毕业设计（论文）-利用PLC来实现十字路口交通灯的控制.doc

内容摘要PLC作为一种工业控制微型计算机,它以其编程方便、 操作简单尤其是它的高可靠性等优点,在工业生产过程中得到了广泛的应用。 随着社会经济的发展,城市交通问题越来越引起人们的关注。 人、 车、 路三者关系的协调,已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一,而交通信号灯的控制系统,是城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。 而PLC的飞速发展,使其在工业控制中得到了广泛应用,但是目前国内利用PLC实现交通信号灯自动控制还不是十分广泛。 本设计重点讨论用PLC实现对十字路口交通信号灯的控制设计方法，其控制方法是采用西门子的S7-200系列CPU224型号PLC对东西南北的红、黄、绿、左绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。控制过程中采用了顺序控制设计法用定时器和计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制，本系统具有高可靠性、高性能和智能化的特点。关键词：PLC S7-200; 交通信号灯;梯形图;自动控制目 录第1章 引言1第2章 系统总体方案设计32.1 设计内容及要求32.2 总体设计思路42.3 系统可靠性设计4第3章 PLC控制系统设计63.1 确定I/O信号数量，选择PLC类型63.2 I/O地址的分配与编号63.3 PLC外部接线图63.4 整体控制程序设计73.5 控制流程图83.6 控制程序调试：11结论12设计总结13谢辞14附录15参考文献351第1章 引言可变程序控制器（PLC）是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自60年代问世以来，PLC得到了突飞猛进的发展，尤其在数据处理、网络通信及与DCS等集散系统融合方面有了很大的进展，可变程序控制器已经成为工业自动化强有力的工具，得到了广泛的普及和推广应用。交通十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。靠什么来实现这井然秩序呢?靠的是交通信号灯的自动指挥系统。那么控制系统是如何实现红、绿、黄三种颜色信号灯有条不紊工作的呢? 城市交通指挥系统中的许多设备需要实现自动化,交通信号灯控制方式很多，可以用电子电路来实现，也可以用单片机编程控制来实现PLC在其中的应用也越来越多。本文主要介绍如何利用PLC来实现十字路口交通灯的控制。PLC的由来1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，即：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） 成本上可与继电器柜竞争；7） 输入可以是交流115V；8） 输出为交流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至少可以扩展到4KB。根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC（PDP14型 ），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。PLC的发展PLC问世以来，其发展极为迅速。由最初的1位机发展为8位机，现在的大型PLC已采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，其技术已经相当成熟。目前，世界上有PLC生产厂200多家，比较著名的有美国的A-B公司、通用电气公司，日本的三菱、松下电工、欧姆龙，德国的西门子，法国的施耐德等。生产的PLC品种繁多，产品的更新换代也极快，著名的生产公司几乎每12年即可推出一种新产品。PLC的结构不断改进，功能日益增强，性能价格比越来越高。第2章 系统总体方案设计2.1 设计内容及要求系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。控制对象有八个：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。高峰时段按时序图二运行， 正常时段按时序图三运行，晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。高峰时段、 正常时段及晚上时段的时序分配按时序图一运行。2.2 总体设计思路根据对交通信号灯控制系统的控制要分析，控制过程中采用顺序控制设计法用多个定时器和计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制。根据交通信号灯的亮灭规律，可用PLC编程对其实行自动控制。晚上时段黄灯按一定规律亮灭循环，可先用定时器控制其亮灭，再用计数器控制其循环。高峰时段与正常时段可先选时序图中的90秒为一个周期，用定时器与计数器先实现一个周期的循环，再用计数器实现高峰时段与正常时段的交错循环。2.3 系统可靠性设计用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多措施，确保它能可靠工作。事实上，如果PLC工作不可靠，就无法在工业环境下运用，也就不成其为PLC了。1.在硬件方面：PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达80-90度。有的PLC的模块可热备，一个主机工作，另一个主机也运转，但不参与控制，仅作备份。一旦工作主机出现故障，热备的可自动接替其工作。还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。2在软件方面：PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的冒险竞争，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了看门狗（Watchingdog）监控程序。运行用户程序开始时，先清看门狗定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个看门狗监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，可避免出现死循环而影响其工作的可靠性。PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。第3章 PLC控制系统设计3.1 确定I/O信号数量，选择PLC类型本设计采用PLC来实现对十字路口交通信号灯的控制，随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 根据对交通信号灯控制系统的控制要求分析,其输入信号有系统的开启、 停止按钮信号;输出信号有东西方向、 南北方向各四组指示灯驱动信号。由于每一方向的两组指示灯中,同种颜色的指示灯同时工作,为节省输出点数,采用并联输出法。 由此确定,系统所需的输入点数为2,输出点数为8,全部为开关量,所以该系统属于小型单机控制系统。 选用西门子的S7-200系列CPU224型号PLC对东西南北的红、黄、绿、左绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。3.2 I/O地址的分配与编号表3-1 I/O分配表输入信号输出信号名称符号地址名称符号地址启动开关SB1I0.0东西红灯R-EWQ0.0停止开关SB2I0.1东西黄灯Y-EWQ0.1东西绿灯G-EWQ0.2东西左绿L-EWQ0.3南北红灯R-SNQ0.4南北黄灯Y-SNQ0.5南北绿灯G-SNQ0.6南北左绿L-SNQ0.73.3 PLC外部接线图图3-1 PLC外部接线图3.4 整体控制程序设计表3-2 各时段时间分配晚上时段正常时段高峰时段21:30到6:306:30到7:307:30到8:158:15到16:3016:30到18:0018:00到21:301.晚间时段：按上起动按钮I0.0,功能图直接进入晚间时段，M0.0置位，触点M0.0通，常闭触点T37,M0.2和C1为通，所有黄灯亮，定时器T38开始计时，0.4秒后黄灯灭，同时T37开始计时，0.6秒后经计数器C1计数，循环以上过程达到黄灯亮0.4秒，灭0.6秒循环闪亮的目的，重复32400次（9小时）后，常闭触点C1断开退出晚间时段，进入正常时段（运行周期为90秒）。2.正常时段：周期为90s表3-3 正常时段亮灯时间分配东西路段EW灯亮时间南北路段SN灯亮时间东西红灯亮0到55s南北红灯亮0到10s和45到90s东西左绿亮45到50s南北左绿亮0到5s东西左绿闪50到55s南北左绿闪5到10s东西绿灯亮55到80s南北绿灯亮10到35s东西绿灯闪80到85s南北绿灯闪35到40s东西黄灯亮85到90s南北黄灯亮40到45s由任务书时序图分析总结出如上表所示灯亮时间分配表，通过定时器来控制各个灯亮的时间，完成一个正常时段周期，用常闭触点T41完成定时器复位从新计数，经C2计数，循环此正常时段工作的运行过程，当C2计数达40次即工作一个小时，常闭触点C2断开，常开触点C2闭合，进入高峰时段。3.高峰时段：周期为90s 表3-4 高峰时段亮灯时间分配东西路段EW灯亮时间南北路段SN灯亮时间东西红灯亮0到60s南北红灯亮0到10s和50到90s东西左绿亮50到55s南北左绿亮0到5s东西左绿闪55到60s南北左绿闪5到10s东西绿灯亮60到80s南北绿灯亮10到40s东西绿灯闪80到85s南北绿灯闪40到45s东西黄灯亮85到90s南北黄灯亮45到50s由任务书时序图分析总结出如上表所示灯亮时间分配表，通过定时器来控制各个灯亮的时间，完成一个高峰时段周期，用常闭触点T41完成定时器复位从新计数，经C3计数，循环此高峰时段工作的运行过程，当C3计数达31次（循环30次）即工作运行四十五分钟，常闭触点C3断开，常开触点C3闭合，又重新进入正常时段。4.各时段制动相互循环运行：第二阶段正常时段的运行状况同一阶段正常运行状况，只是它们循环次数从40次变成331次（循环330次共8.25小时），工作到16:30又进入一个半时的高峰运行时段，共循环60次，即C5计数61次后常闭触点C5断开，常开触点C5闭合，再次进入正常时段工作状态循环运行C6计数141次（循环140次共3个半小时）计数完后C6将所有定时器、计数器复位，又从新进入晚间时段重复以上工作过程。当按下停止按钮I0.1交通信号停止循环，计数器、计时器都复位清零，若再按上I0.0，交通灯继续从头开始循环闪亮。3.5 控制流程图图3-2 控制流程图3.6 控制程序调试在刚开始分析设计内容编制好程序之后，由于没有PLC设备，调试问题一直很难解决，最后在接下来机电传动课程安排的一次PLC实验课上，把实现编制好的程序拷贝到实验室电脑上开始程序调试，硬件调试:接通电源,检查可编程序控制器能否正常工作,接头是否接触良好。软件调试: 检查后编译通过,在线工作后把程序写入可编程序控制器的程序存储区。 运行调试:开始按下按钮I0.0，实现了黄灯闪烁，由于实验时间就一节课闪烁时间太长，无法判定随后程序是否正确，就把定时器C1 C2 C3 C4 C5 C6的设定值都减小到5，按下开始按钮I0.0，程序安装预定的方案执行，Q0.1到Q0.7的各个输出也符合要求，按下停止按钮，PLC系统停止工作。设计符合要求，调试成功。结论由于使用的是以PLC作为核心的控制元件,使得电路的可靠性比较高,功能也比较强大,而且可以随时的更新系统,进行不同状态的组合，并且用PLC编程方便灵活。美中不足的是PLC的价格都普遍比较昂贵，使用PLC，还要考虑经济指标。经济是基础，经济上不合算，不能带来经济效益，使用PLC也就没有基础。所以，这个指标也是重要的。经济指标最简单的就是看价格。一般讲，同样技术性能的PLC，价格低其经济指标就好。设计总结经过本次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了电气控制及PLC这门课程，不仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的强，可以通过平时学的知识自己设计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。在这次课程设计中遇到了很多问题，也获得了很多意想不到的知识。在每次突破一个问题后都有种久违的满足感，甚至对每发现一个问题都有种莫名的兴奋。虽然这次的课程设计整整花了我一个多星期的时间，每天从早到晚，头脑中就只有这个设计，甚至屡次因为忙于修改方案，调试程序，想解决问题的方法而忘记吃饭、休息，这种感觉不像高中时段那样被人追着学习，而这是自主的去思考突破，是自身的能动力起了作用。因此，这次的课程设计很有意义。感谢我们院上的领导为我们精心安排了这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比如吃苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等，在此特别感谢我们PLC课程的陈兴洲老师每天来到教室为我们传授丰富的知识和经验，感谢陈老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理、PLC应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。谢辞感谢我们院上的领导为我们精心安排了这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比如吃苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等，在此特别感谢我们PLC课程的陈兴洲老师每天来到教室为我们传授丰富的知识和经验，感谢陈老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。附录 1梯形图附录2多时段十字路口交通信号灯PLC控制系统设计语句表Network 1 LD I0.0S M0.0, 1Network 2 LD M0.0AN C1AN T37TON T38, 4AN M0.2= M0.1Network 3 LD T38= M0.2TON T37, 6Network 4 LD C3AN C4ON C2O C5AN T41A C1S M0.4, 1S M0.5, 1S M0.6, 1TON T41, 900TON T42, 50TON T43, 100Network 5LD T42R M0.6, 1Network 6LD T43R M0.4, 1S M0.7, 1TON T44, 250TON T45, 300Network 7 LD T44R M0.7, 1Network 8 LD T45S M1.0, 1TON T46, 50Network 9 LD T46R M1.0, 1S M1.1, 1S M1.2, 1TON T47, 50TON T48, 100Network 10 LD T47R M1.1, 1Network 11 LD T48R M0.5, 1S M1.3, 1TON T49, 250TON T50, 300Network 12 LD T49R M1.3, 1Network 13 LD T50S M1.4, 1Network 14 LD T41R M1.2, 1R M1.4, 1Network 15 LD C2AN C3LD C4AN C5OLDAN T41A C1S M1.5, 1S M1.6, 1S M1.7, 1TON T41, 900TON T51, 50TON T52, 100Network 16 LD T51R M1.7, 1Network 17 LD T52R M1.5, 1S M2.0, 1TON T53, 300TON T54, 350Network 18 LD T53R M2.0, 1Network 19 LD T54S M2.1, 1TON T55, 50Network 20 LD T55R M2.1, 1S M2.2, 1S M2.3, 1TON T56, 50TON T57, 100Network 21 LD T56R M2.2, 1Network 22 LD T57S M2.4, 1TON T58, 200TON T59, 250Network 23 LD T58R M2.4, 1Network 24 LD T59S M2.5, 1Network 25 LD T41R M2.5, 1R M2.3, 1Network 26 LD T37LD C6O I0.1CTU C1, 32400Network 27 LD T41LD C6O I0.1CTU C2, 40Network 28 LD T41A C2LD C6O I0.1CTU C3, 31Network 29 LD T41A C3LD C6O I0.1CTU C4, 331Network 30 LD T41A C4LD C6O I0.1CTU C5, 61Network 31 LD T41A C5LD C6O I0.1CTU C6, 141Network 32 LD T42AN T43LD T44AN T45OLDLD T47AN T48OLDLD T49AN T50OLDLD T51AN T52OLDLD T53AN T54OLDLD T56AN T57OLDLD T58AN T59OLDAN T39TON T40, 5A M0.3LPSA T42AN T43= M2.6LRDA T44AN T45= M2.7LRDA T47AN T48= M3.0LRDA T49AN T50= M3.1LRDA T51AN T52= M3.2LRDA T53AN T54= M3.3LRDA T56AN T57= M3.4LPPA T58AN T59= M3.5Network 33 LD T40TON T39, 5= M0.3Network 34 LD M0.5O M1.6= Q0.0Network 35 LD M2.5O M1.4O M0.1= Q0.1Network 36 LD M1.3O M2.4O M3.1O