PLC十字路口紅綠燈課程設計(帶梯形圖)

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電氣與電子信息工程學院 電氣控制與 PLC 課程設計 設計報告 名 稱 十字路口紅綠燈的設計 專業(yè)名稱 電氣工程及其自動化 班 級 學 號 姓 名 指導教師 設計時間 2013 年 6 月 3 日 2013 年 6 月 14 日 設計地點 K3 218 PLC 實驗室 摘 要 PLC 可編程序控制器是以微處理器為基礎 綜合了計算機技術 自動控制技 術和通訊技術發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置 它具有結構簡單 編程方便 可 靠性高等優(yōu)點 已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動控制中 據統計 可編程控制器 是工業(yè)自動化裝置中應用最多的一種設備 專家認為 可編程控制器將成為今后工 業(yè)控制的主要手段和重要的基礎設備之一 PLC 機器人 CAD CAM 將成為工業(yè)生產 的三大支柱 由于 PLC 具有對使用環(huán)境適應性強的特性 同時其內部定時器資源十 分豐富 可對目前普遍使用的 漸進式 信號燈進行精確控制 特別對多岔路口的 控制可方便地實現 因此現在越來越多地將 PLC 應用于交通燈系統中 可縮短車輛 通行等候時間 實現科學化管理 在該設計中 還引入 EDA 模擬十字路口紅綠燈閃 亮及車輛通行 十分形象地顯示出了 PLC 在交通燈系統中的實際應用 關鍵詞 十字路口 交通燈 PLC Abstract The PLC programmable logic controller is a new industrial control devices which is based on microprocessor synthesizes computer technology automatic control technology and communication technologies It has the simple structure the convenient programming the reliable higher merit and has widely used in the commercial run and position automatic control Statistics have indicated the programmable controller is most one kind of equipment in the industrial automation installment applies The expert believed that the programmable controller will become the main method and one of important foundation equipment in further PLC the robot CAD CAM will become the industrial production three big props Because PLC adapts to environment strong simultaneously its internal timer resources are extremely rich which carry on the accuracy control to the present universal use many the evolution type the signal light special to the multi road fork control Therefore the present PLC is used in the traffic light system which may reduce the vehicles general waiting time and realize scientific style management In this design also introduces the EDA simulation intersection traffic light to glisten and the vehicles to passes through which visual demonstrates PLC in the traffic light system practical application Key words crossroads traffic light PLC 交通信號燈的作用和意義 隨著社會經濟的發(fā)展 城市交通問題越來越引起人們的關注 人 車 路三者 關系的協調 已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一 城市交通控制系統是 用于城市交通數據監(jiān)測 交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統 它是 現代城市交通監(jiān)控指揮中最重要的組成部分 隨著城市機動車量的不斷增加 許多大城市如北京 上海 南京等出現了交通 超負荷運行的情況 因此 自 80 年代后期 這些城市紛紛修建城市高速公路 在 高速公路建設完成的初期 它們也曾有效地改善了交通狀況 然而 隨著交通量的 快速增長和缺乏對高速道路的系統研究和控制 高速道路沒有充分發(fā)揮出預期的作 用 而城市高速道路在構造上的特點 也決定了城市高速道路的 交通狀況必然受 高速道路和普通道路耦合出交通狀況的制約 所以 如何采用合適的控制方法 最 大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路 緩解主干道與匝道 城區(qū)與周邊地區(qū) 的交通擁堵狀況 越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題 根據交通等工藝控制要求和特點 我們采用了日本三菱公司 FX2N 48MR 三菱 PLC 有小型化 高速度 高性能等特點 三菱可編程控制器指令豐富 可以接各種 輸入 輸出擴充設備 有豐富的特殊擴展設備 其中的模擬輸入設備和通信設備是 系統所必需的 能夠方便地聯網通信 本系統就是應用可編程控制器 PLC 對十 字路口交通控制等實現控制 本系統采用 PLC 是基于以下四個原因 1 PLC 具有很高的可靠性 抗干擾能力 通常的平均無障礙時間都在 30 萬 小時以上 2 系統設計周期短 維護方便 改造容易 功能完善 實用性強 3 干擾能力強 具有硬件故障的自我檢查功能 目前空中各種電磁干擾日 益嚴重 為了保證交通控制的可靠穩(wěn)定 我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下 正常工作的 PLC 4 近年來 PLC 的性能價格比有較大幅度的提高 使得實際應用成為可能 一 PLC 的基礎 PLC 即可編程控制器 Programmable logic Controller 是指以計算機技術 為基礎的新型工業(yè)控制裝置 在 1987 年國際電工委員會 International Electrical Committee 頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義 可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統 專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的 它采用一類可編程的存儲器 用于其內部存儲程序 執(zhí)行邏輯運算 順序控制 定 時 計數與算術操作等面向用戶的指令 并通過數字或模擬輸入 輸出控制各種類 型的機械或生產過程 可編程控制器及其有關外部設備 都應按易于工業(yè)控制系 統聯成一個整體 易于擴充其功能的原則設計 總之 可編程控制器是一臺專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的計算機 它是將傳統的 繼電器技術 計算機技術和通信技術相融合而發(fā)展起來的一種新型的控制裝置 在具體的國內工業(yè)應用中 由于它不是針對某一具體工業(yè)應用 因此它的硬件應根 據實際需要來進行配置 其軟件則根據控制要求進行編寫 隨著微處理器的出現 大規(guī)模 超大規(guī)模 集成電路技術的迅速發(fā)展和數據通 信技術的不斷進步 PLC 也迅速發(fā)展其發(fā)展過程大致可以分為三個階段 1 1 早期的 PLC 早期的 PLC 稱為可編程邏輯控制器 這時 PLC 主要功能只是執(zhí)行原先由繼器 完成的順序控制 定時等 早期的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置 其優(yōu)點包括 簡單易懂 便于安裝 體積小 能耗低 有故障指示及能重復使用等 其中 PLC 特 有的編程語言 梯形圖 一直沿用到現在 2 中期的 PLC 這時 PLC 產品已使用了 16 位 32 位高性能微處理器 而且實現了多處理器的 多通道處理 通信技術是 PLC 的應用得到了進一步的發(fā)展 在硬件方面 除了保留 原有的開發(fā)模塊外 還增加了模擬量模塊 遠程 I O 模塊 各種特殊功能模塊 并 擴大了存儲器的容量 使各種邏輯線圈的數量增加 還提供了一定數量的數據寄存 器 使 PLC 的范圍更大 在軟件方面 還增加了算術運算 數據處理和傳送通信 直診斷等功能 3 近期的 PLC 由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展 微處理器價格的大幅度下降 使的各 種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高 為了提高 PLC 的處理速度 各制 造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片 世界上生產 PLC 產品的廠家多達 200 多 個 其中比較著名的有美國的 AB 通用 GE 日本的三菱 MITSBISHI 歐姆龍 OMRON 松下 德國的西門子 SIEMENS 韓國的三星 SUMSUNG LG 等 1 1 PLC 的特點 PLC 具有以下主要特點 1 可靠性高 抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能 PLC 由于采用現代大規(guī)模集成電路技術 采用嚴格的生產工藝制造 內部電路采取了先進的抗干擾技術 具有很高的可靠性 由于 PLC 模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路 所以的 I O 接口電路均采用光電 隔離 在結構上對 防潮 防塵 抗震等都有周到的考慮 在硬件上采用隔離 濾波 屏蔽 接地等抗干擾措施 在軟件上采用數字濾波等抗干擾和故障診斷措施 以上 這些使 PLC 具有較高的抗干擾能力 2 控制系統結構簡單 通用性強 在 PLC 控制系統中 只需要在 PLC 輸入 輸出端子上接入相應的信號線即可 不需要連接如繼電器之類的低壓電器和大量而又復雜的硬件接線線路 大大簡化 了控制系統的結構 PLC 的輸入 輸出可直接與交流 220V 直流 24V 等強電相連 并且具有較強的帶負載能力 3 編程方便 易于使用 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機 是面向工礦企業(yè)的工控設備 它接口容易 編 程語言易于為工程技術人員接受 梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路 圖相當接近 只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的 功能 為不熟悉電子電路 不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控 制打開了方便之門 4 功能完善 PLC 發(fā)展到今天 已經形成了大 中 小各種規(guī)模的系列化產品 可以用于各 種規(guī)模的工業(yè)控制場合 除了邏輯處理功能以外 現代 PLC 大多具有完善的數據運 算能力 可用于各種數字控制領域 近年來 PLC 的功能單元大量涌現 使 PLC 滲透 到了位置控制 溫度控制 CNC 等各種工業(yè)控制中 在 PLC 內部具備許多控制功能 如 邏輯控制 定時控制 計數控制 步進控制 PID 控制 數據控制 通信和聯 網 還有其他特殊功能模塊 5 設計 施工 調試的周期短 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯 大大減少了控制設備外部的接線 使控制系統 設計及建造的周期大為縮短 同時維護也變得容易起來 更重要的是使同一設備經 過改變程序改變生產過程成為可能 這很適合多品種 小批量的生產場合 6 體積小 維護操作方便 PLC 體積小 質量輕 便于安裝 不需要專門的機房 可以在各種工業(yè)環(huán)境下 直接運行 使用時只需將現場的各種設備與 PLC 相應的 I O 端相連接 即可投入運 行 各種模塊上均有運行和故障指示裝置 便于用戶了解運行情況和查找故障 1 2 PLC 的結構和工作原理 1 2 1 PLC 的基本結構 在種類繁多的 PLC 中 其組成結構和工作原理都基本相同 用 PLC 實施控制 其實質是按一定算法進行輸入 輸出轉換 并將這個轉換給予物理實現 并應用于 工業(yè)現場 PLC 專為工業(yè)現場而設計 采用了典型的計算機結構 它主要由 CPU 電源 存儲器和專門設計的輸入 輸出接口電路等組成 2 1 中央處理器 CPU 中央處理器 CPU 一般由控制器運算器和寄存器組成 它們都集成在一個芯片 內 CPU 通過數據總線 地址總線和控制總線與存儲單元輸入 輸出接口電路相連接 與一般計算機一樣 CPU 是 PLC 的核心 它按照 PLC 中系統程序賦予的功能指揮 PLC 有條不序地進行工作 用戶程序和數據事先存入存儲器中 當 PLC 處于運行方 式時 CPU 按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序 CPU 的主要任務如下 1 按 PLC 系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序和數據 2 用掃描方式接收現場輸入裝置的狀態(tài)與數據 并存入輸入映像寄存器或數 據寄存器 3 診斷電源或 PLC 內部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤 4 在 PLC 進入運行狀態(tài)后 從存儲器中逐條讀取用戶 程序經過命令解釋后 按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號 去啟 閉有關控制電路 分時地去執(zhí)行數 據的存取 傳送 組合 比較 變換等動作 完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運算或算 術運算等任務 根據運算結果更換有關標志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內容 實 現輸出 制表 打印或數據通信等控制 2 存儲器 PLC 的存儲器包括系統存儲器和用戶存儲器兩個部分 1 系統存儲器 系統存儲器是指用來存放 PLC 的系統程序的存儲器 它由 PLC 生產廠家編寫并 固化在 ROM 內 用戶不能直接更改 它使 PLC 具有基本的功能 能夠完成 PLC 設計 者規(guī)定的各項工作 其主要內容包括 3 個部分 系統管理程序 用戶指令解釋程 序和標準程序模塊與系統調試 2 用戶存儲器 用戶存儲器由用戶程序存儲器和數據存儲器兩部分組成 其主要任務作用是用 來存放用戶針對具體控制任務用規(guī)定的 PLC 編程語言編寫的各種用戶程序 PLC 使 用的存儲器有 3 種類型 隨機存取存儲器 RAM 只讀存儲器 ROM 和可擦除可編程 只讀存儲器 EEPRO 3 輸入 輸出接口單元 PLC 的輸入和輸出信號類型可以是開關量 模擬量和數字量 輸入 輸出接口單 元從廣義上可分為 2 個部分 一部分是與被控制設備相連的接口電路 另一部分是 輸入和輸出的映像寄存器 4 擴展接口和通信接口 PLC 具有擴展接口和通信接口的能力 其作用如下 1 擴展接口的作用是將擴展單元和功能模塊與基本單元相連 是 PLC 的配置更 加靈活以滿足不同控制的系統需求 2 通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機和其他的 PLC 或 計算機相連從而實現 人 機 或 機 機 之間的對話 5 電源部分 PLC 一般使用 220 交流電源 內部的開關電源位 PLC 的中央處理器 存儲器等 電路提供 5V 12V 24V 等直流電源使 PLC 能正常工作 6 編程設備 編程設備的作用是供用戶進行程序的編制 編輯 調試和監(jiān)視 7 其他部件 有些 PLC 還可以有 ERROM 寫入器 存儲器卡等其他外部設備 用于增強 PLC 的 存儲容量和擴展功能 1 2 2 PLC 的工作原理 PLC 在程序運行方式 輸入輸出操作 特殊功能模塊等方面做了特別的考慮 2 1 PLC 的 3 個工作階段 當 PLC 投入運行后 其工作過程一般分為輸入采樣階段 用戶程序執(zhí)行階段和 輸出刷新階段三個階段完成 上述 3 個階段即為一個周期 在整個運行期間 PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述 3 個階段 1 輸入采樣階段 PLC 在輸入采樣階段 先掃描所以輸入端子并將各輸入端子 狀態(tài)存入對應的輸入元件映像寄存器 此時 輸入元件映像寄存器被刷新 接著進 入用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段 輸入元件映像寄存器與外 界隔離 無論輸入端子信號如何變化 輸入元件映像積存器始終保持不變 直到下 個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內容重新寫入 2 用戶程序執(zhí)行階段 根據 PLC 梯形圖程序掃描規(guī)則 PLC 以先左后右 先上 后下的步序逐句掃描 當指令中涉及輸入 輸出時 PLC 從輸入映像寄存器中讀入上 一階段采入的對應輸入端子狀態(tài) 從輸出映像寄存器讀入對應輸出映像寄存器的當 前狀態(tài) 然后 進行相應的運算 運算結果在存入元件映像寄存器中 對元件映像 來說 每一個元件的狀態(tài)會隨程序的執(zhí)行過程而變化 3 輸出刷新階段 在所有指令執(zhí)行完畢后 輸出映像寄存器中所有繼電器的 狀態(tài)在 通 斷 在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中 通過一定方式輸出驅動外 部負載 對于小型 PLC I O 點數較少 用戶程序較短 用集中采樣集中輸出的工 作方式 雖然在一定程度上降低了系統的響應速度 但從根本上提高了系統的抗干 擾能力 增強了系統的可靠性 2 PLC 對輸入 輸出的處理規(guī)則 PLC 對輸入 輸出的處理規(guī)則如下 輸入映像寄存器的數據取決于輸入端子板上 各輸入點在上有個刷新期間的通 斷狀 二 交通燈信號控制系統 2 1 十字路口交通燈控制實際情況 a 南北主干道 右轉綠 4S 左轉綠 4S 直行綠 10S 黃 2S 紅 20S b 東西人行道 紅 30S 綠 10S c 東西主干道 紅 20S 右轉綠 4S 左轉綠 4S 直行綠 10S 黃 2S d 南北人行道 紅 30S 綠 10S e 循環(huán)控制方式 f 交通燈變化順序表 單循環(huán)周期 40 秒 2 1 1 南北向 列 和東西向 行 主干道 南北向 列 和東西向 行 主干道均設有直行綠燈 10S 右轉綠燈 4S 左轉 綠燈 4S 黃燈 2S 和紅燈 20S 當南北主干道紅燈點亮時 東西主干道應依次點亮 右轉綠燈 左轉綠燈 直行綠燈和黃燈 反之 當東西主干道紅燈點亮時 南北主 干道依次點亮右轉綠燈 左轉綠燈 直行綠燈和黃燈 2 1 2 南北向和東西向人行道 向和東西向人行道均設有通行綠燈和禁行紅燈 南北人行道通行綠燈應在南主 干道直行綠燈點亮時點亮 10S 其它時間為紅燈 30S 東西人行道通行綠燈于東西 主干道直行綠燈點亮時點亮 其它時間為紅燈 2 2 結合十字路口交通燈的路況模擬控制實驗 在 PLC 交通燈模擬模塊中 主干道東西南北每面都有 3 個控制燈 分別為 禁止通行燈 亮時為紅色 準備禁止通行燈 亮時為黃色 直通燈 亮時為綠色 另外行人道東西南北每面都有 2 個控制燈 分別為 禁止通行燈 亮時為紅色 直通燈 亮時為綠色 結合十字路口交通燈實際情況設計交通燈模擬控制系統如下 2 3 流程圖 啟動開關 南北右轉綠 4S 南北左轉綠 4S 南北直行綠 10S 南北黃 2S 南北紅 20S 東西紅 20S 東西右轉綠 4S 東西左轉綠 4S 東西直行綠 10S 東西黃 2S 結束 主干道 啟動開關 人行道 三 可編程控制器程序設計 3 1 可編程控制器 I O 端口分配 3 2 程序梯形圖 南北主干道綠燈 Y001 東西主干道綠燈 Y011 南北主干道黃燈 Y002 東西主干道黃燈 Y012 南北主干道紅燈 Y003 東西主干道紅燈 Y013 南北右轉綠燈 Y004 東西行右轉綠燈 Y014 南北左轉綠燈 Y005 東西行左轉綠燈 Y015 南北人行道綠燈 Y006 東西人行道綠燈 Y016 南北人行道紅燈 Y007 東西人行道紅燈 Y017 控制開關 X024 南北人行道紅 8S 南北人行道綠 10S 南北人行道紅 22S 東西人行道紅 28S 東西人行道綠 10S 東西人行道紅 2S 結束 3 3 程序語句 總結 經過兩周的 PLC 設計 讓我更加深刻的學習和鞏固了 PLC 這門課程 不僅從理 論上掌握了課堂上沒有學懂得知識 還從實踐中擴寬了我們的知識面 還讓我們對 專業(yè)知識有了更加全面的認識 更加清晰的認識到我們專業(yè)知識的實用性是這么強 可以通過平時學習的東西自己可以解決很多有意思的實際生產問題 不僅培養(yǎng)了我 們的興趣和愛好 更對我們今后的發(fā)展起到至關重要的作用 在這次設計中 我們遇到了一些問題 也獲得了很到意想不到的知識 在每次 突破一個問題后都有一種久違的滿足感 甚至對發(fā)現一個問題都有一種莫名的興奮 當看到自己設計的十字路口交通燈調試成功時 心里有種成就感 設計的前幾天我 們在計算機房練習了一種新的編程軟件 FX 20 編程器很好的幫助我們了解編程要 注意的地方 后面幾天我們在 PLC 實驗室進行了十字路口交通燈和電動機變頻調速 的編程 調試與接線 在與同學們交流討論中 我們基本上掌握了梯形圖的的編程 接線和變頻調速的調試 對 PLC 的實際應用有了基本的了解 這次設計不僅鍛煉了我們的動手能力 還提高了我們運用理論知識解決實際 問題的能力 這對于我們在以后的學習提供了很大的幫助 能夠讓我們聯想實際 能夠較全面的看待問題 解決問題 這次設計雖然結束了 但讓我們學到了很多知 識 為我們的以后專業(yè)學習打下了夯實的基礎 這次設計很有意義 希望以后還能 有這樣的設計機會 PLC 綜合設計課程設計成績評定表 姓 名 羅 洋 學號 201040220227 專業(yè)班級 10 級電氣工程及其自動化 課程設計題目 十字路口紅綠燈控制 課程設計答辯記錄 BIN 指令的作用 答 將源元件中的 BCD 碼轉換成二進制數并送到指定目標元件中 ADD 指令在這個程序中的作用 答 確保后面的變量能跟著 D10 一起變化 防止出錯 成績評定及依據 1 課程設計考勤情況 10 2 設計調試情況 30 3 設計答辯 20 4 設計報告 完成情況 報告規(guī)范性等情況 40 最終評定成績 以分數和優(yōu) 良 中 及格 不及格評定 指導教師簽字 2013 年 4 月 20 日