交通信號燈PLC控制系統(tǒng)設計

電氣及自動化課程設計報告題目：交通信號燈PLC控制系統(tǒng)設計學生姓名：學生學號：年級：2014級專業(yè)：自動化班級：14自動化1班指導教師：機械與電氣工程學院制2017年5月交通信號燈PLC控制系統(tǒng)設計機械與電氣工程學院自動化專業(yè)1前言隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市人口越來越多，居民出行次數(shù)和機動車擁有量不斷增加，城市道路擁擠、車流量不均衡等問題日趨嚴重。人們經(jīng)常會為道路擁擠，交通秩序混亂,出行時間過長等城市交通問題倍感苦惱，例如：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。因此提高城市路網(wǎng)的通行能力、實現(xiàn)道路交通的科學化管理迫在眉睫。如何才能保持城市交通的安全便捷、高效暢通和綠色環(huán)保，已成為政府規(guī)劃的一個重要問題。通過對十字路口交通燈控制系統(tǒng)的設計與制作，使我們進一步鞏固和加深了對所學的基礎理論，基本技能和專業(yè)知識的認識掌握。同時也培養(yǎng)自身綜合運用所學過的基礎理論，基礎知識和基本技能進行分析和解決實際問題的能力， 更使我們受到了PLC系統(tǒng)開發(fā)的綜合訓練并且掌握典型自動控制系統(tǒng)的工作原理和設計思路。更重要的是，通過對十字路口交通燈系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)的實際操作鍛煉了勇于探索，刻苦鉆研的工作作風。PLC的基本知識早期的可編程控制器主要是用來代替繼電器控制系統(tǒng)的，因此功能較為簡單，只能進行開關邏輯控制，稱為可編程控制器（programmablelogiccontroller）,簡稱PLG隨著電子技術，計算機技術和通行技術的快速發(fā)展， 20世紀70年代后期微處理器被用作可編程控制器的中央處理器，從而較大的擴展了可編程控制器的功能?？删幊炭刂破饔虚_關邏輯，模擬量控制，高速計數(shù)，PID賄賂調節(jié)，遠程I/O和網(wǎng)絡通信等功能。1980年，美國電氣制造協(xié)會正式將其命名為可編程控制器，簡稱 PC。1987年2月，國際電工委會對PLC的具體含義做出了明確的定義：在工業(yè)環(huán)境的背景之下，一種常用來做數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它既可以進行邏輯運算、順序控制，也可以進行定時、計數(shù)、數(shù)字運算等操作。雖然它中間的運算是采用的數(shù)字模式，但是它的輸入和輸出還是采用模擬的信號。這種可編程控制器，可以控制各類生產(chǎn)的過程。PLC的基本結構與通用計算機一樣，中央處理單元（CPU足PLC的核心部件，它的主要作用是控制整個系統(tǒng)協(xié)調一致的運行。它解釋并執(zhí)行用戶及系統(tǒng)程序，完成所有控制、處理、通信以及所賦予的其他功能，它的主要功能有以下幾點。1）接收、存儲用戶通過編程器等輸入設備輸入的程序和數(shù)據(jù)。2）以掃描方式接收來自輸入單元的輸入變量，狀態(tài)數(shù)據(jù)，并存入相應的數(shù)據(jù)存儲區(qū)（輸入映像寄存器）。3）利用錯誤檢驗技術監(jiān)控存儲和通信狀態(tài)、診斷內(nèi)部電路的工作狀態(tài)、電源狀態(tài)和用戶編程中的語法錯誤。4）執(zhí)行用戶程序，完成各種數(shù)據(jù)的處理、傳輸和存儲，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果，刷新有關標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，產(chǎn)生相應的內(nèi)部控制信號，以完成用戶指令規(guī)定的各種操作。5）響應各種外圍設備的要求。存儲器一般分兩種：系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器存儲的是系統(tǒng)程序。它是由廠家開發(fā)固化好了的，用戶不能更改，PLC要在系統(tǒng)程序的管理下運行。用戶存儲器中存放的是用戶程序和運行所需的資源， I/O存儲器的值作為條件決定著存儲器中的程序如何被執(zhí)行， 從而完成復雜的控制功能。 常用的存儲器類型有 CMOSR、AMEPRO、MEEPRO。M由于系統(tǒng)程序用來管理PLC系統(tǒng)，用戶不能直接存儲，因此PLC產(chǎn)品中所說的存儲類型極其容量，是指用戶程序存儲器而言。PLC中所配用的用戶存儲器的容量大小具有較大的差別，其中小型的PLC在8K以下，而大型的PLC可以達到256K。輸入模塊和輸出模塊簡稱I/O模塊，它是聯(lián)系外部設備和CPU奠塊的橋梁。PLC的對外功能模塊，主要是通過各種 I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPl^f能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出存儲器狀態(tài)。 輸入模塊用來接收和采集輸入信號， 輸出模塊用來送出 PLC運算后得出的控制信息，并通過機外的執(zhí)行機構完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。 PLC有多種I/O模塊，常見有數(shù)字 I/O模塊、模擬量 I/O模塊、快速響應模塊、高速計數(shù)模塊 PID控制模塊等。PLC配有開關式穩(wěn)壓電源模塊，用來將外部供電電源轉換成使 PLC內(nèi)部的CPU存儲器和I/O接口等電路工作所需的直流電源。PLC的電源部件有很好的穩(wěn)壓措施，因此對外部電源的穩(wěn)定性要求不高。小型PLC的電源往往和CPUI元合為一體，大中型PLC都有專用電源模塊。編程器用來生成用戶程序，一般分為手持式編程器和圖形編程器。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入好編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它的體積小，價格便宜，一般用來給小型的PLC編程?；蛘哂糜诂F(xiàn)場調試和維護。圖形編程器既可以用指令語句進行編程，又可以用梯形圖編程；既可聯(lián)機編程，又可脫機編程，操作方便，功能強?，F(xiàn)在，很多PLC都可以用計算機作為編程工具，在計算機上直接生成和編輯梯形圖或指令表， 并可以實現(xiàn)其轉換。 最重要的是這種程序可以存盤或者打印，也可通過網(wǎng)絡遠程傳送。1.3PLC型號的選定以及可行性分析本設計擬采用三菱FX264MR001型PLC此型號是PLC家族中最先進的PLC之一。它具有一些顯著的特點：最大范圍的包容了標準特點、程序執(zhí)行更快、全面補充了通信功能，適合世界各個國家不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，因此在選定的過程中，它有著廣泛的選定范圍。它的各方面參數(shù)如下： I/O總數(shù)為 64、輸入數(shù)目為32、輸出數(shù)目為32、型號為漏型。采用24V、400mA勺直流電源，它優(yōu)良的快速斷開端子塊使得接著線纜也可以更換單元， 并且它的遠程維護功能使得遠處的編程軟件可通過調制解調器通信來監(jiān)測、上傳、卸載程序和數(shù)據(jù)。與其他 PLC相比，本PLC價格便宜，功能齊全， 除了有著速度、 邏輯、定位等優(yōu)越之處而且還安裝簡單， 維修方便。本設計中的十字路口東西南北四個方向各有一個光點計數(shù)器來統(tǒng)計通過車子的數(shù)量， 再加上啟動開關和停止開關總共需要 6個接口。而東西南北方向各有紅綠黃燈一個，一共有交通信號燈 18個，也就是需要 18個輸出接口。據(jù)此看來，如果通過選擇三菱 FX2——64MR--001型PLC根據(jù)實際情況完全能夠滿足要求2控制方案設計設計思路如圖1是十字路口交通信號燈示意圖，本系統(tǒng)的控制對象有八個，東西方向紅燈兩個，南北方向紅燈兩個，東西方向黃燈兩個，南北方向紅黃燈兩個，東西方向綠燈兩個，南北方向綠燈兩個，東西方向左轉彎綠燈兩個，南北方向左轉彎綠燈兩個，本控制系統(tǒng)分為高峰時段和正常時段進行控制。圖1十字路口交通信號燈示意圖方案分析本系統(tǒng)是一個多時段十字路口交通燈的 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交通燈進行控制。本系統(tǒng)具有一定的智能性，即它可以對交通燈按高峰期、正常期及晚間幾個時段進行分段控制。高峰、正常及晚間時段的時序分布見圖 2。高峰時段的控制方案為：南北方向左轉彎燈和南北方向紅燈同時亮 10秒，同時東西方向紅燈亮；南北方向綠燈亮 35秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；南北方向黃燈閃爍 5秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；東西方向左轉彎綠燈和南北方向紅燈同時亮 10秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；東西方向綠燈亮 25秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮；東西方向黃燈閃爍 5秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮，然后跳至第（ 1）步,依次循環(huán)。正常時段的控制方案為：（1）南北方向左轉彎燈和南北方向紅燈同時亮 10秒，同時東西方向紅燈亮；（2）南北方向綠燈亮 30秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（3）南北方向黃燈閃爍 5秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（4）東西方向左轉彎綠燈和南北方向紅燈同時亮 10秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（5）東西方向綠燈亮 30秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮；（6）東西方向黃燈閃爍 5秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮，然后跳至第（ 1）步依次循環(huán)。晚間的控制方案為：東、南、西、北四個黃燈繼續(xù)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)律反復循環(huán)。圖2高峰、正常及晚上時段的時序分布圖3高峰時段時序圖圖4正常時段時序圖方案設計系統(tǒng)采用主程序調用子程序的設計方案，通過主程序計算比較當前時間，進而根據(jù)對時問段的判斷和分析來調用子程序段。子程序段分別是正常時間段、高峰時間段和晚間時間段，它們分別和各自的時序圖相對應，見上面的圖2、圖3和圖4從而控制交通燈的信號。3控制系統(tǒng)設計3.1輸入輸出點分配表為了將十字路口交通燈的控制關系用PLC控制器實現(xiàn)，PLC需要2個輸入點（啟動開關、轉換開關），12個輸出點選擇FX2N-64MW的PLG表1輸入/輸出點分配輸入/輸出點分配輸入信號輸出信號名稱代號輸入點編號名稱代號輸出點編號啟動按鈕SB1X0直行紅燈（南北）HL1Y0停止按鈕SB2X1直行黃燈（南北）HL2Y1直行綠燈（南北）HL3Y2左轉紅燈（南北）HL4Y3左轉黃燈（南北）HL5Y4左轉球燈（南北）HL6Y5直行紅燈（東西）HL7Y6直行黃燈（東西）HL8Y7直行綠燈（東西）HL9Y8左轉紅燈（東西）HL10Y9左轉黃燈（東西）HL11Y10左轉綠燈（東西）HL12Y11注：表中所有直行綠燈和左轉彎燈都分別由 9個發(fā)光二極管和一個電阻串聯(lián)而成，所組成的簡單電路。十字路口交通燈的I/O接線圖根據(jù)十字路口交通燈的輸入輸出點分配表， 畫出如圖5所示的PLC控制系統(tǒng)的I/O接線圖。圖5PLC控制系統(tǒng)的I/O接線圖十字路口交通燈的電路接線圖根據(jù)十字路口交通燈的實際連線，畫出如圖6所示的十字路口交通燈的接線圖。圖6十字路口交通燈的接線圖十字路口交通燈的程序設計根據(jù)十字路口交通燈的控制關系寫出如圖 7所示的程序。圖7十字路口交通燈的PLC程序在圖7中，Y0控制南北紅燈，Y1控制南北綠燈，Y2控制南北黃燈，Y3控制東西紅燈,Y4控制東西綠燈，Y5控制東西黃燈。為了控制各個時間段，選用T0~T5為控制正常時問段的定時器，T6~T11為控制高峰時段的定時器。元器件清單交通燈實物接線仿真圖硬件名稱型號數(shù)量可編程控制器（PLC二菱FX-2N-48MR1臺中間繼電器220V.5A16個低壓斷路器DZ47-60C101個熔斷器RT18-3232A.380V1個轉換電源220VAC~24DC1個發(fā)光二極管2V多量根據(jù)程序仿真出實物接線圖，如下面的圖8所示圖8實物接線仿真圖4十字路口交通燈的程序調試編輯思路本組的課程設計是用PLC控制十字路口交通燈，用PLC控制可以實現(xiàn)更多功能，同時也比較簡單。由于現(xiàn)在越來越多的人擁有自己的汽車，從而使交通變得繁忙，而早晚上下班時間更是交通的高峰期，同時也是為了適應不同路段的交通繁忙程度，所以本組設計了正常時段、高峰時段和晚間時段可以切換的程序，從而使本組設計的實用性更強。控制系統(tǒng)的程序調試步驟對于比較復雜的控制系統(tǒng)，需要繪制系統(tǒng)流程圖，用以清楚的表明動作的順序和條件。由于本控制系統(tǒng)簡單就可以省略這一步。設計梯形圖。這是程序設計關鍵的一步，也是比較困難的一步。要設計好梯形圖，首先要十分熟悉控制要求，同時還要有一定的電氣設計的實踐經(jīng)驗。⑶將程序輸入到PLC的用戶存儲器，并查找程序是否正確。4)對程序進行調試和修改，直到滿足要求為止。4.3調試過程遇到的問題及解決辦法在起初情況，按下轉換開關，根據(jù)設計的要求，應該有“南北紅燈”、“南北左轉彎紅燈”、“東西綠燈”，由于設計中未考慮周全，當按下轉換開關“X1”時，不僅“南北紅燈”“南北左轉彎紅燈”、“東西綠燈”亮，而且“南北綠燈”、“東西紅燈”也亮，斷電后對程序進行檢查，發(fā)現(xiàn)把程序轉換到高峰時段后，沒有對 T0終止，所以才會出現(xiàn)燈亮混亂的情況。(2)設計中T0T5為一個周期，當程序處在早上八點之后的正常時段時，程序運行了一個周期后， T5沒有被復位，檢查得知是因為對 T0的分段控制不當。對程序進行修改后，調試后都正常?？偨Y及心得體會本組設計的是十字路口交通燈PLC控制系統(tǒng)設計與調試，由于這個課題和我們的生活很緊密，所以這讓我們做起來相對簡單一點。俗話說萬事開頭難，一開始我們沒有頭緒，但是在老師的指導之下，我們慢慢就理解了，然后就開始了設計。我們設計的十字路口交通燈的功能是，不同時段的交通狀況不同的所以本次設計就分為正常時段、高峰時段和晚間時段。首先我們自己研究普通的十字交通燈，在了解透徹的情況下，老師有跟我們具體講解這次設計的思路。把具體的要求給我們，然后又給我們提出了可能會遇到的問題讓我們加以注意。分析這些問題之后，我們就開始準備工作。首先我們做硬件設計，先畫原理圖和硬件接線圖，在老師的指導下，我們順利的完成了。然后就是確定元器件型號，列元器件清單，之后就是設計元器件的位置，使電路看起來整齊美觀。接下來就是把元器件按照原理圖連接起來，這一步一定要小心，因為元器件很容易損壞，而且一定要細心，因為電路很容易連錯，而且錯誤不容易檢查出來。老師幫我們檢查之后就調試，結果成功，硬件的接線是正確的。下面就是軟件設計，在編寫程序之前，我們先對基本的電路進行分析，在理解之后，我們就考慮怎樣進行正常時段、高峰時段和晚間時段的跳轉，老師也帶領我們一起分析，起初我們設計的程序出現(xiàn)了錯誤，該亮的燈沒有亮，該滅的燈沒有滅，而且不能進行跳轉，在老師的一次一次的分析下，我們對程序進行修改，實驗最終成功。6參考文獻[1]康華光.電子技術基礎數(shù)字部分[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]閻石.數(shù)字電子技術基礎（第五版）清華大學教研組[M].高等教育出版社，2006.[3]毛瑞麗.數(shù)字電子技術基礎及應用[M].機械工業(yè)出版社,2010.[4]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版）清華大學教研組