PLC控制交通灯自主创新实践报告

1、无锡科技职业学院 自主创新实践报告 设 计 题 目 plc控制交通灯 学 生 姓 名 专 业 班 级 指 导 教 师 21 前言可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上发展而来的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因而被称为可编程逻辑控制器（programmable logic controller），简称plc。随着微电子技术和微型计算机的发展，微处理器用于plc，使其不仅可以实现逻辑控制，还可以进行数字运算和处理、模拟量调节和联网通信等，因此美国电气制造协会于1980年将它正式命名为可编程控制器（programmable controller），简称pc

2、。但近年来pc又成为个人计算机（personal computer）的简称，为避免发生混淆，我们仍把可编程控制器简称为plc。用plc来控制交通灯，使得交通灯显得更加智能化，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和特点，能够方便联网通信，实现十字路口交通灯控制系统的自动化。 目 录前言1、plc概述 1 1.1 plc的产生 1 1.2 plc的特点 1 1.3 plc的系统构成 3 1.4 plc的等效电路和工作原理 4 1.5 plc分类 5 1.6 plc的发展趋势 62、 plc的选择 8 2.1 cpu224 8 2.2 工作方式 8 2.3 扫描周期 8 2.4

3、性能简介及特点 9 3、系统方案分析和设计10 3.1 交通灯控制系统控制的要求 10 3.2 图案设计 10 3.3 方案分析 11 3.4 接线图 12 3.5 程序流程设计 13 3.6 梯形图 14 3.7 调试现象 17 总结 19 参考文献 1. plc概述 plc= programmable logic controller，可编程逻辑控制器，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。是工业控制的核心部

4、分。 1.1、plc的产生传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是，这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是接线复杂、排除故障非常困难而且要花费大量的时间。如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的变动，改造的工期长、费用高，通用性和灵活性较差。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（gm），为了适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，以尽可能减少重新设计继电器控制系统和接线、降低成本、缩短时间，而考虑把计算机的功能完善、通用灵活等优点与继电器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，

5、提出了研制plc的基本设想：1.编程简单方便，可在现场修改程序；2.硬件维护方便，最好是插件式结构；3.可靠性要高于继电器控制装置；4.体积小于继电器控制装置；5.可将数据直接送入管理计算机；6.成本上可与继电器竞争；7.输入可以是交流115v；8.输入为交流115v，2a以上，能直接驱动电磁阀；9.扩展时，原有系统只需做很小的改动；10.用户程序存储器容量器容量至少可以扩展到4k。根据以上设想和要求，1969年美国数字设备公司（dec）研制出世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的汽车生产线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。从此，这一更新技术就以很快的速度发展起来，现代的plc已成

6、为现代工业控制的三大支柱（plc，机器人和cadcam）之一。1.2、plc的特点1.2.1编程方法简单易学 考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，plc配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。而且某些仅有开关量逻辑控制功能的plc只有十几条指令。通过阅读plc的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。1.2.2硬件配套齐全，用户使用方便plc配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确

7、定plc的硬件配置和外部接线。plc的安装接线也很方便。1.2.3通用性强，适应性强 plc的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。1.2.4可靠性高，抗干扰能力强 绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。plc采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。plc的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的f1、f2系列plc的平均无故障间隔时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。1.2.5系统的设计、安装、调试工作量少plc用软件功能

8、取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。plc的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。1.2.6维修工作量小，维修方便plc的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。plc或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据plc上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更换模块的方法可以迅速地排除plc的故障。1.2.7体积小，能耗低以f1意40m型plc为例，其外形尺寸为305×ll0×110mm，功耗小于25va。由于体积小，plc很容易装入机械设备

9、内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。1.3、plc的系统构成plc实际上是一种工业控制计算机。它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、i/o扩展机、外围设备三部分组成，1.3.1主机主机由cpu（微处理器）、存储器、输入输出单元、电源等部分组成。cpu是plc的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户按特定格式输入的指令，并按照指令完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统测试与诊断功能。plc的存储器有两种：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序，如系统诊断程序、键盘输入处理程序、指令解释程序、监控程

10、序等。这些程序与用户无直接关系，已由厂家直接固化进eprom中，不能由用户直接存取、修改。用户程序存储器主要存放用户程序（用户利用plc的编程语言按不同控制要求所编制的控制程序或数据，这相当于设计继电器控制系统硬接线的控制电路图），可通过编程器进行修改。输入输出（io）单元是plc与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成cpu能接收和处理的数字信号。输出单元接收经过cpu处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。电源部件是把交流电转换成直

11、流电的装置，它向plc提供所需要的直流电源。电源组件具有很高的抗干扰能力，适合工业现场使用，供电稳定、安全可靠。电源组件内还装有备用锂电池，以保证在断电时保存必要的信息。plc还有各种接口，plc通过这些接口可与监视器、打印机、其它的plc或计算机等相连。1.3.2i/o扩展机每种plc都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。plc扩展模块内不设cpu，仅对i/o通道进行扩展，不能脱离主机独立实现系统的控制要求。1.3.3外部设备外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、eprom写入器、图形监控系统等。其中编程器是plc必不可少的重要外围设备，由键盘、显

12、示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视plc的工作状态。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且需将梯形图转化为助记符后才能送入。智能型编程器又称图形编程器，它既可联机编程，又可脱机编程，具有图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。现在也可在个人计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而且还可以在计算机上实现模拟调试。plc与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印。当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来。当plc与plc相连时，可组成多机系统或

13、连成网络，实现更大规模控制。当plc与计算机相连时，可组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。1.4、plc的等效电路和工作原理1.4.1plc的等效电路plc的工作酷似一个继电器系统，其等效电路可分为三部分：输入部分、内部控制电路和输出部分。 输入部分这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。输入端子外接行程开关、按钮等的触头，内连输入继电器线圈。输入继电器由外部信号通过输入端子驱动，可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。 内部控制电路由用户根据控制要求编制的程序所组成，其作用是按用户程序的控制要求对输入信号进行运算处理，判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出给负载。pl

14、c内部有许多类型的器件，如定时器（t）、计数器（c）、辅助继电器（m）等，它们都有许多对用软件实现的常开、常闭触点。编写的梯形图是将这些软器件进行内部接线，完成被控设备的控制要求。 输出部分这部分的作用是驱动外部负载，所以输出端子是plc向外部负载输出信号的端子，其内连输出继电器（y）的一对常开触点。输出继电器除提供一对常开触点驱动负载以外，还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。1.4.2plc的周期工作方式 plc是通过一种周期工作方式来完成控制的，每个周期包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 输入采样阶段plc以扫描方式按顺序将所有输入端的状态读入到输入映像寄存器中存储，这一过程

15、称为采样。在本工作周期内采样结果不会改变，而且将在plc执行程序时被使用。 程序执行阶段plc按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和元件映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入元件映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。 输出刷新阶段在所有用户程序执行完毕后，plc将元件映像寄存器中的内容送入输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。plc重复执行输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。plc的一个扫描周期一般为40100ms之间。1.5、plc分类1.5.

16、1按io点数分类按io总点数可分为小型、中型和大型三类。小型plc的io点数为256点以下，其中小于64点为超小型或微型plc。中型plc的io点数为256点到2048点以下。大型plc的io点数为2048点以上，其中io点数超过8192点为超大型plc。1.5.2按结构形式分类按结构形式可分为整体式和模块式。整体式plc是将电源、cpu、io部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点，一般小型plc采用这种结构。模块式plc是将plc各部分分成若干个单独的模块，如cpu模块、io模块、电源模块（有的包含在cpu模块中）以及各种功能模块。模块插在框架的插座上，有的plc没有框

17、架，各种模块安装在底板上。这种结构的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型plc采用模块式结构。1.5.3按功能分类按功能不同，plc可分低档、中档、高档机三类。低档机具有逻辑运算、计时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。还可能增设少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、远程io、通信等功能。中档机除具有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程io、子程序、通信联网等功能。还可以增设中断控制、pid控制等功能。高档机除具有中档机的功能外，还有符号算术运算（32位双精度加、减、乘、除和比

18、较）、矩阵运算、位逻辑运算（置位、清除、右移、左移）、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、表格功能及表格传送等。高档机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制，构成全plc的分布式控制系统，或整个工厂的自动化网络。1.6、plc发展趋势1.6.1向更高处理速度、更大存储容量方向发展为了提高plc的处理能力，要求plc具有更好的响应速度和更大的存储容量。在plc中，用户程序的存储容量有的是用编程的步数来表示，每编一条语句为一步。有的是以字为单位来计算，16位二进制数为一个字节，每1024个字节为1kb；有的是以编程的地址来表示，每编一条语句为一地址。目前大型plc的存储容量是几百kb，最高可

19、达几mb。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。目前大中型plc的扫描速度可达02mskb左右。如欧姆龙公司的c1000h为04mskb，三菱公司的a3n为02mskb。1.6.2产品规模向大、小两个方向发展plc主要有超大型和超小型两个发展趋势。超小型plc向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低方向发展，以真正完全取代最小的继电器系统。超大型plc向大容量、高速度、多功能方向发展，能与计算机组成分布式控制系统，实现对工厂生产全过程的集中管理。1.6.3plc编程语言更加丰富，功能不断提高，编程语言趋向标准化在plc系统结构不断发展的同时，plc的编程语言也越来越丰富，功能也不

20、断提高，除了大多数plc使用的梯形图语言外，还有些plc采用basic、c语言等高级语言编程。美国生产的plc在基本控制方面编程语言已标准化，均采用梯形图编程，日本、英国也进入了标准化阶段，法国还采用专用编程语言grafcet，德国采用din40719标准编程语言。1.6.4不断开发智能模块，加强联网和通信能力为了满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程io模块、通信和人机接口模块等，扩大了plc应用范围。目前加强plc联网与通信的能力，是plc技术进步的潮流。plc的联网和通信可分为两类：一类是plc之间联网通信，各plc制造厂家都有自己

21、的专有联网手段；另一类是plc与计算机之间的联网通信，一般plc都有通信模块用于与计算机通信。 2. plc的选择 选择西门子s7-200 cpu224 的plc。2.1、 cpu224 本机集成了： (1) 14 输入/10输出，共24个数字量i/o点； (2) 可连接7个扩展模块，最大可扩展至168 路数字量i/o点或35路模拟量i/o点； （3 ) 13kb程序和数据存储空间； （4） 6个独立的30khz高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲输出； (5) 具有pid控制器； (6) 1个rs485通信/编程口； (7) 具有ppi通信协议； (8) 具有mpi通信协议； (9) 具

22、有自由方式通信能力； (10) i/o端子排可很容易地整体拆卸。2.2、工作方式 s7-200 有3种工作方式：run(运行) 、stop(停止) 、term(terminal ,终端) 工作方式，可通过安装在plc 上的方式选择开关进行切换。(1) run 方式：在run方式下，cpu执行用户程序。(2) stop 方式：在stop方式下，不能运行用户程序，可以向cpu装载用户程序或进行cpu设置。(3) term方式：在term方式下，允许使用工业编程软件step 7-micro/win32来控制cpu的工作方式。(4) 当电源断电又恢复后，如果方式选择开关在term或stop状态下，cp

23、u自动进入stop方式；如果方式选择开关在run状态下，则cpu 自动进入run方式。2.3、扫描周期在run方式下，系统周期性地循环执行用户程序。plc在每次扫描工作过程中除了执行用户程序外，还要完成内部处理、通信服务等工作。整个扫描过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新5个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。即全部输入输出状态的改变，需要一个扫描周期。2.4、性能简介及特点 s7-200 plc 是德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器用于简单控

24、制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。 s7-200系列主要有以下几个方面的特点：Ø 极高的可靠性；Ø 易于掌握；Ø 极其丰富的指令集；Ø 便捷的操作特性；Ø 实时特性；Ø 丰富的内置集成功能；Ø 强大的通信能力；Ø 丰富的扩展模块。附：见图1图1 s7-200cpu224plc的结构图 3.系统方案分析与设计3.1、交通灯控制系统的控制要求：（1）信号受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关段开时，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

25、亮时应关闭信号系统，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。3.2、图案设计 交通灯工作示意图如下： （图3-1）十字路口交通灯 （表3-2）十字路口交通灯状态分析表 （图3-3）十字路口交通灯状态图 这12个灯的状态分析： 3.3、方案分析 按照交通灯系统控

26、制要求，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20s，才会转入下一个状态东西绿灯闪烁；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，才会转入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

27、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，才会转入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，还需计时器设定延时3秒，才会转入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。另外，当断开系统，所有信号灯熄灭。 3.4、接线图 （1） 输入输出地址分配表输入地址功能输出地址功能i0.0启动q0.0南北红灯i0.i停止q0.1东西绿灯q0.2东西黄灯q0.3东

28、西红灯q0.4南北绿灯q0.5南北黄灯 （2）plc接线图3.5、程序流程设计 （1）正常时序流程图 （2）模拟时序图 3.6、梯形图3.7 调试现象 按照接线图将各元器件连接起来，通电后，按下sb1启动按钮，观察现象如下： 首先是南北方向道路处于红灯亮的状态，东西方向道路处于绿灯亮的状态。即南北方向道路亮红灯状态过程中，南北红灯亮25s，计时器设定延时25秒后，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，计时器设定延时20s后，转入下一个状态东西绿灯闪烁；东西绿灯闪烁3s，脉冲源（秒/次）动作使东西绿灯闪烁，需计时器设定延时3秒后，转入下一状态东西黄灯亮；东西黄灯亮2s，计时器设定延时2秒后，转入下一状态东西红灯亮。当东西方向道路处于红灯亮的状态时，南北方向道路处于绿灯亮的状态。即东西方向道路亮红灯状态过程中，东西红灯亮30s，计时器设定延时30秒后，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，计时器设定延时25秒后，转入下一状态南北绿灯闪烁；南北绿灯闪烁3s，脉冲源（秒/次）动作使南北绿灯闪烁，计时器设定延时3秒后，转入下一状态南北黄灯亮；南北黄灯亮2s，计时器设定延时2秒后转入下一状态南北红灯亮。 如此循环下去。 当按下sb2时所有的信号都停止