PLC控制交通灯课程设计报告.docx
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PLC控制交通灯课程设计报告.docx
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PLC控制交通灯课程设计报告
可编程控制器实训报告
题目:
十字路口交通灯控制
院(系):
机电工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
班组:
学生姓名:
学号:
指导教师:
摘要
随着我国经济的高速发展,微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展,可编程控制器应用技术已经进入一个崭新的时代,其应用越来越广。
而交通信号灯作为一种交通用具,与人们的生活紧密相关。
其逻辑控制也由PLC进行控制。
通过合理的选择和设计,应用PLC技术可以提高交通灯的控制水平,使其达到较为理想的控制效果。
关键词:
PLC;十字路口交通灯;控制系统;编程
1绪论
随着社会经济的发展,城市交通问题越来越引起人们的关注。
人,车,路三者关系的协调,已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测,交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统,它是现代城市交通监控指挥中最重要的组成部分。
随着城市机动车量的不断增加,许多大城市如北京,上海,南京等出现了交通超负荷运行的情况,因此,自80年代后期,这些城市纷纷修建城市高速公路,在高速公路建设完成的初期,它们也曾有效地改善了交通状况。
然而,随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制,高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道路在构造上的特点,也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路和普通道路耦合出交通状况的制约。
所以,如何采用合适的控制方法,最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路,缓解主干道与匝道,城区与周边地区的交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题,
根据交通等工艺控制要求和特点,我们采用了日本三菱公司FX2N_48MR。
三菱PLC有小型化,高速度,高性能等特点,三菱可编程控制器指令丰富,可以接各种输入,输出扩充设备,有丰富的特殊扩展设备,其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的,能够方便地联网通信。
本系统就是应用可编程控制器(PLC)对十字路口交通控制等实现控制。
本系统采用PLC是基于以下四个原因:
(1)PLC具有很高的可靠性,抗干扰能力。
通常的平均无障碍时间都在30万小时以上;
(2)系统设计周期短,维护方便,改造容易,功能完善,实用性强;
(3)干扰能力强,具有硬件故障的自我检查功能,目前空中各种电磁干扰日益严重,为了保证交通控制的可靠稳定,我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC;
(4)近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高,是的实际应用成为可能。
2PLC及PLC简介
2.1PLC简介
可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。
它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一,PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。
可编程控制器(PLC)是用来取代控制系统中的继电器的一种设备,它通过检测输入端口,并根据输入端口的状态,按照程序控制输出口,可编程控制器的程序一般要使用一定的软件编写,使用人员通过输入预先编写的程序,使可编程控制器按预定的控制方案执行控制任务。
目前大多数城市采用的交通信号灯指挥控制系统,采用电子线路加继电器构成,也有少数采用单片机构成。
对信号灯的要求也越来越高,采用电子线路加继电器的控制方式,则需要加入大量的中间继电器,时间继电器,计数器等器件。
而且交通控制智能化需要按实际情况而改变参数,如使用继电器控制,则很难实现。
如使用单片机控制,则需要引入大量I/O接口电路、硬件设计,而且这两种控制方式的抗干扰能力十分有限。
采用可编程控制器对交通信号灯进行管理,技能满足控制要求,又具有高的抗干扰和稳定性。
2.2PLC的一般结构
2.2.1可编程控制器的结构分类
(1)按硬件的结构类型分类:
编程控制器是专门为工业生产环境设计的。
为了便于在工业现场安装,便于扩展,方便接线,其结构与普通计算机有很大区别,常见的有箱体式,模块式,及叠装式三种结构。
箱体式PLC一般用于规模小,输入输出点数固定,不需要扩展的场合。
模块式PLC一般用于规模较大,输入输出点数多,输入输出点数比例灵活的场合。
叠装式PLC具有二者的优点。
(2)按应用规模及功能分类:
为了适应不同工业生产过程的应用要求,PLC能够处理的输入信号数量是不一样的。
一般将一路信号称作一个店,将输入输出点数的总和称为机器的点。
按照点数的多少,可将PLC分为超小,小,中,打,超大等五类型如下表2-1所示:
表2-1PLC按规模分类
超小型
小型
中型
大型
超大型
64点以下
64—128点
128—512点
512—8192点
8192点以上
2.2.2可编程控制器的配置
可编程控制器虽然外观各异,但硬件结构大体相同。
主要由中央处理器(CPU),存储器(RAM/ROM),输入输出(I/O接口),电源及编程设备几大部分组成。
PLC的硬件结构框图如下图2-2所示:
接受驱动
现场信号受控元件
图2-2基本构成
(1)CPU的构成:
PLC中的CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每台PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路。
与通用计算机一样,主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,还有外围芯片、总线接口及有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分,但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器,由于电路的高度集成,对CPU内部的详细分析已无必要,我们只要弄清它在PLC中的功能与性能,能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。
一般讲,CPU模块总要有相应的状态指示灯,如电源显示、运行显示、故障显示等。
箱体式PLC的主箱体也有这些显示。
它的总线接口,用于接I/O模板或底板,有内存接口,用于安装内存,有外设口,用于接外部设备,有的还有通讯口,用于进行通讯。
CPU模块上还有许多设定开关,用以对PLC作设定,如设定起始工作方式、内存区等。
(2)I/O模块:
PLC的对外功能,主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的,按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。
(3)电源模块:
有些PLC中的电源,是与CPU模块合二为一的,有些是分开的,其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源以其输入类型有:
交流电源,加的为交流220VAC或110VAC,直流电源,加的为直流电压,常用的为24V。
(4)底板或机架:
大多数模块式PLC使用底板或机架,其作用是:
电气上,实现各模块间的联系,使CPU能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。
(5)PLC的外部设备:
外部设备是PLC系统不可分割的一部分,它有四大类
①编程设备:
有简易编程器和智能图形编程器,用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件,但它不直接参与现场控制运行。
②设备:
有数据监视器和图形监视器。
直接监视数据或通过画面监视数据。
③存储设备:
有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器,用于永久性地存储用户数据,使用户程序不丢失,如EPROM、EEPROM写入器等。
④输入输出设备:
用于接收信号或输出信号,一般有条码读人器,输入模拟量的电位器,打印机等。
(6)PLC的通信联网:
PLC具有通信联网的功能,它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。
现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能,它和计算机一样具有RS-232接口,通过双绞线、同轴电缆或光缆,可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
当然,PLC之间的通讯网络是各厂家专用的,PLC与计算机之间的通讯,一些生产厂家采用工业标准总线,并向标准通讯协议靠拢,这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。
了解了PLC的基本结构,我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念,做到既经济又合理,尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。
2.3PLC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。
2.4PLC的应用领域
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、保及文化娱乐等各个行业,使用情况大致可归纳为以下几类:
(1)开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域,可用它取代传统的继电器控制电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,又可用于多机群控制及自动化流水线。
如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
(2)模拟量控制在工业生产过程中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使PLC能处理模拟信号,PLC厂家生产有配套的A/D、D/A转换模块,使PLC可用于模拟量控制。
(3)运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在可使用专门的运动控制模块。
广泛的运用于各种机床、机械、机器人、电器等场合。
(4)过程控制这是对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
PLC能编制各种控制算法程序,完成闭环控制。
PID控制时一般闭环控制系统中常用的控制方法。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用
(5)数据处理现代PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较。
一般用于大型系统,如无人控制的柔性制造业。
(6)通信及联网PLC通信包含PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备间的通信。
在工业自动化网络发展加快前提下,厂家都十分重视PLC的通讯功能,纷纷推出各自的网络系统,通讯十分方便。
2.5PLC的发展趋势
(1)向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力,要求PLC具有更好的响应速度和更大的储存容量。
(2)向超大型、超小型两个方向发展。
以适应不同类型的自动控制系统的需要。
(3)PLC大力开发智能模块,加强联网通信功能。
为了扩大适用范围,厂家还制定了通用的通信彼岸准,已构成更大的网络系统。
(4)增强外部故障的检测与处理能力。
外部故障的几率很大,因此,PLC厂家致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块,进一步提高系统的可靠。
(5)编程语言多样化。
PLC结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富。
多种语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
3系统总体方案及硬件设计
3.1系统总体方案
3.1.1设计目的
PLC原理及应用课程设计是电气工程及其自动化专业领域重要的实践环节之一,主要以小型实用性PLC控制系统的软、硬件设计为主。
全面熟练掌握PLC的硬件组成以及各种指令的应用,使学生掌握小型PLC应用系统设计的步骤,熟悉和掌握PLC开发系统的应用和软件调试过程,通过设计过程中对故障的分析、判断、检修进一步锻炼和培养学生的动手能力。
3.1.2设计任务及要求
1.东西方向通行,绿灯亮15秒后,闪烁3秒这时东西黄灯亮2秒,接着东西红灯亮20秒。
在东西红灯亮的同时,南北绿灯亮15秒然后闪烁3秒,南北黄灯亮2秒,接着南北红灯亮20秒如此循环下去。
信号灯的动作受总体开关控制,按一下启动开关,信号灯系统开始工作,并周而复始循环动作,按一下停止开关,所有信号灯都熄灭。
2.十字路口交通灯示意图:
3.硬件电路图连接:
如图3-2所示:
图3-2硬件电路接线图
4交通灯的软件设计
4.1定时器
在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式,当所计时间达到设定值时,其输出触点动作,时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。
定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值,也可以用数据寄存器(D)的内容作为设定值。
在后一种情况下,一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。
即使如此,若备用电池电压降低时,定时器或计数器往往会发生误动作。
定时器通道范围如下:
100ms定时器T0~T199,共200点,设定值:
0.1~3276.7秒;
10ms定时器T200~TT245,共46点,设定值:
0.01~327.67秒;
1ms积算定时器T245~T249,共4点,设定值:
0.001~32.767秒;
100ms积算定时器T250~T255,共6点,设定值:
0.1~3276.7秒;
定时器指令符号及应用如下图4-1所示:
图4-1继电器的应用
当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时,T200的当前值计数器对10ms的时钟脉冲进行累积计数,当前值与设定值K123相等时,定时器的输出接点动作,即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒(10*123ms=1.23s)时才动作,当T200触点吸合后,Y000就有输出。
当驱动输入X000断开或发生停电时,定时器就复位,输出触点也复位。
每个定时器只有一个输入,它与常规定时器一样,线圈通电时,开始计时;断电时,自动复位,不保存中间数值。
定时器有两个数据寄存器,一个为设定值寄存器,另一个是现时值寄存器,编程时,由用户设定累积值。
4.2交通信号灯模拟控制时序图
图4-3时序图
5交通灯的仿真与调试
5.1系统的调试过程
(1)将PLC与对应输入输出的设备连接起来。
(2)用软件编制梯形图程序,将编制无误的程序分别下载到PLC中,并将模式选择开关拨至RUN状态。
(3)调试运行。
东西方向通行,绿灯亮15秒后,闪烁3秒这时东西黄灯亮2秒,接着东西红灯亮20秒。
在东西红灯亮的同时,南北绿灯亮15秒然后闪烁3秒,南北黄灯亮2秒,接着南北红灯亮20秒如此循环下去。
(4)监控运行。
当PLC运行时,可以使用软件中的监视功能监控整个程序的运行过程,以方便调试程序。
在软件上,单击“PLC写入”—“监视”-“监视开始”,可以全画面监控PLC的运行,这时可以观察到定时器的定时值会随着程序的运行而动态变化,通电闭合的触点和线圈会变蓝。
借助于软件的监控功能可以检查哪些线圈和触点该通电时没通电,从而为进一步修改程序提供帮助。
6总结
经过这次设计我学到很多的东西,不仅巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次课程设计使我明白了自己原来知识太理论化了,面对单独的课题的是感觉很茫然。
自己要学习的东西还太多,以前老是觉得自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低。
通过这次课程设计,我才明白学习是一个长期积累的过程,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,努力提高自己知识和综合素质。
而且通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正的学到知识,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
总之,不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多,真是万事开头难,不知道如何入手。
最后终于做完了有种如释重负的感觉。
此外,还得出一个结论:
知识必须通过应用才能实现其价值!
有些东西以为学会了,但真正到用的时候才发现是两回事,所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
总之,不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多,真是万事开头难,不知道如何入手。
最后终于做完了有种如释重负的感觉。
此外,还得出一个结论:
知识必须通过应用才能实现其价值!
有些东西以为学会了,但真正到用的时候才发现是两回事,所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会这门技术。
谢辞
在设计过程中,我通过查阅大量有关资料,与同学交流经验和自学,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的也不太好,但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富,使我终身受益,特在此感谢指导老师及同学们的悉心教导!
参考文献
[1]吴明亮、蔡夕忠,可编程控制器实训,化学工业出版社,2010.
[2]廖常初,FX系列PLC编程及应用,机械工业出版社,2005.
[3]陈宗梅,交通灯控制系统电路设计,重庆职业技术学院学报,2005.
[4]周名侦等,基于PLC控制的交通灯设计,广东交通职业技术学院学报,2005.
附录
附录一:
基本逻辑指令编制的梯形图
附录二:
梯形图对应的指令表
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