機械本科論文-PLC交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

可編程控制器件及應(yīng)用課程考查論文題目： PLC交通燈控制系統(tǒng) 專業(yè)班級： 2010級電科一班 學(xué)號： 222010322072015 姓名： 田沖 成績： 緒論隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起們的關(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)用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。（一）PLC設(shè)計的意義隨著交通越來越發(fā)達所出現(xiàn)的問題也越來越多,路面狹窄,車輛擁擠。尤其是到了上下班的時候,許多車輛在路口浪費了很多的時間,不僅給車主帶了很多的麻煩也給交通部門帶了不少麻煩。為了解決這些問題,國家政府也花了不少的心思和精力去研究,探討。為了能有效地解決交通問題,政府對城市進行了有規(guī)模的城市規(guī)劃和道路擴建與維修。還有就是對交通燈進行了研究和改善,調(diào)整交通燈的時間控制和變換頻率以及工作時間的控制,從而使交通更為暢通和安全,提高了交通燈的自身作用和價值。（二）PLC設(shè)計的內(nèi)容與目標(biāo)內(nèi)容：PLC交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)：更好地解決人，車，路三者之間的協(xié)調(diào)PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理1.1.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)在種類繁多的PLC中，其組成結(jié)構(gòu)和工作原理都基本相同。用PLC實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進行輸入/輸出轉(zhuǎn)換，并將這個轉(zhuǎn)換給予物理實現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計，采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，它主要由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入/輸出接口電路等組成2。 1. 中央處理器(CPU) 中央處理器(CPU)一般由控制器運算器和寄存器組成。它們都集成在一個芯片內(nèi)，CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC有條不序地進行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，當(dāng)PLC處于運行方式時，CPU按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。 CPU的主要任務(wù)如下： (1) 按PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序和數(shù)據(jù)。 (2) 用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。 (3) 診斷電源或PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。 (4) 在PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶，程序經(jīng)過命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去啟、閉有關(guān)控制電路，分時地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較、變換等動作。完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運算或算術(shù)運算等任務(wù)。根據(jù)運算結(jié)果更換有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。 2. 存儲器 PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩個部分。 (1)系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器是指用來存放PLC的系統(tǒng)程序的存儲器。它由PLC生產(chǎn)廠家編寫并固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計者規(guī)定的各項工作。其主要內(nèi)容包括3個部分：系統(tǒng)管理程序、 用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)試。 (2)用戶存儲器用戶存儲器由用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分組成，其主要任務(wù)作用是用來存放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。PLC使用的存儲器有3種類型：隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和可擦除可編程只讀存儲器(EEPRO)。3. 輸入/輸出接口單元PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出接口單元從廣義上可分為2個部分：一部分是與被控制設(shè)備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 4. 擴展接口和通信接口PLC具有擴展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)擴展接口的作用是將擴展單元和功能模塊與基本單元相連，是PLC的配置更加靈活以滿足不同控制的系統(tǒng)需求。(2)通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機和其他的，PLC或計算機相連從而實現(xiàn)”人-機”或”機-機”之間的對話。5. 電源部分PLC一般使用220交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源位PLC的中央處理器、存儲器等。電路提供5V、+-12V、24V等直流電源使PLC能正常工作。6. 編程設(shè)備編程設(shè)備的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。7. 其他部件有些PLC還可以有ERROM寫入器、存儲器卡等其他外部設(shè)備，用于增強PLC的存儲容量和擴展功能。1.1.2 PLC的工作原理PLC在程序運行方式、輸入輸出操作、特殊功能模塊等方面做了特別的考慮2。1. PLC的3個工作階段當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個階段完成。上述3個階段即為一個周期。在整個運行期間PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個階段。(1)輸入采樣階段PLC。在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入元件映像寄存器。此時，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進入用戶程序執(zhí)行階段。在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離，無論輸入端子信號如何變化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內(nèi)容重新寫入。(2)用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù)PLC梯形圖程序掃描規(guī)則，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句掃描。當(dāng)指令中涉及輸入/輸出時，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進行相應(yīng)的運算，運算結(jié)果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個元件的狀態(tài)會隨程序的執(zhí)行過程而變化。(3)輸出刷新階段。在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通/斷）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅(qū)動外部負載。對于小型PLC，I/O點數(shù)較少，用戶程序較短，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，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。2. PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點在上有個刷新期間的通/斷狀。2 交通燈控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計交通信號燈工作原理1.信號燈由一個按鈕控制其啟動，一個按鈕控制其停止。 2.信號燈分為南北綠燈，南被黃燈，南北紅燈和東西綠燈，東西黃燈，東西紅燈及報警燈。 3.南北紅燈亮，并維持25S。當(dāng)南北紅燈亮?xí)r，東西綠燈也亮，維持20S后，東西綠燈閃爍3S后熄滅，然后東西黃燈亮2S后熄滅，接著東西紅燈亮，南北綠燈亮。 4.東西紅燈亮，并維持30S。當(dāng)東西紅燈亮?xí)r， 南北綠燈也亮，維持25S后， 南北綠燈閃爍3S后熄滅，然后南北黃燈亮2S后熄滅，接著南北紅燈亮， 東西綠燈亮。按以上方式周而復(fù)始地工作。如表2：表1 交通燈亮閃表東西 信號 綠燈亮 綠燈閃 黃燈亮 紅燈亮 時間 20S 3S 2S 30S 南北 信號 紅燈亮 綠燈亮 綠燈閃 黃燈亮 時間 25S 25S 3S 2S 圖1 交通燈的放置PLC硬件設(shè)計2.1.1 交通信號燈PLC的輸入/輸出點的分配表表2 交通信號燈PLC的輸入/輸出點的分配表輸入信號輸出信號 名稱 代號 輸入點編號啟動按鈕 SB1 I0.0停止按鈕 SB2 I0.1名稱 代號 輸入點編號南北綠燈 HL1-1 HL1-2 Q0.0南北黃燈 HL2-1 HL2-2 Q0.1 南北紅燈 HL3-1 HL3-2 Q0.2報警燈 HL4 Q0.3東西綠燈 HL5-1 HL5-2 Q0.4東西黃燈 HL6-1 HL6-2 Q0.5東西紅燈 HL7-1 HL7-2 Q0.62.1.2 交通信號燈PLC控制硬件接線圖 圖2 交通信號燈PLC控制硬件接線圖其中,S7-200 CPU222系統(tǒng)有8個輸入信號和6個輸出信號. 1個模擬量電位器，最多可擴展10AI/AO點。4KB用戶程序區(qū)和2KB數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有4路高速計數(shù)器（30KHZ），2路高速脈沖輸出，1個RS485通信/編程口，2個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接2個相位差為90度的A/B相增量編碼器?？梢赃M行一定模擬量的控制和2個模塊的擴展，對于比較適合小型的控制系統(tǒng)。所以在這個設(shè)計中選用了S7-200 CPU2224。 在硬件接線圖中，輸入口I0.0接收啟動按鈕SB1的輸入，輸入口I0.1接收停止按鈕SB2的輸入；輸出口Q0.0接收南綠燈(HL1-1)和北綠燈(HL1-2) ， 輸出口Q0.1接收南黃燈(HL2-1)和北黃燈(HL2-2) ， 輸出口Q0.2接收南紅燈(HL3-1)和北紅燈(HL3-2) ，輸出口Q0.3接收報警燈(HL4)， 輸出口Q0.4接收東綠燈(HL5-1)和西綠燈(HL5-2) ， 輸出口Q0.5接收東黃燈(HL6-1)和西黃燈(HL6-2) ， 輸出口Q0.6接收東紅燈(HL7-1)和西紅燈(HL7-2)。PLC軟件設(shè)計 設(shè)計交通信號燈PLC控制梯形圖和指令語句。2.1.3 交通信號燈PLC控制梯形圖 2.1.4 交通信號燈PLC控制的指令表 LD I0.0 I0.0閉合 O M0.0 AN I0.1 = M0.0 M0接通閉合并自鎖 LD M0.0 LPS AN Q0.3 AN T41 TON T37 , +250 LRD A T37 TON T38 , +250 LRD A T38 TON T39 , +30 LRD A T39 TON T40 , +20 LRD A T37 TON T41 , +300 LRD A T44 TON T42 , +20 LRD AN Q0.3 AN T37 TON T43 , +200 LRD A T43 TON T44 , +30 LRD AN T46 TON T45 , +5 LRD A T45 TON T46 , +5 LRD AN T37 AN Q0.3 = Q0.2 LRD LD Q0.6 AN T38 LD T 38 AN T39 A T45 OLD ALD = Q0.0 （南北綠燈工作） LRD AN T38 AN T40 = Q0.1 （南北黃燈停止工作） LRD LD Q0.2 AN T43 LD T43 AN T44 A T45 （南、北向紅燈工作） OLD ALD = Q0.4 （南北綠燈閃爍） LPP LPS A T44 AN T42 = Q0.5 （東、西黃燈停止工作） LRD A T37 = Q0.6 LPP A Q0.0 A Q0.4 （東西向綠燈亮） = Q0.32.1.5 程序說明(1)按下啟動按鈕SB1，I0.0閉合，M0接通閉合并自鎖。第3邏輯行中的M0.0常開觸點閉合，計時器T37接通并計時；第9邏輯行中的T43接通并計時，第11、12邏輯行中的T45，T46T組成1S的時鐘脈沖；第13邏輯行中的Q0.2接通，南、北向紅燈工作；由于Q0.2的接通，第17邏輯行中Q0.4接通，東、西向綠燈亮5。(2)經(jīng)過20S后，第9邏輯行行中的T43動作，第17邏輯行中的計時器T43的常閉觸點斷開，Q0.4斷電；第18邏輯行中的T43的常開觸點閉合，使得當(dāng)T45常開觸點閉合是Q0.4接通，T45的常開觸點斷開時Q0.4斷開，此時東、西綠燈閃爍。(3)由于第9邏輯行中的T43動作，第10邏輯行中的T43的常開觸點閉合，同而計時器T44接通，經(jīng)過3S后，T44動作；T44在第18邏輯行中的常閉觸點斷開，東、西綠燈閃爍結(jié)束；同時第19邏輯行中的T44的常開觸點閉合，Q0.5接通，東、西黃燈工作；第8邏輯行中的T44的常開觸點閉合，計時器T43接通并計時；經(jīng)過2S后，T43動作，第19邏輯行中的T43的常閉觸點斷開，Q0.5失電，東、西黃燈停止工作。(4)當(dāng)東、西黃燈停止工作時，第3邏輯中的計時器T37正好經(jīng)過25S計時動作，第13邏輯行中的T37的常閉觸點斷開，南、北紅燈熄滅；第20邏輯行中的T37的常開觸點閉合，Q0.6接通，東、西紅燈工作；由于Q0.6的接通，因而第14邏輯行中的Q0.0的常開觸點閉合，南、北綠燈工作。(5)T37動作后，第4邏輯行中的T37的常開觸點閉合，T38接通并計時，第7邏輯行中的T37的常開觸點閉合，T41接通并計時。(6)經(jīng)過25S后，第4邏輯行中的T38動作，第14邏輯行中的計時器T38的常閉觸點斷開，Q0.0斷電；第15邏輯行中的T38的常開觸點閉合，使得當(dāng)T45的常開觸點閉合時Q0.0接通，T45常開觸點斷開時Q0.4斷開，此時南、北綠燈閃爍。(7)由于第4邏輯行中的T38動作，因而第5邏輯行中的T38的常開觸點閉合，計時器T39接通，經(jīng)過3S后，T39動作；T39在第15邏輯行中的常閉觸點斷開，南、北綠燈閃爍結(jié)束；同時第16邏輯行中的T39的常開觸點閉合，Q0.1接通，南、北黃燈工作第6邏輯行中的T39的常開觸點閉合，計時器T40接通并計時；經(jīng)過2S后，T40動作，第16邏輯行中的T40的常閉觸點斷開，Q0.1失電，南、北黃燈停止工作。(8)當(dāng)南、北向黃燈停止工作時，正好東、西向紅燈工作了30S，即第7邏輯行中的T41計時30S，此時T41動作，第3邏輯行中的T37復(fù)位，且使得第4、7、13、20邏輯行中的常開觸點復(fù)位，進入下一次循環(huán)。2.1.6 交通信號燈的狀態(tài)波形圖圖3 交通信號燈的狀態(tài)波形圖參考文獻1 廖常初. 可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用.M 重慶大學(xué)出版社，3055頁（2001）2 鐘肇新 ,彭侃 . 可編程序控制器原理及應(yīng)用. 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