要求 设计要求 东西红灯亮 55S灭 35S 南北向左 转 亮 6s 闪 4S 灭 南北向绿 灯 灭亮 26S 闪 4S 灭 南北黄灯灭亮 5S灭 南北红灯灭 45S亮 45S 东西向左 转 灭亮 6s 闪 4S 灭 东西向绿 灯 灭亮 26S 闪 4S 灭 东西黄灯灭亮 5S 表 1 交通灯运行规律表 在本设计中有开始按钮和停止按钮 2 个输入端口 共有 2 个七段数码管和 6 个 指示灯 指示灯的具体亮 熄如上表 1 在东西方向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 指导教师 签名 指导教师 签名 济源职业技术学院毕业设计 3 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 根据我这次交通灯的设计要求 我采用了 2 个输入端 和 24 个输出端 选用主机 CPU226 由于 CPU226 有 16 个输出端口不够设计所需 又使用了 1 个 8 输出端口电流流量为 50mA 的 EM222 扩展模块 最终实现交通灯的设 计要求 关键词 交通灯 PLC 程序 设计 CPU22 济源职业技术学院毕业设计 4 目 录 摘 要 3 1 PLC 的特点及应用 5 1 1 概述 5 1 2 PLC 的特点 5 1 3 PLC 的应用 5 2 PLC 的结构及原理 7 2 1 PLC 的分类 7 2 2 PLC 的结构 7 2 3 PLC 的工作原理 9 2 4 PLC 汇编语言 9 2 5 主要功能 9 3 交通灯控制电路的设计 12 3 1 控制要求 12 3 2 控制对象 12 3 3 控制规律 12 3 4 输入输出 I O 地址分配 12 3 5 系统接线图 12 3 6 程序流程图 13 3 7 梯形图 14 3 8 调试过程 30 4 设计总结 31 致 谢 32 参考文献 33 济源职业技术学院毕业设计 5 1 PLC 的特点及应用 1 11 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 21 2 PLCPLC 的特点的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 2 配套齐全 功能完善 适用性强 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 4 体积小 重量轻 能耗低 5 系统设计周期短 6 安装简便 调试方便 维护工作量小 7 采用先进的模块化结构 系统组合灵活方便 1 31 3 PLCPLC 的应用的应用 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械 制造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 使用情况大致可 归纳为如下几类 1 开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现逻 辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流 水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流 水线等 2 模拟量控制 济源职业技术学院毕业设计 6 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位 和速度等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和数字量 Digital 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂家都生产 配套的 A D 和 D A 转换模块 使可编程控制器用于模拟量控制 3 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直 接用于开关量 I O 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动 控制模块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上 各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机 器人 电梯等场合 4 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计 算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是一般闭 环控制系统中用得较多的调节方法 大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小型 PLC 也具有此功能模块 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序 过程控制在冶 金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 5 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以 利用通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理一般用于大 型控制系统 如无人控制的柔性制造系统 也可用于过程控制系统 如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 6 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信 随着计算机控 制的发展 工厂自动化网络发展得很快 各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功 能 纷纷推出各自的网络系统 新近生产的 PLC 都具有通信接口 通信非常方 便 济源职业技术学院毕业设计 7 2 PLC 的结构及原理 2 12 1 PLCPLC 的分类的分类 1 按 plc 的结构形式分类 1 整体式 2 模块式 2 按 plc 的 I O 点数分类 1 小型 256 点以下 2 中型 256 点以上 2048 点以下 3 大型 2048 点以上 3 按 plc 功能分类 抵挡型 中挡型 高档型 2 22 2 PLCPLC 的结构的结构 可编程序控制器主机的硬件电路由 CPU 存储器 基本 I O 接口电路 外 设接口 电源等五部分组成 1 中央处理器 CPU 是可编程序控制器的控制中心 在系统监控下工作 承担将外部输入 信号的状态写入输入映像寄存器区域 然后将结果送到输出映像寄存器区域 CPU 常用的微处理器有通用型微处理器 单片机和位片式计算机等 小型 PLC 的 CPU 多采用单片机或专用 CPU 大型 PKC 的 CPU 多采用位片式结构 具有高 速数据处理能力 2 存储器 可编程序控制器的存储器由只读存储器 ROM 和随机存储器 RAM 两大部分构 成 只读存储器 ROM 用以存放系统程序 中间运算数据和用户程序存在随机存 储器 RAM 中 断电时 中间运算数据和用户程序保存在只读存储器 EEPROM 或由 高能电池支持的 RAM 中 3 基本 I O 接口电路 1 输入接口单元 PLC 内部输入电路的作用是将 PLC 外部电路 如行程开关 按钮 传感器 等 提供的符合 PLC 输入电路要求的电压信号 通过光耦电路送至 PLC 内部电 路 输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力 输入响应时 间一般在 0 1s 15ms 之间 多数 PLC 的输入接口单元都相同 通常有两种类型 一种是直流输入 另一种是交流输入 济源职业技术学院毕业设计 8 2 输出接口单元 PLC 输出电路用来将 CPU 运算的结果变换成一定形式的功率输出 驱动被 控负载 电磁铁 继电器 接触器线圈等 PLC 输出电路结构形式分为继电式 晶体管式和晶闸管输出型三种 3 公共端点 通常将一组 PLC 输入 输出电路公共端与 PLC 内部连在一起 以减少 PLC 外 部接线 比如 PLC 一般以 3 4 个输出接点为一组 在 PLC 内部连成一个输出公 共端 公共端点之间是绝缘隔离的 分组后 不同组的负载可以采用不同的驱 动电源 4 接口电路 PLC 接口电路分为 I O 扩展接口电路和外设通信接口电路两大类 1 I O 扩展接口电路 I O 扩展电路用于连接 I O 扩展单元 可以用来扩充开关量 I O 点数和增 加模拟量的 I O 端子 I O 扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形 式 2 外设通信接口电路 外设通信接口电路用于连接手持编程器 其他图形编程器和文本显示器等 并能组成 PLC 的控制网络 PLC 通过 PC PPI 电缆或使用 MPI 卡同通过 RS 485 接口与电缆和计算机连接可以实现编程 监控 联网等功能 5 电源 PLC 内部配有一个专用开关式稳压电源 将交流 直流供电电源转化为 PLC 内部电路需要的工作电源 5V 直流 当输入端子为非干接点 无源接点 结 构时 为外部输入元件提供 24V 直流电源 仅供输入端子使用 下图 2 1 为一典型 PLC 结构简图 济源职业技术学院毕业设计 9 图 2 1 PLC 的结构简图 2 32 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 1 输入采样阶段 在此阶段 顺序读入所有输入缎子通断状态 并将读 入的信息存入内存 接着进入程序执行阶段 在程序执行时 即使输入信号发 生变化 内存中输入信息也不变化 只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才 能读入信息 2 程序执行阶段 plc 对用户程序扫描 3 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕通过隔离电路 驱动功率放大器 电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载 2 42 4 PLCPLC 汇编语言汇编语言 采用面向控制过程 面向问题 简单直观的 plc 编写横语言 常用的有 梯形图 语句表 功能图等 1 梯形图 由继电器控制逻辑演变而来 两者具有一定程度的相似性 但 梯形图编程语言功能更强更方便 2 语句表 又叫指令表 类似计算机汇编语言形式 用指令的记助符编程 2 52 5 主要功能主要功能 1 逻辑控制功能 济源职业技术学院毕业设计 10 逻辑控制功能实际上就是位处理功能 是 PLC 的最基本功能之一 PLC 设 置有 与 AND 或 OR 非 NOT 等逻辑指令 根据外部现场 开关 按钮或其它传感器 的状态 根据指定的逻辑进行运算处理后 将结 果输出到现场的被控对象 电磁阀 电机等 因此 PLC 可代替继电器进行开 关控制 完成接点的串联 并联 串并联 并串联等各种连接 另外 在 PLC 中一个逻辑位的状态可以无限次的使用 逻辑关系的修改和变更也十分方便 2 定时控制功能 定时控制功能是 PLC 的最基本功能之一 PLC 中有许多可供用户使用的定 时器 其功能类似于继电器线路中的时间继电器 定时器的设定值 定时时间 可以在编程时设定 也可以在运行过程中根据需要进行修改 使用方便灵活 程序执行时 PLC 将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时 或延时控制 以满足生产工艺的要求 3 计数控制功能 计数控制功能是 PLC 的基本功能之一 PLC 为用户提供了许多计数器 计数器记到某一个数时 产生一个状态信号 利用该状态信号实现对某个操作 的计数控制 计数器的设定值可以在编程时设定 也可以在运行过程中进行修 改 程序执行时 PLC 将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号 的状态改变次数进行计数 以完成对某个计数过程的计数控制 4 步进控制功能 PLC 为用户提供了若干个移位寄存器 可以实现由时间 计数或其他指定 逻辑信号为转步条件的步进控制 即在一道工序完成以后 在转步条件控制下 自动进行下一道工序 有些 PLC 还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形 控制器操作指令 编程和使用都极为方便 5 数据处理功能 PLC 大部分都具有数据处理功能 可以实现算术运算 数据比较 数据传 送 数据移位 数制转换 译码编码等操作 中 大型 PLC 数据处理功能更加 齐全 可完成开方 PID 运算 浮点运算等操作 还可以和 CRT 打印机相联 实现程序 数据的显示的打印 6 回路控制功能 济源职业技术学院毕业设计 11 有些 PLC 具有 A D D A 转换功能 可以方便的完成对模拟量的控制和 调节 7 通讯联网功能 有些 PLC 采用通讯技术 实现远程 I O 控制 多台 PLC 之间的同位链接 PLC 与计算机之间的通讯等 8 监控功能 PLC 设置了较强的监控功能 利用编程器或监视器 操作人员对 PLC 有 关部分的运行状态进行监视 利用编程器可以调整定时器 计数器的设定值和 当前值 并可以根据需要改变 PLC 内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容 为调试和维护提供了极大的方便 9 停电记忆功能 PLC 内部的部分存储器所使用的 RAM 设置了停电保持器件 如备用电池 等 以保证存储器中信息能够长期保存 利用某些记忆指令 可以对工作状态 进行记忆 以保持 PLC 断电后的数据内容不变 PLC 电源恢复后 可以在原工 作基础上继续工作 10 故障诊断功能 PLC 可以对系统构成 某些硬件状态 指令的合法性等进行自诊断 发 现异常情况 发出报警并显示错误类型 如属严重错误则自动终止运行 PLC 的故障自诊断功能大大提高了 PLC 控制系统的安全性和可维护性 济源职业技术学院毕业设计 12 3 交通灯控制电路的设计 3 13 1 控制要求控制要求 交通灯与数码管受启动及停止按钮的控制 当按下启动按钮时 交通灯与 数码管系统开始工作 并周而复始地循环工作 当按下停止按钮时 系统将停 止在初始状态 所有交通灯与数码管都熄灭 3 23 2 控制对象控制对象 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 33 3 控制规律控制规律 1 按下启动按钮后 交通灯控制系统开始工作 先亮南北方向绿灯和东西 方向红灯 再亮东西方向绿灯和南北方向红灯 然后再亮南北方向绿灯和东西 方向红灯 这样一直循环运行 2 南北向 左转灯亮 6 秒闪 4 秒 接着绿灯亮 26 秒闪 4 秒 接着黄灯亮 5 秒 接着红灯亮 45 秒 如此循环 3 东西向 红灯亮 45 秒 接着红灯继续亮 10 秒左转灯亮 6 秒闪 4 秒 接 着绿灯亮 26 秒闪 4 秒 再接着黄灯亮 5 秒 如此循环 3 4 输入输出 输入输出 I O 地址分配 地址分配 I0 0 启动按钮 I0 1 停止按钮 Q0 0 东西向绿灯 Q0 1 东西向黄灯 Q0 2 东西向红灯 Q0 3 东西向左转绿灯 Q0 4 南北向绿灯 Q0 5 南北 向黄灯 Q0 6 南北向红灯 Q0 7 南北向左转绿灯 Q1 0 Q1 7 数码管个位 段码 Q2 0 Q2 7 数码管十位段码 3 5 系统接线图系统接线图 济源职业技术学院毕业设计 13 图 3 1 系统接线图 3 6 程序流程图程序流程图 济源职业技术学院毕业设计 14 图 3 2 程序流程图 3 7 梯形图梯形图 济源职业技术学院毕业设计 15 济源职业技术学院毕业设计 16 济源职业技术学院毕业设计 17 济源职业技术学院毕业设计 18 济源职业技术学院毕业设计 19 济源职业技术学院毕业设计 20 济源职业技术学院毕业设计 21 济源职业技术学院毕业设计 22 济源职业技术学院毕业设计 23 济源职业技术学院毕业设计 24 济源职业技术学院毕业设计 25 济源职业技术学院毕业设计 26 济源职业技术学院毕业设计 27 济源职业技术学院毕业设计 28 济源职业技术学院毕业设计 29 济源职业技术学院毕业设计 30 3 83 8 调试过程调试过程 经过设计 想一次性把程序完成是非常难的 在调试中就出现了不少的错 误 刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来而且在完成了 一个周期后就循环不起来了 那时真的不知道从哪里入手 只好一条一条地检 查才发现了一条指令把常闭写成了输出真正的输出口就没有收到信号了 灯虽 然是亮了但仍然循环不起来 从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出 来 突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控 于是发 现了在程序的第一周期一切都运行正常但再运行下去的时候第二周期就再没有 反应了 包括里面的辅助继电器 最后发现原来是程序前面没有并上完成这个 循环的继电器号 后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了 虽然找 错误是一个枯燥无味的工作 但只要你耐心的去做的话 你肯定能学到有用的 东西 济源职业技术学院毕业设计 31 4 设计总结 城市交通灯控制采用 PLC 比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性高 维护方便 使用简单 通用性强等特点 PLC 还可以联成网络 根据实测各十 字路口之间的距离 车流量和车速等 合理确定各路口信号灯之间的时差 把 N 台 PLC 联网到一台控制电脑上 以方便操作 管理和监控 从而极大地提高 城市道路交通管理能力 本文主要是采用 S7 200 系列的 CPU226 型的 PLC 来实 现设计的效果 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的 只有理论知识是远远不够的 只有把所学的理论知识与实践相结合起来 从理 论中得出结论 才能真正为社会服务 从而提高自己的实际动手能力和独立思 考的能力 在设计的过程中遇到问题 可以说得上是困难重重 这毕竟第一次 做 难免会遇到过各种各样的问题 同时在设计的过程中 我发现了自己的不 足之处 对以前所学过的知识理解得不够深刻 掌握得不够牢固 在以后的工 作学习中 我定能战胜困难与不足 去迎接新的挑战与成功 当前的社会 科 技迅速发展 知识更新速度大大