交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PAGEIVPAGE交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實(shí)現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進(jìn)性、科學(xué)化。用可編程控制器實(shí)現(xiàn)交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，能夠有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合交通的實(shí)際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的城市交通燈控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)方案?？删幊绦蚩刂破髟诠I(yè)自動(dòng)化中的地位極為重要，廣泛的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。隨著科技的發(fā)展，可編程控制器的功能日益完善，加上小型化、價(jià)格低、可靠性高，在現(xiàn)代工業(yè)中的作用更加突出。PLC可編程序控制器是以微處理器為基礎(chǔ),綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動(dòng)控制中。據(jù)統(tǒng)計(jì),可編程控制器是工業(yè)自動(dòng)化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)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(chǔ)設(shè)備之一,PLC、機(jī)器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。由于PLC具有對(duì)使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特性,同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源十分豐富,可對(duì)目前普遍使用的“漸進(jìn)式”信號(hào)燈進(jìn)行精確控制,特別對(duì)多岔路口的控制可方便地實(shí)現(xiàn)。因此現(xiàn)在越來越多地將PLC應(yīng)用于交通燈系統(tǒng)中。同時(shí),PLC本身還具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能,將同一條道路上的信號(hào)燈組成一局域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理,可縮短車輛通行等候時(shí)間，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理.由于PLC具有對(duì)使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源十分豐富，可對(duì)目前普遍使用的“漸進(jìn)式”信號(hào)燈進(jìn)行精確控制，特別對(duì)多岔路口的控制可方便地實(shí)現(xiàn)。因此現(xiàn)在越來越多地將PLC應(yīng)用于交通燈系統(tǒng)中。同時(shí)有些還引入觸摸屏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(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞:交通燈；PLC；程序；設(shè)計(jì)StoplightPLCcontrolsystemdesignAbstractTheemergenceoftrafficlights,sotrafficcanbeeffectivelycontrolled,foreasetrafficflow,increaseroadcapacityandreducetrafficaccidentshaveremarkableresults.Inordertoachievetrafficmanagement,advancedtrafficmanagementsoughtandscientific.Programmablecontrollerwithcontroloftrafficlightcontrolsystemandthesystemsoftwareandhardwaredesign,provedthatthesystemsimple,economic,effectiveineasingtrafficcongestion,improvetrafficjunctioncapacity.Analysisofthemodernurbantrafficcontrolandmanagementstatus,combinedwiththetrafficsituationdescribedthetrafficlightcontrolsystemworkingprincipleofasimpleandpracticalurbantrafficlightcontrolsystemPLCdesign.ProgrammableLogicController'spositioninindustrialautomationisextremelyimportant,widelyusedinvariousindustries.Withthedevelopmentoftechnology,programmablecontrollerfeaturesmoresophisticatedandsmaller,lowcost,highreliability,inthemodernindustryinamoreprominentrole.PLCprogrammablelogiccontrollerisamicroprocessor-based,integratedcomputertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologyfromanewtypeofindustrialcontroldevices.Ithasasimplestructure,convenientprogramming,andhigherreliability,hasbeenwidelyusedinindustrialprocessesandcontrolofthelocation.Accordingtostatistics,theprogrammablecontrolleristhemostwidelyusedindustrialautomationequipmentinadevice.Expertsbelieve,PLCwillbecometheprimarymeansofindustrialcontrolsanimportantinfrastructureandoneof,PLC,robotics,CAD/CAMwillbethethreepillarsofindustrialproduction.AsthePLCwiththeuseofenvironmentaladaptabilityfeatures,whileitsinternaltimerresourcesareveryrich,thecurrentwidespreaduseof"progressive"precisecontroloflights,inparticularthecontrolofmulti-forkcanbeeasilyachieved.Therefore,thePLCisnowincreasinglyusedintrafficlightssystem.Meanwhile,PLCitselfwithcommunicationsnetworking,willbethesamesignalontheroadtoformaunifiedLAN,schedulingmanagement,vehicletrafficcanreducethewaitingtimetorealizethescientificmanagement.AsthePLCwiththeuseofenvironmentaladaptabilityfeatures,whileitsinternaltimerresourcesareveryrich,thecurrentwidespreaduseof"progressive"signalforprecisecontrol,particularlycontrolovertheforkcanbeeasilyachieved.Therefore,thePLCisnowincreasinglyusedintrafficlightssystem.Whilesomealsointroducestouch-screensimulationofvehicletrafficcrossinglightsflashandtheveryimageofthePLCtoshowthetrafficlightsysteminpracticalapplication.Keywords：Trafficlights；Program;design目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1概述 11.2可編程控制器的簡(jiǎn)介 21.2.1PLC的應(yīng)用 21.2.2

PLC的特點(diǎn) 31.2.3PLC的結(jié)構(gòu)和工作方式 41.2.4PLC編程語言 51.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 62PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要 72.1設(shè)計(jì)的基本原則和內(nèi)容 72.2設(shè)計(jì)的步驟和實(shí)現(xiàn)過程 73交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 123.1交通信號(hào)燈的控制要求 123.2交通信號(hào)燈的控制時(shí)序 133.3PLC硬件控制電路的設(shè)計(jì) 143.3.1PLC的選型 143.3.2I/O配置表 153.3.3PLC控制電路接線圖 174交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 174.1STEP7編程軟件的概述 184.2交通信號(hào)燈程序設(shè)計(jì)過程 184.2.1PLC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移 184.2.2交通信號(hào)燈程序設(shè)計(jì)步驟 194.3交通信號(hào)燈的PLC程序 20結(jié)論 22致謝 1參考文獻(xiàn) 2遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第8頁1緒論1.1概述據(jù)一項(xiàng)對(duì)美國(guó)主要城市交通狀況的調(diào)查顯示：1982年至2000年，美國(guó)城市在上下班高峰期間的交通堵塞狀況不斷加劇，由交通堵塞造成的時(shí)間和汽油浪費(fèi)而帶來的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)680億美元。以廣州為例來講，現(xiàn)在市區(qū)平均車速只有每小時(shí)12公里。用這個(gè)目標(biāo)速度代入歐美標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，廣州人為交通堵塞所付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)總值：每年耗費(fèi)1.5億小時(shí)，減少生產(chǎn)總值117億元。相當(dāng)于該市整個(gè)生產(chǎn)總值的7%。在北美、澳大利亞等大城市，道路面積率高達(dá)35%--40%，而北京只有20%。緩解交通擁堵，加快道路建設(shè)是當(dāng)務(wù)之急。據(jù)悉，到2010年，北京將投資500億元用于城市道路建設(shè)，到2005年，北京僅高速公路通車?yán)锍叹瓦_(dá)到600公里。但一味發(fā)展城市道路，也會(huì)刺激私家車超常規(guī)發(fā)展，兩者發(fā)展速度的失衡，最終還是逃不出“擁堵—修路—再擁堵”的怪圈。當(dāng)今時(shí)代是一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代，交通燈控制等很多行業(yè)的設(shè)備都與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)。因此，一個(gè)好的交通燈控制系統(tǒng)，將給道路擁擠、違章控制等方面給予技術(shù)革新。隨著大規(guī)模集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在控制技術(shù)方面的廣泛運(yùn)用，智能設(shè)備有了很大的發(fā)展，是現(xiàn)代科技發(fā)展的主流方向。本設(shè)計(jì)介紹了一個(gè)智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該智能交通燈控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能有：對(duì)某市區(qū)的四個(gè)主要交通路口進(jìn)行監(jiān)控；各路口有固定的工作周期，并且在道路擁擠時(shí)中控中心能改變其周期；對(duì)路口違章的機(jī)動(dòng)車能夠即時(shí)拍照，并提取車牌號(hào)。在世界范圍內(nèi)，一個(gè)以微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為先導(dǎo)的，以信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)為中心的信息革命方興未艾。而計(jì)算機(jī)技術(shù)怎樣與實(shí)際應(yīng)用更有效的結(jié)合并有效的發(fā)揮其作用是科學(xué)界最熱門的話題，也是當(dāng)今計(jì)算機(jī)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域。本文主要從單片機(jī)的應(yīng)用上來實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈智能化的管理，用以控制過往車輛的正常運(yùn)作。交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實(shí)現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進(jìn)性、科學(xué)化。用可編程控制器實(shí)現(xiàn)交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，能夠有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合交通的實(shí)際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的城市交通燈控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)方案?？删幊绦蚩刂破骱?jiǎn)稱為PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PLC在其他領(lǐng)域，例如在民用和家庭自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)領(lǐng)域。現(xiàn)代社會(huì)要求制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性。可編程序控制器（ProgrammableLogicController）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。1.2可編程控制器的簡(jiǎn)介1.2.1PLC的應(yīng)用目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為以下幾個(gè)方面：1、開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2、模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3、運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。4、過程控制過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。5、數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。6、通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。1.2.2

PLC的特點(diǎn)1、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高

繼電接觸器控制系統(tǒng)雖具有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機(jī)械觸頭，使設(shè)備連線復(fù)雜，由于器件的老化、脫焊、觸頭的抖動(dòng)及觸頭在開閉時(shí)受電弧的損害大大降低了系統(tǒng)的可靠性。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(shí)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(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少互繼電器控制系統(tǒng)的1/10--1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。而PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器件來完成，大部分繼電器和復(fù)雜的連線被軟件程序所取代，故壽命長(zhǎng)，可靠性大大提高。2、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?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)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。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)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(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(hào)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、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)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(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(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(chǎng)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(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。1.2.3PLC的結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相似。PLC按其結(jié)構(gòu)形式可分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。PLC的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。接受接口部件輸出中央處理單元CPU板輸入接口部件 驅(qū)動(dòng)接口部件輸出中央處理單元CPU板輸入接口部件現(xiàn)場(chǎng)信號(hào) 受控元件電源部件電源部件圖2-1PLC基本結(jié)構(gòu)框圖1.2.4PLC編程語言采用面向控制過程、面向問題、簡(jiǎn)單直觀的PLC進(jìn)行編程，其編程語言常用的有：梯形圖、語句表、功能圖等。1、梯形圖梯形圖是使用最多的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。梯形圖由觸點(diǎn)、線圈和用方框表示的指令框組成。觸點(diǎn)電表邏輯輸入條件，例如外部的開關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等。線圈通常代表邏輯運(yùn)算的結(jié)果，常用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的標(biāo)志位等。指令框用來表示定時(shí)器、計(jì)數(shù)器或者數(shù)學(xué)運(yùn)算等附加指令。使用編程軟件可以直接生成和編輯梯形圖，并將它下載到PLC。2、語句表語句表又叫指令表，它是一種類似于微機(jī)的匯編語言中的文本語言，用指令的助記符編程，由多條語句組成一個(gè)程序段，可以實(shí)現(xiàn)某些不能用梯形圖或功能塊圖表示的功能。3、功能塊圖功能塊圖使用類似于布爾代數(shù)的圖形邏輯符號(hào)來表示控制邏輯。即用類似于與門、或門的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，輸入、輸出端的小圓圈表示“非”運(yùn)算，方框被“導(dǎo)線”連接在一起，信號(hào)自左向右流動(dòng)。1.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容交通信號(hào)燈的控制要求交通信號(hào)燈的控制時(shí)序PLC應(yīng)將控制電路設(shè)計(jì)交通信號(hào)燈程序設(shè)計(jì)過程交通信號(hào)燈的PLC程序因?yàn)槭墙煌舻膯纹瑱C(jī)控制設(shè)計(jì)，所以要了解實(shí)際交通燈的變化情況和規(guī)律。假設(shè)一個(gè)十字路口為東西南北走向。然后轉(zhuǎn)狀態(tài)1南北紅燈，東西綠燈通車。過一段時(shí)間轉(zhuǎn)狀態(tài)2東西綠燈滅，黃燈閃爍幾次，南北仍然紅燈。再轉(zhuǎn)狀態(tài)3，南北綠燈通車，東西紅燈。過一段時(shí)間轉(zhuǎn)狀態(tài)4，南北綠燈滅，閃幾次黃燈，東西仍然紅燈。最后循環(huán)至狀態(tài)1。（這一小節(jié)寫你的整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，即把第三、四兩章的內(nèi)容做綜合總結(jié)?。┻|寧科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第25頁2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要2.1設(shè)計(jì)的基本原則和內(nèi)容我們?cè)趯W(xué)習(xí)了PLC的大量相關(guān)知識(shí)后，要能夠把其運(yùn)用在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中。當(dāng)然，要設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、可靠、簡(jiǎn)潔的PLC控制系統(tǒng)，需要豐富的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)。那么，我們首先來看一下PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和內(nèi)容。一、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則1、最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求；2、保證控制系統(tǒng)的高可靠、安全；3、滿足上面條件的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和維修方便；4、選擇PLC時(shí)，要考慮生產(chǎn)和工藝改進(jìn)所需的余量。二、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容1、選擇合適的用戶輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象；2、分配I/O，設(shè)計(jì)電氣接線圖，考慮安全措施；3、選擇適合系統(tǒng)的PLC；4、設(shè)計(jì)程序；5、調(diào)試程序，一個(gè)是模擬調(diào)試，一個(gè)是聯(lián)機(jī)調(diào)試；6、設(shè)計(jì)控制柜，編寫系統(tǒng)交付使用的技術(shù)文件，說明書、電氣圖、電氣元件明細(xì)表。7、驗(yàn)收、交付使用。2.2設(shè)計(jì)的步驟和實(shí)現(xiàn)過程一、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟1、對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，最好繪制編程流程圖，相當(dāng)于設(shè)計(jì)思路；2、設(shè)計(jì)梯形圖；3、程序輸入PLC模擬調(diào)試，修改，直到滿足要求為止；4、現(xiàn)場(chǎng)施工完畢后進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，直至可靠地滿足控制要求；5、編寫技術(shù)文件；6、交付使用。我們?cè)谠O(shè)計(jì)流程圖時(shí)，也要遵循以下過程：1)分析生產(chǎn)工藝過程；2)根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設(shè)備，分配I/O；3)選擇PLC；4)設(shè)計(jì)PLC接線圖以及電氣施工圖；5)程序設(shè)計(jì)和控制柜接線施工。具體的設(shè)計(jì)步驟框圖如圖2-1所示。分析控制要求分析控制要求確定I/O設(shè)備選擇PLC分配I/O、設(shè)計(jì)電氣圖編寫流程圖設(shè)計(jì)梯形圖編制程序清單輸入程序并檢查調(diào)試滿足NY聯(lián)機(jī)調(diào)試滿足NN編制技術(shù)文件交付使用設(shè)計(jì)控制柜現(xiàn)場(chǎng)連接圖2-1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟框圖二、PLC控制系統(tǒng)執(zhí)行程序的過程及特點(diǎn)PLC執(zhí)行程序的過程分為三個(gè)階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。1、輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進(jìn)行采樣，并存入輸入映象寄存器中，此時(shí)輸入映象寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。2、程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，PLC對(duì)程序按順序進(jìn)行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進(jìn)行。當(dāng)遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序是否跳轉(zhuǎn)。當(dāng)指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器和元件映象寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再存入元件映象寄存器中。對(duì)于元件映象寄存器來說，其內(nèi)容會(huì)隨程序執(zhí)行的過程而變化。3、輸出刷新階段程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映象寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。因此，PLC在一個(gè)掃描周期內(nèi)，對(duì)輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進(jìn)行。當(dāng)PLC進(jìn)入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段才對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行重新采樣。這方式稱為集中采樣，即在一個(gè)掃描周期內(nèi)，集中一段時(shí)間對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行采樣。在用戶程序中如果對(duì)輸出結(jié)果多次賦值，則最后一次有效。在一個(gè)掃描周期內(nèi)，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對(duì)輸出接口進(jìn)行刷新。在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。這種方式稱為集中輸出。對(duì)于小型PLC，其I/O點(diǎn)數(shù)較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但使PLC工作時(shí)大多數(shù)時(shí)間與外部輸入/輸出設(shè)備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。而對(duì)于大中型PLC，其I/O點(diǎn)數(shù)較多，控制功能強(qiáng)，用戶程序較長(zhǎng)，為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能I/O接口等多種方式。從上述分析可知，當(dāng)PLC的輸入端輸入信號(hào)發(fā)生變化到PLC輸出端對(duì)該輸入變化作出反應(yīng)，需要一段時(shí)間，這種現(xiàn)象稱為PLC輸入/輸出響應(yīng)滯后。對(duì)一般的工業(yè)控制，這種滯后是完全允許的。應(yīng)該注意的是，這種響應(yīng)滯后不僅是由于PLC掃描工作方式造成，更主要是PLC輸入接口的濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲，以及輸出接口中驅(qū)動(dòng)器件的動(dòng)作時(shí)間帶來輸出延遲，同時(shí)還與程序設(shè)計(jì)有關(guān)。滯后時(shí)間是設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意把握的一個(gè)參數(shù)。3交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1交通信號(hào)燈的控制要求隨著城市和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通信號(hào)燈發(fā)揮的作用越來越大，正因?yàn)橛辛私煌ㄐ盘?hào)燈，才使車流、人流有了規(guī)范，同時(shí)，減少了交通事故發(fā)生的概率。然而，交通信號(hào)燈不合理使用或設(shè)置，也會(huì)影響交通的順暢。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要遵循一定的原則和要求。交通信號(hào)燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準(zhǔn)許通行，黃燈表示警示。交通信號(hào)燈分為機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、非機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、人行橫道信號(hào)燈、車道信號(hào)燈、方向指示信號(hào)燈、閃光警告信號(hào)燈、道路與鐵路平面交叉道口信號(hào)燈。交通信號(hào)燈用于道路平面交叉路口，通過對(duì)車輛、行人發(fā)出行進(jìn)或停止的指令，使各個(gè)方向同時(shí)到達(dá)的人、車交通流盡可能減少相互干擾，從而提高路口的通行能力，保障路口暢通和安全。在本設(shè)計(jì)中，我們僅以機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈為例，來說明它的控制要求。一般的十字路口交通信號(hào)燈現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖3-1所示，其南北和東西每個(gè)方向各有紅、綠、黃三種信號(hào)燈，為確保交通安全，對(duì)其控制系統(tǒng)的要求如下。圖3-1交通燈現(xiàn)場(chǎng)示意圖1、采用PLC構(gòu)成十字路口的南北向和東西向交通信號(hào)燈的電氣控制系統(tǒng)上電后，交通指揮信號(hào)控制系統(tǒng)由由一個(gè)3位轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1控制。SA1手柄指向左45°時(shí)，接點(diǎn)SA1-1接通，交通指揮系統(tǒng)開始按常規(guī)正?？刂乒δ芄ぷ?，按照如圖3-2所示工作時(shí)序周而復(fù)始，循環(huán)往復(fù)工作。SA1手柄指向中間0°時(shí)，接點(diǎn)SA1-2接通，交通指揮系統(tǒng)南北向綠燈常亮，東西向紅燈常亮，。SA1手柄指向右45°時(shí)，接點(diǎn)SA1-3接通，交通指揮系統(tǒng)東西向綠燈常亮，南北向紅燈常亮。2、信號(hào)燈的控制原則1)當(dāng)東西方向允許通行（綠燈）時(shí)，南北方向應(yīng)禁止通行（紅燈）；同樣，當(dāng)南北方向允許通行（綠燈）時(shí)，東西方向應(yīng)禁止通行（紅燈）。2)在綠燈信號(hào)要切換為紅燈信號(hào)之前，為提醒司機(jī)提前減速并剎車，應(yīng)有明顯的提示信號(hào)：綠燈閃爍同時(shí)黃燈亮。3)信號(hào)燈控制系統(tǒng)啟動(dòng)后應(yīng)能自動(dòng)循環(huán)動(dòng)作。3.2交通信號(hào)燈的控制時(shí)序交通信號(hào)燈的控制時(shí)序如圖3-2所示，它是按信號(hào)燈置1與置0兩種狀態(tài)繪制的，置1表示信號(hào)燈點(diǎn)亮，置0表示信號(hào)燈點(diǎn)滅。圖3-2十字路口交通燈正常工作時(shí)序3.3PLC硬件控制電路的設(shè)計(jì)3.3.1PLC的選型在對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先，要了解各個(gè)控制對(duì)象的驅(qū)動(dòng)要求，如：驅(qū)動(dòng)電壓的等級(jí)、負(fù)載的性質(zhì)等；其次，要分析對(duì)象的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數(shù)量；再次，要確定所控制參數(shù)的精度及類型，如：對(duì)開關(guān)量、模擬量的控制、用戶程序存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量等。根據(jù)上述原則，我們要選擇適合的PLC機(jī)型及外設(shè)，完成相應(yīng)的PLC硬件結(jié)構(gòu)配置。因此，PLC的選型是設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步。目前，國(guó)內(nèi)外PLC生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC品種可達(dá)數(shù)百個(gè)，其性能各有特點(diǎn)。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)首先要盡可能考慮采用便于學(xué)習(xí)、掌握、維護(hù)方便、備品配件通用性強(qiáng)的PLC。我國(guó)市場(chǎng)上流行的PLC產(chǎn)品有以下幾家：1)德國(guó)西門子(Siemens)公司的產(chǎn)品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列產(chǎn)品；2)美國(guó)羅克韋爾(Rockwell)公司所屬的AB(Allen&Bradly)公司的產(chǎn)品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等產(chǎn)品；3)GE-Fanuc公司的產(chǎn)品；4)法國(guó)施耐德(Schneider)公司的產(chǎn)品；5)日本三菱、歐姆龍等公司產(chǎn)品。本次設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和內(nèi)容集中在程序編寫和梯形圖的繪制，由于在本設(shè)計(jì)中用到了大量的開關(guān)量、繼電器、計(jì)數(shù)器以及計(jì)時(shí)器等。而德國(guó)西門子出產(chǎn)的PLC功能全，性價(jià)比高，有統(tǒng)一的地址分配，完全可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。并且，在目前相關(guān)領(lǐng)域的控制設(shè)計(jì)中，西門子產(chǎn)品的應(yīng)用比較廣泛。綜上所述，我們采用了西門子公司S7-200PLC/CPU224，它有24輸入/16輸出。3.3.2I/O配置表I/O配置表如表3-1、3-2所示。表3-1輸入地址分配輸入地址變量說明I0.0系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕I0.1系統(tǒng)停止按鈕表3-2輸出地址分配輸出地址變量說明Q0.0系統(tǒng)運(yùn)行指示燈Q0.1南北左行紅燈Q0.2南北左行綠燈Q0.3南北直行紅燈Q0.4南北直行綠燈Q0.5南北直行黃燈Q0.6南北右行紅燈Q0.7南北右行綠燈Q1.0南北右行黃燈Q1.1東西左行綠燈Q1.2東西左行紅燈Q1.3東西左行黃燈Q1.4東西直行綠燈Q1.5東西直行紅燈Q1.6東西直行黃燈Q1.7東西右行綠燈Q2.0東西右行紅燈Q2.1東西右行黃等表3-1十字路口交通燈控制信號(hào)說明輸入輸出文字符號(hào)信號(hào)地址說明文字符號(hào)信號(hào)地址說明SA1-1X0交通燈正常工作控制開關(guān)H1Y0南北向綠燈指示SA1-2X1南北向交通燈常綠控制開關(guān)H2Y1南北向黃燈指示SA1-3X2東西向交通燈常綠控制開關(guān)H3Y2南北向紅燈指示H4Y3東西向綠燈指示H5Y4東西向黃燈指示H6Y5東西向紅燈指示3.3.3PLC控制電路接線圖根據(jù)上述硬件選型及工藝要求，繪制PLC控制電路接線圖，如圖3-3所示。 圖3-3十字路口交通信號(hào)燈PLC外部I/O分配及其接線圖中用一個(gè)輸出點(diǎn)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)信號(hào)燈，如果PLC輸出點(diǎn)的輸出電流不夠，可以用一個(gè)輸出點(diǎn)驅(qū)動(dòng)一個(gè)信號(hào)燈，也可以在PLC輸出端增設(shè)中間繼電器，由中間繼器再去驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈。4交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中以城市十字路口為研究對(duì)象，根據(jù)十字路口車輛運(yùn)行情況，調(diào)整各紅、綠、黃燈亮的時(shí)間，利用STEP7軟件對(duì)其進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈的實(shí)時(shí)控制。4.1STEP7編程軟件的概述STEP7編程軟件用于SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP7具有以下功能:硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。在STEP7中，用項(xiàng)目來管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP7用SIMATIC管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATICS7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)STEP7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP7中。4.2交通信號(hào)燈程序設(shè)計(jì)過程4.2.1PLC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移在設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的程序時(shí)，僅僅采用簡(jiǎn)單的邏輯處理已經(jīng)很難保證程序的正確性和易讀性，所以就需要采用別的方法來編制程序。為了保證程序邏輯的正確以及程序的易讀性，我們可以將一個(gè)控制過程分為若干個(gè)階段，在每一個(gè)階段均設(shè)立一個(gè)控制標(biāo)志，當(dāng)每一個(gè)階段執(zhí)行完畢，就啟動(dòng)下一個(gè)階段的控制標(biāo)志，將本階段的控制標(biāo)志清除。所謂“狀態(tài)”是指特定的功能，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)移實(shí)際上就是控制系統(tǒng)的功能轉(zhuǎn)移。機(jī)電自控系統(tǒng)中機(jī)械的自動(dòng)工作循環(huán)過程就是電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)自動(dòng)、有序、逐步轉(zhuǎn)移的過程。這種功能流程圖完整地表現(xiàn)了控制系統(tǒng)的控制過程，各狀態(tài)的功能、狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序和條件，它是PLC應(yīng)用控制程序設(shè)計(jì)的極好工具。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3-4所示。 圖3-4十字路口交通信號(hào)燈PLC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖4.2.2交通信號(hào)燈程序設(shè)計(jì)步驟根據(jù)圖3-4所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，其具體的程序設(shè)計(jì)步驟如下：1、PLC開始運(yùn)行時(shí)，M8002產(chǎn)生一初始脈沖，使初始狀態(tài)S0置1；2、當(dāng)SA1手柄指向中間0°時(shí)，觸點(diǎn)X1接通，交通指揮系統(tǒng)南北向綠燈Y1常亮，東西向紅燈常亮；3、當(dāng)SA1手柄指向右45°時(shí)，觸點(diǎn)X2接通，交通指揮系統(tǒng)東西向綠燈Y1常亮，南北向紅燈常亮；4、當(dāng)SA1手柄指向左45°時(shí)，觸點(diǎn)X0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S20和S30，使S20和S30置1，同時(shí)S0在下一掃描周期自動(dòng)復(fù)位，Y1線圈得電南北綠燈亮與此同時(shí)Y6線圈得電，東西紅燈亮；5、延時(shí)25S后，轉(zhuǎn)移條件T0閉合，狀態(tài)從S20轉(zhuǎn)移到S21，使S21置1，同時(shí)驅(qū)動(dòng)T1記時(shí)，而S20在下一掃描周期自動(dòng)復(fù)位；6、延時(shí)5S后，轉(zhuǎn)移條件T1閉合，狀態(tài)從S21轉(zhuǎn)移S22，使S22置1產(chǎn)生0.5S接通和斷開的時(shí)針脈沖信號(hào)，從而使南北綠燈閃爍，同時(shí)驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器C0記數(shù)，若記數(shù)次數(shù)未到三次，C0的常閉觸點(diǎn)接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S21，繼續(xù)循環(huán)共計(jì)三次；7、次數(shù)到三，C0常開觸點(diǎn)閉合，狀態(tài)由S22轉(zhuǎn)移到S23，使S23置1同時(shí)S22在下一掃描周期自動(dòng)復(fù)位，Y2線圈得電南北黃燈亮；8、延時(shí)2S后，轉(zhuǎn)移條件T3閉合，一方面狀態(tài)從S23轉(zhuǎn)移到S24，使S24置1，S23在下一掃描周期自動(dòng)復(fù)位，Y3線圈得電南北紅燈亮，計(jì)數(shù)器C0復(fù)位。另一方面狀態(tài)S30轉(zhuǎn)移到S31，使S31置1同時(shí)S30在下一掃描周期自動(dòng)復(fù)位，線圈Y4得電東西綠燈亮；9、延時(shí)25S后，轉(zhuǎn)移條件T4閉合，狀態(tài)從S31轉(zhuǎn)移到S32，使S32置1，同時(shí)驅(qū)動(dòng)T5記時(shí)，而S31在下一掃描周期自動(dòng)復(fù)位；10、延時(shí)5S后，轉(zhuǎn)移條件T5閉合，狀態(tài)從S32轉(zhuǎn)移S33，使S33置1產(chǎn)生0.5S接通和斷開的時(shí)針脈沖信號(hào)，從而使東西綠燈閃爍，同時(shí)驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器C1記數(shù)，若記數(shù)次數(shù)未到三次，C1的常閉觸點(diǎn)接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S32，繼續(xù)循環(huán)共計(jì)三次；11、次數(shù)到三，C1常開觸點(diǎn)閉合，狀態(tài)由S33轉(zhuǎn)移到S34，使S34置1同時(shí)S33在下一掃描周期自動(dòng)復(fù)位，Y5線圈得電東西黃燈亮，計(jì)數(shù)器C1復(fù)位；12、延時(shí)2S后，回到初始狀態(tài)S0進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行。4.3交通信號(hào)燈的PLC程序在本設(shè)計(jì)中，交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)的程序采用梯形圖語言來設(shè)計(jì)。具體過程如下：結(jié)論本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便；可現(xiàn)自動(dòng)控制，具有一定的智能性；對(duì)優(yōu)化城市交通具有一定的意義。本設(shè)計(jì)將各任務(wù)進(jìn)行細(xì)分包裝，使各任務(wù)保持相對(duì)獨(dú)立；能有效改善程序結(jié)構(gòu)，便于模塊化處理，使程序的可讀性、可維護(hù)性和可移植性都得到進(jìn)一步的提高。在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里老想著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。我趁著做課程設(shè)計(jì)的同時(shí)也對(duì)課本知識(shí)有了鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各