PLC交通灯十字路控制设计

PAGE25PLC论文设计姓名：班级：题目：十字路口交通信号灯控制系统目录摘要3TOC\o"1-3"第一章PLC特点及应用41.1PLC概述、基本结构41.2PLC的特点61.3PLC的应用6第二章PLC的硬件原理及梯形图的设计72.1PLC的硬件72.2PLC的工作原理82.3PLC汇编语言102.4PLC的经验设计法122.5PLC的基本指令13第三章十字路口交通信号灯控制系统设计173．1控制要求183．2控制时序183．3PLC交通灯设计模型.183．4I/O分配表193．5PLC交通灯设计的顺序功能图193．6PLC交通灯设计梯形图21第四章PLC交通灯设计总结23致谢24参考文献24中文摘要

传统的交通灯控制系统大多是由数字电路来实现的，交通灯控制系统稳定性可靠性与抗干扰能力较差，随着社会经济的发展，数字电路交通灯越来越不能满足日益增长的交通压力，因此必须寻求一种新的方法来取代这种复杂而工作不稳定的控制系统。随着科技的发展，可编程控制器(PLC)的功能日益完善，可编程控制器已作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，已被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源等各种行业。它可靠性高、功能完善、抗干扰能力强，具有结构简单、重量轻等优点，是一种用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统。采用PLC控制交通信号灯，主要是考虑其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，特别是方便地实现多岔路口的控制。由于PLC本身具有通信联网功能，可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。在实际应用中，采用PLC控制城市交通信号灯，能根据不同的路况要求，随时修改控制程序，以改变各信号灯的工作时间和工作状况。与继电器或逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更高的可靠性、灵活性和经济实用性。本论文就是运用PLC原理来实现对十字路口的交通灯的控制，介绍了基于PLC在交通系统的运用，系统介绍了PLC的基本原理。关键词：交通灯控制系统；可编程控制器（PLC）；十字路口ABSTRACTThetraditionaltrafficcontrolsystemismostlybydigitalcircuit,trafficcontrolsystemstabilityreliabilityandanti-interferenceabilityisbad,Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,anddigitalcircuittrafficlightstomeetthegrowingtrafficpressure,therefore,mustseekanewmethodtoreplacethecomplexandworkingstabilityofthecontrolsystem.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theprogrammablelogiccontroller(PLC)function,theprogrammablecontrollerhas,asakindofmicrocomputertechnologyasthecoreinautomaticcontrolequipment,hasbeenwidelyusedinmechanicalmanufacturing,metallurgy,chemical,energy,etc.Ithashighreliability,completefunctions,stronganti-jammingcapability,withsimplestructure,lightweight,itisakindofprocesscontrolforindustrialenvironmentandthenumberofoperatingsystem.PLCcontroltrafficlights,mainlyisforusewiththeconsiderationofthecharacteristicsofstrongadaptabilitytoenvironment,anditsinternaltimerresourcesareveryrich,butfornowthewidespreaduseof"progressive"lightaccuratelycontrol,particularlyeasilyrealizemorecontrolofthecross-roads.BecauseofPLCnetworkcommunicationfunction,hasthesamepathcanbecomposedofaLANforsignalunifieddispatchingmanagement,canshortenthetimeofwaitingvehicles,scientificmanagement.InactualapplicationofPLCcontrol,urbantrafficlights,canaccordingtodifferentconditions,modifiedatanytimetochangecontrolprocedures,thesignalofworkingtimeandworkingconditions.Andrelayorlogiccircuitcontrolsystem,PLCcontrolsystemhashigherreliabilityandflexibilityandeconomicandpractical.ThispaperistheapplicationoftheprincipleofPLCtocontrolthetrafficintersection,introducedintrafficsystembasedonPLCisintroduced,andtheapplicationofPLCsystemofbasicprinciple.Keywords:Trafficcontrolsystem；Programmablelogiccontroller(PLC)；Crossroads第一章PLC的特点及应用1.1PLC概述可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。PLC的基本结构PLC主要由cpu模块、输入模块、输出模块、和编程器组成，如图所示：PLC的基本结构CPU模块由微处理器（CPU芯片）和存储器组成CPU模块的作用：采用周期性循环扫描、分时操作的工作方式，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。周期性分时操作循环扫描I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。PLC通过I/O模块与工业生产过程现场联系。I/O模块的三大作用：1、传递信号2、电平变换3、噪声隔离I/O模块分类：1、模拟量I/O模块2、数字量I/O模块3、特殊I/O模块·输入模块用来接收和采集输入信号。PLC通过输入模块检测被控对象被控生产过程的各种参数，以这些现场数据作为PLC对被控对象进行控制的信息依据。·开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号。·模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流或电压信号。·输出模块将PLC处理结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行机构。1.2PLC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；1.3PLC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2.1PLC的硬件1.整体式PLC又叫一体化PLC，它的CPU模块和I/O模块、电源模块等装在一个箱体内，结构非常紧凑，它的体积小，价格低，主要用于小型或微型PLC。整体式PLC又分为基本单元和扩展单元两种。模块式PLC·由框架和模块用搭积木的方式组成系统，模块插在模块插座上，后者焊在框架的总线连接板上，主要用于大中型PLC和部分小型PLC。·CPU模块、开关量I/O模块、电源模块、模拟量I/O模块和其它特殊的功能模块等在结构上相互独立，用户可根据具体的应用要求，选用合适的模块，安装在固定的机架上或导轨上，构成一个完整的PLC控制系统。·PLC厂家备有不同槽数的框架供用户选用，如果一个框架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展框架，各框架之间用I/O扩展电缆连接。·不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。2.2PLC的工作原理PLC在RUN工作模式下，采用周期性循环扫描、分时操作的工作方式，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。PLC扫描工作过程RUN工作模式:PLC的一个扫描工作周期分为5个阶段STOP工作模式:PLC的一个扫描工作周期分为4个阶段输入采样·PLC把所有输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器中寄存起来，作为下一阶段程序执行时的条件。·进入程序执行阶段后，输入采样过程即已结束，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。执行用户程序·PLC的用户程序由若干条指令组成，在用户程序存储器中顺序排列。·在RUN模式下，若无跳转指令，PLC将逐条顺序扫描执行用户程序。·执行程序指令时，所需要的输入状态或其它编程元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，并根据指令要求执行相应的逻辑运算。·程序执行结果写入到元件映像寄存器中，这就是说，对于每个编程元件来说，元件映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变化。·执行程序时对输入/输出的存取对象为元件映像寄存器，而非实际的I/O点，一方面可加快读写速度，另一方面可保证各I/O点状态固定不变，程序执行完后再通过输出过程映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。通信处理在通信处理请求阶段，PLC处理从通信接口和智能模块接收到的信息，与计算机和智能设备交换数据，协调工作。CPU自诊断测试在自诊断测试处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。5.输出刷新程序执行完后进入输出刷新阶段。此时将元件映像寄存器中所有的输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再通过输出模块去驱动输出设备（负载），这就是PLC的实际输出。中断程序的处理如果程序中使用了中断，中断事件发生时，CPU停止执行正常的扫描工作方式，立即执行中断程序。中断功能可以提高PLC对某些事件的响应速度。立即处理在程序执行过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读入输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。扫描周期·PLC在RUN工作模式下，执行一次完整的扫描工作操作所需的时间称为扫描工作周期。·扫描时间取决于扫描速度和用户程序的长短，其典型值为1-100ms。它由扫描工作过程中的五个工作阶段分时操作过程组成。·当PLC的CPU模块确定后，扫描速度就确定下来了。除用户程序执行时间外，其它四个工作过程所花时间即基本确定了。·用户程序执行时间则与用户程序的指令数量有关，用户程序越长，指令数量越多，PLC的扫描工作周期越长。2.3PLC编程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。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：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。1.IEC61131-3标准的5种编程语言：(1)顺序功能图(SequentialFunctionChart)；(2)梯形图(LadderDiagram)；(3)功能块图(FunctionBlockDiagram)；(4)指令表(InstructionList)；(5)结构文本(StructuredText)。2.顺序功能图是一种位于其它编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。它提供了一种组织程序的图形方法，步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元素。有三种基本结构：顺序结构（单系列）、选择系列和并行系列。梯形图程序梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。是使用得最多的PLC图形编程语言。梯形图与工厂的继电器控制系统的电路图相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的技术人员掌握，特别适合于开关量逻辑控制。4.功能块图是一种类似于数字逻辑电路的一种编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。该编程语言使用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量。5.指令表程序指令是程序的最小独立单位，用户程序是由若干条顺序排列的指令构成的。一条指令由一个操作码和一个操作数组成，操作数由标识符和参数组成。操作码定义要执行的功能，它告诉CPU该执行什么操作；操作数为执行该操作所需要的信息，它告诉CPU用什么去做。一般情况下，指令的操作数在PLC的存贮器中。结构文本是为国际标准IEC61131-3标准创建的一种专用的高级语言。与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写程序非常简洁和紧凑。2.4PLC的经验设计法本质：实际上是试图用输入信号X直接控制输出信号Y，如果无法控制或为了解决记忆、联锁、互锁等功能，只好被动地增加一些辅助元件和辅助触点，由于各系统输出量Y与输入量X之间的关系和对联锁、互锁的要求千变万化，不可能找出一种简单通用的设计方法。特点：设计方法没有普遍规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一的，设计所用的时间、设计质量与设计者的经验有很大关系，设计出的程序可读性差，可维护性差。一、顺序功能图中的步与动作可以将被控系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步，并用编程元件（如位存储器M和顺序控制继电器S）来代表各步。根据输出量的状态变化来划分步：在任何一步之内，各输出量的接通/断开状态不变，但相邻两步输出量总的状态不相同。然后确定步与步之间的转换条件，若上一步为活动步，且由上一步到当前步的转换条件成立，则发生步的活动状态的进展，当前步变为活动步，上一步变为静步。各步相应的输出即命令或动作，当步处于活动状态时，相应的动作被执行；处于不活动步时，相应的动作被停止。顺序控制设计法用转换条件控制代表各步的编程元件，让它们的状态按一定的顺序变化，然后用代表各步的编程元件去控制PLC的各输出位。顺序功能图中转换实现的基本规则转换实现的条件该转换的所有前级步都是活动步，相应的转换条件得到满足。2.转换实现应完成的操作使所有由有向连线与相应转换符号相连的后续步都变为活动步使所有由有向连线与相应转换符号相连的前级步都变为不活动步3.绘制顺序功能图时的注意事项·顺序功能图中，两个步不能直接相连，须用一个转换将它们隔开。·两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。·初始步必不可少，且必须初始化激活系统才可能启动。单周期操作的控制系统：当启动信号到来时，系统从初始步开始运行，在执行完一次工艺过程的全部操作之后，从最后一步返回到初始步，系统停止在初始状态，等待下一次启动信号的到来。连续循环工作的控制系统：当启动信号到来时，系统从初始步开始运行，在执完一次工艺过程的全部操作之后，系统从最后一步返回到工作周期中开始运行的第一步（即初始等待步），继续执行下一个周期的操作，直到系统的停止信号到来时，系统执行完一个工作周期后，返回并停在初始等待状态（即初始等待步），等待下一个启动信号的到来。2.5PLC计数器指令加计数器（CTU——CountUp）当复位端（R）断开（无复位信号）时，加计数器对来自计数输入端（CU）的脉冲信号上升沿进行计数，直至计数最大值32767。当前值大于等于设定值PV时，计数器位被置1。当复位输入R为ON或执行复位指令时，计数器被复位，计数器位变为OFF，当前值被清零。计数器编号范围为C0~C255。不同类型的计数器不能使用相同编号。减计数器（CTD——CountDown）当装载输入端（LD）断开（无复位信号）时，减计数器对来自计数输入端（CD）的脉冲信号上升沿从设定值开始进行减计数，当前值减至0时，计数器停止计数，计数器位被置1。当装载输入端（LD）复位输入为ON或执行复位指令时，计数器被复位，计数器位变为OFF，并把设定值装入当前值寄存器。加减计数器（CTUD）·在加计数输入脉冲CU的上升沿，计数器的当前值加1，在减计数输入脉冲的上升沿，计数器的当前值减1。当前值大于等于设定值PV时，计数器被置位。若复位输入R为ON，或对计数器执行复位操作时，计数器被复位。·当前值为最大值32767(十六进制数16＃7FFF)时，下一个CU输入的上升沿使当前值加1，变为最小值－32768(十六进制数16＃8000)。当前值为－32767时，下一个CD输入的上升沿使当前值减1，变为最大值32767。在指令表中，栈顶值是复位信号R，减计数输入CD在堆栈的第2层，加计数输入CU在堆栈的第3层。4.单个触点的串并联处理·在设计并联电路时，应将单个触点支路放在下面；·设计串联电路时，应将单个触点的支路放在右边。5.定时器指令接通延时定时器·接通延时定时器(TON)在使能输入端(IN)的输入电路接通时开始定时。当前值和设定值均为16位有符号整数(INT)。当前值大于等于预置时间(PT—PresetTime)端指定的设定值(1~32767)时，定时器位变为ON，梯形图中该定时器的常开触点接通，常闭触点断开。(达到设定值后，当前值仍继续增大，直到最大值32767)·输入电路断开时，定时器自动复位，当前值被清零，定时器位变为OFF。CPU第一次扫描时，定时器被清零。·定时器有1ms、10ms和100ms三种分辨率，分辨率与定时器的编号有关。定时器的设定时间等于设定值与分辨率的乘积。设定值除可使用常数外，还可以使用VW、IW等作为它们的设定值。·接在断开延时定时器（TOF）IN输入端的输入电路接通时，定时器位变为ON，当前值被清零。输入电路断开后开始定时，当前值从0开始增大。当前值等于设定值时，输出位变为OFF，当前值保持不变，直到输入电路接通。·该定时器用于设备停机后的延时，如大型电动机冷却风扇的延时。·TON和TOF不能共享相同的定时器号。可以用复位指令复位定时器。在第一个扫描周期非保持型定时器TON和TOF被自动复位，当前值和定时器位均被清零。保持型接通延时定时器(RetentiveOn-DelayTimer，TONR)·当输入电路接通时开始定时，输入电路断开时，当前值保持不变。当前值大于等于PT端的设定值时，定时器位变为ON。（达到设定值后，当前值仍继续增大，直到最大值32767）。·可以用TONR来累计输入电路接通的若干个时间间隔。·只能用复位指令(R)来复位TONR。在第一个扫描周期，所有的定时器位被清零。可以在系统块中设置TONR的当前值是否有断电保持功能。十字路口交通信号灯控制系统设计3．1控制要求 分析控制模型的控制要求，绘出其顺序功能图，分配PLC的I/O接口及其它编程资源，编制出满足模型控制要求的梯形图用户程序，上机调试用户程序，在实验室模拟运行模型的控制过程，实现对该过程的自动控制，经教师现场验收合格，以论文格式写出实验报告。3．2控制时序十字路口交通信号灯控制时序图3．3PLC交通灯毕业设计模型PLC交通灯毕业设计模型3．4I/O分配3．5PLC交通灯设计的顺序功能图据题目要求：在十字路口的东西、南北主干道上装设红灯、绿左转、绿直行和黄灯，控制机动车辆和非机动车辆，人行斑马线上装设红、绿灯控制行人。其控制过程为：东西南北方向主干道的红灯一直处于点亮状态，提示主干道上左转通行时直行禁止通行，直行通行时左转禁止通行，只有红灯亮时该方向车辆禁止通行。主干道车辆通行时交通灯信号的变化规律为：左转绿灯亮15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后直行绿灯亮（同时东西方向人行道绿灯亮），15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后绿灯全部熄灭，只有红灯亮，车辆禁止通行。人行道斑马线上的绿灯状态与直行绿灯信号相同，可用同一个控制信号。故整个控制系统需设置两个输入接口：X400接启动输入开关SB1，X401接停止输入开关SB2；再设置九个输出端口分别控制各信号灯。按照所要求的时序图，该题共设计了12个工步，分别是M0.0、M0.1、M0.2、M0.3、M0.4、M0.5、M0.6、M0.7、M1.0、M1.1、M1.2、M1.3、M1.4。九个状态：Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1。并根据左转绿灯亮15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后直行绿灯亮（同时东西方向人行道绿灯亮），15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后绿灯全部熄灭，只有红灯亮，车辆禁止通行，设计的顺序功能图如下所示：PLC交通灯设计的顺序功能图各状态所对应的符号如下表：R0主道红灯Q0.1R1人行道东西方向红灯Q0.2R2人行道南北方向红灯Q0.3B1'主道南北左转绿灯Q0.4B2'主道东西左转绿灯Q0.5B1主道南北直行绿灯Q0.6B2主道东西直行绿灯Q0.7Y1主道南北黄灯Q1.0Y2主道东西黄灯Q1.1SB1启动开关I0.0SB2停止开关I0.13．6PLC交通灯设计梯形图按照所要求的时序图，共设计了12个工步，分别是M0.0、M0.1、M0.2、M0.3、M0.4、M0.5、M0.6、M0.7、M1.0、M1.1、M1.2、M1.3、M1.4。九个状态：Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1。左转绿灯亮15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后直行绿灯亮，15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后绿灯全部熄灭，红灯亮，车辆禁止通行,PLC交通灯设计梯形图如下：PLC交通灯设计总结本系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对交通灯的控制。在设计过程中，都会遇到这样那样的问题，同时，在设计过程中发现自