課程設(shè)計論文基于PLC的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、引言 plc可編程序控制器是以微處理器為基礎(chǔ),綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(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,已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動控制中。據(jù)統(tǒng)計,可編程控制器是工業(yè)自動化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)為,可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一,plc、機器人、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)性強的特性,同時其內(nèi)部定時器資源十分豐富,可對目前普遍使用的“漸進式”信號燈進行精確控制,特別對多岔路口的控制可方便地實現(xiàn)。因此現(xiàn)在越來越多地將plc應(yīng)用于交通燈系統(tǒng)中。同時,plc本身還

2、具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能,將同一條道路上的信號燈組成一局域網(wǎng)進行統(tǒng)一調(diào)度管理,可縮短車輛通行等候時間,實現(xiàn)科學(xué)化管理.關(guān)鍵詞：交通燈 plc 程序 第一章 plc的特點及應(yīng)用1.1概述 可編程序控制器，英文稱programmable controller，簡稱pc。為了與個人計算機的pc（personal computer）相區(qū)別，在pc中人為地增加了l（logical）而寫成plc。 plc是以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制

3、各種類型的機械或生產(chǎn)過程。plc是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是plc的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的plc后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序的編制工作，就可靈活方便地將plc應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。1.2 plc的特點1 可靠性高，抗干擾能力強；2 通用性高，使用方便；3

4、程序設(shè)計簡單，易學(xué)，易懂；4采用先進的模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組合靈活方便；5系統(tǒng)設(shè)計周期短；6安裝簡便，調(diào)試方便，維護工作量?。?對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強，可進行柔性生產(chǎn)；1.3 plc的應(yīng)用目前，plc在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 1開關(guān)量的邏輯控制 這是plc最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2 模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中

5、，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（analog）和數(shù)字量（digital）之間的a/d轉(zhuǎn)換及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，使可編程控制器用于模擬量控制。 3 運動控制 plc可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量i/o模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要plc廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 4 過程控制 過程控制是指對溫度

6、、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，plc能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。pid調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型plc都有pid模塊，目前許多小型plc也具有此功能模塊。pid處理一般是運行專用的pid子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 5 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代plc具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般

7、用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 6 通信及聯(lián)網(wǎng) plc通信含plc間的通信及plc與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各plc廠商都十分重視plc的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的plc都具有通信接口，通信非常方便。第二章 plc的結(jié)構(gòu)及原理2.1 plc的分類1 按plc的結(jié)構(gòu)形式分類：1）整體式；2）模塊式。2 按plc的i/o點數(shù)分類：1）小型256點以下；2）中型256點以上，2048點以下；3）大型2048點以上。3按plc功能分類：抵擋型，中擋型，高檔型。

8、2.2 plc的結(jié)構(gòu)及各部分的作用plc的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，其組成與計算機完全相同，它就是一臺適合于工業(yè)現(xiàn)場使用的專用計算機，其硬件組成有六個部分，如下圖所示： 1、中央處理單元與普通計算機一樣，cpu是系統(tǒng)的核心部件，是由大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路微處理器芯片構(gòu)成，主要完成運算和控制任務(wù)，可以接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。進入運行狀態(tài)后，用掃描的方式接收輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，從內(nèi)存逐條讀取用戶程序，通過解釋后按指令的規(guī)定產(chǎn)生控制信號。分時、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、比較和變換等處理過程，完成用戶程序設(shè)計的邏輯或算術(shù)運算任務(wù)，并根據(jù)運

9、算結(jié)果控制輸出設(shè)備。plc中的中央處理單元多用8到32位字長的單片機。2、存儲單元按照物理性能，存儲器可以分為兩類，隨機存儲器（ram）和只讀存儲器（rom）。隨機存儲器由一系列寄存器陣組成，每位寄存器可以代表一個二進制數(shù)，在剛開始工作時，它的狀態(tài)是隨機的，只有經(jīng)過置“1”或清“0”的操作后，它的狀態(tài)才確定。若關(guān)斷電源，狀態(tài)丟失。這種存儲器可以進行讀、寫操作，主要用來存儲輸入輸出狀態(tài)和計數(shù)器、定時器以及系統(tǒng)組態(tài)的參數(shù)。只讀存儲器有兩種。一種是不可擦除rom，這種rom只能寫入一次，不能改寫。另一種是可擦除rom，這種rom經(jīng)過擦除以后還可以重寫。其中eprom只能用紫外線擦除內(nèi)部信息，eepr

10、om可以用電擦除內(nèi)部信息，這兩種存儲器的信息可保留10年左右。3、電源單元plc配有開關(guān)電源，電源的交流輸入端一般都有脈沖吸收電路，交流輸入電壓范圍一般都比較寬，抗干擾能力比較強。有些plc還配有大容量電容作為數(shù)據(jù)后備電源，停電時可以保持50h。除了需要交流電源之外，還需要直流電源。一般直流5v電源供plc內(nèi)部使用，直流24v電源供輸入輸出端和各種傳感器使用。4、輸入輸出單元輸入輸出單元由輸入模塊、輸出模塊和功能模塊構(gòu)成，是plc與現(xiàn)場輸入輸出設(shè)備或其他外部設(shè)備之間的連接部件。plc通過輸入模塊把工業(yè)設(shè)備狀態(tài)或生產(chǎn)過程信息讀入中央處理單元，通過用戶程序的運算與操作，把結(jié)果通過輸出模塊輸出給執(zhí)行

11、單元。而功能模塊則是一些智能化了的輸入和輸出模塊。比如，溫度檢測模塊、位置檢測模塊、位置控制模塊、pid控制模塊等。中央處理單元與輸入輸出模塊的連接是由輸入接口和輸出接口完成的。5、接口單元接口單元包括擴展接口、編程器接口、存儲器接口和通信接口。這些接口都是為了進一步擴展plc的功能而設(shè)置的。6、外部設(shè)備plc的外部設(shè)備主要有編程器，文本顯示器、操作面板、打印機等等，使plc的使用更加方便。2.3 plc的工作原理 1.plc的工作方式 1）輸入采樣階段，在此階段，順序讀入所有輸入緞子通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存，接著進入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行時，即使輸入信號發(fā)生變化，內(nèi)存中輸入信息也不

12、變化，只有在下一個掃描周期的輸入采樣階段才能讀入信息。 2） 程序執(zhí)行階段：plc對用戶程序掃描。 3）輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢通過隔離電路，驅(qū)動功率放大器，電路是輸出端子向外界輸出控制信號驅(qū)動外部負(fù)載。2.4 plc匯編語言采用面向控制過程，面向問題，簡單直觀的plc編寫橫語言，常用的有：梯形圖，語句表，功能圖等。1. 梯形圖：由繼電器控制邏輯演變而來，兩者具有一定程度的相似性，但梯形圖編程語言功能更強更方便。主要特點：1）自上而下，從左到右的順序排列，兩列垂直線為母線。每一邏輯行，起使左母線。 2）梯形圖中采用繼電器名稱，但不是真實物理繼電器稱為“軟繼電器” 3）每個梯級流過的是概

13、念電流，從左向右，其兩端母線設(shè)有電源。 4）輸入繼電器，用于接入信號，而無線圈，輸入繼電器，通過輸入接入的繼電器，晶體及晶閘管才能實現(xiàn)。 2.語句表：又叫指令表，類似計算機匯編語言形式，用指令的記助符編程。例：下圖是三菱公司的fx2n系列產(chǎn)品的最簡單的梯形圖例： x000 x001 y000 x010 end它有兩組，第一組用以實現(xiàn)啟動、停止控制。第二組僅一個end指令，用以 結(jié)束程序。l 梯形圖與助記符的對應(yīng)關(guān)系： 助記符指令與梯形圖指令有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而梯形圖的連線又可把指令的順序予以體現(xiàn)。一般講，其順序為：先輸入，后輸出（含其他處理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形圖就可將其翻譯成助

14、記符程序。上圖的助記符程序為： 地址指令變量0000ldx0000001orx0100002andx0010003outy0000004end 反之根據(jù)助記符，也可畫出與其對應(yīng)的梯形圖2.5 plc的基本指令1 輸入輸出指令（ld/ldi/out）下面把ld/ldi/out三條指令的功能、梯形圖表示形式、操作元件以列表的形式加以說明： 符號 功 能 梯形圖表示 操作元件 ld（?。?常開觸點與母線相連 x，y，m，t，c,s ldi（取反）常閉觸點與母線相連 x，y，m，t，c,sout（輸出） 線圈驅(qū)動 y，m，t，c，s,f ld與ldi指令用于與母線相連的接點，此外還可用于分支電路的起點

15、。out 指令是線圈的驅(qū)動指令，可用于輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器、狀態(tài)寄存器等，但不能用于輸入繼電器。輸出指令用于并行輸出，能連續(xù)使用多次。 x000 y000 地址 指令 數(shù)據(jù) 0000 ld x000 0001 out y0002 觸點串連指令（and/andi）、并聯(lián)指令（or/ori） 符號（名稱） 功 能 梯形圖表示 操作元件 and（與） 常開觸點串聯(lián)連接 x，y，m，t，c,s andi（與非） 常閉觸點串聯(lián)連接 x，y，m，t，c,s or（或） 常開觸點并聯(lián)連接 x，y，m，t，c，s ori（ 或非） 常閉觸點并聯(lián)連接 x，y，m，t，c，s and、andi指

16、令用于一個觸點的串聯(lián)，但串聯(lián)觸點的數(shù)量不限，這兩個指令可連續(xù)使用。 or、ori是用于一個觸點的并聯(lián)連接指令。 x001 x002 y001 地址 指令 數(shù)據(jù) 0002 ld x001 x003 0003 andi x002 0004 or x003 0005 out y001 3 電路塊的并聯(lián)和串聯(lián)指令（orb、anb） 符號（名稱） 功 能 梯形圖表示 操作元件 orb（塊或） 電路塊并聯(lián)連接 無 anb（塊與） 電路塊串聯(lián)連接 無 含有兩個以上觸點串聯(lián)連接的電路稱為“串聯(lián)連接塊”，串聯(lián)電路塊并聯(lián)連接時，支路的起點以ld或ldnot指令開始，而支路的終點要用orb指令。orb指令是一種獨立

17、指令，其后不帶操作元件號，因此，orb指令不表示觸點，可以看成電路塊之間的一段連接線。如需要將多個電路塊并聯(lián)連接，應(yīng)在每個并聯(lián)電路塊之后使用一個orb指令，用這種方法編程時并聯(lián)電路塊的個數(shù)沒有限制；也可將所有要并聯(lián)的電路塊依次寫出，然后在這些電路塊的末尾集中寫出orb的指令，但這時orb指令最多使用7次。將分支電路（并聯(lián)電路塊）與前面的電路串聯(lián)連接時使用anb指令，各并聯(lián)電路塊的起點，使用ld或ldnot指令；與orb指令一樣，anb指令也不帶操作元件，如需要將多個電路塊串聯(lián)連接，應(yīng)在每個串聯(lián)電路塊之后使用一個anb指令，用這種方法編程時串聯(lián)電路塊的個數(shù)沒有限制，若集中使用anb指令，最多使用

18、7次。 anb x000 x002 x003 y006 x001 x004 x005 orb x006 x003 地 址 指 令 數(shù) 據(jù) 0000 ld x000 0001 or x001 0002 ld x002 0003 and x003 0004 ldi x004 0005 and x005 0006 or x006 0007 orb 0008 anb 0009 or x003 0010 out y006 4 程序結(jié)束指令（end）符號（名稱） 功 能 梯形圖表示 操作元件結(jié)束 end（結(jié)束） 程序結(jié)束 無 在程序結(jié)束處寫上end指令，plc只執(zhí)行第一步至end之間的程序，并立即輸出處理

19、。若不寫end指令，plc將以用戶存貯器的第一步執(zhí)行到最后一步，因此，使用end指令可縮短掃描周期。另外。在調(diào)試程序時，可以將end指令插在各程序段之后，分段檢查各程序段的動作，確認(rèn)無誤后，再依次刪去插入的end指令。 其他的一些指令，如置位復(fù)位、脈沖輸出、清除、移位、主控觸點、空操作、跳轉(zhuǎn)指令等，同學(xué)們可以參考一些課外書，在這里我們不詳細(xì)介紹了。下面同學(xué)們可練習(xí)由梯形圖寫出與之對應(yīng)的助記符形式的指令。并由后面的gpp軟件傳輸?shù)絧lc中，實時運行。2.6 plc交通燈畢設(shè)編程器件一般情況下，x代表輸入繼電器，y代表輸出繼電器，m代表輔助繼電器，spm代表專用輔助繼電器，t代表定時器，c代表計數(shù)

20、器，s代表狀態(tài)繼電器，d代表數(shù)據(jù)寄存器，mov代表傳輸?shù)?。第三?梯形圖的設(shè)計與編程方法31 控制要求信號燈受啟動及停止按鈕的控制，當(dāng)按下啟動按鈕時，信號燈系統(tǒng)開始工作，并周而復(fù)始地循環(huán)工作，當(dāng)按下停止按鈕時，系統(tǒng)將停止在初始狀態(tài)，所有信號燈都熄滅。32 控制時序交通燈示意圖如圖1所示，在東西南北兩個方向均安裝信號燈，兩個方向各6個燈，分為紅、黃、綠三種顏色。工作時序如圖2所示，假設(shè)東西向較忙，綠燈時間是南北向的2倍(40s)。按下起動按鈕后，南北向綠燈亮維持20s，20s后，南北黃燈閃爍3次，計6s，期間，東西向紅燈也亮，并維持26s；26s后，東西方向綠燈亮40s，后東西向黃燈閃爍3次，計

21、6s，期間，南北向紅燈也亮，并維持46so接下去周而復(fù)始，直到停止按鈕被按下為止。3.3 plc交通燈畢業(yè)論文硬件及外圍元器件根據(jù)信號燈的控制要求，所有的器件有：三菱fx系列plc、起動按鈕sb1、停止按鈕sb2、紅黃綠色信號燈各4只，輸入輸出端口接線如圖3所示。由圖可見：起動按鈕sb1接于輸入繼電器x0端，停止按鈕sb2接于輸入繼電器xl端，東西方向的綠燈接于輸出繼電器y5端，東西方向黃燈接于輸出繼電器y4端，東西方向的紅燈接于輸出繼電器y3端，南北方向綠燈接于輸出繼電器y2端，南北方向的黃燈接于輸出繼電器y1，南北方向紅燈接于輸出繼電器y0。將輸出端的com1及com2用導(dǎo)線相連，輸出端的電源為交流220v。如果信號燈的功率較大，一個輸出繼電器不能帶動兩只信號燈，可以采用一個輸出點驅(qū)動一只信