课程设计（论文）基于PLC的交通灯控制系统的设计.doc

引言 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.关键词：交通灯 PLC 程序 第一章 PLC的特点及应用1.1概述 可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。为了与个人计算机的PC（Personal Computer）相区别，在PC中人为地增加了L（Logical）而写成PLC。 PLC是以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。1.2 PLC的特点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；6安装简便，调试方便，维护工作量小；7对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产；1.3 PLC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 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。第二章 PLC的结构及原理2.1 PLC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。2.2 PLC的结构及各部分的作用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，其组成与计算机完全相同，它就是一台适合于工业现场使用的专用计算机，其硬件组成有六个部分，如下图所示： 1、中央处理单元与普通计算机一样，CPU是系统的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理器芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。PLC中的中央处理单元多用8到32位字长的单片机。2、存储单元按照物理性能，存储器可以分为两类，随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定。若关断电源，状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。只读存储器有两种。一种是不可擦除ROM，这种ROM只能写入一次，不能改写。另一种是可擦除ROM，这种ROM经过擦除以后还可以重写。其中EPROM只能用紫外线擦除内部信息，EEPROM可以用电擦除内部信息，这两种存储器的信息可保留10年左右。3、电源单元PLC配有开关电源，电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围一般都比较宽，抗干扰能力比较强。有些PLC还配有大容量电容作为数据后备电源，停电时可以保持50H。除了需要交流电源之外，还需要直流电源。一般直流5V电源供PLC内部使用，直流24V电源供输入输出端和各种传感器使用。4、输入输出单元输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是PLC与现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业设备状态或生产过程信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。而功能模块则是一些智能化了的输入和输出模块。比如，温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块、PID控制模块等。中央处理单元与输入输出模块的连接是由输入接口和输出接口完成的。5、接口单元接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。这些接口都是为了进一步扩展PLC的功能而设置的。6、外部设备PLC的外部设备主要有编程器，文本显示器、操作面板、打印机等等，使PLC的使用更加方便。2.3 PLC的工作原理 1.plc的工作方式 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。2.4 PLC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。主要特点：1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使左母线。 2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器” 3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。 4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。 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。例：下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例： X000 X001 Y000 X010 END它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，用以 结束程序。l 梯形图与助记符的对应关系： 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为： 地址指令变量0000LDX0000001ORX0100002ANDX0010003OUTY0000004END 反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图2.5 PLC的基本指令1 输入输出指令（LD/LDI/OUT）下面把LD/LDI/OUT三条指令的功能、梯形图表示形式、操作元件以列表的形式加以说明： 符号 功 能 梯形图表示 操作元件 LD（取） 常开触点与母线相连 X，Y，M，T，C,S LDI（取反）常闭触点与母线相连 X，Y，M，T，C,SOUT（输出） 线圈驱动 Y，M，T，C，S,F LD与LDI指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。OUT 指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。 X000 Y000 地址 指令 数据 0000 LD X000 0001 OUT Y0002 触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI） 符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件 AND（与） 常开触点串联连接 X，Y，M，T，C,S ANDI（与非） 常闭触点串联连接 X，Y，M，T，C,S OR（或） 常开触点并联连接 X，Y，M，T，C，S ORI（ 或非） 常闭触点并联连接 X，Y，M，T，C，S AND、ANDI指令用于一个触点的串联，但串联触点的数量不限，这两个指令可连续使用。 OR、ORI是用于一个触点的并联连接指令。 X001 X002 Y001 地址 指令 数据 0002 LD X001 X003 0003 ANDI X002 0004 OR X003 0005 OUT Y001 3 电路块的并联和串联指令（ORB、ANB） 符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件 ORB（块或） 电路块并联连接 无 ANB（块与） 电路块串联连接 无 含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连接时，支路的起点以LD或LDNOT指令开始，而支路的终点要用ORB指令。ORB指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，ORB指令不表示触点，可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接，应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令，用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电路块的末尾集中写出ORB的指令，但这时ORB指令最多使用7次。将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用ANB指令，各并联电路块的起点，使用LD或LDNOT指令；与ORB指令一样，ANB指令也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之后使用一个ANB指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中使用ANB指令，最多使用7次。 ANB X000 X002 X003 Y006 X001 X004 X005 ORB X006 X003 地 址 指 令 数 据 0000 LD X000 0001 OR X001 0002 LD X002 0003 AND X003 0004 LDI X004 0005 AND X005 0006 OR X006 0007 ORB 0008 ANB 0009 OR X003 0010 OUT Y006 4 程序结束指令（END）符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件结束 END（结束） 程序结束 无 在程序结束处写上END指令，PLC只执行第一步至END之间的程序，并立即输出处理。若不写END指令，PLC将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此，使用END指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时，可以将END指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的END指令。 其他的一些指令，如置位复位、脉冲输出、清除、移位、主控触点、空操作、跳转指令等，同学们可以参考一些课外书，在这里我们不详细介绍了。下面同学们可练习由梯形图写出与之对应的助记符形式的指令。并由后面的GPP软件传输到PLC中，实时运行。2.6 PLC交通灯毕设编程器件一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。第三章 梯形图的设计与编程方法31 控制要求信号灯受启动及停止按钮的控制，当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，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，所有信号灯都熄灭。32 控制时序交通灯示意图如图1所示，在东西南北两个方向均安装信号灯，两个方向各6个灯，分为红、黄、绿三种颜色。工作时序如图2所示，假设东西向较忙，绿灯时间是南北向的2倍(40s)。按下起动按钮后，南北向绿灯亮维持20s，20s后，南北黄灯闪烁3次，计6S，期间，东西向红灯也亮，并维持26s；26s后，东西方向绿灯亮40s，后东西向黄灯闪烁3次，计6s，期间，南北向红灯也亮，并维持46so接下去周而复始，直到停止按钮被按下为止。3.3 PLC交通灯毕业论文硬件及外围元器件根据信号灯的控制要求，所有的器件有：三菱FX系列PLC、起动按钮SB1、停止按钮SB2、红黄绿色信号灯各4只，输入输出端口接线如图3所示。由图可见：起动按钮SB1接于输入继电器X0端，停止按钮SB2接于输入继电器xl端，东西方向的绿灯接于输出继电器Y5端，东西方向黄灯接于输出继电器Y4端，东西方向的红灯接于输出继电器Y3端，南北方向绿灯接于输出继电器Y2端，南北方向的黄灯接于输出继电器Y1，南北方向红灯接于输出继电器Y0。将输出端的COM1及COM2用导线相连，输出端的电源为交流220V。如果信号灯的功率较大，一个输出继电器不能带动两只信号灯，可以采用一个输出点驱动一只信号灯，也可以采用输出继电器先带动中间继电器，再由中间继电器驱动信号灯。34 I/O 分配表 第四章 程序设计41 梯形图 42 PLC交通灯毕业论文指令图43 流程图44软件设计采用步进梯形指令双流程编程实现，应用并联分支结构，其状态转移图如图4所示。由图可知，我们把东西和南北方向信号灯的动作分成两个流程同时起动，分别运行各自的时序动作，相互之间的配合由统一的时钟进行有机配合，不会出现差错。现仅以南北方向的动作简单分析一下工作原理，东西方向工作过程基本相同，在此不再赘述。系统起动时，利用M8002开机脉冲自动进入XO状态，系统处于等待状态。当启动按钮SB1按下时，xO11接通， Y1和Y4同时起动，Y1使南北绿灯亮，Y4使东西红灯亮(东西方向以下不分析)，x0起动的同时TO开始计时，20s后利用 常开接点的闭合使状态进入T4，此时Y3和Y5起动，T4使南北黄灯亮，T1计时6s，6s后进入T2，在T3状态下，起动CO和T2，此时南北黄灯灭，CO计数加1，T2时间到时，如果co,J-数不到3次，状态转到T0循环，如果CO计数到3次，状态转入T4，这样就做到了南北方向黄灯闪烁3次的要求。南北方向黄灯闪烁3次后，系统进入T4状态，在T4状态下，为下次闪烁作好准备，同时起动Y3和Y5，Y1使南北红灯亮，亮46s后进入X0状态，至此南北方向的一个循环执行完，此时东西方向也应该完成，在两个方向都完成后(必须都完成)，又重新进入X0和X11，如此反复工作。在任何时候按下停止按钮SB2，Xl接通，并复位相关状态和计数器，系统自动停止。