基于三菱PLC FX2N控制的城市交通灯.docx
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基于三菱PLC FX2N控制的城市交通灯.docx
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基于三菱PLCFX2N控制的城市交通灯
毕业设计
题目:
城市交通灯控制系统设计
所属系、部:
电气工程学院
年级、专业:
2010级电气自动化技术
姓名:
学号:
指导教师:
完成时间:
任务书
1.毕业设计(论文)的主要内容及基本要求
[1] 设计一个基于PLC控制的城市交通灯控制系统,用于十字路口的车辆及行人的交通管理。
[2]十字路口的每个方向具有车辆左拐、直行及行人通行3种通行指示灯。
[3]十字路口的每个方向具有计时牌,显示路口通行转换剩余时间,在出现紧急情况时,可由交警手动实现全路口车辆禁行而行人通行状态。
[4]对设计方案进行分析论证。
[5]完成系统的硬件和软件设计,并详细说明设计过程及所用元器件。
2.指定查阅的主要参考文献及说明
[1]廖常初,PLC编程及应用.重庆大学出版社。
2000。
[2]高钦和.可编程控制器应用技术与设计.人民邮电出版社,2001.3
[3]路林吉.PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社,1999.5
[4]路林吉,王坚,江龙康.可编程控制器原理及应用.清华大学出版社,2002
[5]齐从谦,王士兰.PLC技术及应用.机械工业出版社,2000.8
[6]陈宇.可编程控制器基础及编程技巧.华南理工大学出版社,2000.1
3.进度安排
设计(论文)各阶段内容
起止日期
1
搜集资料,方案论证,确定整体方案
第4-5周
2
硬件设计
第6-8周
3
软件设计
第9-10周
4
系统调试
第11周
5
撰写论文
第12-13周
注:
本表在学生接受任务时下达
题目:
城市交通灯控制系统设计
系:
电气工程学院
专业:
电气自动化技术
班级:
电气自动化技术
学生:
学号:
指导教师:
接受任务时间:
教研室主任(签名)
系主任(签名)
教务处制
摘要
自从交通灯诞生以来,其内部的电路控制系统就不断的被改进,设计方法也开始多种多样,从而使交通灯显得更加智能化。
尤其是近几年来,随着电子与计算机技术的飞速发展,电子电路分析和设计方法有了很大的改进,电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段,现在,交通控制更是趋向智能化方向发展,LED交通信号灯在持续发光、雨淋、灰尘等恶劣的气候条件下,仍然能保持较好的工作性能,而且价格更低廉。
本文主要通过西门子PLC控制交通红绿灯。
用可编程控制器(PLC)实现交通灯控制系统,以及该系统软、硬件设计方法,实验证明该系统实现简单、经济,能够有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力。
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状,结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理,给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要,广泛的应用于各个行业。
关键词:
智能化自动化西门子PLC交通灯控制系统
Abstract
Sincethebirthoftrafficlights,thecircuitinitsinternalcontrolsystemhavecontinuallybeenimproved,alsobegantodesignmethodsvaried,sothattrafficlightsbecomemoreintelligent.Inparticular,inrecentyears,withelectronicsandtherapiddevelopmentofcomputertechnology,electroniccircuitanalysisanddesignmethodshavegreatlyimproved,electronicdesignautomationhasbecomeamodernelectronicsysteminanindispensabletoolandmeansnow,moretrafficcontrolTrendisthedevelopmentofintelligent,LEDtrafficlightsinthecontinuingluminescence,rain,dustandotheradverseweatherconditions,canstillmaintaingoodworkperformanceandlowerprices.Inthispaper,SiemensPLCcontroltrafficthroughthetrafficlights
PLCcontrolledtrafficcontrolsystem,andthesystemhardwareandsoftwaredesignmethod,theexperimentprovedthatthesystemissimple,economicandcanbeeffectivelyrelievestraffic,improvetrafficintersectiontrafficcapacityof.Analyzesmodernurbantrafficcontrolandmanagementproblems,basedonthestatusofthetraffictotheactualsituationoftrafficcontrolsystemisexpoundedtheworkingprinciple,thispaperpresentsasimpleandpracticalurbantrafficcontrolsystemofPLCdesignscheme.Programmablecontrollerinindustrialautomationthestatusisveryimportant,widelyusedinvariousindustries.
Keywords:
IntelligentAutomationTrafficlightcontrolsystemPLC
1绪论
1.1前言
十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行,实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。
可编程序控制器(PLC)是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,是专能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。
因此,本文介绍了三菱公司的PLC产品来实现交通灯的自动控制。
1.2设计背景
可变成序控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动控制装置,在日常生活中得到了广泛的应用。
PLC是一种数字式运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC具有可靠性高,抗干扰能力强等优点,PLC的平均无故障运行时间(又称平均故障间隔时间MTBF)已经高达几十万小时。
其次,PLC具有通用性强,使用方便的特点。
由于PLC产品的系列化和模块化,PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,可以组成能满足各种控制要求的控制系统,用户不必自己再设计和制作硬件装置。
用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线。
一个控制对象的硬件配置确定以后,可以通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。
PLC还具有功能强,适应面广的特点,现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能,数值运算和数据处理等功能。
因此,它既可对开关量进行控制,也可以对模拟量进行控制,既可控制一台生产机械、一条生产线,也可控制一个生产过程。
PLC还具有通信联网的功能,可与上位计算机构成分布式控制系统。
用户只需根据控制的规模和要求,适当选择PLC的型号和硬件配置,就可以组成所需的控制系统。
随着交通的不断发展和汽车化进程的加快,交通拥挤加剧,交通事故频发,交通环境恶化,已经成为引人注目的城市问题之一。
交通问题不仅的发展中国家,就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。
众所周知,缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。
但无论哪个国家的大城市,不可能无限制地修建道路,不论是资金因素还是土地因素,都限制了道路的无节制增长。
因此,不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。
与此同时,通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。
事实上,由于交通系统是一个相当复杂的大系统,无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑,都很难从根本上解决问题。
早在19世纪,人们就开始研究交通信号,用信号指挥车通行,控制车辆进出交叉口的次序。
据文献记述,早在1868年,英国伦敦的威斯特明斯特(Westminster)街就安装了红、绿色两色的交通信号灯。
到1917年,美国的盐湖城开始使用由人工控制的红、黄、绿3色的信号灯。
1925年,这种由人工控制的3色信号灯也首次出现在英国伦敦的皮克的时路口。
次年,英国人研制出了自己的自动控制信号机。
道路通交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份,这个系统的运行状况如何,直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。
在这一系统中,道路不仅仅是易变化的部分,而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。
只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究,对能制定出科学有效的管理和控制对策,从而保障系统的有效运行。
1.3交通灯的控制现状
随着城市机动车量的不断增加,许多大城市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道路,在高速道路建设完成的初期,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澎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与普通道路藕合处交通状况的制约。
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,缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。
2系统设计方案
2.1系统控制要求
(1)设置两个开关控制,用于交通灯控制系统运行的启动和停止。
(2)系统默认有一种运行模式,并设置了一个另一种选时模式开关,通过选择开关选择十字运行模式,而且两种运行模式都能正常运行。
(3)通过不同的选择开关可以选择不同的运行模式,各个模式适合不同的交通情况。
假想交通情况如下:
①针对东西方向的车流量与南北方向的车流量一样的交通情况,设置方案1,具体要求详见表2-1。
表2-1方案1交通灯设置情况
东西方向
信号
红灯亮
左转绿灯亮
左转绿灯闪
直右绿灯亮
直右绿灯闪
黄灯亮
时间
23S
17S
3S
17S
3S
3S
南北方向
信号
左转绿灯亮
左转绿灯闪
直右绿灯亮
直右绿灯闪
黄灯亮
红灯亮
时间
17S
3S
17S
3S
3S
23S
②针对东西方向车流量大于南北方向车流量的交通情况,设置方案2,具体控制要求详见表2-2。
东西方向
信号
红灯亮
左转绿灯亮
左转绿灯闪
直右绿灯亮
直右绿灯闪
黄灯亮
时间
15S
9S
3S
9S
3S
3S
南北方向
信号
左转绿灯亮
左转绿灯闪
直右绿灯亮
直右绿灯闪
黄灯亮
红灯亮
时间
9S
3S
9S
3S
3S
15S
2.2系统设计方案
按照交通灯系统控制要求下,结合三菱PLC的FX-2N系列可编程控制器的特性(见附录),选择适合的型号。
设计思想分析如下:
以下就方案1进行具体分析。
首先,打开方案一选择开关,东西方向道路处于禁止通行的状态,南北方向道路处于允许通行的状态。
东西方向道路亮红灯状态过程中,东西红灯亮23S,需计时器设定延时23S,才会转入下一状态南北左转绿灯亮、南北黄灯闪烁、南北红灯亮;同时,南北方向道路也一起亮左转绿灯17S,需计时器设定延时17S,才会转下一状态南北绿灯闪烁,南北绿灯闪烁3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使南北绿灯闪烁,还要需计时器设定延时3S,才会转下一状态南北黄灯亮,南北黄灯亮3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使南北绿灯闪烁,计时器需设定延时3S,才会转入下一状态南北直右红灯亮23s;东西直右绿灯亮17S,需要计时器设定延时17S,才会转下一状态东西直右绿灯闪烁,东西直右绿灯闪烁3S,需要计时器设定延时3S,才会转下一状态东西黄灯亮3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使东西黄灯闪烁,计时器需设定延时3S,才会转入下一状态东西直右红灯亮23s;
其次,南北方向道路处于禁止通行的状态,东西方向道路处于允许通行的状态。
南北方向道路亮红灯状态过程中,南北红灯亮23S,需计时器设定延时23S,才会转入下一状态东西左转绿灯亮、东西黄灯闪烁、东西红灯亮;同时东西方向道路也一起亮左转绿灯17S,需计时器设定延时17S,才会转下一状态东西绿灯闪烁,东西绿灯闪烁3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使东西绿灯闪烁,还要需计时器设定延时3S,才会转下一状态东西黄灯亮,东西黄灯亮3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使东西绿灯闪烁,计时器需设定延时3S,才会转入下一状态东西直右红灯亮23s;南北直右绿灯亮17S,需要计时器设定延时17S,才会转下一状态南北直右绿灯闪烁,南北直右绿灯闪烁3S,需要计时器设定延时3S,才会转下一状态南北黄灯亮3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使南北黄灯闪烁,计时器需设定延时3S,才会转入下一状态南北直右红灯亮23s;如此循环下去。
以下就方案2进行具体分析。
东西方向道路亮红灯状态过程中,东西红灯亮15S,需计时器设定延时15S,才会转入下一状态南北左转绿灯亮、南北黄灯闪烁、南北红灯亮;同时,南北方向道路也一起亮左转绿灯9S,需计时器设定延时9S,才会转下一状态南北绿灯闪烁,南北绿灯闪烁3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使南北绿灯闪烁,还要需计时器设定延时3S,才会转下一状态南北黄灯亮,南北黄灯亮3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使南北绿灯闪烁,计时器需设定延时3S,才会转入下一状态南北直右红灯亮15s;东西直右绿灯亮9S,需要计时器设定延时9S,才会转下一状态东西直右绿灯闪烁,东西直右绿灯闪烁3S,需要计时器设定延时3S,才会转下一状态东西黄灯亮3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使东西黄灯闪烁,计时器需设定延时3S,才会转入下一状态东西直右红灯亮15s;
其次,南北方向道路处于禁止通行的状态,东西方向道路处于允许通行的状态。
南北方向道路亮红灯状态过程中,南北红灯亮15S,需计时器设定延时15S,才会转入下一状态东西左转绿灯亮、东西黄灯闪烁、东西红灯亮;同时东西方向道路也一起亮左转绿灯9S,需计时器设定延时9S,才会转下一状态东西绿灯闪烁,东西绿灯闪烁3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使东西绿灯闪烁,还要需计时器设定延时3S,才会转下一状态东西黄灯亮,东西黄灯亮3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使东西绿灯闪烁,计时器需设定延时3S,才会转入下一状态东西直右红灯亮15s;南北直右绿灯亮9S,需要计时器设定延时9S,才会转下一状态南北直右绿灯闪烁,南北直右绿灯闪烁3S,需要计时器设定延时3S,才会转下一状态南北黄灯亮3S,需振荡器或脉冲源(秒/次)动作使南北黄灯闪烁,计时器需设定延时3S,才会转入下一状态南北直右红灯亮15s;如此循环下去。
。
图2-1十字路口交通灯示意图
十字路口这两组16个交通灯有以下14种状态:
1、南北红灯、东西直行绿灯亮;2、南北红灯亮、东西左转绿灯闪;3、南北红灯亮、东西黄灯亮;4、南北绿灯亮、东西直行红灯亮;5、南北绿灯亮、东西左转红灯亮;6、南北黄灯闪、东西红灯亮;7、南北黄灯闪、东西左转红灯亮;8、东西红灯、南北直行绿灯亮;9、东西红灯亮、南北左转绿灯闪;10、东西红灯亮、南北黄灯亮;11、东西绿灯亮、南北直行红灯亮;12、东西绿灯亮、南北左转红灯亮;13、东西黄灯闪、南北红灯亮;14、东西黄灯闪、南北左转红灯亮。
这14种状态由时序图2-2可以直观的看出,图中只表示十字路口运行模式各个方案的时序状态,每个状态持续的具体时间与各方案具体要求一一对应。
3系统硬件设计
3.1PLC简介
3.1.1PLC概述
可编程控制器(ProgrammableController,PC),早期主要用于计数、定时以及开关量的逻辑控制,为了和个人计算机(PersonComputer)相区分,把可编程控制器缩写为PLC(ProgrammableLogicController,PC)。
PLC是以微处理器为基础,综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。
可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变,为适应多品种小批量生产的需要,生产发展起来的一种新型的工业控制装置。
PLC从1969年问世以来,虽然至今只有40余年,但由于其具有通用灵活的控制性能简单方便的使用性能,可以适应各种工业环境的可靠性,因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。
3.1.2PLC的硬件组成
如图3-1所示,PLC基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入寄存器、输出寄存器、其他接口等。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接,外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
图3-1PLC的组成示意图
以下介绍PLC各组成部分及其作用。
(1)中央处理单元(CPU)
可编程控制器的中央处理器常采用通用微处理器。
与一般计算机一样,CPU是PLC的核心,它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC进行工作。
CPU的性能关系到PLC处理控制信号能力与速度,CPU位数越高,运算速度越快。
(2)存储器
PLC使用的物理存储器与一般计算机相同。
有随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM)及可电擦除可编程只读存储器等。
(3)输入寄存器
输入寄存器可按位进行寻址,每一位对应一个开关量。
CPU可以读其值,但不可以写或进行修改。
(4)输出寄存器
输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。
只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出。
(5)其他接口单元
其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。
3.1.3PLC的工作原理
(1)可编程控制器的工作原理
可编程控制器必须接入电路,与主令器件、传感器件及执行器件共同构成系统才能承担控制任务。
可编程控制器作为控制装置的工作原理可以描述如下。
可编程控制器将工业控制中的各种控制信号存入自己的输入存储单元,也将运算的结果存入自己的输出存储单元,并且将运算结果作为输出信号去控制执行器件已完成工业控制。
而作为输入存储单元及输出存储单元联系的应用程序则是控制的核心。
(2)可编程控制器执行程序是PLC实现控制的核心工作,这些工作项目大致可以分为以下三部分。
第一部分是上电处理。
PLC上电后对系统进行一次初始化工作,包括硬件初始化,I/O模块配置检察,停电保持范围设定等。
第二部分是扫描过程。
一是扫描执行系统程序,二是扫描执行应用程序。
每次执行应用程序前先完成输入处理,其次完成与其他外设的通信处理,再次进行时钟、特殊寄存器更新。
第三部分是出错处理。
PLC每扫描一次,执行一次自诊断检查,确定PLC自身的动作是否正常,检查出异常时,CPU面板上的LED及异常继电器会接通,在特殊寄存器中会存入出错代码。
当出现致命错误时,CPU被强制为STOP方式,所有的扫描停止。
以上三部分内容中,扫描过程是最主要的、最经常的工作。
3.2PLC的选型
通过对系统控制要求的分析可知,系统共需开关量输入点6个,开关量输出点8个,参照三菱FX2N系列特性(见附录),选用主机型号FX2N-48MR可以满足要求,其外形如图3-3。
FX2N-48MR输入电路采用了双向光电耦合器,24VDC极性可任意选择。
具有24个输入端子,24个输出端子。
COM1为输出端子Y0-Y7的公共端,COM2为输出端子Y10-Y17的公共端,COM3为输出端子Y20-Y27的公共端。
若使用某一输入端子,则要把这一输入端子所在的公共端接至对应的电源的一端COM为输入端子X0-X7,X10-X17,X20-X27所有的公共端。
若使用任一输出端子,则要把这一输出端子所在的公共端接至电源的COM端。
FX2N-48MR具有256个定时器,其中接通/关断延迟时间精度为1ms有T246-T249,其中接通/关断延迟时间精度为10ms有T200-T245,其中接通/关断延迟时间精度为100ms有T0-T199、T250-T255。
26K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。
2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
图3-3FX2N-48MR外形图
3.3I/O分配
由于本设计所需输出口较多,故只能选用输出端口较多的FX2N-48MR,其I/O分配如表3-1。
表3-1I/O口分配
3.4PLC外部接线设计
根据设计的具体要求,对交通灯PLC控制系统进行了外部接线设计,PLC外部接线如图3-2所示,由于选择丁字路口模式时,北方向的信号灯始终不亮,故南北方向的信号灯不像东西方向的信号灯那样,相同的信号灯并联在一个输出端口上,南北方向的信号灯各接一个输出端口。
CPU有交流220V供电和直流24V供电安排,本设计采用直流24V供电。
图3-2PLC外部接线图
4系统程序设计
4.1PLC的编程语言与编程结构
现代的PLC一般备有多种编程语言,供用户使用。
但不同厂家的PLC的编程语言有很大的区别,用户不得不学习多种编程语言和查找故障的方法。
因此,IEC(国际电工委员会)1994年5月公布了可编程序控制器标准。
该标准由以下5部分组成:
通用信息、设备与测试要求、PLC的编程语言、用户指南和通讯。
由其制定的编程语言即满足目前市场的要求,又适应未来技术的发展。
同时,IEC1131—3
图4-1plc的编程语言
详细说明了句法、语义和下述5种PLC编程语言如图4-1所示。
顺序功能图
梯形图
功能块图
指令表
文本结构
标准中有两种图形语言——梯形图(LD)和功能块图(FBD),还有两种文字语言——指令表(IL)和结构文本(ST),可以认为顺序功能图(SFC)是一种结构块控制程序流程图。
4.1.1顺序功能图(SFC)
SFC提供了一种组织程序的图形方法,
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