交通信號燈PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明

1、交通信號燈PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明概括紅綠燈的出現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)有效的交通管制，對疏通車流、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯的效果。為實(shí)現(xiàn)交通道路的管理，努力做到交通管理的先進(jìn)性和科學(xué)性。紅綠燈控制的控制系統(tǒng)采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)，采用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)，能有效分流，提高交通路口的通行能力。本文分析了現(xiàn)代城市交通控制管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際交通情況闡述了紅綠燈控制系統(tǒng)的工作原理，提出了一種簡單實(shí)用的城市紅綠燈控制系統(tǒng)PLC設(shè)計(jì)方案。可編程邏輯控制器在工業(yè)自動化中發(fā)揮著極其重要的作用，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器的功能越來越完善，再加上小型化、

2、低價位和高可靠性，其在現(xiàn)代工業(yè)中的作用更加突出。PLC可編程序控制器是基于微處理器開發(fā)，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程和工位的自動控制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可編程控制器是工業(yè)自動化設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備。專家認(rèn)為，可編程控制器將成為未來工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，PLC、機(jī)器人和CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。由于PLC具有對使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、定時器資源豐富的特點(diǎn)，可以精確控制目前常用的“漸進(jìn)式”信號燈，尤其是多叉路口的控制可以輕松實(shí)現(xiàn)。因此，越來越多的PLC被用于交通燈系統(tǒng)。同時，PLC本身

3、還具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，將同一條道路上的信號燈組成局域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，可以縮短車輛等待時間，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理。由于PLC具有對使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，其定時器資源非常豐富，可以精確控制目前常用的“漸進(jìn)式”信號燈，尤其是多叉路口的控制可以輕松實(shí)現(xiàn)。因此，越來越多的PLC被用于交通燈系統(tǒng)。同時，有的還引入了觸摸屏來模擬路口紅綠燈的閃爍和車輛通過，形象地展示了PLC在紅綠燈系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc32270 摘要 HYPERLINK l _Toc29419 我們先來看看紅綠燈 HYPERLINK l _Toc19004 1 引言 PAGER

4、EF _Toc19004 五 HYPERLINK l _Toc21997 1.1 概述 PAGEREF _Toc21997 五 HYPERLINK l _Toc30512 可編程控制器 PAGEREF _Toc30512 VI HYPERLINK l _Toc4435 1.2.1 PAGEREF _Toc4435 PLC的應(yīng)用VI HYPERLINK l _Toc10320 1.2.2 PLC PAGEREF _Toc10320 七的特點(diǎn) HYPERLINK l _Toc21912 1.2.3 PAGEREF _Toc21912 PLC的結(jié)構(gòu)八 HYPERLINK l _Toc20405 1.

5、2.4 PLC編程語言 PAGEREF _Toc20405 IX HYPERLINK l _Toc4465 1.3 設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc4465 X的主要內(nèi)容 HYPERLINK l _Toc23094 2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)大綱 PAGEREF _Toc23094 十一 HYPERLINK l _Toc15208 設(shè)計(jì)的基本原則和公差 PAGEREF _Toc15208 HYPERLINK l _Toc29953 2.2 設(shè)計(jì)步驟及實(shí)現(xiàn)過程 PAGEREF _Toc29953 十二 HYPERLINK l _Toc16792 3 紅綠燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc16

6、792 XVI HYPERLINK l _Toc31967 3.1 紅綠燈控制要求 PAGEREF _Toc31967 XVI HYPERLINK l _Toc87 3.2 紅綠燈控制順序 PAGEREF _Toc87 XVII HYPERLINK l _Toc19637 3.3 PLC硬件控制電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc19637 XVIII HYPERLINK l _Toc16185 3.3.1 PLC PAGEREF _Toc16185 XVIII的選擇 HYPERLINK l _Toc3333 3.3.2 I/O 配置表 PAGEREF _Toc3333 XIX HYPERLI

7、NK l _Toc28424 3.3.3 PLC控制電路接線圖 PAGEREF _Toc28424 XXI HYPERLINK l _Toc29818 4 交通信號控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc29818 XXII HYPERLINK l _Toc30888 4.1 STEP7 編程軟件概述 PAGEREF _Toc30888 XXII HYPERLINK l _Toc10687 4.2 交通信號編程過程 PAGEREF _Toc10687 XXII HYPERLINK l _Toc11271 4.2.1 PLC 狀態(tài)轉(zhuǎn)換 PAGEREF _Toc11271 XXII HYPERL

8、INK l _Toc14648 4.2.2 交通信號方案設(shè)計(jì)步驟 PAGEREF _Toc14648 XXIII HYPERLINK l _Toc6013 XXIV紅綠燈 PAGEREF _Toc6013 HYPERLINK l _Toc4945 PAGEREF _Toc4945 二十六 HYPERLINK l _Toc3721 PAGEREF _Toc3721 二十六我們先來看看紅綠燈介紹1.1 概述根據(jù)對美國主要城市交通狀況的調(diào)查：1982年至2000年，美國城市高峰時段的交通擁堵不斷增加，因交通擁堵造成的時間和汽油浪費(fèi)造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)68美元十億。例如，市區(qū)的平均速度僅為每小時 12

9、公里。將這個目標(biāo)速度代入歐美標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出交通擁堵的總經(jīng)濟(jì)成本：每年1.5億小時，減少GDP 117億元。這相當(dāng)于全市GDP的7%。在北美、澳大利亞等大城市，道路面積率高達(dá)35%40%，而只有20%。緩解交通擁堵、加快道路建設(shè)是重中之重。據(jù)悉，到2010年，城市道路建設(shè)將投入500億元，到2005年，僅高速公路里程就達(dá)到600公里。但是，城市道路的盲目發(fā)展也會刺激私家車的非常規(guī)發(fā)展。兩者發(fā)展速度的不平衡，最終會導(dǎo)致“擁堵-修路-再擁堵”的惡性循環(huán)。當(dāng)前時代是自動化時代，很多行業(yè)的設(shè)備，比如紅綠燈控制，都與計(jì)算息息相關(guān)。因此，一個好的紅綠燈控制系統(tǒng)會給道路擁堵和違法控制帶來技術(shù)革新。隨著大規(guī)模集成

10、電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及人工智能在控制技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，智能裝備取得了長足的進(jìn)步，是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的主流方向。本設(shè)計(jì)展示了智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。智能紅綠燈控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：監(jiān)控市區(qū)四個主要交通路口；每個路口都有固定的工作周期，當(dāng)?shù)缆窊矶聲r，中央控制中心可以改變其工作周期；機(jī)動車可以實(shí)時拍照，提取車牌號。在世界范圍內(nèi)，以微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為主導(dǎo)，以信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)為核心的信息革命方興未艾。如何更有效地將計(jì)算機(jī)技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，有效發(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)用空前活躍的領(lǐng)域。本文主要從單片機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)路口紅綠燈的智能管理，用于控制過往車輛的正

11、常運(yùn)行。紅綠燈的出現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)有效的交通管制，對疏通車流、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯的效果。為實(shí)現(xiàn)交通道路的管理，努力做到交通管理的先進(jìn)性和科學(xué)性。紅綠燈控制的控制系統(tǒng)采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)，采用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)，能有效分流，提高交通路口的通行能力。本文分析了現(xiàn)代城市交通控制管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際交通情況闡述了紅綠燈控制系統(tǒng)的工作原理，提出了一種簡單實(shí)用的城市紅綠燈控制系統(tǒng)PLC設(shè)計(jì)方案?？删幊踢壿嬁刂破骱喎QPLC。應(yīng)用范圍廣，功能強(qiáng)大，使用方便。它已成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。 PLC已廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)，PLC在其

12、他領(lǐng)域的應(yīng)用，如民用和家庭自動化設(shè)備也發(fā)展迅速。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)控制已廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)快速響應(yīng)市場需求，生產(chǎn)小批量、多品種、多規(guī)格、低成本、高質(zhì)量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須極其可靠和靈活?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller）是一種基于微處理器的通用工業(yè)控制設(shè)備。1.2 可編程控制器簡介1.2.1 P液相色譜的應(yīng)用目前，PLC已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、紡織、交通、環(huán)保和文化娛樂等各個行業(yè)。用法大致可以總結(jié)如下：1、開關(guān)量的邏輯

13、控制這是PLC最基本和最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它取代了傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制和時序控制。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、裝訂機(jī)、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍線等。2.模擬控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多不斷變化的量，如溫度、壓力、流量、液位、速度等，都是模擬量。為了使可編程控制器對模擬量進(jìn)行處理，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換和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，使可編程控制器可用于模擬控制。3.運(yùn)動控制PLC可用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動控制。在控制機(jī)構(gòu)配置方面，早期直接用于切換I/O模塊，連接位置傳感器和執(zhí)行器，現(xiàn)在普遍使用專用的運(yùn)動控制模塊

14、。比如可以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。全球各大PLC廠商的產(chǎn)品幾乎都具有運(yùn)動控制功能，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。4.過程控制過程控制是指溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。 PLC作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可以編寫各種控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中最常用的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前很多小型PLC都有這個功能模塊。 PID 處理通常運(yùn)行一個專用的 PID 子程序。過程控制廣泛應(yīng)用于冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合。5.數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（包括矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表

15、、位運(yùn)算等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在內(nèi)存中的參考值進(jìn)行比較，完成一定的控制操作，也可以通過通訊功能傳送給其他智能設(shè)備，或者打印出來并制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品等行業(yè)的一些大型控制系統(tǒng)。6. 通訊和網(wǎng)絡(luò)PLC通信包括PLC之間的通信以及PLC與其他智能設(shè)備之間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，各PLC廠商都非常重視PLC的通訊功能，紛紛推出了自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新生產(chǎn)的PLC都有通訊接口，通訊非常方便。1.2.2PLC的特點(diǎn)1、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高雖然繼電器接觸器控制系統(tǒng)具有良

16、好的抗干擾能力，但它使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，使設(shè)備的連接變得復(fù)雜。電弧的損壞大大降低了系統(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和時間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。 PLC用軟件代替了大量的中間繼電器和時間繼電器，只剩下少量與輸入輸出相關(guān)的硬件。接線可使相互繼電器控制系統(tǒng)減少1/10-1/100，大大減少因接觸不良引起的故障。PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動作由非接觸式電子存儲設(shè)備完成，大部分繼電器和復(fù)雜的連接由軟件程序代替，使用壽命長，可靠性大大提高。2、配套設(shè)施齊全、功能齊全、適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已形成大、中、小型系列產(chǎn)品?？捎糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除邏

17、輯處理功能外，大多數(shù)現(xiàn)代PLC都具備完善的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，可應(yīng)用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來，大量PLC功能單元的涌現(xiàn)，使PLC滲透到位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。再加上PLC通訊能力的增強(qiáng)和人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，利用PLC組成各種控制系統(tǒng)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)，是工礦企業(yè)的工業(yè)控制設(shè)備。其界面簡潔，編程語言易于工程技術(shù)人員接受。梯形語言的圖形符號和表達(dá)方式與繼電器電路圖十分接近，只需PLC的少量開關(guān)邏輯控制指令即可輕松實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。它為不熟悉電子電路、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)控制打開了一扇方便的大門。4. 系

18、統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)造小，易于維護(hù)，易于改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備的外部接線，大大縮短了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)的周期，使維護(hù)更容易。更重要的是，可以通過改變程序，用同樣的設(shè)備改變生產(chǎn)工藝。這非常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，新生產(chǎn)的品種底部尺寸不到100mm，重量不到150g，功耗只有幾瓦。由于體積小，易于安裝在機(jī)械部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置。1.2.3 P液晶結(jié)構(gòu)PLC本質(zhì)上是專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本類似于微型計(jì)算機(jī)。 PLC按其結(jié)構(gòu)可分為固定式和組合式（模塊化）。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、存儲

19、塊、電源等。這些元件組合成一個不可拆卸的整體。模塊化PLC包括CPU模塊、I/O模塊、存儲器、電源模塊、背板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定的規(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)動器場信號控制元件 電 源 部 件圖 2-1 PLC 基本結(jié)構(gòu)框圖1.2.4 PLC編程語言PLC用于面向過程、面向問題、簡單直觀的編程。其編程語言常用：梯形圖、語句表、功能圖等。1.梯形圖梯形圖是最常用的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器電路圖非常相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于數(shù)字邏輯控制。梯形圖由方框表示的觸點(diǎn)、線圈和指令框組成。接觸式儀表邏輯輸

20、入條件，例如外部開關(guān)、按鈕和外部條件。線圈通常代表邏輯運(yùn)算的結(jié)果，常用于控制外部指示器、交流接觸器和外部標(biāo)志。指令框用于表示附加指令，例如定時器、計(jì)數(shù)器或數(shù)學(xué)運(yùn)算。使用編程軟件，可以直接生成梯形圖并進(jìn)行編輯，下載到PLC中。2.報表表語句列表也稱為指令列表。它是一種類似于微型計(jì)算機(jī)的匯編語言中的文本語言。它是用指令的助記符編程的。它由多條語句組成一個程序段，可以實(shí)現(xiàn)一些梯形圖或功能塊無法使用的功能圖所表示的功能。3.功能框圖功能塊圖使用類似于布爾代數(shù)的圖形邏輯符號來表示控制邏輯。即用一個類似于與門或或門的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系。方框左邊是邏輯運(yùn)算的輸入變量，右邊是輸出變量。通過“電線”連接在一

21、起，信號從左向右流動。1.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容紅綠燈控制要求紅綠燈控制順序PLC應(yīng)設(shè)計(jì)控制電路紅綠燈方案設(shè)計(jì)流程紅綠燈PLC程序因?yàn)槭羌t綠燈的單片機(jī)控制設(shè)計(jì)，所以要了解實(shí)際紅綠燈的變化和規(guī)律。假設(shè)一個十字路口是東西向，南北向。然后改變狀態(tài)1 南北紅燈、東西綠燈通車。一段時間后的狀態(tài)2 東西綠燈滅，黃燈閃幾下，南北仍是紅色。再轉(zhuǎn)移狀態(tài)3、南北綠燈通車，東、西紅燈。一段時間后的狀態(tài)4、南北綠燈滅，黃燈閃幾下，東、西仍為紅色。最后循環(huán)到狀態(tài)1。信號燈通常有兩種排列方式：橫向排列從道路的中心線一側(cè)，按照紅、黃、綠的順序排列到路邊。常用于路面較寬的道路。垂直排列從上到下分別是紅、黃、綠燈。這種方法通常用于

22、狹窄的道路。信號燈固定布置有兩個好處：一是把紅燈信號放在最顯眼的位置；另一種是讓患有色盲的人通過位置來判斷信號的含義。在交叉口中心上方安裝信號燈時，應(yīng)滿足車輛凈空高度限制的要求。信號燈的亮度要保證人們在100M的距離也能看清楚。2、PLC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)容在我們學(xué)習(xí)了很多關(guān)于PLC的相關(guān)知識之后，我們應(yīng)該能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中。當(dāng)然，要設(shè)計(jì)一個經(jīng)濟(jì)、可靠、簡潔的PLC控制系統(tǒng)，需要豐富的專業(yè)知識和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。那么，我們先來看看PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和內(nèi)容。一、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則1、最大程度滿足被控對象的控制要求；2、保證控制系統(tǒng)的高可靠性和安全性；3、

23、在滿足以上條件的前提下，力求控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、易于維護(hù)；4、選擇PLC時，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)備和輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象；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，一種是模擬調(diào)試，一種是在線調(diào)試；6. 設(shè)計(jì)控制柜，編寫系統(tǒng)交付的技術(shù)文件、手冊、電氣圖和電氣元件清單。7.驗(yàn)收和交付。2.2 設(shè)計(jì)步驟及實(shí)現(xiàn)過程一、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟1、對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，最好畫出編程流程圖，相當(dāng)于一種設(shè)計(jì)思路；2、設(shè)計(jì)梯形圖；3.程序輸入PLC仿真調(diào)試修改，直到

24、滿足要求；4、現(xiàn)場施工完成后進(jìn)行在線調(diào)試，直至可靠滿足控制要求；5、撰寫技術(shù)文件；6.交付使用。在設(shè)計(jì)流程圖時，還應(yīng)遵循以下過程： 1）分析生產(chǎn)過程； 2）根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入輸出設(shè)備，并分配I/O； 3）選擇PLC； 4）設(shè)計(jì)PLC接線 圖紙以電氣施工圖為依據(jù)； 5) 方案設(shè)計(jì)及控制柜接線施工。具體設(shè)計(jì)步驟框圖如圖2-1所示。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)行程序的流程及特點(diǎn)PLC程序執(zhí)行過程分為

25、三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。1.輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次對所有輸入端子的輸入狀態(tài)進(jìn)行采樣，并將其存儲在輸入圖像寄存器中。此時，輸入圖像寄存器被刷新。然后進(jìn)入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其他階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入圖像寄存器的容量也不會改變，輸入狀態(tài)的變化只能在輸入處理階段采樣的下一個掃描周期。2.程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，PLC依次掃描并執(zhí)行程序。如果程序用梯形圖表示，總是按上、下、左、右的順序執(zhí)行。當(dāng)遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時，根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來判斷程序是否跳轉(zhuǎn)。當(dāng)指令涉及輸入和輸出狀態(tài)時，PLC讀取輸入圖像寄存器和元件圖像寄存器，根

26、據(jù)用戶程序進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果存儲在元件圖像寄存器中。對于組件映像寄存器，其內(nèi)容會隨著程序執(zhí)行的過程而改變。3.輸出刷新階段程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段。在這個階段，PLC 將輸出映像寄存器中的輸出相關(guān)狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉(zhuǎn)儲到輸出鎖存器，并以一定的方式輸出以驅(qū)動外部負(fù)載。因此，在PLC的一個掃描周期中，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)行階段時，輸入端子將被阻塞，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才重新采樣輸入狀態(tài)。這種方法稱為集中采樣，即在一個掃描周期內(nèi)，對輸入狀態(tài)進(jìn)行一段時間的采樣。在用戶程序中，如果輸出結(jié)果被多次賦值，最后一個有效。在一個掃描周期內(nèi)，僅在輸出刷

27、新階段從輸出圖像寄存器輸出輸出狀態(tài)，并刷新輸出接口。在其他階段，輸出狀態(tài)保存在輸出圖像寄存器中。這種方式稱為集中輸出。對于小型PLC，I/O點(diǎn)數(shù)少，用戶程序短。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，但它使PLC大部分時間都與外部輸入/輸出設(shè)備的隔離，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。對于大中型PLC，I/O點(diǎn)數(shù)多，控制功能強(qiáng)，用戶程序比較長。 O 接口等方法。從以上分析可以看出，當(dāng)PLC輸入的輸入信號變化為PLC輸出響應(yīng)輸入變化時，需要一段時間。這種現(xiàn)象稱為PLC輸入/輸出響應(yīng)滯后。對于一般工業(yè)控制，這種滯后是完全可以允許的。需要注意的是，

28、這種響應(yīng)滯后不僅是由于PLC掃描的工作方式造成的，還主要是由于PLC輸入接口的濾波環(huán)節(jié)造成的輸入延遲，以及由于PLC的動作時間造成的輸出延遲。輸出接口中的驅(qū)動裝置。與編程有關(guān)。滯后時間是設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用系統(tǒng)時應(yīng)注意的一個參數(shù)。3 紅綠燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 紅綠燈控制要求隨著城市和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通信號燈發(fā)揮著越來越重要的作用。正是因?yàn)橛辛思t綠燈，交通和人流得到了調(diào)節(jié)，同時也降低了交通事故發(fā)生的概率。但是，交通信號燈的不合理使用或設(shè)置也會影響交通的暢通。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須遵循一定的原則和要求。交通燈由紅燈、綠燈和黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示允許通過，黃燈表示警告。交通信號燈分為機(jī)動車

29、信號燈、非機(jī)動車信號燈、人行橫道燈、車道燈、方向指示燈、閃光警示燈、道路和鐵路平交道口燈。交通信號燈用于道路交叉口。通過向車輛和行人發(fā)出行進(jìn)或停車的指令，使各個方向同時到達(dá)的人和車輛的交通流盡可能地減少相互干擾，從而提高路口的通行能力，保證通行和安全的十字路口。 .在本設(shè)計(jì)中，我們僅以機(jī)動車信號燈為例來說明其控制要求。圖 3-1 為交叉路口普通交通信號燈的場景圖。北、南、東、西各方向各有紅、綠、黃信號燈。為保障行車安全，對其控制系統(tǒng)要求如下。圖3-1 紅綠燈場景示意圖1、采用PLC構(gòu)成路口南北、東西紅綠燈的電氣控制系統(tǒng)上電后，交通指揮信號控制系統(tǒng)由一個三位開關(guān)SA1控制。當(dāng)SA1手柄指向左側(cè)4

30、5時，觸點(diǎn)SA1-1接通，交通指揮系統(tǒng)按正常正?？刂乒δ荛_始工作，并按圖3所示工作順序啟動并重復(fù) 2、循環(huán)工作。當(dāng)SA1手柄指向中間0時，觸點(diǎn)SA1-2接通，交通指揮系統(tǒng)南北方向常亮綠燈，東西方向紅燈常亮。當(dāng)SA1手柄指向右側(cè)45時，觸點(diǎn)SA1-3接通，交通指揮系統(tǒng)東西方向綠燈常亮，南北方向紅燈常亮。2、信號燈的控制原理1）允許東西方向通行時（綠燈），禁止南北方向通行（紅燈）；同樣，當(dāng)允許南北方向（綠燈）時，應(yīng)禁止東西方向（紅燈）。2）在綠燈信號切換到紅燈信號之前，為了提醒駕駛員提前減速剎車，應(yīng)有明顯的提示信號：綠燈閃爍，黃燈亮。3）信號燈控制系統(tǒng)啟動后，應(yīng)能自動循環(huán)。3.2 紅綠燈控制順序紅

31、綠燈的控制時序如圖 3-2 所示。根據(jù)信號燈設(shè)置為1和設(shè)置為0兩種狀態(tài)繪制。設(shè)置1表示信號燈亮，設(shè)置0表示信號燈熄滅。圖3-2 路口紅綠燈正常工作時序3.3 PLC硬件控制電路設(shè)計(jì)3.3.1 PLC的選擇在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)時，首先要了解各個控制對象的驅(qū)動要求，如：驅(qū)動電壓的高低、負(fù)載的性質(zhì)等；其次，分析對象的控制要求，確定輸入/輸出接口（I/O）數(shù)量；再次，需要確定被控參數(shù)的精度和類型，如：開關(guān)量的控制、模擬量的控制、用戶程序存儲器的存儲容量等。根據(jù)以上原則，我們需要選擇合適的PLC型號和外圍設(shè)備完成相應(yīng)的PLC硬件結(jié)構(gòu)配置。因此，PLC的選擇是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟。目前國外PLC廠家

32、生產(chǎn)的PLC品種有上百種，各有特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)時，首先應(yīng)考慮采用易學(xué)、易掌握、易維護(hù)、備件通用性強(qiáng)的PLC。中國市場上流行的PLC產(chǎn)品如下：1）德國西門子（Siemens）的產(chǎn)品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產(chǎn)品；2）美國羅克韋爾公司子公司AB（Allen&Bradly）的產(chǎn)品，目前包括SLC、Micro Logix、Control Logix等產(chǎn)品；3) GE-Fanuc的產(chǎn)品；4）法國施耐德（Schneider）產(chǎn)品；5）日本三菱、歐姆龍等公司產(chǎn)品。本次設(shè)計(jì)的交通信號控制系統(tǒng)的主要任務(wù)和內(nèi)容集中在梯形圖的編程和繪制上，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)中使用了大量的開關(guān)、繼電器、計(jì)數(shù)

33、器和定時器。德國西門子公司生產(chǎn)的PLC功能齊全，性價比高，地址分配統(tǒng)一，完全可以滿足本次設(shè)計(jì)的要求。而且，在當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的控制設(shè)計(jì)中，西門子產(chǎn)品被廣泛使用。綜上所述，我們采用的是西門子S7-200PLC/CPU224，它有24個輸入/16個輸出。3.3.2輸入輸出配置表I/O 配置表如表 3-1 和表 3-2 所示。表 3-1 輸入地址分配輸入地址變量描述I0.0系統(tǒng)啟動按鈕I0.1系統(tǒng)停止按鈕表 3-2 輸出地址分配輸出地址變量描述Q0.0系統(tǒng)運(yùn)行指示燈Q0.1南北左車道紅燈Q0.2南北左行綠燈Q0.3南北直紅燈Q0.4南北走向的綠燈Q0.5南北直射黃燈Q0.6南北右手紅燈Q0.7南北右行綠

34、燈Q1.0南北右手黃燈Q1.1東西向的綠燈Q1.2東西紅燈Q1.3東西車道黃燈Q1.4東西向的綠燈Q1.5東西紅燈Q1.6東西向黃燈Q1.7東西向的綠燈Q2.0東西紅燈Q2.1東西方，對，黃色等。表 3-1 交叉口紅綠燈控制信號說明進(jìn)入輸出文字符號信號地址闡明文字符號信號地址闡明SA1-1X0紅綠燈正常工作控制開關(guān)H1Y0南北方向綠燈SA1-2X1南北紅綠燈常綠控制開關(guān)H2Y1南北方向黃燈SA1-3X2東西向紅綠燈常綠控制開關(guān)H3Y2南北方向紅燈H4Y3東西向的綠燈H5Y4東西向黃燈H6Y5東西紅燈3.3.3 PLC控制電路接線圖根據(jù)以上硬件選型和工藝要求，畫出PLC控制電路接線圖，如圖3-3

35、所示。圖 3-3 PLC 外部 I/O 分配及路口紅綠燈接線圖中，一個輸出點(diǎn)用于驅(qū)動兩個信號燈。如果PLC輸出點(diǎn)的輸出電流不夠，可以用一個輸出點(diǎn)驅(qū)動一個信號燈，也可以在PLC輸出端加一個中間繼電器，然后中間繼電器驅(qū)動信號燈。4 交通信號控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)以城市路口為研究對象，根據(jù)路口車輛的運(yùn)行情況，調(diào)整各紅綠黃燈的時間，并使用STEP7軟件設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)對路口車輛的實(shí)時控制。紅綠燈。4.1 STEP7編程軟件概述用于 SIMATIC S7、M7、C7 和基于 PC 的 WinAC 的 STEP7 編程軟件是其編程、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、通訊

36、配置、編程、測試、啟動和維護(hù)、文件歸檔、操作和診斷功能等。在 STEP 7 中，項(xiàng)目用于管理自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。 STEP7使用SIMATIC Manager集中管理項(xiàng)目，可以輕松瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。 STEP7 中集成了實(shí)現(xiàn)STEP7 各種功能所需的SIMATIC 軟件工具。4.2 交通信號方案設(shè)計(jì)流程4.2.1 PLC的狀態(tài)轉(zhuǎn)換在設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的程序時，僅僅通過簡單的邏輯處理很難保證程序的正確性和易讀性，因此需要使用其他方法來編譯程序。為了保證程序邏輯的正確性和程序的可讀性，我們可以將一個控制過程分成幾個階段，并在每個階段設(shè)置一個控制標(biāo)志。當(dāng)每個階段的

37、執(zhí)行完成后，開始下一個階段的控制。 flag 清除該階段的控制標(biāo)志。所謂“狀態(tài)”是指特定的功能，所以狀態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)際上就是控制系統(tǒng)的功能轉(zhuǎn)換。機(jī)電自動控制系統(tǒng)中機(jī)械的自動工作循環(huán)過程是電氣控制系統(tǒng)狀態(tài)自動、有序、漸進(jìn)轉(zhuǎn)換的過程。這種功能流程圖充分表達(dá)了控制系統(tǒng)的控制過程、各狀態(tài)的功能、狀態(tài)轉(zhuǎn)移的順序和條件，是PLC應(yīng)用控制程序設(shè)計(jì)的絕佳工具。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 3-4 所示。圖3-4 路口紅綠燈PLC狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖4.2.2交通信號燈編程步驟根據(jù)圖3-4所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程，具體編程步驟如下：1、PLC開始運(yùn)行時，M8002產(chǎn)生一個初始脈沖，設(shè)置初始狀態(tài)S0為1；2、SA1手柄指向中間0時，觸點(diǎn)X1接通，

38、交通指揮系統(tǒng)南北方向綠燈Y1常亮，東西方向紅燈亮始終開啟；3、SA1手柄指向右45時，觸點(diǎn)X2接通，交通指揮系統(tǒng)東西方向綠燈Y1常亮，南北紅燈常亮；4、當(dāng)SA1手柄指向左45時，觸點(diǎn)X0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S20和S30，使S20和S30置1，下一個掃描周期S0自動復(fù)位, Y1 線圈通電。南北綠燈同時亮。 Y6線圈通電，紅燈亮；5、延時25S后，過渡條件T0關(guān)閉，狀態(tài)從S20轉(zhuǎn)移到S21，S21置1，驅(qū)動T1記錄時間，下一個掃描周期S20自動復(fù)位；6、延時5S后，過渡條件T1閉合，狀態(tài)由S21轉(zhuǎn)移到S22，使S22置1，產(chǎn)生0.5S通斷的時鐘脈沖信號，使北向和南綠燈閃爍，計(jì)數(shù)器C0被驅(qū)動計(jì)數(shù)。若次

39、數(shù)未達(dá)到3次，則C0的常閉觸點(diǎn)接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)S21，循環(huán)繼續(xù)，共3次；7、當(dāng)次數(shù)達(dá)到3次時，C0常開觸點(diǎn)閉合，狀態(tài)由S22轉(zhuǎn)移到S23，使S23置1，下一個掃描周期S22自動復(fù)位，Y2線圈充滿活力。南北黃燈亮；8. 延時2S后，過渡條件T3關(guān)閉。一方面，狀態(tài)從S23轉(zhuǎn)移到S24，使S24置1，在下一個掃描周期S23自動復(fù)位。另一方面，狀態(tài)S30轉(zhuǎn)移到S31，使S31置1，在下一個掃描周期S30自動復(fù)位，線圈Y4綠燈通電；9、延時25S后，過渡條件T4關(guān)閉，狀態(tài)從S31轉(zhuǎn)移到S32，S32置1，同時驅(qū)動T5做時鐘，下一次掃描S31自動復(fù)位循環(huán);10、延時5S后，過渡條件T5閉合，狀態(tài)由S32轉(zhuǎn)移到

40、S33，S33置1，產(chǎn)生0.5S的開關(guān)機(jī)時鐘脈沖信號，使東西綠燈閃爍，同時驅(qū)動計(jì)數(shù)器C1計(jì)數(shù)。如果次數(shù)小于3次，則C1的常閉觸點(diǎn)接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S32，循環(huán)繼續(xù)，共3次；11、當(dāng)次數(shù)達(dá)到3次時，C1的常開觸點(diǎn)閉合，狀態(tài)由S33轉(zhuǎn)移到S34，使S34置1，下一個掃描周期S33自動復(fù)位，黃燈亮Y5線圈通電，計(jì)數(shù)器C1復(fù)位；12、延時2S后，返回初始狀態(tài)S0循環(huán)執(zhí)行。4.3 紅綠燈PLC程序本設(shè)計(jì)采用梯形圖語言設(shè)計(jì)了交通信號PLC控制系統(tǒng)的程序。具體流程如下：綜上所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；可自動控制，具有一定的智能化；對優(yōu)化城市交通具有一定的意義。在這個設(shè)計(jì)中，每個任務(wù)被細(xì)分和打包，以保持每個任務(wù)

41、相對獨(dú)立；可以有效改善程序結(jié)構(gòu)，便于模塊化處理，進(jìn)一步提高程序的可讀性、可維護(hù)性和可移植性。在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)這樣的情況，就是我一直認(rèn)為這種連接方式可以工作，但始終無法真正連接電路，所以在這方面花費(fèi)了很多時間。在做課程設(shè)計(jì)的同時，我也鞏固和強(qiáng)化了課本知識。由于課本知識太多，在課間學(xué)習(xí)中不能很好地理解和使用各個組件的功能，而且考試能力有限，所以在本次課程設(shè)計(jì)的過程中，我們了解了很多組件的功能。組件，并對它們在電路中的使用有了更多的了解。程序中使用的數(shù)據(jù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，修改靈活方便。通過這個設(shè)計(jì)，我對VHDL硬件描述語言有了更深入的了解，也在原有理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步應(yīng)用。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，有些地方還需要進(jìn)一步完善。至從我作為學(xué)生踏入大學(xué)大門的那一天起，我就注定要在這里度過我一生中最美好的青春。當(dāng)我拿起筆寫下“To”時，我震驚地意識到自己即將離開，我的生活開