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可编程控制器应用论文
用PLC控制的交通信号灯
摘要:
当今时代是一个自动化时代,交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。
因此,一个好的交通灯控制系统,将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。
随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展,以及人工智能在控制技术方面的广泛运用,智能设备有了很大的发展,是现代科技发展的主流方向。
本文介绍了一个智能交通灯系统的设计。
该智能交通灯控制系统可以实现的功能有:
对某市区的四个主要交通路口进行监控;各路口有固定的工作周期,并且在道路拥挤时中控中心能改变其周期;对路口违章的机动车能够即时拍照,并提取车牌号。
在世界范围内,一个以微电子技术,计算机和通信技术为先导的,以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。
而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题,也是当今计算机应用中空前活跃的领域。
本文主要从单片机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理,用以控制过往车辆的正常运作。
关键词:
交通灯控制计算机技术智能单片机十字路口交通灯
UsethetrafficsignallampthatPLCcontrols
Abstract:
Thetimesisaautomationtimesnowadays,trafficlightwaitsformuchtheindustryequipmenttogohandinhandwiththecomputerunderthecontrolof.Therefore,agoodtrafficlightcontrolssystem,willgiveroadaspectsuchasbeingcrowded,controllingagainstrulestogiveatechnicalimprovement.Withthefactthatthelarge-scaleintegratedcircuitandthecomputerartpromptnessdevelop,aswellasartificialintelligencebroadinthefieldofcontroltechniqueapplies,intelligenceequipmenthashadverybigdevelopment,themaincurrentbeingthatmodernscienceandtechnologydevelopsdirection.Themainbodyofabookisdesignedhavingintroducedaintelligencetrafficlightsystematically.Thefunctionbeingintelligencetrafficlightnavar'sturntobeabletocometruehas:
Thecrossingcarriesoutsupervisorycontrolonfourmaintrafficofsomedowntownarea;Everycrossinghasthefixeddutyperiod,chargescentreforbeingabletochangeit'speriodandindependingonaroadwhenbeingcrowded;Themotorvehiclebreakingrulesandregulationstothecrossingisabletotakeaphotoimmediately,abstractsandthevehicleshopsign.Withinworldrange,oneusesthemicroelectronicstechnology,thecomputerandthetechnologycommunicatingbyletterareaguide's,centeringonITandITindustryinformationrevolutionisintheascendant.But,how,computerartappliesmoreeffectiveunionandthereisaneffect'sbroughtit'seffectintoplaywithrealityisthemostpopulartopicofconversationofscientificcommunity,isalsothatcomputerapplicationsishitbytheunparalleledactivefieldnowadays.Themainbodyofabookisappliedupmainlyfromslicingmachine'sonlyrealizingintellectualizedadministrationofcrossroadstrafficlight,useoperationincontrollingthevehiculartrafficregularity.
第三章十字路口交通信号灯的具体设计................................
前言
当今,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
但这一技术在19世纪就已出现了。
1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红,蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。
1869年1月2日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消。
电气启动的红绿灯出现在美国,这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。
1918年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯,一种是把压力探测器安在地下,车辆一接近红灯便变为绿灯;另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下嗽叭,就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车放行,以免发生交通事故。
信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有明显效果。
第1章PLC概述
可编程控制器(PLC)是在继电器控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种新型的工业自动控制设备,它以微处理为核心,集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体,广泛应用于自动化的各个领域。
PLC从原来具有逻辑控制、顺序控制等功能,发展到现在已具有模拟量输入/输出、定位控制、旋转角度检测、高速计数、数据处理、联网通信等功能。
PLC使用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程,适应工业环境,简单易懂,操作方便,是可靠性高的新一代通用工业控制装置。
1.1PLC的简介
PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。
它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。
PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。
事实上,PLC就是以嵌入式CPU为核心,配以输入,输出等模块,可以方便的用于工业控制领域的装置。
PLC与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。
1.2PLC的用途与特点
1.2.1PLC的用途
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。
但近年来
由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。
PLC的应用通常可分为五种类型:
(1)顺序控制
这是PLC应用最广泛的领域,用以取代传统的继电器顺序控制。
PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。
如注塑机、印刷机械、订书机械、随着电子技术和计算机技术的迅猛发展,PLC的功能也越来越强大,更多地具有计算机的功能,所以又简称PC(PROGRAMMABLECONTROLLER),但是为了不和切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
(2)运动控制
PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。
在多数情况下,PLC把扫描目标位置的数据送给模版块,其输出移动一轴或数轴到目标位置。
每个轴移动时,位置控制模块保持适当的速度和加速度,确保运动平滑。
相对来说,位置控制模块比计算机数值控制(CNC)装置体积更小,价格更低,速度更快,操作方便。
(3)闭环过程控制
PLC能控制大量的物理参数,如温度、压力、速度和流量等。
PID(ProportionalIntergralDerivative)模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。
(4)数据处理
在机械加工中,出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制(CNC)设备紧密结合的趋向。
著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列,已将CNC控制功能作为PLC的一部分。
为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递,该公司采用了窗口软件。
通过窗口软件,用户可以独自编程,由PLC送至CNC设备使用。
美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。
预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。
(5)通信和联网
为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化(FA)系统、柔性制造系统(FMS)及集散控制系统(DCS)等发展的需要,必须发展PLC之间,PLC和上级计算机之间的通信功能。
作为实时控制系统,不仅PLC数据通信速率要求高,而且要考虑出现停电故障时的对策。
1.2.2 PLC的特点
(1)抗干扰能力强,可靠性高
继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力,但使用了大量的机械触头,使设备连线复杂,由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良,容易出现故障,PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。
而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成,大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代,故寿命长,可靠性大大提高。
(2)配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
(3)易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
(4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
(5)体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
第二章PLC控制系统设计
2.1设计任务和内容
任务:
设计一个能够控制十二盏交通信号灯的模拟系统。
并且要求交通信号灯按照交通规则的模试来运行。
实验通过控制六个交通灯就好了。
内容:
因为本课程设计是交通灯的单片机控制设计,所以要了解实际交通灯的变化情况和规律。
假设一个十字路口为东西南北走向。
然后转状态1南北红灯,东西绿灯通车。
过一段时间转状态2东西绿灯灭,黄灯闪烁几次,南北仍然红灯。
再转状态3,南北绿灯通车,东西红灯。
过一段时间转状态4,南北绿灯灭,闪几次黄灯,东西仍然红灯。
最后循环至状态1
2.2控制系统设计概要
我们在学习了PLC的大量的相关知识后,要能够把其运用在实际训练当中。
当然要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统,需要丰富的专业知识和实际的工作经验。
一、PLC控制系统设计的基本原则
1)最大限度地满足被控对象的控制要求。
2)保证控制系统的高可靠、安全。
3)满足上面条件的前提下,力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便。
4)选择PLC时,要考虑生产和工艺改进所需的余量。
二、PLC控制系统设计的基本内容
1)选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象。
2)分配I/O,设计电气接线图,考虑安全措施。
3)选择适合系统的PLC.
4)设计程序
5)调试程序,一个是模拟调试,一个是联机调试。
6)设计控制柜,编写系统交付使用的技术文件,说明书、电气图、电气元件明细表。
7)验收、交付使用。
三、PLC控制系统设计的一般步骤
1.流程图功能说明
1)分析生产工艺过程。
2)根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备,分配I/O。
3)选择PLC。
4)设计PLC接线图以及电气施工图。
5)程序设计和控制柜接线施工。
2.PLC程序设计的步骤
1)对于复杂的控制系统,最好绘制编程流程图,相当于设计思路。
2)设计梯形图。
3)程序输入PLC模拟调试,修改,直到满足要求为止。
4)现场施工完毕后进行联机调试,直至可靠地满足控制要求。
5)编写技术文件
6)交付使用。
3.设计步骤框图如下:
四、控制系统执行程序的过程及特点
PLC执行程序的过程分为三个阶段,即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
1.输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样,并存入输入映象寄存器中,此时输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序处理阶段,在程序执行阶段或其它阶段,即使输入状态发生变化,输入映象寄存器的内容也不会改变,输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
2.程序执行阶段
在程序执行阶段,PLC对程序按顺序进行扫描执行。
若程序用梯形图来表示,则总是按先上后下,先左后右的顺序进行。
当遇到程序跳转指令时,则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。
当指令中涉及到输入、输出状态时,PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出,根据用户程序进行运算,运算的结果再存入元件映象寄存器中。
对于元件映象寄存器来说,其内容会随程序执行的过程而变化。
3.输出刷新阶段
程序执行完毕后,进入输出处理阶段。
在这一阶段里,PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态(输出继电器状态)转存到输出锁存器中,并通过一定方式输出,驱动外部负载。
因此,PLC在一个扫描周期内,对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。
当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁,直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。
这方式称为集中采样,即在一个扫描周期内,集中一段时间对输入状态进行采样。
在用户程序中如果对输出结果多次赋值,则最后一次有效。
在一个扫描周期内,只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出,对输出接口进行刷新。
在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。
这种方式称为集中输出。
对于小型PLC,其I/O点数较少,用户程序较短,一般采用集中采样、集中输出的工作方式,虽然在一定程度上降低了系统的响应速度,但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离,从根本上提高了系统的抗干扰能力,增强了系统的可靠性。
而对于大中型PLC,其I/O点数较多,控制功能强,用户程序较长,为提高系统响应速度,可以采用定期采样、定期输出方式,或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。
从上述分析可知,当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应,需要一段时间,这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。
对一般的工业控制,这种滞后是完全允许的。
应该注意的是,这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成,更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟,以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟,同时还与程序设计有关。
滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。
第三章十字路口交通信号灯的具体设计
3.1十字路口交通信号灯的控制要求
随着城市和经济的发展,交通信号灯发挥的作用越来越大,正因为有了交通信号灯,才使车流、人流有了规范,同时,减少了交通事故发生的概率。
然而,交通信号灯不合理使用或设置,也会影响交通的顺畅。
交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。
红灯表示禁止通行,绿灯表示准许通行,黄灯表示警示。
交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。
交通信号灯用于道路平面交叉路口,通过对车辆、行人发出行进或停止的指令,使各同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰,从而提高路口的通行能力,保障路口畅通和安全。
十字路口交通信号灯现场示意图如图3-1所示,南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯,为确保交通安全,要求如下。
1)采用PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。
系统上电后,交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。
SA1手柄指向左45°时,接点SA1-1接通,交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作,按照如图3-2所示工作时序周而复始,循环往复工作。
SA1手柄指向中间0°时,接点SA1-2接通,交通指挥系统南北向绿灯常亮,东西向红灯常亮,。
SA1手柄指向右45°时,接点SA1-3接通,交通指挥系统东西向绿灯常亮,南北向红灯常亮。
图3-1交通灯现场示意图
2)正常控制时
①当东西方向允许通行(绿灯)时,南北方向应禁止通行(红灯);同样,当南北方向允许通行(绿灯)时,东西方向应禁止通行(红灯)。
②在绿灯信号要切换为红灯信号之前,为提醒司机提前减速并刹车,应有明显的提示信号:
绿灯闪烁同时黄灯亮。
③信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。
信号灯动作的时序图如图3-2所示,它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的,置1表示信号灯点亮。
图3-2十字路口交通灯正常工作时序
3)输入/输出信号分配
输入/输出信号分配如表3-1所示。
输 入
输 出
文字符号
信号地址
说 明
文字符号
信号地址
说 明
SA1-1
X0
交通灯正常工作控制开关
H1
Y0
南北向绿灯指示
SA1-2
X1
南北向交通灯常绿控制开关
H2
Y1
南北向黄灯指示
SA1-3
X2
东西向交通灯常绿控制开关
H3
Y2
南北向红灯指示
H4
Y3
东西向绿灯指示
H5
Y4
东西向黄灯指示
H6
Y5
东西向红灯指示
表3-1十字路口交通灯控制信号说明
3.2十字路口交通信号灯控制系统电路图
开关合上后,东西绿灯亮25s后闪3s灭;黄灯亮2s灭;红灯亮30s;绿灯亮……循环,对应东西绿黄灯亮时南北红灯亮30s,接着绿灯亮25S后闪3s灭;黄灯亮2s后,红灯又亮……循环,
图3-4十字路口交通信号灯控制系统电路图
根据交通灯系统的控制要求,如图3-4所示十字路口交通信号灯控制系统电路图,实现了预定的交通灯系统的控制功能。
3.3PLC硬件控制电路设计
1)硬件结构设计。
了解各个控制对象的驱动要求,如:
驱动电压的等级、负载的性质等;分析对象的控制要求,确定输入/输出接口(I/O)数量;确定所控制参数的精度及类型,如:
对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等,选择适合的PLC机型及外设,完成PLC硬件结构配置。
2)根据上述硬件选型及工艺要求,绘制PLC控制电路接线图,编制I/O接口功能表。
据信号控制要求,I/O分配及其接线如图7-11所示。
图3-5十字路口交通信号灯PLC外部I/O分配及其接线
图中用一个输出点驱动两个信号灯,如果PLC输出点的输出电流不够,可以用一个输出点驱动一个信号灯,也可以在PLC输出端增设中间继电器,由中间继器再去驱动信号灯。
3.4PLC控制程序设计
3.4.1PLC的状态转移
在设计较为复杂的程序时,仅仅采用简单的逻辑处理已经很难保证程序的正确性和易读性,所以就需要采用别的方法来编制程序。
为了保证程序逻辑的正确以及程序的易读性,我们可以将一个控制过程分为若干个阶段,在每一个阶段均设立一个控制标志,当每一个阶段执行完毕,就启动下一个阶段的控制标志,将本阶段的控制标志清除。
所谓“状态”是指特定的功能,因此状态转移实际上就是控制系统的功能转移。
机电自控系统中机械的自动工作循环过程就是电气控制系统的状态自动、有序、逐步转移的过程。
这种功能流程图完整地表现了控制系统的控制过程,各状态的功能、状态转移顺序和条件,它是PLC应用控制程序设计的极好工具。
3.4.2PLC的状态转移图
图3-6十字路口交通信号灯PLC的状态转移图
3.4.3十字路口交通信号灯PLC的程序设计说明
据图3-6所示的状态转移,说明十字路口交通信号灯PLC的程序设计。
1)PLC开始运行时,M8002产生一初始脉冲,使初始状态S0置1。
2)当SA1手柄指向中间0°时,触点X1接通,交通指挥系统南北向绿灯Y1常亮,东西向红灯常亮。
3)当SA1手柄指向右45°时,触点X2接通,交通指挥系统东西向绿灯Y1常亮,南北向红灯常亮。
4)当SA1手柄指向左45°时,触点X0接通,状态转移到S20和S30,使S20和S30置1,同时S0在下一扫描周期自动复位,Y1线圈得电南北绿灯亮与此同时Y6线圈得电,东西红灯亮。
5)延时25S后,转移条件T0闭合,状态从S20转移到S21,使S21置1,同时驱动T1记时,而S20在下一扫描周期自动复位。
6)延时5S后,转移条件
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