PLC交通灯控制系统毕业设计

PLC 交通灯控制系统设计 学 院 自动化与电力学院 专 业 机电一体化 班 级 机电 姓 名 学 号 指导教师 1 摘摘 要要 当今 红绿灯安装在各个道口上 已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段 社当今 红绿灯安装在各个道口上 已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段 社 会的发展 人们的消费水平不断的提高 私人车辆不断的增加 人多 车多道路少的道路会的发展 人们的消费水平不断的提高 私人车辆不断的增加 人多 车多道路少的道路 交通状况已经很明显了 所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的 交通状况已经很明显了 所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的 PLCPLC 的智能控制的智能控制 原则是控制系统的核心 采用原则是控制系统的核心 采用 PLCPLC 把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档 相把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档 相 应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档 这样就可以实现按车流量这样就可以实现按车流量 规模给定绿灯时长 达到最大限度的有车放行 减少十字路口的车辆滞流 缓解交通拥挤 规模给定绿灯时长 达到最大限度的有车放行 减少十字路口的车辆滞流 缓解交通拥挤 实现最优控制 从而提高了交通控制系统的效率实现最优控制 从而提高了交通控制系统的效率 PLCPLC 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 它具有结构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 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 由于简单 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 由于 PLCPLC 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 多地将多地将 PLCPLC 应用于交通灯系统中 应用于交通灯系统中 同时 同时 PLCPLC 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 在实时检测和自动控制的一调度管理 可缩短车辆通行等候时间 实现科学化管理 在实时检测和自动控制的 PLCPLC 应用系统中 应用系统中 PLCPLC 往往是作为一个核心部件来使用 往往是作为一个核心部件来使用 自从交通灯诞生以来 其内部的电路控制系统就不断的被改进 设计方法也开始多种自从交通灯诞生以来 其内部的电路控制系统就不断的被改进 设计方法也开始多种 多样 从而使交通灯显得更加智能化 多样 从而使交通灯显得更加智能化 可编程控制器可编程控制器 PLC PLC 以微处理器为核心 普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图以微处理器为核心 普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图 编制的梯形图语言进行程序设计 编程容易 功能扩展方便 修改灵活编制的梯形图语言进行程序设计 编程容易 功能扩展方便 修改灵活 而且结构简单 抗而且结构简单 抗 干扰能力强 西门子可编程控制器指令丰富 可以接各种输出 输入扩充设备 有丰富的干扰能力强 西门子可编程控制器指令丰富 可以接各种输出 输入扩充设备 有丰富的 特殊扩展设备 其中的模拟输入设备和通信设备更是符合交通灯控制系统的要求与特点 特殊扩展设备 其中的模拟输入设备和通信设备更是符合交通灯控制系统的要求与特点 能够方便地联网通信 能够方便地联网通信 本文选择西门子可编程控制器本文选择西门子可编程控制器 S7 200S7 200 为核心部件 着重进行硬件接口设计 利用梯形为核心部件 着重进行硬件接口设计 利用梯形 图和语句表进行编程 实现了十字路口交通灯控制系统的自动化 图和语句表进行编程 实现了十字路口交通灯控制系统的自动化 关键词 关键词 PLCPLC 交通控制 自动化 交通控制 自动化 PLCPLC 程序设计程序设计 2 目录 摘要摘要 1 1 第第 1 1 章章 前言前言 3 3 1 1 课题背景 3 1 2 研究目的和意义 3 第第 2 2 章章 可编程程序控制器 可编程程序控制器 PLCPLC 4 4 2 1 PLC 概述 4 2 1 1 PLC 的发展历程 4 2 1 2 PLC 的发展趋势 5 2 1 3 PLC 的应用 6 2 2 PLC 的硬件结构 7 2 3 PLC 的工作原理 9 第第 3 3 章章 系统设计系统设计 1010 3 1 控制要求 10 3 2 系统设计方案分析 10 3 3 硬件设计 14 3 3 1 PLC 的选型 14 3 3 2 PLC 的 I O 地址分配 14 3 3 3 PLC 的接线形式 15 3 4 系统程序设计 16 3 4 1 系统的梯形图 16 3 4 2 系统程序分析 19 第第 4 4 章章系统智能系统智能扩扩展展的的探探讨讨 2020 结论结论 2121 3 第第 1 1 章章 前言前言 1 11 1 课题背景课题背景 1858 年 在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红 蓝两色的机械扳手式信号 灯 用以指挥马车通行 这是世界上最早的交通信号灯 1868 年 英国机械工程师纳伊特 在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上 安装了世界上最早的煤气红绿灯 它由红绿 两以旋转式方形玻璃提灯组成 红色表示 停止 绿色表示 注意 1869 年 1 月 2 日 煤气灯爆炸 使警察受伤 遂被取消 1914 年 电气启动的红绿灯出现在美国 这种红绿 灯由红绿黄三色圆形的投光器组成 安装在纽约市 5 号大街的一座高塔上 红灯亮表示 停止 绿灯亮表示 通行 1918 年 又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯 带控制的红绿灯 一种是把压力探测器安在地下 车辆一接近红灯便变为绿灯 另一种是 用扩音器来启动红绿灯 司机遇红灯时按一下嗽叭 就使红灯变为绿灯 红外线红绿灯当 行人踏上对压力敏感的路面时 它就能察觉到有人要过马路 红外光束能把信号灯的红灯 延长一段时间 推迟汽车放行 以免发生交通事故 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 1968 年 联合国 道 路交通和道路标志信号协定 对各种信号灯的含义作了规定 绿灯是通行信号 面对绿灯 的车辆可以直行 左转弯和右转弯 除非另一种标志禁止某一种转向 左右转弯车辆都必 须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行 红灯是禁行信号 面对 红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车 黄灯是警告信号 面对黄灯的车辆不能越过 停车线 但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口 1 21 2 研究目的和意义研究目的和意义 在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通 并为交通参与者的安全提供了强 有力的保障 但是随着社会 经济的快速发展 原先的交通灯控制系统已经不能适应现在 日益繁忙的交通状况 如何改善交通灯控制系统 使其适应现在的交通状况 成为研究的 课题 传统的十字路口交通控制灯 通常的做法是 事先经过车辆流量的调查 运用统计的 方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好 然而 实际上车辆流量的变化往往是不确定的 有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异 即使是经过长期运行 较适用的方案 仍然会发生这样的现象 绿灯方向几乎没有什么车辆 而红灯方向却排着长队等候通过 这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的 统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现 状 更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯 目前 大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法 由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的 随机的和不确定的 采用固定时间的控制方 法 经常造成道路有效利用时间的浪费 出现空等现象 影响了道路的畅通 为此 采用 不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器 能较好地解决这个问题 另外随着众 多高科技技术在日常生活的普遍应用 城市空中各种电磁干扰日益严重 为保证交通控制 的可靠 稳定 选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC 是必要的 随着科学技术的日新月异 自动化程度要求越来越高 原有的交通灯装置远远不能满 足当前高度自动化的需要 可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术 计量技术 新传感器技术 计算机管理技术于一体的机电一体化产品 充分利用计算机技术对生产过 4 程进行集中监视 控制管理和分散控制 充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优 点 采用标准化 模块化 系统化设计 配置灵活 组态方便 可编程控制器交通灯控制系统的特点 脱机手动工作 联机自动就地工作 上机控制的单周期运行方式 由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制 自动启动 自动停机控制方式 近年来 PLC 的性能价格比有较大幅度的提高 使得实际应用成为可能 本系统采用 PLC 是基于以下四个原因 PLC 具有很高的可靠性 通常的平均无故障时间都在 30 万小时以上 编程能力强 可以将模糊化 模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现 抗干扰能力强 目前空中各种电磁干扰日益严重 为了保证交通控制的可靠稳定 我们 选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC 根据交通信号灯系统的要求与特点 我们采用了德国西门子公司 S7 200 型 PLC 西门 子 PLC 有小型化 高速度 高性能等特点 是 S7 200 系列中最高档次的超小型程序装置 西门子可编程控制器指令丰富 可以接各种输出 输入扩充设备 有丰富的特殊扩展设备 其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的 能够方便地联网通信 本系统就是应用 可编程序控制器 PLC 对十字路口交通控制灯实现控制 第第 2 2 章章 可编程程序控制器 可编程程序控制器 PLCPLC 2 12 1 PLCPLC 概述概述 可编程序控制器 Programmabie Logic Controller 缩写 PLC 是以微处理器为基础 综合计算机 通信 联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置 可编程序控制 器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变 为适应多品种 小批量生产的需要 生产 发 展起来的一种新型的工业控制装置 PLC 从 1969 年问世以来 虽然至今还不到 40 年 但 由于其具有通用灵活的控制性能 简单方便的使用性能 可以适应各种工业环境的可靠性 因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用 有人将它与数控技术 CAD CAM 技术工业机 械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱 可编程序控制器在我国的发展与应用已 有 30 多年的历史 现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域 成为提高传统工 业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱 随着全球一体化经济的发展 努力发展可 编程序控制器在我国的大规模应用 形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术 应该 是广大技术人员努力的方向 2 1 12 1 1 PLCPLC 的发展历程的发展历程 在可编程控制器出现前 在工业电气控制领域中 继电器控制占主导地位 应用广泛 但是电器控制系统存在体积大 可靠性低 查找和排除故障困难等缺点 特别是其接线复 杂 不易更改 对生产工艺变化的适应性差 1968 年美国通用汽车公司 G M 为了适应汽车型号的不断更新 生产工艺不断变化 5 的需要 实现小批量 多品种生产 希望能有一种新型工业控制器 它能做到尽可能减少 重新设计和更换电器控制系统及接线 以降低成本 缩短周期 于是就设想将计算机功能 强大 灵活 通用性好等优点与电器控制系统简单易懂 价格便宜等优点结合起来 制成 一种通用控制装置 而且这种装置采用面向控制过程 面向问题的 自然语言 进行编程 使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用 1969 年美国数字设备公司 DEC 根据美国通用汽车公司的这种要求 研制成功了世 界上第一台可编程控制器 并在通用汽车公司的自动装配线上试用 取得很好的效果 从 此这项技术迅速发展起来 早期的可编程控制器仅有逻辑运算 定时 计数等顺序控制功能 只是用来取代传统 的继电器控制 通常称为可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 随着微 电子技术和计算机技术的发展 20 世纪 70 年代中期微处理器技术应用到 PLC 中 使 PLC 不仅具有逻辑控制功能 还增加了算术运算 数据传送和数据处理等功能 20 世纪 80 年代以后 随着大规模 超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展 16 位和 32 位微处理器应用于 PLC 中 使 PLC 得到迅速发展 PLC 不仅控制功能增强 同时可 靠性提高 功耗 体积减小 成本降低 编程和故障检测更加灵活方便 而且具有通信和 联网 数据处理和图象显示等功能 使 PLC 真正成为具有逻辑控制 过程控制 运动控制 数据处理 联网通信等功能的名符其实的多功能控制器 PLC 的发展过程大致可以分为如下几个阶段 1970 1980 年 PLC 的结构定型阶段 在这一阶段 由于 PLC 刚诞生 各种类型的顺 序控制器不断出现 如逻辑电路型 1 位机型 通用计算机型 单板机型等 但迅速被 淘汰 最终以微处理器为核心的现有 PLC 结构形成 取得了市场的认可 得以迅速发展 推 广 PLC 的原理 结构 软件 硬件趋向统一与成熟 PLC 的应用领域由最初的小范围 有 选择使用 逐步向机床 生产线扩展 1980 1990 年 PLC 的普及阶段 在这一阶段 PLC 的生产规模日益扩大 价格不断 下降 PLC 被迅速普及 各 PLC 生产厂家产品的价格 品种开始系列化 并且形成了固定 I O 点型 基本单元加扩展块型 模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型 PLC 的应 用范围开始向顺序控制的全部领域扩展 比如三菱公司本阶段的主要产品有 F F1 F2 小型 PLC 系列产品 K A 系列中 大型 PLC 产品等 1990 2000 年 PLC 的高性能与小型化阶段 在这一阶段 随着微电子技 术的进步 PLC 的功能日益增强 PLC 的 CPU 运算速度大幅度上升 位数不断增加 使得 适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发 PLC 的应用范围由单一的顺序控制向现场控 制拓展 此外 PLC 的体积大幅度缩小 出现了各类微型化 PLC 三菱公司本阶段的主要产 品有 FX 小型 PLC 系列产品 AIS A2US Q2A 系列中 大型 PLC 系列产品等 2000 年至今 PLC 的高性能与网络化阶段 在本阶段 为了适应信息技术的发展与工 厂自动化的需要 PLC 的各种功能不断进步 一方面 PLC 在继续提高 CPU 运算速度 位数 的同时 开发了适用于过程控制 运动控制的特殊功能与模块 使 PLC 的应用范围开始涉 及工业自动化的全部领域 与此同时 PLC 的网络与通信功能得到迅速发展 PLC 不仅可以 连接传统的编程与通入 输出设备 还可以通过各种总线构成网络 为工厂自动化奠定了基 础 三菱公司本阶段的主要产品有 FX 小型 PLC 系列产品 包括最新的 FX3u 系列产品 Qn QnPH 系列中 大型 PLC 系列产品等 2 1 22 1 2 PLCPLC 的发展趋势的发展趋势及特点及特点 从当前产品技术性能来看 PLC 发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两 6 大方面 体积小型化 电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果 现代 PLC 无论 从内部元件组成还是硬件 软件结构都已经与早期的 PLC 有了很大的不同 PLC 体积被大 幅度缩小 性能的提高 PLC 的性能主要包括 CPU 性能与 I O 性能两大方面 可编程序控制器在我国的发展状况如下 1 我国可编程序控制器的发展与国际上的发展有所不同 国际上可编程序控制器的 发展是从研制 开发 生产到应用 而我国则是从成套设备引进 可编程序控制器引进应 用 消化移植 合资生产到广泛应用 大致可划分为下述三个阶段 可编程序控制器的初级认识阶段 70 年代后期到 80 年代初期 国际上可编程序控 制器的发展 首先引起了国内工程技术界的极大兴趣 所以我国对可编程序控制器的认识 始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套设备引进中 当时的上海宝钢一期工程中有多项 工程引进了十几种机型约 200 多台可编程序控制器 这些可编程序控制器用于原料码头到 高炉 轧钢 钢管等整个钢铁冶炼以及加工生产线上 取代了传统的继电器逻辑系统 并 部分取代了模拟量控制和小型 DDC 系统 继宝钢一期工程后 国内许多厂家陆续引进的设 备和生产线大都配备了可编程序控制器 其应用范围包括电站 石油化工 汽车制造 港 口和码头等各领域 正是在成套设备引进过程中 我们打开了眼界 了解认识了可编程序 控制器 这也促进了可编程序控制器在我国的发展 可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段 80 年代初期到 90 年代初期 80 年代 初期开始 随着我国改革开放的不断深入 在成套设备引进的同时 国外原装的可编程序 控制器开始涌入国内市场 许多部门和单位相继引进可编程序控制器并自己设计组成控制 系统 其应用范围也扩大到建材 轻工 煤炭 水处理 食品 制药 造纸 橡胶和精细 化工等工业领域 可编程序控制器的广泛发展阶段 90 年代初期到现在 进入 90 年代 我国的可 编程序控制器进入了广泛发展阶段 主要表现在以下几个方面 2 政府重视 可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视 在当时机械电子工业部的领导下 于 1991 年成立了可编程序控制器行业协会 可编程序控制器行业协会在政府和企事业之间起 到了桥梁作用 沟通了情况 为做出决策提供了依据 同时可编程序控制器的标准化工作 也受到了有关部门的重视 于 1993 年成立了可编程序控制器标准化技术委员会 为我国 可编程序控制器的进一步发展打下了基础 特点 特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 2 通用性高 使用方便 3 程序设计简单 易学 易懂 4 采用先进的模块化结构 系统组合灵活方便 5 系统设计周期短 2 1 32 1 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 7 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 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 7 PLC 在我国的应用 虽然我国在 PLC 生产方面比较弱 但在 PLC 应用方面 我国是很活跃的 近年来每年 约新投入 10 万台套 PLC 产品 年销售额 30 多亿人民币 应用的行业也很广 在我国 一般按 I O 点数将 PLC 分为以下级别 但不绝对 国外分类有些区别 微型 32 I O 小型 256 I O 中型 1024 I O 大型 4096 I O 巨型 8192 I O 在我国应用的 PLC 系统中 I O64 点以下 PLC 销售额占整个 PLC 的 47 64 点 256 点 的占 31 合计占整个 PLC 销售额的 78 2 22 2 PLCPLC 的硬件结构的硬件结构 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 分为固定式和组合式 模块式 两种 固定式 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 8 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 其结构如图 2 1 所示 中央处理单元 CPU 是 PLC 的控制中枢 它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储 从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O 以及警戒定时器的状态 并能诊 断用户程序中的语法错误 当 PLC 投入运行时 首先它以扫描的方式接收现场各输入装置 的状态和数据 并分别存入 I O 映象区 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序 经 过命令解释后 按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I O 映象区或数据寄存器内 等所有的用户程序执行完毕之后 最后将 I O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据 传送到相应的输出装置 如此循环运行直到停止运行 图 2 1 PLC 的结构图 PLC 的类型繁多 功能和指令系统也不尽相同 但结构与工作原理则大同小异 通常由 主机 输入 输出接口 电源 编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成 PLC 的硬件系统结构如下图所示 输 入 模 块 CPU 模块 输 出 模 块 可编程序控制器 编程装置 接触器 电磁阀 指示灯 电源 电源 限位开关 选择开关 按钮 9 2 32 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 PLC 的 CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式 即如果一个输出线圈或逻辑线 圈被接通或断开 该线圈的所有触点 包括其常开或常闭触点 不会立即动作 必须等扫描 到该触点时才会动作 考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100ms 以上 而 PLC 扫描用户程序 的时间一般均小于 100ms 因此 PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 扫 描技术 这样在对于 I O 响应要求不高的场合 PLC 与继电器控制装置的处理结果上就没 有什么区别了 当 PLC 投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程序执行和输 出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作一个扫描周期 在整个运行期间 PLC 的 CPU 以 一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据 并将它们存入 I O 映象区中的相应得单元内 输入采样结束后 转入用户程序执行和输出刷新阶段 在这两 个阶段中 即使输入状态和数据发生变化 I O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会 改变 因此 如果输入是脉冲信号 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期 才能保 证在任何情况下 该输入均能被读入 2 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 梯形图 在 扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路 并按先左后 右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算 然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态 或者刷新该输出线圈在 I O 映象区中 对应位的状态 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令 3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 PLC 就进入输出刷新阶段 在此期间 CPU 按照 I O 映象区内 对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路驱动相应的外设 PLC 的扫描工作过程如图 2 2 图 2 3 所示 读 图 2 2 PLC 的扫描工作过程图 用 户 输 出 设 备 输 入 端 子 输 入 锁 存 器 输 入 映 象 寄 存 器 输 出 映 象 寄 存 器 输 出 锁 存 器 输 出 端 子 程序 执行 用 户 输 入 设 备 写 读 10 输入刷新 程序执行 输出刷新 一个扫描周期 输入刷新 图 2 3 PLC 的扫描周期图 第第 3 3 章章 系统设计系统设计 3 13 1 控制要求控制要求 交通灯控制系统的控制要求如下 1 信号灯受一个起动开关控制 当起动开关接通时 信号系统开始工作 且先南北红 灯亮 东西绿灯亮 当起动开关断开时 所有信号灯都熄灭 2 南北绿灯和东西绿灯不能同时亮 如果同时亮时应关闭信号灯系统 并报警 3 南北红灯亮维持 25S 在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮 并维持 20S 到 20S 时 东西绿灯闪烁 闪烁 3S 后熄灭 在东西绿灯熄灭时 东西黄灯亮 并维持 2S 到 2S 时 东西黄灯熄 东西红灯亮 同时 南北红灯熄灭 南北绿灯亮 4 东西红灯亮维持 30S 南北绿灯亮维持 25S 然后闪烁 3S 熄灭 同时南北黄灯亮 维持 2S 后熄灭 这时南北红灯亮 东西绿灯亮 5 周而复始 3 23 2 系统设计方案分析系统设计方案分析 按照交通灯系统控制要求下 结合西门子 S7 200 系列可编程控制器的特性 见附录 选择适合的型号 设计思想分析如下 给一个启动的输入信号 要配合一个 SB1 的按钮 当 SB1 启动按钮动作 系统工作 首先 南北方向道路处于禁止通行的状态 东西方向道路处于允许通行的状态 南北方向道路亮红灯状态过程中 南北红灯亮 25S 需计时器设定延时 25 秒 才会转 入下一状态南北绿灯亮 同时 东西方向道路也一起亮绿灯 20S 需计时器设定延时 20 秒 才会转下一状态东西绿灯闪烁 东西绿灯闪烁 3S 需振荡器或脉冲源 秒 次 动作使东 西绿灯闪烁 还要需计时器设定延时 3 秒 才会转下一状态东西黄灯亮 东西黄灯亮 2S 需计时器设定延时 2 秒 才会转入下一状态东西红灯亮 其次 东西方向道路处于禁止通行的状态 南北方向道路处于允许通行的状态 东西方向道路亮红灯状态过程中 东西红灯亮 30S 需计时器设定延时 30 秒 才会转 入下一状态东西绿灯亮 同时 南北方向道路也一起亮绿灯 25S 需计时器设定延时 25 秒 才会转下一状态南北绿灯闪烁 南北绿灯闪烁 3S 需振荡器或脉冲源 秒 次 动作使南 北绿灯闪烁 还要需计时器设定延时 3 秒 才会转下一状态南北黄灯亮 南北黄灯亮 2S 需计时器设定延时 2 秒 才会转入下一状态南北红灯亮 如此循环下去 11 另外 当断开系统 所有信号灯熄灭 需要按钮 SB1 动作断开系统 停此输入信号入 可编程控制器 而最快的方法 是使可编程控制器不动作 那么肯定无信号输出 而且 南北 东西绿灯同时亮 报警 可编程控制器要输出一个信号 驱动一个报警灯 综上所述 可编程控制器要满足一个信号输入 作系统接通 断开作用 七个信号 输出 十字路口有十二个交通信号灯 但南北 东西两个为一组用一个输出信号控制 再 加上一个报警信号驱动的报警灯 通过如下的十字路口交通灯状态分析表 主流程图 十 字路口交通灯时序图一一展开 将十字路口交通灯控制系统设计思路逐渐脉络清晰 表 3 1 十字路口交通灯状态分析表 十字路口交通灯状态的分析 十字路口交通灯如下图 3 1 所示 将 12 个交通灯进行编号 红 黄绿 红 黄绿 红 黄 绿 红 黄 绿 东东 南南 西西 北北 图 3 1 十字路口交通灯状态图 这 12 个交通灯共有四个状态 状态 1 南北红灯 1 7 亮 东西红灯 6 12 亮 状态 2 南北红灯 1 7 继续亮 东西红灯 6 12 闪 状态 3 南北红灯 1 7 继续亮 东西黄灯 5 11 亮 状态 4 东西红灯 4 10 亮 南北绿灯 3 9 亮 状态 5 东西红灯 4 10 继续亮 南北绿灯 3 9 闪 状态 6 东西红灯 1 7 继续亮 南北黄灯 2 8 闪 南北方向 交通灯状 态 红灯亮 25S 绿灯亮 25S 绿灯闪 3S黄灯亮 2S 东西方向 交通灯状 态 绿灯亮 20S 绿灯闪 3S黄灯亮 2S红灯亮 30S 12 主程序流程图 如图 3 2 所示 图 3 2 主流程图 开始 南北红灯亮 东西绿灯亮 南北红灯亮 东西黄灯亮 东西红灯亮 南北绿灯亮 东西红灯亮 南北绿灯闪 东西红灯亮 南北黄灯亮 结束 南北红灯亮 东西绿灯闪 13 启 动 东 西 绿 东西黄东西红南北绿 南 北 黄 20S 3S2S25S3S2S 30S 20S 3S2S ON OFF 图 3 3 十字路口交通灯时序图 25S 南北红 14 3 33 3 硬件设计硬件设计 3 3 13 3 1 PLCPLC 的选型的选型 从上面的分析可以知道 系统共有开关量输入点 1 个 开关量输出点 7 个 如果选用 CPU222 PLC 也需要扩展单元 PLC 参照西门子 S7 200 系列特性 见附录 选用主机 为 CPU224 14 输入 10 继电器输出 其外形图 3 4 如下 图 3 4 CPU224 外形图 输入电路采用了双向光电耦合器 24V DC 极性可任意选择 1M 2M 为输入端子的公 共端 1L 2L 为输出公共端 CPU224 另有 24V 280mA 电源供 PLC 输入点使用 3 3 23 3 2 PLCPLC 的的 I OI O 地址分配地址分配 列出交通信号灯 PLC 的输入 输出点分配表 见表 3 2 定时器 T PT S 定时实际时间 设定值 精度 1ms T32 T96 10ms T33 T36 T97 T100 100ms T37 T63 T101 T255 15 表 3 5 交通信号灯 PLC 的输入 输出点分配表 输入信号定时元件 输出信号 名称代号输入点编号T33 南北红灯工作 25S名称代号输出点编号 工作按钮SB1I0 0 T97 东西红灯工作 30S 报警灯L0Q0 0 T98 东西绿灯工作 20S南北红灯L1Q0 1 T99 东西绿灯闪烁 3S东西绿灯L2Q0 2 T100 东西黄灯工作 2S东西黄灯L3Q0 3 T34 南北绿灯工作 25S东西红灯L4Q0 4 T35 南北绿灯闪烁 3S南北绿灯L5Q0 5 T36 南北黄灯工作 2S南北黄灯L6Q0 6 3 3 33 3 3 PLCPLC 的接线形式的接线形式 如图如图 3 63 6 所示所示 图 3 6 PLC 控制接线图 端口 I0 0 为接入系统开关的输入信号 端口 Q0 0 接起报警作用的信号灯 端口 Q0 1 接南北红灯 端口 Q0 2 接东西绿灯 端口 Q0 3 接东西黄灯 端口 Q0 4 接东西黄灯 端口 Q0 5 接南北绿灯 端口 Q0 6 接南北黄灯 16 3 43 4 系统程序设计系统程序设计 3 4 13 4 1 系统的梯形图系统的梯形图 17 18 19 3 4 23 4 2 系统程序分析系统程序分析 当开关 SB1 合上时 I0 0 触点接通 T33 通电待 25 秒后动作 南北红灯熄灭 T98 通电待 20 秒后动作 东西绿灯闪烁 Q0 1 得电 南北红灯亮 同时 Q0 1 的动合触点闭 合 Q0 2 线圈得电 东西绿灯亮 维持到 20 秒 T98 的动合触点接通 T99 通电待 3 秒后动作 东西黄灯亮 与 T98 触点串联的 T32 动合触点每隔 0 5 秒导通 0 5 秒 从而使东西绿灯闪烁 又过 3 秒 T100 通电待 2 秒后动作 东西黄灯灭 T99 的动断触点断开 Q0 2 线圈 失电 东西绿灯灭 此时 T99 的动合触点闭合 Q0 3 线圈得电 东西黄灯亮 再过 2 秒后 T100 的动断触点断开 Q0 3 线圈失电 东西黄灯灭 此时自开关闭合南北红灯亮起累计时间达 25 秒 T33 的动断触点断开 Q0 1 线圈失电 南北红灯灭 T33 的动合触点闭合 T97 通电待 30 秒后动作 东西红灯熄灭 T34 通电 待 25 秒后动作 南北绿灯闪烁 Q0 4 线圈得电 东西红灯亮 Q0 4 的动合触点闭合 Q0 5 线圈得电 南北绿灯亮 又经过 25 秒 T34 动合触点闭合 T35 通电待 3 秒后动作 南北黄灯亮 与 T34 触 点串联的 T32 的触点每隔 0 5 秒导通 0 5 秒 从而使南北绿灯闪烁 闪烁 3 秒 T34 动断触点断开 Q0 5 线圈失电 南北绿灯灭 此时 T35 的动合触点闭 合 Q0 6 线圈得电 南北黄灯亮 维持 2 秒后 T36 动断触点断开 Q0 6 线圈失电 南北黄灯灭 自南北红灯灭及东西红灯亮累计时间达 30 秒钟 T97 的动断触点断开 T33 动断触点 复位 Q0 2 线圈失电 即维持了 30 秒的东西红灯灭 T33 动断触点复位断开时 T97 定时 器失电 T97 的动断触点复位闭合 只要不断开按钮 SB1 系统继续循环下去 20 第第 4 4 章系统智能扩展的探讨章系统智能扩展的探讨 随着工业自动化的快速发展 PLC 作为工业自动化发展不可替代的控制手段 也将会 随之快速的发展 在未来 PLC 要想适应工业的发展还需要从以下几个方面进行改进 一 PLC 控制系统的功能应该更加丰富 1 信号采集功能的拓展 除了采集开关量 模拟量和脉冲量外 还应该能够采集如视频 信号 声音信号及图像信号等所有现场有的信号 2 输出控制功能的拓展 除了输出开关量 模拟量和脉冲量外 还应该能够输出如视频 信号 声音信号及图像信号等所有现场可以及接收的信号 3 逻辑处理功能的拓展 充分应用 PC 的逻辑处理能力和 PLC 现有的逻辑能力相结合 4 数据运算功能的拓展 进行各种类型的整数运算 实数运算 二进制运算 浮点型运 算等各种形式的运算 5 定时功能的拓展 达到延时控制 定时控制 时间的运算可以精确到毫秒级 6 计数功能的拓展 达到计数控制 高速计数频率可以达到数百赫兹 7 中断处理功能的拓展 实现内部中断和外部中断 提高对输入输出的响应速度和精度 8 存储功能的拓展 存储容量扩大 提高数据掉电不丢失的技术能力 9 网络通信功能的拓展 采用开放式的网络通讯模块 实现稳定的远程控制 通过丰富以上功能 为未来工业自动化 远程化 信息化和智能化创造条件 21 结结 论论 交通信号灯控制系统的设计 我们以前学过 我想这个课题是很容易的 当真正做起来 的时候 还是觉得有点困难的 有些东西以前学了 但现在用起来可能又有点疑问 就如 画电气原理图吧 整体的构造脑海里都有一个整体的概念 而你要画出来的话 你可能会 遇到细节上的问题 比如说按钮开关的方向是怎样 以及怎么划分区域等 遇到这些问题 的时候都能让你主动去翻书 复习这些陌生的知识 我认为这是一种