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文檔簡介
1、摘 要隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào),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(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號系統(tǒng),它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控重要的組成部分。隨著城市機動車量的不斷增加,自80年代后期,許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況。所以,如何采用合適的控制方法,最大限度利用好城市高速道路,緩解交通擁堵狀況,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。傳統(tǒng)的交通信號燈控制一般采用電子線路和繼電器實現(xiàn),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性低,故障率高,較難實現(xiàn)功能的變更。而可編程控制器(PLC)以微處理器為核心,具有可
2、靠性高,控制功能強,使用靈活方便等優(yōu)點。特別是由PLC實現(xiàn)的控制系統(tǒng),普遍采用依據(jù)繼電接觸器控制系統(tǒng)電氣原理圖編制的梯形圖語言進行程序設(shè)計,結(jié)構(gòu)簡單,抗干擾能力強,運行穩(wěn)定可靠,可方便地設(shè)置定時時間,編程容易,功能擴展方便,修改靈活等,并且有完善的自診斷和顯示功能,維修工作極為簡單。根據(jù)交通燈的設(shè)計要求需要有2個輸入端和46個輸出端并且需要消耗流量為200mA,在設(shè)計中選用主機CPU226,由于CPU226有16個輸出端口不夠設(shè)計所需,又使用了5個8輸出端口電流流量為50mA的EM222擴展模塊。最終實現(xiàn)交通燈的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞:CPU226,七段數(shù)碼管,繼電器,功能指令,交通燈目 錄摘 要I
3、I1 PLC的概述11.1 PLC的定義11.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)11.3 PLC的特點21.4 PLC工作方式32 硬件設(shè)計62.1 硬件設(shè)計步驟62.2 主機CPU及擴展模塊選擇62.3 I/O端口分配72.4硬件設(shè)計框圖82.5 接線圖:93. 軟件設(shè)計103.1軟件設(shè)計思路103.2功能指令介紹103.3梯形圖12結(jié) 論25致 謝26參考文獻27附錄281 PLC的概述1.1 PLC的定義PLC(可編程控制器)是以微機技術(shù)為核心的通用工業(yè)控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制技術(shù)與計算機技術(shù)和通信技術(shù)融于一體,具有功能強大、環(huán)境適應(yīng)性好、編程簡單、使用方便等優(yōu)點。1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)
4、可編程序控制器主機的硬件電路由CPU、存儲器、基本I/O接口電路、外設(shè)接口、電源等五部分組成(1)中央處理器CPU是可編程序控制器的控制中心,在系統(tǒng)監(jiān)控下工作,承擔(dān)將外部輸入信號的狀態(tài)寫入輸入映像寄存器區(qū)域,然后將結(jié)果送到輸出映像寄存器區(qū)域。CPU常用的微處理器有通用型微處理器、單片機和位片式計算機等。小型PLC的CPU多采用單片機或?qū)S肅PU;大型PKC的CPU多采用位片式結(jié)構(gòu),具有高速數(shù)據(jù)處理能力。(2)存儲器可編程序控制器的存儲器由只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM兩大部分構(gòu)成。只讀存儲器ROM用以存放系統(tǒng)程序;中間運算數(shù)據(jù)和用戶程序存在隨機存儲器RAM中,斷電時,中間運算數(shù)據(jù)和用戶程序
5、保存在只讀存儲器EEPROM或由高能電池支持的RAM中。(3)基本I/O接口電路1.輸入接口單元PLC內(nèi)部輸入電路的作用是將PLC外部電路(如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等)提供的符合PLC輸入電路要求的電壓信號,通過光耦電路送至PLC內(nèi)部電路。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力,輸入響應(yīng)時間一般在0.1s15ms之間。多數(shù)PLC的輸入接口單元都相同,通常有兩種類型。一種是直流輸入;另一種是交流輸入。2.輸出接口單元PLC輸出電路用來將CPU運算的結(jié)果變換成一定形式的功率輸出,驅(qū)動被控負載(電磁鐵、繼電器、接觸器線圈等)。PLC輸出電路結(jié)構(gòu)形式分為繼電式、晶體管式和晶閘管輸出型三種
6、。3.公共端點通常將一組PLC輸入/輸出電路公共端與PLC內(nèi)部連在一起,以減少PLC外部接線。比如PLC一般以3、4個輸出接點為一組,在PLC內(nèi)部連成一個輸出公共端,公共端點之間是絕緣隔離的。分組后,不同組的負載可以采用不同的驅(qū)動電源。(4) 接口電路PLC接口電路分為I/O擴展接口電路和外設(shè)通信接口電路兩大類。1、I/O擴展接口電路I/O擴展電路用于連接I/O擴展單元,可以用來擴充開關(guān)量I/O點數(shù)和增加模擬量的I/O端子。I/O擴展接口電路采用并行接口和串行接口兩種電路形式。2、外設(shè)通信接口電路外設(shè)通信接口電路用于連接手持編程器、其他圖形編程器和文本顯示器等,并能組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC
7、通過PC/PPI電纜或使用MPI卡同通過RS-485接口與電纜和計算機連接可以實現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。(5) 電源PLC內(nèi)部配有一個專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源,將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源(5V直流)。當(dāng)輸入端子為非干接點(無源接點)結(jié)構(gòu)時,為外部輸入元件提供24V直流電源(僅供輸入端子使用)。1.3 PLC的特點(1)可靠性高,抗干擾能力強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)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù),具有很高的可靠性。從PLC的機外電路來說,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
8、及開關(guān)接點已減少到數(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。這樣,整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。(2)配套齊全,功能完善,適用性強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??梢杂糜诟鞣N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。加上PLC通信能力的
9、增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展,使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。(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)控制計算機,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現(xiàn)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) 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小,維護方便,容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯,大大減少了控制設(shè)備外部的接線,使控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)備
10、經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。(5) 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,重量小于150g,功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部,是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。1.4 PLC工作方式 PLC雖然以微處理器為核心,具有微型計算機的許多特點,但它的工作方式卻與微型計算機有很大的不同,微型計算機一般采用等待命令或中斷的工作方式,如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式,當(dāng)有鍵按下或I/O動作,則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序或中斷服務(wù)程序,無鍵按下,則繼續(xù)掃描等待。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式,即順序掃描,不斷循環(huán)這種工作方式是在
11、系統(tǒng)軟件控制下進行的。當(dāng)PLC運行時,CPU根據(jù)用戶按控制要求編寫好并存于用戶存儲器中的程序,按序號作周期性的程序循環(huán)掃描,程序從第一條指令開始,逐條順序執(zhí)行用戶的程序直到程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令,再開始下一次掃描;如此周而復(fù)始。實際上,PLC掃描工作除了執(zhí)行用戶程序外,還要完成其他工作,整個工作過程分為自診斷、通訊服務(wù)、輸入處理、輸出處理、程序執(zhí)行五個階段。如圖1.1所示。 圖1.1 PLC工作掃描圖(1)自診斷 每次掃描用戶程序之前,都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容包括I/O部分、存儲器、CPU等,并通過CPU設(shè)置定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定的時間,如果發(fā)現(xiàn)異常,則停機并顯示
12、出錯。若自診斷正常,則繼續(xù)向下掃描。(2)通訊服務(wù) PLC檢查是否有與編程器、計算機等的通訊要求,若有則進行相應(yīng)處理。(3)輸入處理 PLC在輸入刷新階段,首先以掃描方式按順序從輸入存儲器中寫入所有輸入端子的狀態(tài)或數(shù)據(jù),并將其存入內(nèi)存中為其專門開辟的暫存區(qū)輸入狀態(tài)映像區(qū)中,這一過程稱為輸入采樣,隨后關(guān)閉輸入端口,進入程序執(zhí)行階段,即使輸入端有變化,輸入映像區(qū)的內(nèi)容也不會改變。變化的輸入信號的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入刷新階段被讀入。(4)輸出處理 同輸入狀態(tài)映像區(qū)一樣,PLC內(nèi)存中也有一塊專門的區(qū)域稱為輸出狀態(tài)映像區(qū)。當(dāng)程序的所有指令執(zhí)行完畢,輸出狀態(tài)映像區(qū)中所有輸出繼電器的狀態(tài)就在CPU
13、的控制下被一次集中送至輸出鎖存器中,并通過一定的輸出方式輸出,推動外部的相應(yīng)執(zhí)行器件工作,這就是PLC輸出刷新階段。(5) 程序執(zhí)行 PLC在程序執(zhí)行階段,按用戶程序順序掃描執(zhí)行每條指令。從輸入狀態(tài)映像區(qū)讀出輸入信號的狀態(tài),經(jīng)過相應(yīng)的運算處理等,將結(jié)果寫入輸出狀態(tài)映像區(qū)。通常將自診斷和通訊服務(wù)合稱為監(jiān)視服務(wù)。輸入刷新和輸出刷新稱為I/O刷新。可以看出,PLC在一個掃描周期內(nèi),對輸入狀態(tài)的掃描只是在輸入采樣階段進行,對輸出賦的值也只有在輸出刷新階段才能被送出,而在程序執(zhí)行階段輸入、輸出會被封鎖。這種方式稱做集中采樣、集中輸出。 2 硬件設(shè)計2.1 硬件設(shè)計步驟根據(jù)可編程控制器設(shè)計交通燈硬件部分的
14、設(shè)計步驟,本設(shè)計的硬件設(shè)計步驟如下所示:(1)PLC的選型;(2)輸入、輸出點的估算;(3)主機型號的選擇;(4)模塊的擴展及I/O編址;(5)輸入、輸出端子的分配;(6)畫出I/O接線圖。2.2 主機CPU及擴展模塊選擇根據(jù)設(shè)計要求,有開始按鈕和停止按鈕2個輸入端及46個輸出端的需要,由主機類型表2.1,設(shè)計中主機選用了為CPU226。CPU226的輸入輸出點比較多,共有I0.0-共16個輸出點。CPU226的24個輸入點可以滿足本設(shè)計中2個輸入點的需求,但是16個輸出點不能滿足本設(shè)計46個輸出點的需求,因此需要擴展5個EM222擴展模塊,Q2.0-Q2.6,Q3.0-Q3.6,Q4.0-Q
15、4.7,Q5.0-Q5.7,Q6.0和Q6.1共32個輸出端口。表2.1 主機類型表型號主機輸入點數(shù)主機輸出點數(shù)可擴展模塊數(shù)最大擴展電流/mACPU22164無0CPU222862340CPU22414107660CPU226241671000根據(jù)本設(shè)計輸出端口及電流流量的需求,可選擴展模塊如表2.2 ,經(jīng)比較后在設(shè)計中選用了5個8輸出端口 電流為50mA的EM222擴展模塊。表2.2 擴展模塊表分類型號I/O規(guī)格功能及用途數(shù)字量擴展模塊EM221DI8*直流24V8路數(shù)字量24V直流輸入EM222DO8*直流24V8路數(shù)字量24V直流輸出(固態(tài)MOSFET)DO8*繼電器8路數(shù)字量繼電器輸出
16、EM223DI4/DO4*直流24V4路數(shù)字量24V直流輸入、輸出(固態(tài))DI4/DO4*直流24V繼電器4路數(shù)字量24V直流輸入4路數(shù)字量繼電器輸出DI8/DO8*直流24V8路數(shù)字量24V直流輸入、輸出(固態(tài))DI8/DO8*直流24V繼電器8路數(shù)字量24V直流輸入8路數(shù)字量繼電器輸出DI16/DO16*直流24V16路數(shù)字量24V直流輸入、輸出(固態(tài))DI16/DO16*直流24V繼電器16路數(shù)字量24V直流輸入16路數(shù)字量繼電器輸出2.3 I/O端口分配輸入端口:I0.0 接啟動按鈕,I0.2接停止按鈕。輸出端口分配如表2.3 和表2.4表2.3 七段數(shù)碼管輸出端口分配表東西向南北向Q
17、0.0Q0.6七段數(shù)碼管(個位)Q2.0Q2.6七段數(shù)碼管(個位)Q1.0Q1.6七段數(shù)碼管(十位)Q3.0Q3.6七段數(shù)碼管(十位)表2.4 交通燈輸出端口分配表方向顏色東西向南北向紅燈Q4.0Q4.3Q4.6Q5.1Q5.4Q5.7綠燈Q4.1Q4.4Q4.7Q5.2Q5.5Q6.0黃燈Q4.2Q4.5Q5.0Q5.3Q5.6Q6.12.4硬件設(shè)計框圖 圖2.1 硬件設(shè)計框圖2.5 接線圖:根據(jù)設(shè)計要求所需4個七段數(shù)碼管和18個指示燈,在東西和南北方向的指示燈各有三組,左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行。而且每組指示燈都有紅、綠、黃三種顏色。而數(shù)碼管有共陰和共陽兩種接法,見附錄,而我在本設(shè)計中選用的是共陰極
18、接法。接線圖如圖2.2所示。圖2.2 接線圖3 軟件設(shè)計3.1軟件設(shè)計思路設(shè)計編程中有三種方法,如下:(1) 基本指令法;(2) 順序控制法;(3)功能指令法。在這三種方法中,最簡單易懂的就是第(1)種 即基本指令法,此設(shè)計我采用基本指令法來編寫交通指示燈的程序,在這種方法中,最重要的就是要先將結(jié)果預(yù)置于中間繼電器線圈中,從而利用中間繼電器的常開觸點來達到自己的控制要求,在控制燈的時候,我們只需要將中間繼電器的線圈并上定時器便可以實現(xiàn)定一定的時間,從而使交通燈的發(fā)光二極管亮、熄不同的時間,而在倒計顯示中,用功能指令實現(xiàn)數(shù)碼管在不同階段所要顯示的數(shù)字,終實現(xiàn)交通燈的設(shè)計。3.2功能指令介紹在設(shè)計
19、中我所使用的功能指令有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令、七段顯示譯碼指令、字節(jié)與字整數(shù)之間的轉(zhuǎn)換、TON定時器、循環(huán)右移指令、 減計數(shù)器(CTD)具體如下。圖3.1 BCD碼轉(zhuǎn)換指令(1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令 功能指令圖如圖3.1所示,此指令作用是當(dāng)使能輸入有效時,將整數(shù)輸入數(shù)據(jù)IN轉(zhuǎn)換成BCD碼類型,并將結(jié)果送到OUT輸出。圖3.2 七段顯示譯碼指令(2)七段顯示譯碼指令 功能指令圖如圖3.2所示,此指令作用是當(dāng)使能輸入有效時,將字節(jié)型輸入數(shù)據(jù)IN的低四位有效數(shù)字產(chǎn)生相應(yīng)的七段顯示碼,并將其輸出到OUT指定的單元。圖3.3 字節(jié)與字整數(shù)轉(zhuǎn)換指令(3)字節(jié)與字整數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 功能指令圖如圖3.3所示,此指令作用當(dāng)使能輸入有效時,將字整數(shù)輸入數(shù)據(jù)IN轉(zhuǎn)換成字節(jié)類型,并將結(jié)果送到OUT輸出。圖3.4 通電延時型定時器(4)TON定時器 功能指令圖如圖3.4所示,此指令作用IN端為輸入端,用于連接驅(qū)動定時器線圈的信號;PT端為設(shè)定端,用于標(biāo)定定時器的設(shè)定值。當(dāng)連接于IN端的觸點閉合時,定時器開始計時,當(dāng)前值逐漸增長;當(dāng)累積時間達到設(shè)定值PT時,定時器的狀態(tài)被置1(線圈得電),動合觸點閉合,當(dāng)連接于IN端的觸點斷開時,狀態(tài)置0(線圈失電)。圖3.5 循環(huán)右移指令(5)循環(huán)右移指令 功能指令圖如圖3.5所示,此指令作用當(dāng)使能輸入有效時,字節(jié)、字、或雙字節(jié)IN數(shù)據(jù)循環(huán)右移N個位后,將其結(jié)果輸
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