带转向交通灯PLC设计报告

《电气控制》课程设计说明书带转向的十字路口交通灯课程设计院、部：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：罗雪莲职称教授专业：班级：完成时间：2013年6月12日摘要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。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测，交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥中最重要的组成部分。随着交通灯的建立，晚上车子少时，它也按白天模式进行运行，让许多车主浪费了很多宝贵时间，所以通过该设计得以解决这一问题。该设计通过可编程控制器对交通灯的控制，可以达到两种模式独立运行的交通灯状态，该设计以可编程控制器为主，加上适当的定时器对时间方面的控制便可达到预期的目标，既能对人车路的关系进行协调，又能解决夜间红灯浪费时间的问题。针对该设计需要解决的问题，该设计采用了步进指令使用GXDeveloper程序对应解决的问题编写对应的梯形图，最后利用三菱可控制编程器进行调试，最终实现了对交通灯的自动控制。关键词：交通灯；可编程控制器；梯形图

ABSTRACTWiththedevelopmentofsocietyandeconomy,citytrafficproblemscausedbymoreandmorepeople'sattention.People,vehicles,roadcoordinationrelationshipbetweenthethree,hasbecomeoneoftheimportantproblemsoftrafficmanagementdepartmentstosolvethe.Citytrafficcontrolsystemforcitytrafficdatamonitoring,trafficsignalcontrolandtrafficmanagementcomputersystem,itisthemostimportantpartofthemoderncitytrafficmonitoringandcommand.Withtheestablishmentoftrafficlights,thenightthecarless,itisdaytimemodeofoperation,somanyownerstowastealotofvaluabletime,sotosolvethisproblemthroughthedesign.Thedesignoftheprogrammablecontrollerforthecontroloftrafficlights,canachievethetwotrafficlightstatemodelofindependentoperation,thedesignoftheprogrammablecontroller,thecontrolwithappropriatetimertotimecanreachtheexpectedgoal,cancarryouttheharmoniousrelationshipofpeoplevehicleroad,andcansolveredlightatnighttimewastingproblem.Accordingtothisdesignneedstosolvetheproblem,thisdesignusesastep-by-stepinstructionusingtheGXDeveloperprogramcorrespondingtosolvetheproblemofladderdiagramcorresponding,theMitsubishicancontrolprogrammerdebugging,finallyrealizestheautomaticcontroloftrafficlights.Keywords：trafficlights;PLC;ladderdiagram目录TOC\o"1-3"\h\u278381概述……………………118501.1交通灯的发展及应用…………（1）CPU的构成：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。（2）I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。（3）电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。（4）底板或机架：大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。（5）PLC的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类①编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。②设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。③存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。④输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。（6）PLC的通信联网：PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。2系统方案及硬件设计2.1设计课题带有转向灯的十字路口交通信号灯PLC控制系统设计2.2方案比较方案一：基于数字电路的交通灯控制系统，数字电路是我们最常用的一种控制电路，但数字电路有很多弊端，首先就是电路设计起来很复杂，其次就是电路一旦设计好后其参数就不能改变，工作起来也不是很容易受到外界信号的干扰，所以其很显然不利于现代交通灯智能控制的发展。方案二：基于单片机的交通灯控制系统，在单片机控制系统电路中需要加入A/D，D/A转换器，线路复杂，还要分配大量的中断口地址。而且单片机控制电路易受外界环境的干扰，也具有不稳定性。另外控制程序需要具有一定编程能力的人才能编译出，在维修时也需要高技术的人员才能修复，所以基于单片机实现的交通灯控制系统也不是最理想的选择。方案三：基于PLC的交通灯控制系统，PLC作为一种新型的自动控制设备，具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上在安装，操作和维护也较容易；编程简单，PLC的基本指令不多，编程器使用比较方便；起程序设计和产品调试周期短，具有很好的经济效益。2.3方案论证与选择综上所述，我选择第三种方案，因为PLC相比其它控制系统它具有以下特点：(1)抗干扰能力强，可靠性高继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。(2)配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

(5)体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。基于PLC的交通灯控制系统它的可靠性高，抗干扰强，结构简单，使用、维护方便，功能强大，还有它的体积小，重量轻，功耗低等特点。为了设计出简单实用的控制系统，所以用它来解决当前交通系统的状况。2.4设计任务及要求(1)有夜间黄灯常闪控制，其余灯关闭（起动为“0”）(2)有左转方向灯控制，控制时序图如下：（左转“1”=绿灯“0”=红灯）。2.5硬件设计(1)PLC型号选择：

根据输入输出点数合理选择PLC，由表2可知输入使用3点，输出使用8点，考虑到以后使用中的升级、添加功能的需要，点数应略多于现用的点数，装置带有步进电机驱动，要求输出脉冲信号；根据上述要求，选择三菱FX2N-32MR型号的PLC作为带转向灯十字路口交通灯所用的器件。I/O分配表如表2：表2输入白天模式控制开关SA0X0夜间模式控制开关SA1X1系统总开关SA2X2输出南北红灯VD0Y0东西绿灯VD1Y1东西黄灯VD2Y2东西左转绿灯VD3Y3东西红灯VD4Y4南北绿灯VD5Y5南北黄灯VD6Y6南北左转VD7Y7.硬件电路图连接如图2所示：图2硬件电路接线图3交通灯的软件设计3.1定时器在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生错误动作。定时器通道范围如下：100ms定时器T0～T199，共200点，设定值：0.1～3276.7秒；10ms定时器T200～TT245，共46点，设定值：0.01～327.67秒；1ms积算定时器T245～T249，共4点，设定值：0.001～32.767秒；100ms积算定时器T250～T255，共6点，设定值：0.1～3276.7秒；定时器指令符号及应用如下图3所示：图3继电器的应用当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10ms的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒（10*123ms=1.23s）时才动作，当T200触点吸合后，Y000就有输出。当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。3.2定时器的设置为了明确各定时器的作用，以便于理解各个灯的状态转换的准确时间，表3列出了定时器的功能如下：表3定时器设置定时器定时时间功能T05S南北红灯亮5秒，T120S东西绿灯亮20秒T23S东西黄灯闪亮3秒T32S东西左转灯亮2秒T45S东西红灯亮5秒T520S南北绿灯亮20秒T63S南北黄灯亮3秒T72S南北左拐灯闪2秒3.3交通信号灯模拟控制时序图如图4所示：图4时序图3.4交通灯工作时的程序（1）白天模式，南北红灯亮东西红灯亮南北左转绿灯亮，其梯形图如下图5所示：图5（2）白天模式，南北红灯亮东西绿灯亮，其梯形图如下图6所示：图6（3）白天模式，南北红灯亮东西绿灯闪烁周期1s，其梯形图如下图7所示：图7（4）白天模式，南北红灯亮东西黄灯亮，其梯形图如下图8所示：图8（5）白天模式，南北红灯亮东西左转绿灯亮东西红灯亮，其梯形图如下图9所示：图9（6）白天模式，南北绿灯亮东西红灯亮南北绿灯亮，其梯形图如图10所示：图10（7）白天模式，东西红灯亮南北绿灯闪烁周期1s，其梯形图如图11所示：图11（8）白天模式，东西红灯亮南北黄灯亮，然后还回执行。其梯形图如图12所示：图12（9）夜间模式，夜间显示模式东南西北黄灯闪烁，其梯形图如图13所示：图134交通灯的仿真与调试4.1编程思想该课程设计是用PLC控制十字路口交通灯，用PLC控制可以实现更多功能，同时也比较简单。最首先的时候该设计打算用基本指令来完成，但是通过进一步的设计发现基本指令对于交通灯来说过于繁琐，通过查阅相关资料，将步进指令加入了该设计进行编程，通过加入步进指令简化了设计思路，从而设计并调试成功。4.2控制系统的程序调试步骤（1）对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。由于本控制系统简单就可以省略这一步。（2）设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。（3）将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。（4）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。4.3调试过程遇到的问题及解决方法（1）在起初情况，按下转换开关，根据设计的要求,应该亮的灯有“南北红灯”、“东西绿灯”，由于设计中未考虑周全，当按下转换开关“X1”时，不仅“南北红灯”、“东西绿灯”亮，而且“南北绿灯”、“东西红灯”也亮，断电后，对程序进行检查，发现把程序转换到高峰时段后，没有对T0终止，所以才会出现灯亮混乱的情况。（2）设计中T0—T5为一个周期，当程序处在早上八点之后的正常时段时，程序运行了一个周期后，就不再循环了。断电后对程序进行检查，发现程序执行完一个周期后，T5没有被复位，检查得知是因为对T0的分段控制不当。对程序进行修改后，调试后都正常。结束语通过该次的PLC课程设计，我学到了很多知识。在老师的帮助、团队组员的合作和自己努力下，我圆满完成了这一次关于交通信号灯的课程设计。首先，要感谢指导老师对我的指导，在这次设计结束后，让我了解到设计任务分配，查阅和收集资料，安装和调试的过程直到最后的文档，我学会了如何将理论与实际相结合。在课程设计的初始阶段，自己并没有非常明确的目标，整天就仅仅只是查阅资料，看课程设计任务书，还有就是通过课本上的内容来扩充自己的知识面。随后，在拟定了一个初步的设计报告之后，我开始着重学习交通信号灯的工作原理，发现交通信号灯的操作过程是通过三段不同的时序图控制，当某一段运行时,另外两段将不能运行，因为它们之间存在互锁。我们的课题的特点是，思路清晰、程序复杂、指令多、语法多、容易出错。我们通过一个总闸和三个按钮，及三段子程序来对整个系统进行控制。逻辑关系是先或、后并、再或，还夹有很多循环。由于在我们的设计过程中，我们还有很多功能指令没学，在老师的提示和同组人员的共同努力下，克服困难，我们把交通灯的每一步动作通过指示灯来观察，不断的修改程序，观察输出。我觉得我们不仅完成了任务书上面的任务，还可以说是一种学习，在没有学习这些指令的情况下，我们可以通过自学的方式来完成，我认为，这种思路还可以运用到其它方面。通过这次课程设计，我已经熟练的掌握里PLC系统的功能，及其软件的使用。参考文献[1]史国生主编.电气控制与可编程控制器技术（第三版）.北京：化学工业出版社，2010ShiGuosheng,electricalcontrolandPLCTechnology(ThirdEdition).Beijing:ChemicalIndustryPress,2010[2]罗雪莲编著.可编程控制器原理及应用.北京：清华大学出版社,2008LuoXuelian,theprincipleofprogrammablecontrollerandapplication.Beijing:Tsinghua[3]钟肇新，范建东.可编程控制器原理及应用（第4版）.广州：华南理工大学出版社，2008clockinvolved,FanJiandong.Principleandapplicationofprogrammablecontroller(FourthEdition).Guangzhou:South[4]胡健主编.西门子S7-300PLC应用教程.北京：机械工业出版社，2007HuJian,SiemensS7-300PLCapplicationtutorial.Beijing:MechanicalIndustryPress,2007[5]柳春生编著.电器控制与PLC（西门子S7-300机型）.北京：机械工业出版社，2010LiuChunshengetal.(SiemenselectriccontrolandPLCS7-300type).Beijing:MechanicalIndustryPress,2010[6]刘美俊编著.西门子S7系列PLC的应用与维护.北京：机械工业出版社，2008editedbyLiuMeijun.TheapplicationandmaintenanceofSiemensS7seriesPLC.Beijing:MechanicalIndustryPress,2008[7]胡学林．可编程控制器应用技术．北京：高等教育出版社，2001HuXuelin.PLCtechnology.Beijing:HigherEducationPress,2001[8]吉顺平．可编程序控制器原理与应用．北京：机械工业出版社，2011JiShunping.Thetheoryandapplicationofprogrammable.Beijing:MechanicalIndustryPress,2011[9]郁汉琪．机床电气及可编程序控制器实验、课程设计指导书．北京：高等教育出版社，2001YuHANKEY.Electricmachineandprogrammablecontrollerexperiment,curriculumdesignguidebook.Beijing:HigherEducationPress,2001[10]《工厂常用高低压电气设备手册》上下册"plantsarecommonlyusedinhighandlowvoltageelectricalequipmentmanual"volumes[11]《工厂常用高低压电气设备手册》增补本"plantsarecommonlyusedinhighandlowvoltageelectricalequipmentmanual"supplement[12]刑郁甫、杨天民、赵积善编.新编实用电工手册,北京：地质出版社，1997XingYufu,YangTianmin,ZhaoJishan.Anewmanual,practicalelectricianBeijing:GeologicalPublishingHouse,1997[13]郑忠等编.新编工厂电气设备手册[M].北京：兵器工业出版社，1994ZhengZhongetal.AnewfactoryelectricalequipmentHandbook[M].Beijing:WeaponIndustryPress,1994