單時段十字路口交通信號燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書.doc

機(jī)電工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：單時段十字路口交通信號燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 丁明瑞 學(xué) 號： 200848050313 專業(yè)班級： 機(jī)制F0802 指導(dǎo)教師： 王宗才 2011年 12 月 8日20內(nèi)容摘要隨著汽車進(jìn)入家庭步伐的加快和城市汽車數(shù)量的增多，城市道路交通問題顯得越來越重要。解決好十字路口交通信號燈控制問題是保障交通有序、安全、快速運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。但現(xiàn)有的十字路口交通信號燈大都采用單片機(jī)或繼電器實(shí)現(xiàn)，在發(fā)生故障是不能發(fā)出警報，存在著功能少、可靠性差、維護(hù)量大等缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)原交通信號燈系統(tǒng)存在的種種缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于PLC控制的單時段十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)，使其在故障時系統(tǒng)能自動報警并自動關(guān)閉所有紅、綠燈，轉(zhuǎn)入提示報警方式。城市道路交通信號控制是典型的開關(guān)量順序控制，采用PLC能充分利用它的優(yōu)點(diǎn)。德國西門子公司的S7-200可編程控制器是積木式結(jié)構(gòu)，安裝比較方便，中央處理單元和信號模板有多種類型。該系統(tǒng)選用的可編程邏輯控制器是德國西門子公司的S7-200，具有一定的智能性。它結(jié)構(gòu)緊湊，擴(kuò)展性良好，指令功能強(qiáng)大，價格低廉，成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。關(guān)鍵詞：十字路口；交通信號燈；可編程控制器；提示警告目 錄內(nèi)容摘要1第1章 引言1第2章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1 系統(tǒng)簡介與分析32.2 硬件選型32.3 I/O點(diǎn)的分配與編號52.4 統(tǒng)接線圖62.5 控制流程圖72.6 梯形圖8結(jié) 論12設(shè)計(jì)總結(jié)13致 謝14附錄 語句表15參考文獻(xiàn)19第1章 引言本課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容是用PLC控制十字路口交通信號燈。其要求如下：1.控制要求：系統(tǒng)工作受開關(guān)控制，啟動開關(guān)“ON”則系統(tǒng)開始工作，啟動開關(guān)“OFF”則系統(tǒng)停止工作，所有燈關(guān)閉。若因故障使東南西北的綠燈同時亮，系統(tǒng)能自動報警并自動關(guān)閉所有紅、綠燈，轉(zhuǎn)入提示警告方式。2.控制對象：東西方向紅燈（REW）兩個；南北方向紅燈 (RSN) 兩個；東西方向黃燈（YEW）兩個；南北方向黃燈 (YSN) 兩個；東西方向綠燈（GEW）兩個；南北方向綠燈 (GSN) 兩個；東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈(LEW)兩個；南北方向左轉(zhuǎn)彎綠燈(LSN)兩個，報警燈一個。3.控制規(guī)律：（1）系統(tǒng)24小時循環(huán)運(yùn)行，工作規(guī)律按時序圖運(yùn)行（見附圖），綠燈閃爍時按0.5秒間隔運(yùn)行。（2）提示警告方式運(yùn)行時，控制規(guī)律為：東、南、西、北四個方向黃燈全部閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮0.4秒，暗0.6秒的規(guī)律反復(fù)循環(huán)。 本文對十字路口交通信號燈控制本文對十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)，運(yùn)用可編程邏輯器件PLC做了軟件與硬件的設(shè)計(jì)，能基本達(dá)到控制要求。系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了小型PLC系統(tǒng)的一個雛形，在完善各項(xiàng)功能方面都還需要進(jìn)一步的分析、研究和調(diào)試工作。如果進(jìn)一步結(jié)合工業(yè)控制的要求，形成一個較為成型的產(chǎn)品，則需要作更多、更深入的研究?？删幊踢壿嬁刂破?Programmable Logic Controller,簡稱 PLC) 根據(jù)國際電工委員會(IEC)在1987年的可編程控制器國際標(biāo)準(zhǔn)第三稿中，對其作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計(jì)數(shù)與算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！笨删幊炭刂破髯鳛槟壳肮I(yè)自動化的重要基礎(chǔ)設(shè)備，被稱為“工業(yè)自動化三大支柱性產(chǎn)業(yè)之一”，在各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著愈來愈大的作用。由于這些特點(diǎn)，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的應(yīng)用。PLC作為一種專用于工業(yè)環(huán)境的、具有特殊結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，有其顯著的特點(diǎn)。(1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/101/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達(dá)30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。(2) 硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器，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(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。(3) 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。(4) 安裝方便，擴(kuò)展靈活。PLC采用標(biāo)準(zhǔn)的整體式和模塊式硬件結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝簡便，接線簡單，工作量相對較小；而且能根據(jù)應(yīng)用的要求擴(kuò)展輸入輸出模塊或插件，系統(tǒng)集成方便靈活。各種控制功能通過軟件編程完成，因而能適應(yīng)各種復(fù)雜情況下的控制系統(tǒng)，也便于控制系統(tǒng)的改進(jìn)和修正，特別適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場合。(5) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 (6) 體積小，重量輕，能耗低。以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，僅相當(dāng)于幾個繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/21/10。它的重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。第2章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)簡介與分析系統(tǒng)是一個十字路口交通燈的PLC控制系統(tǒng)，利用西門子公司的S7-200可編程邏輯控制器對十字路口的交通燈進(jìn)行控制。本系統(tǒng)具有一定的智能性。其時序圖所要實(shí)現(xiàn)的控制要求如下：（1）東西向紅燈，南北向紅燈均亮55s；（2）東西向綠燈，南北向綠燈均亮25s，閃5s；（3）東西向黃燈，南北向黃燈均亮5s；（4）東西向左轉(zhuǎn)綠燈，南北向左轉(zhuǎn)綠燈均亮5s，閃5s；（5）按照同方向紅燈差10s結(jié)束時左轉(zhuǎn)亮5s閃5s完綠燈亮，綠燈亮完綠燈閃， 綠燈閃完黃燈亮再回紅燈，依此循環(huán)。（6）當(dāng)提示警報時如任務(wù)書所示情況工作。2.2 硬件選型由于根據(jù)控制要求所確定的輸入輸出點(diǎn)分別為二個和九個，控制開關(guān)輸入的啟、停信號是輸入信號，在交通燈布置圖中，南北方向的三色燈，共六盞，同顏色的燈在同一時間亮、滅；所以，可將同色燈兩兩并聯(lián)，用一個輸出信號控制。同理，東西方向的三色燈也依次設(shè)計(jì)。再加上東西方向左轉(zhuǎn)的三色燈，共九盞，所以其占9個輸出點(diǎn)。由于我是以一個路口信號單獨(dú)控制為例，考慮到夠用為準(zhǔn)。所以我選擇了CPU224這一具有較強(qiáng)控制功能的控制器。在這里我采用德國西門子公司的S7-200可編程控制器，它是積木式結(jié)構(gòu)，安裝比較方便，中央處理單元和信號模板有多種類型。根據(jù)本系統(tǒng)輸入點(diǎn)數(shù)及控制要求，中央處理單元可選用CPU224，該CPU板上本身具有10個數(shù)字量輸入點(diǎn)，6個非隔離數(shù)字量輸出點(diǎn)，最多能夠帶8個數(shù)字量信號模板，使用內(nèi)部24V直流電源為輸入回路供電，輸出為晶體管式的硬件連接方式。電源模塊將交流電源轉(zhuǎn)換成供CPU，存儲器等所有擴(kuò)展模塊使用的直流電源，是整個PLC系統(tǒng)的能源供給中心，它的好壞直接影響到PLC的穩(wěn)定性和可靠。S7-200屬于小型PLC，電源模塊與CPU模塊封裝在一起，通過連接總線為本機(jī)和擴(kuò)展模塊提供+5V（DC）電源。同時，還可通過端子向外輸出一個+24V（DC）電源，供本機(jī)輸入點(diǎn)和擴(kuò)展模塊繼電器線圈使用。需注意的是，從資料中我了解到，外部電源不可與S7-200的傳感器電源并聯(lián)使用。否則，將會導(dǎo)致兩個電源的竟?fàn)幎绊懰鼈兏髯缘妮敵觯s短其使用壽命，使得一個或兩個電源同時失效，使PLC系統(tǒng)產(chǎn)生不正確的操作。正確的使用方法是S7-200的傳感器電源和外部電源應(yīng)該在不同的點(diǎn)上提供電源，而兩者之間只能有一個會共連接點(diǎn)。另外，在硬件選型時，我還選擇了完成現(xiàn)場測試及軟件編程時所需的一些其他設(shè)備。綜上，得到系統(tǒng)硬件配置如表2-1所示： 表2-1 硬件配置表名 稱數(shù) 量DC24V電源1CPU2241PC/PPI編程電纜1STEP7編程軟件1PC機(jī)12.3 I/O點(diǎn)的分配與編號分析PLC的輸入和輸出信號,在滿足控制要求的前提下,要盡量減少占用PLC的I/O點(diǎn)。由系統(tǒng)控制要求可見，由控制開關(guān)輸入的啟、停信號是輸入信號。由PLC的輸出信號控制各指示燈的亮、滅。在交通燈布置圖中，南北方向的三色燈，共六盞，同顏色的燈在同一時間亮、滅；所以，可將同色燈兩兩并聯(lián)，用一個輸出信號控制。同理，東西方向的三色燈也依次設(shè)計(jì)。再加上東西方向左轉(zhuǎn)的三色燈，共九盞，所以其占9個輸出點(diǎn)。由此可得系統(tǒng)I/O分配如表2-2所示：表2-2 系統(tǒng)I/O分配表控制信號設(shè)備/器件名稱元件符號地址編碼輸入信號啟動信號SB1I0.0停止信號SB2I0.1輸出信號東西方向綠燈HL1-1、1-2Q0.0東西方向黃燈HL2-1、2-2Q0.1東西方向紅燈HL3-1、3-2Q0.2東西方向左轉(zhuǎn)綠燈HL4-1、4-2Q0.3南北方向綠燈HL5-1、5-2Q0.4南北方向黃燈HL6-1、6-2Q0.5南北方向紅燈HL7-1、7-2Q0.6南北方向左轉(zhuǎn)綠燈HL8-1、8-2Q0.7報警燈HL9Q1.02.4 系統(tǒng)接線圖控制系統(tǒng)接線圖如圖2-1所示：圖2-1 系統(tǒng)接線圖2.5控制流程圖本系統(tǒng)的控制流程圖如圖2-2所示：啟動開東西紅燈亮55s東西綠燈亮25s東西綠燈閃5s東西黃燈亮5s南北左轉(zhuǎn)彎綠5s南北左轉(zhuǎn)彎閃5s南北綠燈亮5s南北綠燈閃5s南北黃燈亮5s東西左轉(zhuǎn)彎綠5s東西左轉(zhuǎn)彎閃5s結(jié)束南北紅燈亮55s 圖2-2 控制流程圖2.6 梯形圖控制系統(tǒng)梯形圖如圖2-3所示：圖2-3 梯形圖語句表見附錄結(jié) 論 城市交通燈控制系統(tǒng)采用了PLC比傳統(tǒng)的采用電子線路和繼電器具有可靠性高、維護(hù)方便、使用簡單、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，PLC還可以聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)測各十字路口之間的距離，車流量和車速等，合理確定各路口信號燈之間的時差，把N臺PLC聯(lián)網(wǎng)到一臺控制電腦上，以方便操作、管理和監(jiān)控，從而極大的提高城市道路交通管理能力，減少交通事故的發(fā)生。 在控制方法方面，定時控制不太適合于交通流量有很大變化的交叉口的控制。因此本系統(tǒng)只適合于交通流量不太大的路口。相信隨著時間的推移交通信號燈的控制將發(fā)展得更完善。設(shè)計(jì)總結(jié)通過此次課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論課，技術(shù)基礎(chǔ)課，專業(yè)課的知識和實(shí)踐技能分析和解決實(shí)際工作中的一般工程問題的能力，使我建立了正確的設(shè)計(jì)思想學(xué)會了如何把幾年來所學(xué)的理論知識運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中去。掌握了PLC控制系統(tǒng)的原理，并進(jìn)一步鞏固、擴(kuò)大和深化了我所學(xué)的基本理論，基本知識和基礎(chǔ)技能，提高了我的邏輯思維能力。通過對PLC十字路口交通燈自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使我對所學(xué)PLC內(nèi)容更加熟悉，在設(shè)計(jì)的過程中遇到了一些自己暫時還無法解決的問題，通過老師的幫助和查閱相關(guān)書籍，對遇到的問題進(jìn)行分析解答，在這個過程中受益匪淺。并且讓我充分的意識到PLC在實(shí)際生活中有很多的用處，激起了我在今后的生活中繼續(xù)學(xué)習(xí)和運(yùn)用PLC的興趣，我也希望我能夠把它運(yùn)用的生活當(dāng)中比如自己改造家里的電器讓它擁有更多的功能等等。一個團(tuán)隊(duì)的合作同樣很重要，對于不清楚的問題大家可以集體討論。整個設(shè)計(jì)過程中我們這個小組配合的比較好，工作效率得到很大的提升。同時感謝輔導(dǎo)老師細(xì)心及時地輔導(dǎo)，使我們能及時解決設(shè)計(jì)過程中遇到的問題。致 謝本次課程設(shè)計(jì)過程中，我首先要感謝我的指導(dǎo)老師王宗才老師，他平日里工作繁多，但在我做課程設(shè)計(jì)的每個階段都給予了我悉心的指導(dǎo)并且細(xì)心的找出我設(shè)計(jì)中的錯誤，然后引導(dǎo)我走向正確的設(shè)計(jì)方向。其次要感謝本次課程設(shè)計(jì)過程中我們小組成員給予的幫助，沒有他們的幫助，我不會如此順利得完成本次課程設(shè)計(jì)，在此，向他們至以真誠的感謝，尤其是曾祥印同學(xué)，我要特別感謝他。老師和同學(xué)們所體現(xiàn)出的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我學(xué)習(xí)的榜樣將積極的影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。附錄 語句表TITLE=程序注釋Network 1 / 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)題/ 系統(tǒng)啟動與停止LD I0.0O M0.0AN I0.1= M0.0Network 2 / 各方向紅黃綠燈及報警燈工作LD M0.0LPSAN Q1.0AN T40TON T37, +550 東西方向紅燈亮55sLRDA T37TON T38, +250 東西方向綠燈亮25sLRDA T38TON T39, +50 東西方向綠燈閃5sLRDA T39TON T40, +50 東西方向黃燈亮5sLRDA T42TON T41, +550 南北方向紅燈亮55sLRDAN Q1.0AN T37TON T43, +50 南北左轉(zhuǎn)綠燈亮5sLRDA T43TON T44, +50 南北左轉(zhuǎn)綠燈閃5sLRDA T44TON T47, +250 南北方向綠燈亮25sLRDA T47TON T48, +50 南北方向綠燈閃5sLRDA T48TON T42, +50 南北方向黃燈亮5sLRDAN Q1.0A T42TON T49, +50 東西方向左轉(zhuǎn)綠燈亮5sLRDA T49TON T50, +50 東西方向左轉(zhuǎn)綠燈閃5sLRDA Q1.0AN T46TON T45, +4LPPA T45TON T46, +6 1s時鐘脈沖Network 3 / 設(shè)定各燈的工作情況LD M0.0LPSAN T37AN Q1.0= Q0.2 東西方向紅燈工作LRDLD T38A SM0.5AN T39LD T37AN T38OLDALDAN Q1.0= Q0.0 東西方向綠燈閃爍/亮LRDLD T39AN T40LD Q1.0AN T