PLC十字路口紅綠燈專業(yè)課程設計帶梯形圖

電氣和電子信息工程學院《電氣控制和PLC課程設計》設計匯報名稱：十字路口紅綠燈設計專業(yè)名稱：電氣工程及其自動化班級：學號：姓名：指導老師：設計時間：6月3日—6月14日設計地點：K3-218PLC試驗室摘要PLC可編程序控制器是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術發(fā)展而來一個新型工業(yè)控制裝置。它含有結構簡單、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)自動化裝置中應用最多一個設備。教授認為，可編程控制器將成為以后工業(yè)控制關鍵手段和關鍵基礎設備之一，PLC、機器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)三大支柱。因為PLC含有對使用環(huán)境適應性強特征，同時其內部定時器資源十分豐富，可對現(xiàn)在普遍使用“漸進式”信號燈進行正確控制，尤其對多岔路口控制可方便地實現(xiàn)。所以現(xiàn)在越來越多地將PLC應用于交通燈系統(tǒng)中?？煽s短車輛通行等候時間，實現(xiàn)科學化管理。在該設計中，還引入EDA模擬十字路口紅綠燈閃亮及車輛通行，十分形象地顯示出了PLC在交通燈系統(tǒng)中實際應用?！娟P鍵詞】：十字路口交通燈PLCAbstractThePLCprogrammablelogiccontrollerisanewindustrialcontroldevices,whichisbasedonmicroprocessor,synthesizescomputertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologies.Ithasthesimplestructure,theconvenientprogramming,thereliablehighermerit,andhaswidelyusedinthecommercialrunandpositionautomaticcontrol.Statisticshaveindicated,theprogrammablecontrollerismostonekindofequipmentintheindustrialautomationinstallmentapplies.Theexpertbelievedthattheprogrammablecontrollerwillbecomethemainmethodandoneofimportantfoundationequipmentinfurther,PLC,therobot,CAD/CAMwillbecometheindustrialproductionthreebigprops.BecausePLCadaptstoenvironmentstrong,simultaneouslyitsinternaltimerresourcesareextremelyrich,whichcarryontheaccuracycontroltothepresentuniversalusemany“theevolutiontype”thesignallight,specialtothemulti-roadforkcontrol.ThereforethepresentPLCisusedinthetrafficlightsystem,whichmayreducethevehiclesgeneralwaitingtimeandrealizescientificstylemanagement.Inthisdesign,alsointroducestheEDAsimulationintersectiontrafficlighttoglistenandthevehiclestopassesthrough,whichvisualdemonstratesPLCinthetrafficlightsystempracticalapplication.【Keywords】crossroadstrafficlightPLC交通信號燈作用和意義伴隨社會經(jīng)濟發(fā)展，城市交通問題越來越引發(fā)大家關注。人，車，路三者關系協(xié)調，已成為交通管理部門需要處理關鍵問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測，交通信號燈控制和交通疏導計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮中最關鍵組成部分。伴隨城市機動車量不停增加，很多大城市如北京，上海，南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行情況，所以，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速公路，在高速公路建設完成早期，它們也曾有效地改善了交通情況。然而，伴隨交通量快速增加和缺乏對高速道路系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充足發(fā)揮出預期作用。而城市高速道路在結構上特點，也決定了城市高速道路交通情況肯定受高速道路和一般道路耦合出交通情況制約。所以，怎樣采取適宜控制方法，最大程度利用好花費巨款修建城市高速道路，緩解主干道和匝道，城區(qū)和周圍地域交通擁堵情況，越來越成為交通運輸管理和城市計劃部門亟待處理關鍵問題，依據(jù)交通等工藝控制要求和特點，我們采取了日本三菱企業(yè)FX2N_48MR。三菱PLC有小型化，高速度，高性能等特點，三菱可編程控制器指令豐富，能夠接多種輸入，輸出擴充設備，有豐富特殊擴展設備，其中模擬輸入設備和通信設備是系統(tǒng)所必需，能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通信。本系統(tǒng)就是應用可編程控制器（PLC）對十字路口交通控制等實現(xiàn)控制。本系統(tǒng)采取PLC是基于以下四個原因：（1）PLC含有很高可靠性，抗干擾能力。通常平均無障礙時間全部在30萬小時以上；（2）系統(tǒng)設計周期短，維護方便，改造輕易，功效完善，實用性強；（3）干擾能力強，含有硬件故障自我檢驗功效，現(xiàn)在空中多種電磁干擾日益嚴重，為了確保交通控制可靠穩(wěn)定，我們選擇了能夠在惡劣電磁干擾環(huán)境下正常工作PLC；（4）多年來PLC性能價格比有較大幅度提升，使得實際應用成為可能。一、PLC基礎PLC即可編程控制器（ProgrammablelogicController），是指以計算機技術為基礎新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（InternationalElectricalCommittee）頒布PLC標準草案中對PLC做了以下定義：可編程控制器是一個數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計。它采取一類可編程存放器，用于其內部存放程序、實施邏輯運算、次序控制、定時、計數(shù)和算術操作等面向用戶指令，并經(jīng)過數(shù)字或模擬輸入/輸出控制多種類型機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌湎嚓P外部設備，全部應按易于工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功效標準設計。總而言之，可編程控制器是一臺專為工業(yè)環(huán)境應用而設計計算機，它是將傳統(tǒng)繼電器技術，計算機技術和通信技術相融合而發(fā)展起來一個新型控制裝置。在具體中國工業(yè)應用中，因為它不是針對某一具體工業(yè)應用，所以它硬件應依據(jù)實際需要來進行配置，其軟件則依據(jù)控制要求進行編寫。伴隨微處理器出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模、集成電路技術快速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信技術不停進步，PLC也快速發(fā)展其發(fā)展過程大致能夠分為三個階段[1]。1.早期PLC早期PLC稱為可編程邏輯控制器。這時，PLC關鍵功效只是實施原先由繼器完成次序控制、定時等。早期PLC性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包含簡單易懂、便于安裝、體積小、能耗低、有故障指示及能反復使用等。其中PLC特有編程語言－－梯形圖，一直沿用到現(xiàn)在。2.中期PLC這時PLC產(chǎn)品已使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器多通道處理，通信技術是PLC應用得到了深入發(fā)展。在硬件方面，除了保留原有開發(fā)模塊外，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊、多種特殊功效模塊。并擴大了存放器容量，使多種邏輯線圈數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量數(shù)據(jù)寄存器，使PLC范圍更大。在軟件方面，還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送通信、直診療等功效。3.近期PLC因為超大規(guī)模集成電路技術快速發(fā)展，微處理器價格大幅度下降，使多種類型PLC所采取微處理器檔次普遍提升。為了提升PLC處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。世界上生產(chǎn)PLC產(chǎn)品廠家多達200多個，其中比較著名有美國AB、通用(GE)，日本三菱(MITSBISHI)、歐姆龍(OMRON)、松下，德國西門子(SIEMENS)，韓國三星(SUMSUNG)、LG等。PLC特點PLC含有以下關鍵特點：1.可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備關鍵性能。PLC因為采取現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采取嚴格生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了優(yōu)異抗干擾技術，含有很高可靠性。因為PLC模塊均采取大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，所以I/O接口電路均采取光電隔離;在結構上對、防潮、防塵、抗震等全部有周到考慮;在硬件上采取隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾方法;在軟件上采取數(shù)字濾波等抗干擾和故障診療方法。以上這些使PLC含有較高抗干擾能力。2.控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強在PLC控制系統(tǒng)中，只需要在PLC輸入/輸出端子上接入對應信號線即可，不需要連接如繼電器之類低壓電器和大量而又復雜硬件接線線路，大大簡化了控制系統(tǒng)結構。，PLC輸入/輸出可直接和交流220V、直流24V等強電相連，而且含有較強帶負載能力。3.編程方便，易于使用PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)工控設備。它接口輕易，編程語言易于為工程技術人員接收。梯形圖語言圖形符號和表示方法和繼電器電路圖相當靠近，只用PLC少許開關量邏輯控制指令就能夠方便地實現(xiàn)繼電器電路功效。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4.功效完善PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小多種規(guī)模系列化產(chǎn)品。能夠用于多種規(guī)模工業(yè)控制場所。除了邏輯處理功效以外，現(xiàn)代PLC大多含有完善數(shù)據(jù)運算能力，可用于多種數(shù)字控制領域。多年來PLC功效單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等多種工業(yè)控制中。在PLC內部含有很多控制功效，如：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步進控制、PID控制、數(shù)據(jù)控制、通信和聯(lián)網(wǎng)，還有其它特殊功效模塊。5.設計、施工、調試周期短PLC用存放邏輯替換接線邏輯，大大降低了控制設備外部接線，使控制系統(tǒng)設計及建造周期大為縮短，同時維護也變得輕易起來。更關鍵是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量生產(chǎn)場所。6.體積小，維護操作方便PLC體積小，質量輕，便于安裝，不需要專門機房，能夠在多種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場多種設備和PLC對應I/O端相連接，即可投入運行。多種模塊上全部有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。PLC結構和工作原理PLC基礎結構在種類繁多PLC中，其組成結構和工作原理全部基礎相同。用PLC實施控制，其實質是按一定算法進行輸入/輸出轉換，并將這個轉換給物理實現(xiàn)，并應用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場而設計，采取了經(jīng)典計算機結構，它關鍵由CPU、電源、存放器和專門設計輸入/輸出接口電路等組成[2]。1.中央處理器(CPU)中央處理器(CPU)通常由控制器運算器和寄存器組成。它們全部集成在一個芯片內，CPU經(jīng)過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線和存放單元輸入/輸出接口電路相連接。和通常計算機一樣，CPU是PLC關鍵，它根據(jù)PLC中系統(tǒng)程序給予功效指揮PLC有條不序地進行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存放器中，當PLC處于運行方法時，CPU按循環(huán)掃描方法實施用戶程序。CPU關鍵任務以下：(1)按PLC系統(tǒng)程序給予功效接收并存放從編程器輸入用戶程序和數(shù)據(jù)。(2)用掃描方法接收現(xiàn)場輸入裝置狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。(3)診療電源或PLC內部電路工作狀態(tài)和編程過程中語法錯誤。(4)在PLC進入運行狀態(tài)后，從存放器中逐條讀取用戶，程序經(jīng)過命令解釋后，按指令要求任務產(chǎn)生對應控制信號，去啟、閉相關控制電路，分時地去實施數(shù)據(jù)存取、傳送、組合、比較、變換等動作。完成用戶程序中要求邏輯運算或算術運算等任務。依據(jù)運算結果更換相關標志位狀態(tài)和輸入映像寄存器內容，實現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。2.存放器PLC存放器包含系統(tǒng)存放器和用戶存放器兩個部分。(1)系統(tǒng)存放器系統(tǒng)存放器是指用來存放PLC系統(tǒng)程序存放器。它由PLC生產(chǎn)廠家編寫并固化在ROM內，用戶不能直接更改。它使PLC含有基礎功效，能夠完成PLC設計者要求各項工作。其關鍵內容包含3個部分：系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和標準程序模塊和系統(tǒng)調試。(2)用戶存放器用戶存放器由用戶程序存放器和數(shù)據(jù)存放器兩部分組成，其關鍵任務作用是用來存放用戶針對具體控制任務用要求PLC編程語言編寫多種用戶程序。PLC使用存放器有3種類型：隨機存取存放器(RAM)、只讀存放器(ROM)和可擦除可編程只讀存放器(EEPRO)。3.輸入/輸出接口單元PLC輸入和輸出信號類型能夠是開關量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出接口單元從廣義上可分為2個部分：一部分是和被控制設備相連接口電路，另一部分是輸入和輸出映像寄存器。4.擴展接口和通信接口PLC含有擴展接口和通信接口能力，其作用以下：(1)擴展接口作用是將擴展單元和功效模塊和基礎單元相連，是PLC配置愈加靈活以滿足不一樣控制系統(tǒng)需求。(2)通信接口作用是經(jīng)過這些通信接口能夠和監(jiān)視器打印機和其它，PLC或計算機相連從而實現(xiàn)”人-機”或”機-機”之間對話。5.電源部分PLC通常使用220交流電源，內部開關電源位PLC中央處理器、存放器等。電路提供5V、+-12V、24V等直流電源使PLC能正常工作。6.編程設備編程設備作用是供用戶進行程序編制、編輯、調試和監(jiān)視。7.其它部件有些PLC還能夠有ERROM寫入器、存放器卡等其它外部設備，用于增強PLC存放容量和擴展功效。PLC工作原理PLC在程序運行方法、輸入輸出操作、特殊功效模塊等方面做了尤其考慮[2]。1.PLC3個工作階段當PLC投入運行后，其工作過程通常分為輸入采樣階段、用戶程序實施階段和輸出刷新階段三個階段完成。上述3個階段即為一個周期。在整個運行期間PLCCPU以一定掃描速度反復實施上述3個階段。(1)輸入采樣階段PLC。在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態(tài)存入對應輸入元件映像寄存器。此時，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進入用戶程序實施階段。在用戶程序實施階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器和外界隔離，不管輸入端子信號怎樣改變，輸入元件映像積存器一直保持不變，直到下個掃描周期輸入采樣階段才將輸入端子新內容重新寫入。(2)用戶程序實施階段。依據(jù)PLC梯形圖程序掃描規(guī)則，PLC以先左后右，先上后下步序逐句掃描。當指令中包含輸入/輸出時，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應輸出映像寄存器目前狀態(tài)。然后，進行對應運算，運算結果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個元件狀態(tài)會隨程序實施過程而改變。(3)輸出刷新階段。在全部指令實施完成后，輸出映像寄存器中全部繼電器狀態(tài)在（通/斷）在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，經(jīng)過一定方法輸出驅動外部負載。對于小型PLC，I/O點數(shù)較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出工作方法，即使在一定程度上降低了系統(tǒng)響應速度，但從根本上提升了系統(tǒng)抗干擾能力，增強了系統(tǒng)可靠性。2.PLC對輸入/輸出處理規(guī)則PLC對輸入/輸出處理規(guī)則以下：輸入映像寄存器數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點在上有個刷新期間通/斷狀。二、交通燈信號控制系統(tǒng)2．1十字路口交通燈控制實際情況南北主干道：右轉綠4S，左轉綠4S，直行綠10S，黃2S，紅20S；b．東西人行道：紅30S，綠10S；c．東西主干道：紅20S，右轉綠4S，左轉綠4S，直行綠10S，黃2S；d．南北人行道：紅30S；綠10S；e．循環(huán)控制方法；f．交通燈改變次序表（單循環(huán)周期40秒）。2.1.1南北向（列）和東西向（行）主干道南北向（列）和東西向（行）主干道均設有直行綠燈10S，右轉綠燈4S，左轉綠燈4S，黃燈2S和紅燈20S。當南北主干道紅燈點亮時，東西主干道應依次點亮右轉綠燈，左轉綠燈，直行綠燈和黃燈；反之，當東西主干道紅燈點亮時，南北主干道依次點亮右轉綠燈，左轉綠燈，直行綠燈和黃燈。2.1.2南北向和東西向人行道向和東西向人行道均設有通行綠燈和禁行紅燈。南北人行道通行綠燈應在南主干道直行綠燈點亮時點亮10S，其它時間為紅燈30S。東西人行道通行綠燈于東西主干道直行綠燈點亮時點亮，其它時間為紅燈。2.2結合十字路口交通燈路況模擬控制試驗在PLC交通燈模擬模塊中，主干道東西南北每面全部有3個控制燈，分別為：●嚴禁通行燈（亮時為紅色）●準備嚴禁通行燈（亮時為黃色）●直通燈（亮時為綠色） 另外行人道東西南北每面全部有2個控制燈,分別為：●嚴禁通行燈（亮時為紅色）●直通燈（亮時為綠色）結合十字路口交通燈實際情況設計交通燈模擬控制系統(tǒng)以下：2.3步驟圖東西紅20S開啟開關東西紅20S開啟開關南北右轉綠4S南北右轉綠4S主干道東西右轉綠4S南北左轉綠4S主干道東西右轉綠4S南北左轉綠4S東西左轉綠4S南北直行綠10S東西左轉綠4S南北直行綠10S南北黃2S南北黃2S東西直行綠10S南北紅20S東西黃南北紅20S東西黃2S結束結束人行道開啟開關人行道開啟開關南北人行道紅8S東西人行道紅28S南北人行道紅8S東西人行道紅28S東西人行道綠10S南北人行道綠東西人行道綠10S南北人行道綠10S東西人行道紅2S結束南北人行道紅22S東西人行道紅2S結束南北人行道紅22S三、可編程控制器程序設計3.1可編程控制器I/O端口分配南北主干道綠燈Y001東西主干道綠燈Y011南北主干道黃燈Y002東西主干道黃燈Y012南北主干道紅燈Y003東西主干道紅燈Y013南北右轉綠燈Y004東西行右轉綠燈Y014南北左轉綠燈Y005東西行左轉綠燈Y015南北人行道綠燈Y006東西人行道綠燈Y016南北人行道紅燈Y007東西人行道紅燈Y017控制開關X0243.2程序梯形圖3.3程序語句總結經(jīng)過兩周PLC設計，讓我愈加深刻學習和鞏固了PLC這門課程，不僅從理論上掌握了課堂上沒有學知