基于PLC的交通灯设计.docx

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1、摘 要PLC可编程序控制器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。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此，现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时，PLC本身

2、还具有通讯联网功能,将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理。根据我这次交通灯的设计要求，采用了2个输入端和24个输出端，选用主机CPU226，由于CPU226有16个输出端口不够设计所需，又使用了1个8输出端口电流流量为50mA的EM222扩展模块，最终实现交通灯的设计要求。关键词：交通灯 PLC程序设计 CPU224目 录摘 要II一 课题背景11.1课题背景 11.2 PLC控制交通灯的优点1二 PLC的结构及原理32.1PLC的由来2.2 PLC的CPU的构成2.3 PLC I/O模块52.4PLC电源模块2.5底板或机架2.6 PLC

3、系统的其它设备2.7 PLC的通信联网2.8PLC的汇编语言三 交通信号实况的调查3.1十字路口交通灯实际情况描述3.2实况文字表述3.3交通灯的亮灭真知表统计3.4程序设计思路四 交通灯控制电路的设计84.1 控制要求84.2 控制对象84.3 控制规律8五 PLC程序设计5.1 输入输出（I/O）地址分配85.2梯形图95.3程序流程图105.4 调试过程26六 设计总结27七 致 谢28八 参考文献29 一 概论1.1课题背景:随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。单片机也可以控

4、制交通灯系统，由于单片机电子元件的可靠性没有PLC可靠性高，容易出现系统的错误，从而产生一些不便，甚至事故，所以为保证交通的畅行，十字路口的交通灯的控制显得尤为重要，不能有差错，在正常工作中，为了保证系统运行的可靠性一般选用PLC来控制交通灯。可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。它将传统继电器技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来，成为了工业自动化领域中最重要的、应用最多的控制设备，并已跃居工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）的首位。近年来PLC的应用更为广泛，它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，对使

5、用环境适应性强，同时其内部定时器资源十分丰富，十字路口的交通灯控制可方便地实现。因此使用PLC控制交通灯系统势在必行。1.2 PLC控制交通灯的优点1；控制动作功能修改方便2；故障少3；电控箱体积小4；维修方便，有故障时比继电器的好修些5；可以组建网络二、PLC的基础知识1PLC的由来在工业生产过程中，大量的开关顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程

6、序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过

7、程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。2CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它

8、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。CPU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，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。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速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。3、I

9、/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。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。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-

10、5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。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。4、电源模块PLC电源用于为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。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。5、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

11、块间的连接，使各模块构成一个整体。6、PLC系统的其它设备1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，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，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。7、PLC的通信联网依靠

12、先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。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。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。 8 PLC的汇编语言最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形

13、式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。虽然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的C语言、BASIC语言、专用的高级语言（如西门子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），还有用布尔逻辑语言、通用计算机兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只能适用于本厂的产品。l编程指令：指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语

14、句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。l指令系统：一个PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统l程序：PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指PLC的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯

15、形图表达。l梯形图：梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，用以结束程序。三、交通信号实况的调查3.1十字路口交通灯实际情况描述:3.2实

16、况文字表述：阶段1：启动后，东西方向的左拐绿灯亮，直行红灯亮，南北方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮，此状态维持18秒。阶段2：东西方向的左拐绿灯闪亮，直行红灯亮，南北方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮，此状态维持5秒。阶段3：东西方向的左拐黄灯亮，直行红灯亮，南北方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮，此状态维持3秒。阶段4：东西方向的左拐红灯亮，直行绿灯亮，南北方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮。此状态维持12秒。阶段5：东西方向的左拐红灯亮，直行绿灯闪亮，南北方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮

17、，此状态维持5秒。阶段6东西方向的左拐红灯亮，直行黄灯亮，南北方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮。阶段7南北方向的左拐绿灯亮，直行红灯亮，东西方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮。阶段8南北方向的左拐绿灯闪亮，直行红灯亮，东西方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮。阶段9南北方向的左拐黄灯亮，直行红灯亮，东西方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮。阶段10南北方向的左拐红灯亮，直行绿灯亮，东西方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮。阶段11南北方向的左拐红灯亮，直行绿灯闪亮，东西方向的直行和左拐均为红灯亮，各

18、个方向的右拐灯均为绿灯亮。阶段12南北方向的左拐红灯亮，直行黄灯亮，东西方向的直行和左拐均为红灯亮，各个方向的右拐灯均为绿灯亮。阶段13 ：回到阶段13.3交通灯的亮灭真知表统计:灯的亮灭情况:1代表亮，0代表灭方向送段码灯112233445566777899110111112东西左拐1红0001111111112绿1100000000004黄001000000000东西直行8红11100011111116绿00011000000032黄000001000000南北左拐64红111111000111128绿0000001100001黄000000001000南北直行2红111111111000

19、4绿0000000001108黄000000000001右拐16绿1111111111113.4程序设计思路：用传送指令送段码到QBO和QB1用于控制灯的亮灭灯亮则送相应的段码，灯灭则送0。四 交通灯控制系统电路的设计4.1PLC机型和选择步骤与原则随着PLC技术的发展，PLC的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式性能容量指令系统编程方式 价格等也有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选定PLC，对于提高PLC控制系统技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型 容量 IO模块 电源模块 通信联网能力等方面综合考虑。PLC机型的基本原则是在满足功能要求及保证可靠 维护方

20、便下，力争最佳的性能价格比。应主要考虑以下几点：1、合理的结构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用在系统工艺较为固定的小型控制系统中; 而模块式PLC的功能扩展灵活方便在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。2、安装方式的选择 PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要

21、增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。3、相应的功能要求 一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。 对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。4、响应速度要求 PLC是为工业自动化

22、设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。5、系统可靠性的要求 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。6、机型尽量统一 主要考虑到以下三方面问题： 1)机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。 2)机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。 3)机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联

23、网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。3.2 PLC容量的选择步骤与原则 PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面。1、IO点数的选择 PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的裕量。 通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的裕量来确定。2、存储容量的选择 用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应该

24、在存储容量估算时多留裕量。 PLC的IO点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%30%的裕量。 存储容量(字节)开关量IO点数10模拟量IO通道数1004.3 本系统的PLC选择的是西门子S7-200PLC系列中的CPU为224的可编程控制器,由于实验室的设备是这种,这样可以便于观察实验现象.4.5 PLC的外部接线图 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3Q0.4 Q0.5COM Q0.6 Q0.7Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 1L东西左拐红灯东西左拐绿灯东西左拐黄灯东西直行红灯东西直行绿灯东西直行

25、黄灯南北左拐红灯南北左拐绿灯南北左拐黄灯南北直行红灯南北直行绿灯南北直行黄灯右拐灯电源电源5.2 继电器 定时器等的功能分配继电器:电路保护定时器:分时段的控制不同灯的亮灭 五PLC的程序设计5.1可编程控制器的IO端口分配：输入输出端口I0.0I0.1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4东西左拐东西直行南北左拐南北直行右拐功能启动停止红灯绿灯黄灯红灯绿灯黄灯红灯绿灯黄灯红灯绿灯黄灯绿灯5.2梯形图如下：5.3程序流程图阶段12阶段11阶段10阶段9阶段8阶段6阶段4阶段3阶段2阶段7阶段5阶段1 第六章 系统的软硬件调试6.1 硬件调试接通电源，检查松下FP-1C40型可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。电脑与PLC连接正确之后，再连接交通灯的外接电路，将数码管和模拟交通连接，并连上电源线。通过下载程序，调试电路是否正确。6.2 软件调试打开FPSOFT软件，按要求输入梯形图，看软件是否与PLC可编程控制器正常连接，下载此梯形图到PLC可编程控制器，进行下一步的运行调试。6.3 运行调试在硬件调试和软件调试的基础上，运行此程序并进行调试直至程序可以按照系统要求运行。