畢業(yè)設(shè)計（論文）PLC交通燈的設(shè)計

1、目 錄第一章 plc的介紹 ···············································

2、3;····1 一、 plc的由來············································

3、;······1 二、 plc的定義··········································

4、········2 三、 plc的特點········································&

5、#183;·········3 四、 plc的發(fā)展階段······································

6、·····4 五、 plc應(yīng)用領(lǐng)域···········································

7、····5 六、 plc的分類············································&

8、#183;······6 七、 plc的基本結(jié)構(gòu)·········································

9、···7 第二章 plc控制的十字路口交通燈的控制系統(tǒng)·············8 一、 plc軟件程序····························

10、···················8二、 硬件設(shè)計·····························

11、3;······················11三、 plc控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的一般步驟···········12四、 致謝辭···········

12、3;··········································15第三章 附錄······&#

13、183;·················································&#

14、183;······16交通燈的設(shè)計摘要分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合城鄉(xiāng)交通的實際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡單實用的城市交通燈控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案。關(guān)鍵詞交通控制 交通燈 時間發(fā)生器 定時器 20第一章plc的介紹一、plc的由來可編程控制器（programmable controller）是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而你設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（programmable logic controller）,簡稱plc，它只要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨

15、著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱pc。但是為了避免與個人計算機（personal computer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱plc。 在60年代，汽車生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。當時汽車的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻止了更新周期的縮短。為了改變這一現(xiàn)狀，美國通用汽車公司在1969年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項招標指標

16、，即：1、 編程方便，現(xiàn)場可修改程序；2、 維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)；3、 可靠性高于繼電器控制裝置；4、 體積小于繼電器控制裝置；5、 數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機；6、 成本可與繼電器控制裝置競爭；7、 輸入可以是交流115v；8、 輸出為交流115v，2a以上，能直接驅(qū)動電磁閥，接觸器等；9、 在擴展時，原系統(tǒng)只要很小變更；10、用戶程序存儲器容量至少能擴展到4k。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）研制出第一臺plc，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地美國其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用

17、。到1971年，已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。1971日本從美國引進了這項新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺plc。1973年，西歐國家也研制出它們的第一臺plc。我國從1974年開始研制。于1977年開始工業(yè)應(yīng)用。二、plc的定義plc問世以來，盡管時間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產(chǎn)和發(fā)展標準化，美國電氣制造商協(xié)會nema（national electrical manufactory association）經(jīng)過四年的調(diào)查工作，于1984年首先將其正式命名為pc（programmable controller），并給p

18、c作了如下定義：“pc是一個數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的記憶體儲存指令。用來執(zhí)行諸如邏輯，順序，計時，計數(shù)與演算等功能，并通過數(shù)字或類似的輸入/輸出模塊，以控制各種機械或工作程序。一部數(shù)字電子計算機若是從事執(zhí)行pc之功能著，亦被視為pc，但不包括鼓式或類似的機械式順序控制器?！?以后國際電工委員會(iec)又先后頒布了plc標準的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通過了對它的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/

19、輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?！?總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。三、plc的特點plc的主要特點1、高可靠性（1）所有的i/o接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與plc內(nèi)部電路之間電氣上隔離。（2）各輸入端均采用r-c濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1020ms.（3）各模塊均采

20、用屏蔽措施，以防止輻射干擾。（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。（5）對采用的器件進行嚴格的篩選。（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，cpu立即采用有效措施，以防止故障擴大。（7）大型plc還可以采用由雙cpu構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三cpu構(gòu)成表決系統(tǒng),使可*性更進一步提高。2、豐富的i/o接口模塊plc針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應(yīng)的i/o模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局

21、部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型plc以外，絕大多數(shù)plc均采用模塊化結(jié)構(gòu)。plc的各個部件，包括cpu，電源，i/o等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學(xué)plc的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5、安裝簡單，維修方便plc不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與plc相應(yīng)的i/o端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行

22、和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。plc的功能1、邏輯控制2、定時控制3、計數(shù)控制4、步進(順序)控制5、pid控制6、數(shù)據(jù)控制：plc具有數(shù)據(jù)處理能力。7、通信和聯(lián)網(wǎng)8、其它：plc還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如：定位控制模塊，crt模塊。四、plc的發(fā)展階段雖然plc問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進步，plc也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分三個階段：1、早期的plc（60年代末70年代中期） 早期的pl

23、c一般稱為可編程邏輯控制器。這時的plc多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。它在硬件上以準計算機的形式出現(xiàn)，在i/o接口電路上作了改進以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣大電氣工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式梯形圖。因此，早期的plc的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復(fù)使用等。其中plc特有的編程語言梯形圖一直沿用至今。2、中期的plc（70年代中期80

24、年代中，后期）在70年代，微處理器的出現(xiàn)使plc發(fā)生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為plc的中央處理單元(cpu)。這樣，使plc得功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程i/o模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使plc得應(yīng)用范圍得以擴大。3、近期的plc（80年代中、后期至今）進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器

25、的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的plc所采用的微處理器的當次普遍提高。而且，為了進一步提高plc的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得plc軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。五、plc的應(yīng)用領(lǐng)域 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

26、、電鍍流水線等。 （2）模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，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

27、、機器人、電梯等場合。 （4）過程控制 過程控制是指對溫度、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

28、用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(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。六、plc的分類1、小型plc小型plc的i/o點數(shù)一般在128點以下，其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個硬件融為一體，除了開關(guān)量i/o以外，還可以連接模擬量i/o以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行

29、包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。2、中型plc中型plc采用模塊化結(jié)構(gòu)，其i/o點數(shù)一般在2561024點之間。i/o的處理方式除了采用一般plc通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。3、大型plc一般i/o點數(shù)在1024點以上的稱為大型plc。大型plc的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。大型plc還可以采用三cpu構(gòu)成

30、表決式系統(tǒng)，使機器的可靠性更高。七、plc的基本結(jié)構(gòu)plc實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖所示：中央處理單元(cpu)中央處理單元(cpu)是plc的控制中樞。它按照plc系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、i/o以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當plc投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入i/o映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入i/o映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將i

31、/o映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。    為了進一步提高plc的可靠性，近年來對大型plc還采用雙cpu構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三cpu的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個cpu出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。第二章plc控制的十字路口交通燈的控制系統(tǒng)一、plc的軟件程序（1）自動運行，自動運行時，按下啟動按鈕，信號燈系統(tǒng)按圖1-1所示要求開始工作（綠燈閃爍的周期1s），按一下停止按鈕，所有信號燈都熄滅；（2）手動運行，手動運行時，兩方向的黃燈同時閃動，周期是1s。圖1-1 交通燈自動運行的動作要求1、i/o分配x0：

32、自動位起動按鈕 x1：手動開關(guān)（帶自鎖型） x2：停止按鈕y0：東西向綠， y2：東西向黃 y2：東西向紅y4：南北向綠 y5：南北向黃 y6：南北向紅2、程序設(shè)計方案（1）控制時序，根據(jù)十字路口交通燈的控制要求，其控制時序如圖1-2所示 圖1-2 交通燈控制時序圖（2）基本邏輯指令編程，根據(jù)上述的控制時序圖，用8個定時器分別作為各信號轉(zhuǎn)換的時間；用特殊功能繼電器m8013c產(chǎn)生的脈沖（周期為1s）來控制閃爍信號，其梯形圖如圖1-3所示。圖1-3交通燈控制的梯形圖（3）步進指令編程，東西方向和南北方向的信號燈的動作過程可以看成是兩個獨立的順序控制過程，可以采用并行分支與匯合的編程方法，其狀態(tài)轉(zhuǎn)

33、移圖如圖1-3所示。圖13 交通燈控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖二、硬件設(shè)計圖14 交通燈控制系統(tǒng)接線圖三、plc控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的一般步驟（一）分析被控對象并提出控制要求      詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，提出被控對象對plc控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。（二）確定輸入輸出設(shè)備      根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），

34、從而確定與plc有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定plc的i/o點數(shù)。（三）選擇plc      plc選擇包括對plc的機型、容量、i/o模塊、電源等的選擇，詳見本章第二節(jié)。（四）分配i/o點并設(shè)計plc外圍硬件線路      1.分配i/o點      畫出plc的i/o點與輸入輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表，該部分也可在第步中進行。      2.設(shè)計plc外圍硬件線路  

35、60;   畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入plc的控制電路等。      由plc的i/o連接圖和plc外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。（五）plc程序設(shè)計      1. 程序設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，采用合適的設(shè)計方法來設(shè)計plc程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。除此之外，程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容：   &#

36、160;  1）初始化程序。在plc上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，對某些繼電器進行置位或復(fù)位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。      2）檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立，一般在程序設(shè)計基本完成時再添加。      3）保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂，。      2. 程序模擬調(diào)試      程序模擬調(diào)試的基本思想是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬