課程設(shè)計基于PLC控制的交通紅綠燈系統(tǒng)設(shè)計

1、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)機電一體化課程設(shè)計 機電一體化課程設(shè)計交通紅綠燈PLC控制系統(tǒng)班 級： 工學(xué)院機電1003班 指導(dǎo)老師： _小組成員： _ _ _日 期： 2013年6月28日 【摘 要】 隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們消費水平的不斷提高，私家車不斷增加，城市人多、車多道路少的交通狀況越來越引起人們的關(guān)注。為了實現(xiàn)交通道路的管理，在各個道口安裝紅路燈已經(jīng)成為了疏導(dǎo)交通車輛最為常見和最有效的手段。PLC控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)了按車流量規(guī)模給定綠燈時長，達(dá)到最大限度的車輛放行，減少十字路口的車輛滯流，緩解交通擁擠以實現(xiàn)最優(yōu)控制，從而提高交通控制系統(tǒng)的效率。PLC具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點，并廣泛用

2、于工業(yè)過程的自動控制中。由于PLC具有對使用環(huán)境適應(yīng)性強的特性，同時其內(nèi)部的定時器資源十分豐富，可對目前較為普遍使用的“漸進(jìn)式”信號燈進(jìn)行精確控制，能夠方便實現(xiàn)對多岔路口紅綠燈的控制，因此PLC被越來越多地應(yīng)用于交通燈系統(tǒng)中。PLC還具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，可將同一條道路上的信號燈連成一局域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，縮短車輛通行等候時間，實現(xiàn)科學(xué)化管理。在實時檢測和自動控制PLC應(yīng)用系統(tǒng)中，PLC大都是作為一個核心部件來設(shè)計使用的?！娟P(guān)鍵詞】 PLC；交通燈；控制系統(tǒng) 1 / 26 shuiqinghan目錄第一章 緒 論11.1 PLC及WinCC介紹11.1.1 PLC簡單概述11.1.2 WinCC

3、介紹21.2 十字路口交通燈控制任務(wù)31.3 研究目的和意義41.4 方案設(shè)計4第二章 交通信號控制系統(tǒng)實況52.1十字路口交通燈控制實際情況描述52.1.1 控制任務(wù)要求52.2 結(jié)合十字路口交通燈的路況畫出模擬圖52.3交通燈控制流程圖6第三章 可編程控制器程序設(shè)計73.1可編程控制器I/O端口分配73.2 PLC的外部接線圖73.2.1輸入/輸出接線列表73.2.2 PLC外部接線原理圖73.3程序梯形圖及其說明8第四章 十字路口交通燈的組態(tài)控制過程124.1工程的建立和變量定義124.1.1 工程的建立124.1.2 變量的定義124.2組態(tài)畫面的建立124.3 MOVEX1MOVEY

4、2的腳本編輯.13第五章 小組總結(jié)15參考文獻(xiàn)15附表：PLC梯形圖指令表16附圖：交通紅綠燈PLC控制系統(tǒng)實驗相片18第一章 緒 論1.1 PLC及WinCC介紹1.1.1 PLC簡單概述（一）什么是PLC可編程序控制器，英文稱Programmable Controller，簡稱PC。但由于PC容易與個人計算機（Personal Computer）混淆，故人們習(xí)慣地用PLC來作為可編程序控制器的縮寫。它是一個以微處理器作為核心的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)以及算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式以及

5、模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械生產(chǎn)過程?？删幊踢壿嬁刂破魍度脒\行后，其工作過程可分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出三個階段。PLC是微機技術(shù)與傳統(tǒng)繼電接觸控制技術(shù)互相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)之中的機械觸點的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作和維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不涉及專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖作為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的程序的

6、編制工作，就可方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。（2） PLC的結(jié)構(gòu)及各部分PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理大同小異，通常由主機、輸入/輸出接口、電源、編程器擴展接口和外部設(shè)備接口等等幾個主要部分組成。PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 PLC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（三）PLC的工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按照控制要求編制好并存儲于用戶存儲器中的程序，按指令步序號或地址號作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條按順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后再重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描

7、過程中，還要完成對輸入信號采樣以及對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的掃描一個周期經(jīng)過輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。PLC輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。PLC程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序來掃描執(zhí)行每條指令，執(zhí)行的結(jié)果寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中的所有的內(nèi)容也隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器通斷狀態(tài)在輸出刷新階段傳送至輸出鎖存器中，并通過相應(yīng)的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出

8、設(shè)備工作。1.1.2 WinCC介紹（一）什么是WinCCWinCC是西門子公司在自動化領(lǐng)域采用最先進(jìn)的技術(shù)與微軟公司在共同開發(fā)的居于世界領(lǐng)先地位的工控軟件。WinCC即WINDOWS CONTROL CENTER（視窗控制中心）。WinCC是一個功能強大的全面開放的監(jiān)控系統(tǒng)，既可以用來完成小規(guī)模的簡單的過程監(jiān)控應(yīng)用，也可以用來完成復(fù)雜的應(yīng)用。在任何情況下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人機對話接口，使操作員能夠清晰地管理和優(yōu)化生產(chǎn)過程。（二）WinCC的功能1. 圖形系統(tǒng)用于自由地組態(tài)畫面，并完全通過圖形對象進(jìn)行操作，圖形對象具有動態(tài)屬性并可對屬性進(jìn)行在線組態(tài)； 2. 報

9、警信息系統(tǒng)記錄和存儲事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報表，操作非常簡便；3. 變量存檔接收、記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進(jìn)一步的編輯功能；4. 報表系統(tǒng)用戶自由選擇一定的報表格式，按時間順序或事件觸發(fā)來對信息操作、文檔當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶報表輸出；5. 數(shù)據(jù)處理：對圖形對象的動作使用C語言及C編譯器進(jìn)行編輯；6. 標(biāo)準(zhǔn)接口：通過ODBC和SQL訪問用于組態(tài)和過程數(shù)據(jù)的SYBASE數(shù)據(jù)庫；7. 應(yīng)用程序接口：允許用戶編寫可用于擴展WinCC基本功能的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序。另外，WinCC還提供多種可選軟件包。如，通訊開發(fā)工具CDK，允許用戶開發(fā)用于連接數(shù)據(jù)管理器與任何目標(biāo)系統(tǒng)的通訊軟

10、件。 WINCC的組態(tài)及歸檔數(shù)據(jù)存放在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)可用標(biāo)準(zhǔn)工具如ODBC和SQL等讀出。很多標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用如Microsoft Excel等可以和WinCC并行運行，同時可通過DDE裝載過程數(shù)據(jù)。操作員站軟件允許通用的OCX、ActiveX鏈接。更進(jìn)一步，集成的OPC(OLE for process control)服務(wù)器使得過程數(shù)據(jù)可由其它應(yīng)用程序(OPC客戶機)訪問。 WinCC是PCS7系統(tǒng)操作站采用的監(jiān)控軟件(HMI)。它是一個32位的基于Windows的監(jiān)控軟件。在PCS7中，它被集成在SIMATIC程序管理器中。1.2 十字路口交通燈控制任務(wù)信號燈受一個啟動開關(guān)K1控制，當(dāng)啟動

11、開關(guān)接通時，信號燈系統(tǒng)開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。當(dāng)啟動開關(guān)斷開時，所有信號燈都熄滅。 南北紅燈亮維持10秒，南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持5秒。到5秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3次后熄滅。在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮。東西紅燈亮維持10秒。南北綠燈亮維持5秒，然后閃亮3次后熄滅。同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅，這時南北紅燈亮，東西綠燈亮，周而復(fù)始。1.3 研究目的和意義在十字路口設(shè)置交通燈用來對交通進(jìn)行有效的疏通，并為交通參與者的人身安全提供了強有力的保障。如何改善交通燈控制系統(tǒng)，使其適應(yīng)現(xiàn)在的交通狀況，

12、成為研究的課題。 可編程控制器交通燈的控制系統(tǒng)集成了自動控制技術(shù)、計量技術(shù)、新傳感器技術(shù)、計算機管理技術(shù)等于一體的機電一體化產(chǎn)品；充分利用計算機技術(shù)對過程進(jìn)行集中監(jiān)視、控制管理和分散控制；充分利用了分散式控制系統(tǒng)及集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計，配置靈活、組態(tài)方便。另外隨著高科技技術(shù)在日常生活中的普遍應(yīng)用，城市空中各種電磁干擾的日益嚴(yán)重，為保證交通控制的可靠、穩(wěn)定，選擇能夠在惡劣的電磁干擾的環(huán)境下正常工作的PLC也是必要的。1.4 設(shè)計方案采用計算機和FX2N系列PLC，在計算機上編譯調(diào)試交通燈控制程序，啟動PLC寫入程序，經(jīng)過運行后，輸出十字路口南北、東西二個方向的控制信

13、號。 可編程控制器交通燈控制的特點：編程簡單，維修方便；聯(lián)機自動就地工作；上機控制的單周期運行方式；由上位機通過串口向下位機傳送設(shè)定配方參數(shù)來實現(xiàn)自動控制；自動啟動、自動停機控制方式。采用PLC基于以下四個原因：PLC具有很高的可靠性，通常的平均無故障使用時間在30萬小時以上；編程能力強，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都可以方便地用軟件來實現(xiàn)；抗干擾能力強，目前各種電磁干擾狀況日益嚴(yán)重，為了保證交通控制的可靠穩(wěn)定，我們選擇了在惡劣的電磁干擾環(huán)境下依然能夠正常工作的PLC； 安裝簡單維修方便，PLC不需要專門的機房，能夠在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行，使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC中相應(yīng)的I/O端

14、連接，系統(tǒng)便可投入運行。第二章 交通信號控制系統(tǒng)實況2.1十字路口交通燈控制實際情況描述2.1.1 控制任務(wù)要求信號燈受一個啟動開關(guān)控制，當(dāng)啟動開關(guān)接通時，信號燈系統(tǒng)開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。當(dāng)啟動開關(guān)斷開時，所有信號燈都熄滅。 南北紅燈亮維持10秒，南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持5秒。到5秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3次后熄滅。在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮。東西紅燈亮維持10秒。南北綠燈亮維持5秒，然后閃亮3次后熄滅，同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅，這時南北紅燈亮，東西綠燈亮，周而復(fù)始。2.2 結(jié)合十字

15、路口交通燈的路況畫出模擬圖如圖2所示。圖2 十字路口交通燈路況模擬圖2.3交通燈控制流程圖根據(jù)交通燈的實際控制情況，可得出其流程圖如圖3所示。 圖3 交通燈控制流程圖第三章 可編程控制器程序設(shè)計3.1可編程控制器I/O端口分配根據(jù)對交通指揮信號燈系統(tǒng)控制要求分析，系統(tǒng)采用自動控制方式，輸入有系統(tǒng)開啟與停止按鈕信號；輸出有東西方向、南北方向各兩組指示信號。甲模擬東西向車輛行駛狀況；乙模擬南北向車輛行駛狀況由此可知，該系統(tǒng)所需的輸入點數(shù)為1，輸出點數(shù)為8，全部是開關(guān)量，則I/O分配如表1所示。3.2 PLC的外部接線圖 3.2.1輸入/輸出接線列表如表1所示。輸入K1X0輸出南北G南北Y南北R東西

16、G東西Y東西R甲乙Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y6表1 輸入/輸出接線列表3.2.2 PLC外部接線原理圖根據(jù)上述I/O表可知，I/O所需點數(shù)只有9點，故選用FX2N-48MR微型PLC即可。則PLC外部輸入輸出的信號接線如圖4所示。COM5Y2南北GCOM0X0乙燈甲燈東西R東西Y東西G南北RY7Y6Y5Y4Y3Y1Y0COM1南北YSB圖4 PLC外部接線原理圖3.3程序梯形圖及其說明根據(jù)對交通信號燈的控制要求以及PLC控制系統(tǒng)的I/O分配的定義，可對PLC進(jìn)行控制程序的設(shè)計，其梯形圖如圖5、圖6所示。圖5 程序梯形圖圖6 程序梯形圖下面對所設(shè)計的梯形圖作幾點說明： 當(dāng)啟動開關(guān)K1合上時，

17、X000觸點接通，Y002得電，南北紅燈亮；同時Y002的動合觸點閉合，Y003線圈得電，東西綠燈亮。1秒后，T12的動合觸點閉合，Y007線圈得電，模擬東西向行駛車的燈亮。維持到5秒，T6的動合觸點接通，與該觸點串聯(lián)的T22動合觸點每隔0.5秒導(dǎo)通0.5秒，從而使東西綠燈閃爍。又過3秒，T7的動斷觸點斷開，Y003線圈失電，東西綠燈滅；此時T7的動合觸點閉合、T10的動斷觸點斷開，Y004線圈得電，東西黃燈亮，Y007線圈失電，模擬東西向行駛車的燈滅。再過2秒后，T5的動斷觸點斷開，Y004線圈失電，東西黃燈滅；此時起動累計時間達(dá)10秒，T0的動斷觸點斷開，Y002線圈失電，南北紅燈滅，T0

18、的動合觸點閉合，Y005線圈得電，東西紅燈亮，Y005的動合觸點閉合，Y000線圈得電，南北綠燈亮。1秒后，T13的動合觸點閉合，Y006線圈得電，模擬南北向行駛車的燈亮。又經(jīng)過5秒，T1動合觸點閉合，與該觸點串聯(lián)的T22的觸點每隔0.5秒導(dǎo)通0.5秒，從而使南北綠燈閃爍；閃爍3秒，T2動斷觸點斷開，Y000線圈失電，南北綠燈滅；此時T2的動合觸點閉合、T11的動斷觸點斷開，Y001線圈得電，南北黃燈亮，Y006線圈失電，模擬南北向行駛車的燈滅。維持2秒后，T3動斷觸點斷開，Y001線圈失電，南北黃燈滅。這時起動累計時間達(dá)10秒鐘，T4的動斷觸點斷開，T0復(fù)位，Y003線圈失電。上述是一個工作

19、過程，然后再周而復(fù)始地進(jìn)行。第四章 十字路口交通燈的組態(tài)控制過程4.1 工程的建立和變量定義4.1.1 工程的建立 利用WinCC圖形編輯器建立工程（過程略）。4.1.2 變量的定義首先對系統(tǒng)中的各個變量進(jìn)行定義，各變量定義如表2所示。變量名變量類型初始值注釋Y0開關(guān)量0南北路綠燈信號Y1開關(guān)量0南北路黃燈信號Y2開關(guān)量0南北路紅燈信號Y3開關(guān)量0東西路綠燈信號Y4開關(guān)量0東西路黃燈信號Y5開關(guān)量0東西路紅燈信號Y6開關(guān)量0外部輸入南北通車信號Y7開關(guān)量0外部輸入東西通車信號MOVEX1數(shù)值型0東西向1號車位置信號MOVEX2數(shù)值型0東西向2號車位置信號MOVEY1數(shù)值型0南北向1號車位置信號

20、MOVEY2數(shù)值型0南北向2號車位置信號表2 各變量定義表4.2組態(tài)動畫的建立交通紅綠燈組態(tài)動畫如圖7所示。圖7 交通紅綠燈組態(tài)動畫4.3 MOVEX1MOVEY2的腳本編輯如下：MOVEX1：static int MOVEX1=230; int A,B; A=GetTagWord("Y7");B=GetTagWord("Y4");if(A=1) if (MOVEX1<=625|MOVEX1>=1458) MOVEX1=MOVEX1+50; else MOVEX1=MOVEX1+25;if(B=1) if(MOVEX1<747&

21、&MOVEX1>=625) MOVEX1=MOVEX1+10; else if(MOVEX1=747) MOVEX1=MOVEX1+0; else if( MOVEX1<=1336&&MOVEX1>747)MOVEX1=MOVEX1+25; else MOVEX1=MOVEX1+50;return MOVEX1;MOVEX2：static int MOVEX2=1900;int A,B; A=GetTagWord("Y7")B=GetTagWord("Y4")if(A=1) if (MOVEX2<=625|

22、MOVEX2>=1458) MOVEX2=MOVEX2-50; else MOVEX2=MOVEX2-25;if(B=1) if(MOVEX2<=1458&&MOVEX2>1336) MOVEX2=MOVEX2+10; else if(MOVEX2=1336) MOVEX2=MOVEX2+0; else if( MOVEX2<=1336&&MOVEX2>747)MOVEX2=MOVEX2+25; else MOVEX2=MOVEX2+50;return MOVEX2;MOVEY1：static int MOVEY1;int A,B;

23、A=GetTagWord("Y6");B=GetTagWord("Y1");if(A=1) if (MOVEY1<=108|MOVEY1>=890) MOVEY1=MOVEY1+50; else MOVEY1=MOVEY1+25;if(B=1) if(MOVEY1<226&&MOVEY1>=108) MOVEY1=MOVEY1+10; else if(MOVEY1=226) MOVEY1=MOVEY1+0; else if( MOVEY1<=690&&MOVEY1>226)MOVEY1=

24、MOVEY1+25; else MOVEY1=MOVEY1+50;return MOVEY1;MOVEY2：static int MOVEY2=980;int A,B; A=GetTagWord("Y6");B=GetTagWord("Y1");if(A=1) if (MOVEY2<=108|MOVEY2>=890) MOVEY2=MOVEY2-50; else MOVEY2=MOVEY2-25;if(B=1) if(MOVEY2<890&&MOVEY2>690) MOVEY2=MOVEY2-10; else if

25、(MOVEY2=690) MOVEY2=MOVEY2-0; else if( MOVEY2<690&&MOVEY2>226)MOVEY2=MOVEY2-25; else MOVEY2=MOVEY2-50;return MOVEY2;第五章 小組總結(jié)通過這次機電一體化課程設(shè)計，我們掌握了通過PLC實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集、控制以及系統(tǒng)設(shè)計、梯形圖設(shè)計、組態(tài)設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試一整套PLC設(shè)計過程。本次交通紅綠燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計，讓我們很好的鍛煉了理論聯(lián)系實際，與具體項目、課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論相聯(lián)系于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到了問題怎樣用理論去解決。在這次的課程設(shè)計中