PLC交通灯电气控制设计.doc

第1章 绪论1.1交通信号灯的作用与研究意义随着生活的质量越来越高,车辆也越来越多,随之而来的交通事故也发生的更加频繁.十字路口更是拥挤不堪,基于交通灯控制要求也就越来越高,交通灯的设计有很多实现的方法,从交通灯的重要性看来,交通灯工作一定要稳定可靠.通过分析现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况,阐述交通灯控制系统的工作原理，从而给出一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案.1.2 PLC发展的现状:可编程序控制器(PLC)是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置,是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制中。我国在七十年代末期开始对PLC进行研究、生产和应用。在近十年来，取得了非常好的成绩。特别是在应用方面，随着国力的增强和生产力的提高，PLC已经渗透到了各个领域。在生产方面，为了提高生产效率和工业的自动化，我们引进了许多在世界上都处于领先技术的成套设备，如上海宝钢集团上马的第一期工程中，就采用了250台PLC，二期工程中有采用了180台。再如，总部坐落在北京的神华集团，其下属神东公司，其优质煤的日产量在世界首屈一指，所使用的采煤设备是当前世界最好的三家公司的最新产品，因而大量地使用PLC等先进技术。还有三峡工程、秦川电站、天津开发区的康师傅方便面生产线等都用了PLC控制。现在PLC不但应用于冶金、矿业、机械、轻工等工业自动控制中，在其他领域它也有着广泛地应用。例如，市政建设中的水处理，沥青、混凝土的拌和；日常生活中的电梯、车库的自动化管理等、货物存取等；商业中的自动售货机，啤酒罐装及酿酒等；另外还在环保、娱乐业中也有应用。以前PLC应用得比较少时，只需要有较少的技术人员掌握即可满足生产要求，但是随着PLC应用范围的扩展、功能的日益强大，同时PLC在生产中的地位越来越重要，只有少数专业技术人员懂得PLC的现状再也不能满足企业控制技术发展的要求了。现在招聘维修电工不但基本技术要扎实，还要懂得PLC技术、变频技术及微机技术的原理和故障鉴别等。而对于在生产线上的普通操作也应该懂得一些关于PLC、变频器等方面的基本知识，这样既可便于生产操作，又可以对生产和维修有很多帮助，如帮助维修人员明确故障的范围和现象，缩短故障维修时间，更好的保证生产的顺利进行。这也正好符合PLC当初的设计初衷，即：是操作人员使用方便，不存在计算机与传统电气控制间的专业“鸿沟”。早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。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。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。国外著名的生产厂家有:施耐德公司， Quantum、Premium、Momentum等；罗克韦尔（A-B公司），SLC、MicroLogix、Control Logix等；西门子公司， SIMATIC S7-400/300/200系列；GE公司；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。国内PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产.1 ) I/O地址分配：虽然我国在PLC生产方面非常弱，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/O 64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%。在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM用户、最终用户。其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元。随着电子技术和计算机技术的发展PLC的功能得到大大的增强，具 有以下特点：1可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。1.3可编程序控制器的特点及应用早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。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。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场 价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元。随着电子技术和计算机技术的发展PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：1可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。1.4概述据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下:在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。再随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，笔者进行了深入的研究，以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。第2章 系统的方案设计21任务要求:1、按下启动按钮后，交通灯控制系统开始工作，先亮东西方向绿灯和南北方向红灯，再亮南北方向绿灯和东西方向红灯，然后再亮东西方向绿灯和南北方向红灯，这样一直循环。2、系统24小时正常循环运行，工作规律为：东西方向直行绿灯亮，则东西方向左行红灯亮，南北方向左行、直行和右行红灯全亮；东西方向左行绿灯亮，则东西方向直行红灯亮，南北方向左行、直行和右行红灯全亮；东西方向右行绿灯亮，则东西方向左行红灯亮，南北方向左行、直行和右行红灯全亮。南北方向绿灯亮时和东西方向时规律一致。3、东西方向和南北方向均设有左转绿灯，持续亮10秒，左转黄灯，持续亮2秒，左转红灯，持续亮88秒；左转绿灯灭的同时直行绿灯亮，持续30秒，直行黄灯，持续亮2秒，直行红灯，持续亮68秒；直行绿灯灭的同时右转绿灯亮，持续亮10秒，右转黄灯，持续亮2秒，右转红灯，持续亮88秒。当南北方向红灯点亮时，东西方向应依次点亮左转绿灯，直行绿灯，右行绿灯和黄灯；反之，当东西方向红灯点亮时，南北方向应依次点亮左转绿灯，直行绿灯，右行绿灯和黄灯。4、按下停止按钮后，交通灯控制系统停止工作，所有交通灯熄灭。22控制方案城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型：定周期的信号机、多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。具体采用哪种类型，应根据其应用场合及特点加以确定。其中，第一种类型以其成本低，设计简单，安装及维护方便等特点得到了广泛应用。本文讨论的城乡交通灯控制系统就属于该种类型。该交通灯控制系统主要由PLC控制.2.3 PLC的选择2.3.1扩展模块的选用对于小的系统，如80点以内的系统一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请看相关的技术手册。各公司的扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、输入输出模块、温度模块、高速输入模块等。 PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。2.3.2、PLC的网络设计当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。首先你应选用自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应你的实时要求，造成系统崩溃。另外，对通信接口、通信协议、数据传送速度等也要考虑。最后，还要向 PLC的商家寻求网络设计和软件技术支持及详细的技术资料，至于选用几层工作站，依你的系统大小而定。2.3.3、软件编制在编制软件前，应首先熟悉所选用的 PLC产品的软件说明书，待熟练后再编程。若用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速度也快。编程结束后先空调程序，待各个动作正常后，再在设备上调试。2.3.4确定所选PLC从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点5个，开关量输出点16个， 所以我们选择三菱系列PLC。2.4PLC I/O硬件连接图输入 / 输出地址分配器件 端口 用途 SB2X0 人行道北按钮 SB1 X1 人行道南按钮 L0 Y0 车道红灯 L1 Y1 车道黄灯 L2 Y2 车道绿灯 L3 Y3 人行道红灯 L4 Y4 人行道绿灯 2.5梯形图程序程序语句表:第三章 GPP软件简介3.1基本概况SW3D5-GPPW-E是三菱电气公司开发的用于可编程控制器的编程软件,可在Windows 3.1及Windows 95下运行，适用于IBM PC/AT (兼容)其CPU为i486SX或更高，内存需 8兆或更高(推荐16兆以上)。该程序可在串行系统中可与可编程控制器进行通讯,文件传送,操作监控以及各种测试功能。在GPP软件中,你可通过线路符号,助记符来创建顺控指令程序,建立注释数据及设置寄存器数据，并可将其存储为文件,用打印机打印。在PLC与PC之间必须有接口单元及缆线。接口单元： FX-232AWC型RS-232C/RS-422转换器(便携式). FX-232AW型RS-232C/RS-422转换器(内置式)缆线： FX-422CAB型RS-422 缆线 用于 FX1, FX2, FX2C型可编程控制器, 0.3米； FX-422CAB-150 型 RS-422 缆线 用于 FX1, FX2, FX2C型可编程控制器, 1.5米。3.2用GPP编写梯形图GPP软件使用起来灵活、简单、方便，我们把它安装在程序中，使用时只要进入程序，选中MELSEC Applications 在WINDOWS下运行的GPP ,打开工程，选中新建，出现如下图5-1画面，先在PLC系列中选出你所使用的程控器的CPU系列，如在我们的实验中，选用的是FX系列，所以选FXCPU，PLC类型是指选机器的型号，我们实验用FX2N系列，所以选中FX2N（C），确定后出现如图5-2画面，在画面上我们清楚地看到，最左边是根母线，蓝色框表示现在可写入区域，上方有菜单，你只要任意点击其中的元件，就可得到你所要的线圈、触点等。 图 5-1图 5-2 如你要在某处输入X000，只要把兰色光标移动到你所需要写的地方，然后在菜单上选中 触点，出现如下图5-3画面： 图 5-3再输入X000，即可完成写入X000。如要输入一个定时器,先选中线圈，再输入一些数据，数据的输入标准在第三章中已提过，图5-4显示了其操作过程。 图 5-4对于计数器，因为它有时要用到两个输入端，所以在操作上既要输入线圈部分，又要输入复位部分，其操作过程如图5-5、5-6所示。 图 5-5注意，在图5-5中的箭头所示部分，它选中的是应用指令，而不是线圈。 图 5-6计数器的使用方法及计数范围在第三章中已讲过，同学们可自己查阅。图5-7是一个简单的计数器显示形式。图 5-7通过上面的举例，同学们就明白了，如果你需要画梯形图中的其他一些线、输出触点、定时器、计时器、辅助继电器等，在菜单上都能方便地找到，再输入元件编号即可。在图5-6的上方还有其它的一些功能菜单,如果你把光标指向菜单上的某处，在屏幕的左下角就会显示其功能，或者打开菜单上的“帮助”，你可找到一些快捷键列表、特殊继电器/寄存器等信息，同学们可自己边学习边练习。 3.3传输、调试 当你写完梯形图，最后写上END语句后，必须进行程序转换，转换功能键有两种，在下图5-8的箭头所示位置。 图 5-8 在程序的转换过程中，如果程序有错，它会显示，也可通过菜单“工具”，查询程序的正确性。 只有当梯形图转换完毕后，才能进行程序的传送,传送前，必须将FX2N面板上的开关拨向STOP状态，再打开“在线”菜单，进行传送设置，如下图5-9所示： 图 5-9 根据图示，你必须确定你的PLC与计算机的连接是通过COM1口还是COM2口连接，在实验中我们已统一将RS-232线连在了计算机的COM1口，你在操作上只要进行设置选择。 写完梯形图后，在菜单上还是选择“在线”，选中“写入PLC（W）”，就出现如图5-10 图 5-10 从图上可看出，在执行读取及写入前必须先选中MAIN、PLC参数，否则，不能执行对程序的读取、写入，然后点击“开始执行”即可。第四章 实验仿真首先,根据PLC外部接线图(见下图)把实验设备连接起来.接通电源,将PLC运行于停止状态,再将编好的程序下载进去后,让PLC工作于运行状态.4.1 调试过程硬件调试：接通电源，检查可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。 软件调试：按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试。 运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，打可编程控制器的开关进行调试；观察运行的情况。完成接线后，使电脑上的PLC程序与PLC同步，本小组首先遇到的问题是南北红灯一直亮，黄灯闪没有问题，查阅梯形图，找到南北红灯对应地址00008发现该段程序输入出错，加以修正，最后正常。接着将计时器40042修改到359，准备进入正常时段，计时器40041跳过60秒后，进入正常时段，正常时段无异常。接着40042修改到419，计时器40041跳过60秒后，进入高峰时段，运转中发现东西左转灯不亮，检查程序段并无错误，询问老师，得知可能是保险丝问题，于是更换PLC板后，故障排除。完成以上工作之后，运行成功。4.2 原件清单PLC 一台绿色灯泡8个红色灯泡2个黄色灯泡2个按钮开关5个导线5m基本设备一套蜂鸣器2个设计小结1、 通过这次毕业设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。2、 在设计过程，经常会遇到这样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了。所以这几天不管是吃饭还是睡觉，脑子里总是想着如何解决这些问题，如何想出更好的连接方法。不过说也奇怪，整天想着这些问题，脑子和身体却一点都不会觉得累。或许是那种渴望得到知识的欲念把疲劳赶到九宵云外去了吧！3、 我觉得做毕业设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如PLC的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。4、 通过毕业设计我更深的认识了交通灯的重要，在做毕业的同时我自己也找时间去外面现场看了交通灯的运行，我不是简单的观看而是看他们的运行时间。我发现不一样的路口交通灯的运行也不样的。后来我还自己通过关系到交通局问了这方面的事，交通局里的负责人告诉我因为不同的路口车流量不一样，而且不同的时间交通灯运行的程序也不一样，比如早上和中午也不是一样的。交通的运行程序是跟据路口即时段的车流量来设计的。本次毕业设计主要用了我们所学的可编程技术,自动控制原理与应用.传感器技术,工厂电气控制技术,电力电子技术等 是一个知识面广的一个毕业设计课题.5、 自汽车发明以来, 全世界道路交通事故的死亡人数已逾3千万人, 比同期战争死亡人数还多。交通事故死亡人数占非自然死亡的1/4左右, 已成为世界最大公害, 交通事故给社会、家庭带来的危害是巨大和长远的。道路交通事故造成的经济损失一般占国民经济生产总值的23%，西方发达国家在上世纪七十年代就认识到道路交通事故是影响国民经济和社会生活的国家重大问题，因而从人、车、路、环境等多方面着手，综合运用管理技术和科学技术研究治理道路交通安全问题，成效显著。从七十年代以来，西方发达国家的道路交通事故就处于逐渐下降趋势并保持在较低的水准线下，其交通事故死亡人数仅占全球总数的1/4，车辆数却占全世界的2/3左右。但相反的是同一时期发展中国家尤其是我国的道路交通事故却进入了持续增长的队列，这虽然与我国国民经济持续高速增长和机动车保有量直线上升相关，但也和我国全民交通安全意识落后，无视交通安全；管理体制不协调，执法不力和技术水平低有密切关系。二战结束后，西方工业国家致力于经济的发展并使社会达到了繁荣富强。伴随经济的快速增长，机动车的迅猛增加，道路交通事故也不断攀升并先后在六、七十年代达到高潮。世界大多数国家和国际组织都认识到道路交通安全是直接关系国民经济和社会发展的国家重大问题，并普遍采取了下面较为成功的一些措施，如：统一道路交通管理体制，成立总统或政府首脑直接负责的全国交通安全委员会及交通部门领导下的统一的管理机构；