課程設(shè)計(jì)（論文）-十字路口交通信號(hào)燈的PLC電氣控制系統(tǒng).doc

I 摘 要 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。 本文設(shè)計(jì)了一十字路口交通燈控制系統(tǒng)。首先根據(jù)要求設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制的順序功能 圖，在此基礎(chǔ)上寫出對(duì)應(yīng)的梯形圖以及指令表，最后進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明本方案 適用可行。 關(guān)鍵詞：交通燈；PLC控制；梯形圖；順序功能圖 目 錄 摘要I 1 PLC 概述1 2 十字路口交通信號(hào)燈的 PLC 電氣控制系統(tǒng)2 2.1 十字路口交通信號(hào)燈的控制要求2 2.2 PLC 硬件控制電路設(shè)計(jì)3 2.3 PLC 控制程序設(shè)計(jì)4 2.4 梯形圖6 2.5 指令表7 2.6 十字路口交通信號(hào)燈系統(tǒng)電氣工藝設(shè)計(jì)9 2.7 十字路口交通信號(hào)燈梯形圖程序調(diào)試9 2.8 仿真圖10 課程設(shè)計(jì)總結(jié)12 參考文獻(xiàn)13 1 1 PLC 概述 可編程序控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，是在繼電順 序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。它是在繼 電接觸器控制和計(jì)算機(jī)控制基礎(chǔ)上開發(fā)的工業(yè)自動(dòng)控制裝置,是計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制 領(lǐng)域的一種應(yīng)用技術(shù)。進(jìn)入二十世紀(jì)八十年代以來，隨著微機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅 猛發(fā)展，極大推動(dòng)了PLC在世界范圍內(nèi)的發(fā)展，其功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用范圍越來越 廣闊，已廣泛應(yīng)用在各種機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中。 20世紀(jì)60年代末期，美國汽車制造工業(yè)競(jìng)爭激烈，為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝不斷更新 的需要，在1968年美國通用汽車公司（GM）首先公開招標(biāo)，對(duì)控制系統(tǒng)提出的具體 要求基本為： 它的繼電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線簡單成本低。它能把計(jì) 算機(jī)的功能和繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合起來。但編程要比計(jì)算機(jī)簡單易學(xué)、操作方便。系 統(tǒng)通用性強(qiáng)。1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺(tái) PLC，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次試用成功，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化。其后日本、 德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來，但是主要應(yīng)用于順序控制，只能進(jìn) 行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC。其定義：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。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器， 用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的 指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破?及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則 設(shè)計(jì)。 我國在七十年代末期開始對(duì)PLC進(jìn)行研究、生產(chǎn)和應(yīng)用。在近十年來，取得了非 常好的成績。特別是在應(yīng)用方面，隨著國力的增強(qiáng)和生產(chǎn)力的提高，PLC已經(jīng)滲透到 了各個(gè)領(lǐng)域。在生產(chǎn)方面，為了提高生產(chǎn)效率和工業(yè)的自動(dòng)化，我們引進(jìn)了許多在世 界上都處于領(lǐng)先技術(shù)的成套設(shè)備，大量地使用PLC等先進(jìn)技術(shù)。還有三峽工程、秦川 電站、天津開發(fā)區(qū)的康師傅方便面生產(chǎn)線等都用了PLC控制?，F(xiàn)在PLC不但應(yīng)用于 冶金、礦業(yè)、機(jī)械、輕工等工業(yè)自動(dòng)控制中，在其他領(lǐng)域它也有著廣泛地應(yīng)用。 2 2 十字路口交通信號(hào)燈的 PLC 電氣控制系統(tǒng) 2.1 十字路口交通信號(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。 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 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。 十字路口交通信號(hào)燈現(xiàn)場(chǎng)示意圖（如圖 2.1 所示） ，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，要求如下。 （1）正?？刂茣r(shí) 當(dāng)東西方向允許通行（綠燈）時(shí)，南北方向應(yīng) 禁止通（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）。 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。 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 （2）輸入/輸出信號(hào)分配 使用PLC數(shù)字量輸入，輸出量控制紅綠燈， OUTPUT 01接：東西方向紅燈，用 Y0表示； OUTPUT 02接：東西方向綠燈，用 Y1表示； OUTPUT 03接：東西方向黃燈，用 Y2表示； OUTPUT 04接：南北方向紅燈，用 Y3表示； 圖 2.1 交通信號(hào)燈現(xiàn)場(chǎng)示意圖 3 OUTPUT 05接：南北方向綠燈，用 Y4表示； OUTPUT 06接：南北方向黃燈，用 Y5表示。 有如下表格（一）說明： 表（一） 紅燈綠燈黃燈 東西方向Y0Y1Y2 南北方向Y3Y4Y5 （3）交通燈規(guī)則 初態(tài)是兩個(gè)路口的紅燈全亮1s；之后，東西路口的綠燈亮，南北路口的紅燈亮 20S，東西方向通車20S；東西路口綠燈滅，南北方向黃燈開始閃爍5S；之后，東西 路口紅燈亮，而同時(shí)南北路口的綠燈亮，南北方向通車20S；南北方向綠燈滅，東西 方向黃燈開始閃爍5s；之后，再切換到東西路口通車，重復(fù)上述過程。 2.2 PLC 硬件控制電路設(shè)計(jì) (1) 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 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；分析對(duì)象 的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數(shù)量； PLC平均的I/O點(diǎn)的價(jià)格還比較高， 因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O 點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。 通常I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上1015 的裕量來確定。用戶程序所需的存儲(chǔ)容量大小不僅與PLC系統(tǒng)的功能有關(guān)，而且還與 功能實(shí)現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。 一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的程序員和一個(gè)初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時(shí)，其程序量可能相差 25之多，所以對(duì)于初學(xué)者應(yīng)該在存儲(chǔ)容量估算時(shí)多留裕量。 PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，在很大程序上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求，因此可在 I/O點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲(chǔ)容量后，再加2030的裕量。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， 4 選擇適合的PLC機(jī)型及外設(shè)，完成PLC硬件結(jié)構(gòu)配置。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。 (2) 繪制外部接線圖 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。根據(jù)上述硬件選型及工藝要求，繪制PLC控制電路接線圖，編制I/O接口功能 表。據(jù)信號(hào)控制要求，外部及線圖（如圖2.2所示） 2.3 PLC 控制程序設(shè)計(jì) （1） PLC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移 電源 圖 2.2 十字路口交通信號(hào)燈 PLC 外部接線圖 東西黃 東西綠 南北紅 南北黃 南北綠Y0 Y1 Y2 Y4 Y5 Y6 COM 東西紅 COM RUN FX2N 5 在設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的程序時(shí)，僅僅采用簡單的邏輯處理已經(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。 （2）PLC的順序功能圖（如圖2.3所示） 圖 2.3 十字路口交通信號(hào)燈 PLC 的順序功能圖 （3）十字路口交通信號(hào)燈PLC的程序設(shè)計(jì)說明 據(jù)圖2.3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，說明十字路口交通信號(hào)燈PLC的程序設(shè)計(jì)。 （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)S0狀態(tài)為1時(shí)，觸點(diǎn)接通，交通指揮系統(tǒng)南北向紅燈Y3亮，東西向紅 燈亮，持續(xù)1s。 T2 T3 T4 S4 S0 S1 S2 S3 Y1 Y3 T1 Y5 T2 Y0 Y4 T3 Y2 T4 M8002 T0 T1 Y0 Y3 T0 6 （3）定時(shí)時(shí)間T0到時(shí)，狀態(tài)從S0轉(zhuǎn)移到S1，使S1置1，東西向綠燈亮，南 北向紅燈亮，同時(shí)驅(qū)動(dòng)T1定時(shí)20S。 （4）定時(shí)時(shí)間T1到時(shí)，狀態(tài)從S1轉(zhuǎn)移到S2，使S2置1，驅(qū)動(dòng)T2定時(shí)5S， 同時(shí)使南北路口方向黃燈閃爍5S。 （5）定時(shí)時(shí)間T2到時(shí)，狀態(tài)從S2轉(zhuǎn)移到S3，使S3置1，東西向紅燈亮，南 北向綠燈亮，同時(shí)驅(qū)動(dòng)T3定時(shí)20S。 （6）定時(shí)時(shí)間T3到時(shí)，狀態(tài)從S3轉(zhuǎn)移到S4，使S4置1，驅(qū)動(dòng)T4定時(shí)5S 同時(shí)使東西向黃燈閃爍亮5S。 （7）延時(shí)5S后，轉(zhuǎn)移條件T4閉合，一方面狀態(tài)從S4轉(zhuǎn)移到S1，使S1置 1，狀態(tài)S1之后進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行。 2.4 梯形圖 7 8 圖 2.4 十字路口交通信號(hào)燈 PLC 控制梯形圖 2.5 指令表 根據(jù)圖2.4可寫出如下指令 LD M8002 /初始化脈沖 SET S0 /S0轉(zhuǎn)換條件滿足 STL S0 /S0變?yōu)榛顒?dòng)步 OUT Y0 /輸出燈Y0 OUT Y3 /輸出燈Y3 OUT T0 K10 /T0被啟動(dòng) LD T0 /T0時(shí)間到并置位 SET S1 /S1轉(zhuǎn)換條件滿足 9 STL S1 /S1變?yōu)榛顒?dòng)步 OUT Y1 /輸出燈Y1 OUT Y3 /輸出燈Y3 OUT T1 K200 /T1被啟動(dòng) LD T1 /T1時(shí)間到并置位 SET S2 /S2轉(zhuǎn)換條件滿足 STL S2 /S2變?yōu)榛顒?dòng)步 OUT T2 K50 /T2被啟動(dòng) LDI T5 /T5被接通 OUT T6 K5 /T6 被啟動(dòng) LD T6 /T6 時(shí)間到被置位 OUT T5 K5 /T5 被啟動(dòng) OUT Y5 /輸出燈Y5 LD T2 /T2被啟動(dòng) SET S3 /S3 轉(zhuǎn)換條件滿足 STL S3 /S3 變?yōu)榛顒?dòng)步 OUT Y0 /輸出燈 Y0 OUT Y4 /輸出燈 Y4 OUT T3 K200 /T3被啟動(dòng) LD T3 /T3時(shí)間到并置位 SET S4 /S4轉(zhuǎn)換條件滿足 STL S4 /S4變?yōu)榛顒?dòng)步 LDI T7 /T7 被接通 OUT T8 K5 / T8被啟動(dòng) LD T8 /T8時(shí)間到并置位 OUT T7 /T7被啟動(dòng) OUT Y2 /輸出燈Y2 LD T4 /T4時(shí)間到并置位 SET S1 /S1轉(zhuǎn)換條件滿足 10 RET /程序返回 LD S4 /S4常開閉合 OUT T4 K60 /延時(shí)6S 2.6 十字路口交通信號(hào)燈系統(tǒng)電氣工藝設(shè)計(jì) 按設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)繪制電氣裝置總體配置圖、電器板電器元器件平面圖、控制面板 電器平面圖及相關(guān)電氣接線圖。 （1）先根據(jù)控制系統(tǒng)要求和電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)，確定電器元器件的總體布局以及電控 箱內(nèi)裝配板與控制面板上應(yīng)安裝的電器元件。 （2）依據(jù)用戶要求滿足操作方便、美觀大方、布局均勻?qū)ΨQ等設(shè)計(jì)原則，繪制電控 箱電器板元件布置圖、電器面板元件布置圖、電氣接線圖等，如圖2.5所示。進(jìn)出引 線采用接線端子板連接。 （3）依據(jù)電器元件布置圖及電器元器件的外形尺寸、安裝尺寸，繪制電器板、控制 面板、墊板等零部件加工圖。圖中應(yīng)注明外形尺寸、安裝孔徑、定位尺寸與公差、板 材厚度以及加工要求等。 （4）依據(jù)電器安裝板、控制面板尺寸設(shè)計(jì)電控箱，繪制電控箱安裝圖。 2.7 十字路口交通信號(hào)燈梯形圖程序調(diào)試 在調(diào)試系統(tǒng)控制程序時(shí)，所有的輸入信號(hào)均用開關(guān)信號(hào)來代替，所有的輸出均用 指示燈來表示。調(diào)試時(shí)，首先按控制系統(tǒng)PLC接線圖完成硬件接線，并仔細(xì)檢查接線 圖 2.5 十字路口交通信號(hào)燈 PLC 11 是否有誤，特別要注意接線時(shí)不能出現(xiàn)短路、斷路及反接等情況，否則會(huì)造成硬件損 壞及人身意外。 首先電源開關(guān)打開，將指令輸入PLC，程序監(jiān)控狀態(tài)，打開PLC，手動(dòng)開電動(dòng)閥 旋鈕開關(guān)，觀察輸出指示燈是否按預(yù)計(jì)效果閃滅，并通過監(jiān)控狀態(tài)觀察程序的運(yùn)行過 程及輸入輸出信號(hào)、內(nèi)部元件狀態(tài)的變化，從中可以發(fā)現(xiàn)硬件接線是否有誤及程序?qū)?現(xiàn)方案、結(jié)構(gòu)是否正確。 進(jìn)行手動(dòng)切換看是否滿足十字路口交通信號(hào)燈的控制要求，要分析并描述實(shí)際出 現(xiàn)的問題，最后解決問題。 2.8 仿真圖 圖 2.6 東西方向綠燈亮、南北方向紅燈亮 12 圖 2.7 南北方向黃燈亮 圖 2.8 南北方向綠燈亮、東西方向紅燈亮 13 圖 2.9 東西方向黃燈閃爍亮 課程設(shè)計(jì)總結(jié) PLC是一門側(cè)重應(yīng)用方向的學(xué)科。所以要多一點(diǎn)實(shí)踐，不要看不起小的項(xiàng)目，在 其中你能總結(jié)出設(shè)計(jì)程序的邏輯思維方法，總結(jié)中不斷進(jìn)步。 在學(xué)完P(guān)LC理論課程后我們做了課程設(shè)計(jì)，此次設(shè)計(jì)以分組的方式進(jìn)行，每組有 一個(gè)題目，我們做的是十字路口交通信號(hào)燈的PLC電氣控制。由于平時(shí)大家都是學(xué)理 論，沒有過實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，拿到的時(shí)候都不知道怎么做。但通過各方面的查資 料并學(xué)習(xí)。我們基本學(xué)會(huì)了PLC設(shè)計(jì)的步聚和基本方法。分組工作的方式給了我與同 學(xué)合作的機(jī)會(huì)，提高了與人合作的意識(shí)與能力。 通過這次設(shè)計(jì)實(shí)踐，我學(xué)會(huì)了PLC的基本編程方法，對(duì)PLC的工作原理和使用 方法也有了更深刻的理解。在對(duì)理論的運(yùn)用中，提高了我們的工程素質(zhì)，在沒有做實(shí) 踐設(shè)計(jì)以前，我們對(duì)知道的撐握都是思想上的，對(duì)一些細(xì)節(jié)不加重視，當(dāng)我們把自己 想出來的程序與到PLC中的時(shí)候，問題出現(xiàn)了，不是不能運(yùn)行，就是運(yùn)行的結(jié)果和要 14 求的結(jié)果不相符合。能過解決一個(gè)個(gè)在調(diào)試中出現(xiàn)的問題，我們對(duì)PLC 的理解得到 加強(qiáng)，看到了實(shí)踐與理論的差距。 在課程設(shè)計(jì)過程中我了解到，P