電氣與電子信息工程學院電氣控制與PLC課程設計設計報告名 稱： 十字路口紅綠燈的設計 專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動化 班 級： 學號： 姓 名： 指導教師： 設計時間： 2013年6月3日2013年6月14日 設計地點： K3-218 PLC實驗室 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(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)自動化裝置中應用最多的一種設備。專家認為，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設備之一，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應用于交通燈系統(tǒng)中。可縮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)中的實際應用。【關(guān)鍵詞】：十字路口 交通燈 PLCAbstractThe PLC programmable logic controller is a new industrial control devices, which is based on microprocessor, synthesizes computer technology, automatic control technology and communication technologies. It has the simple structure, the convenient programming, the reliable higher merit, and has widely used in the commercial run and position automatic control. Statistics have indicated, the programmable controller is most one kind of equipment in the industrial automation installment applies. The expert believed that the programmable controller will become the main method and one of important foundation equipment in further, PLC, the robot, CAD/CAM will become the industrial production three big props. Because PLC adapts to environment strong, simultaneously its internal timer resources are extremely rich, which carry on the accuracy control to the present universal use many “the evolution type” the signal light, special to the multi-road fork control. Therefore the present PLC is used in the traffic light system, which may reduce the vehicles general waiting time and realize scientific style management. In this design, also introduces the EDA simulation intersection traffic light to glisten and the vehicles to passes through, which visual demonstrates PLC in the traffic light system practical application.【Key words】 crossroads traffic light PLC 交通信號燈的作用和意義隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人，車，路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測，交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮中最重要的組成部分。隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京，上海，南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速公路，在 高速公路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點，也決定了城市高速道路的 交通狀況必然受高速道路和普通道路耦合出交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道，城區(qū)與周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題，根據(jù)交通等工藝控制要求和特點，我們采用了日本三菱公司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，可以接各種輸入，輸出擴充設備，有豐富的特殊擴展設備，其中的模擬輸入設備和通信設備是系統(tǒng)所必需的，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)采用PLC是基于以下四個原因：（1）PLC具有很高的可靠性，抗干擾能力。通常的平均無障礙時間都在30萬小時以上；（2）系統(tǒng)設計周期短，維護方便，改造容易，功能完善，實用性強；（3）干擾能力強，具有硬件故障的自我檢查功能，目前空中各種電磁干擾日益嚴重，為了保證交通控制的可靠穩(wěn)定，我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的PLC；（4）近年來PLC的性能價格比有較大幅度的提高，使得實際應用成為可能。 一、 PLC的基礎PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術(shù)為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義： 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)境應用而設計的。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)字或模擬輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 ?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設備，都應按易于工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計?？傊?，可編程控制器是一臺專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的計算機，它是將傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)，計算機技術(shù)和通信技術(shù)相融合而發(fā)展起來的一種新型的控制裝置 。在具體的國內(nèi)工業(yè)應用中，由于它不是針對某一具體工業(yè)應用，因此它的硬件應根據(jù)實際需要來進行配置，其軟件則根據(jù)控制要求進行編寫。 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)通信技術(shù)的不斷進步，PLC也迅速發(fā)展其發(fā)展過程大致可以分為三個階段1。 1. 早期的PLC早期的PLC稱為可編程邏輯控制器。這時，PLC主要功能只是執(zhí)行原先由繼器完成的順序控制、定時等。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、有故障指示及能重復使用等。其中PLC特有的編程語言梯形圖，一直沿用到現(xiàn)在。2. 中期的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)了多處理器的多通道處理，通信技術(shù)是PLC的應用得到了進一步的發(fā)展。在硬件方面，除了保留原有的開發(fā)模塊外，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的范圍更大。在軟件方面，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送通信、直診斷等功能。3. 近期的PLC由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器價格的大幅度下降，使的各種類型的PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。為了提高PLC的處理速度，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)品的廠家多達200多個，其中比較著名的有美國的AB、通用(GE)，日本的三菱(MITSBISHI)、 歐姆龍(OMRON)、松下，德國的西門子(SIEMENS)，韓國的三星(SUMSUNG)、 LG等。1.1 PLC的特點PLC具有以下主要特點： 1. 可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。由于PLC模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，所以的I/O接口電路均采用光電隔離;在結(jié)構(gòu)上對、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮;在硬件上采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施;在軟件上采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施。以上這些使PLC具有較高的抗干擾能力。2. 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強在PLC控制系統(tǒng)中，只需要在PLC輸入/輸出端子上接入相應的信號線即可，不需要連接如繼電器之類的低壓電器和大量而又復雜的硬件接線線路 ，大大簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。，PLC的輸入/輸出可直接與交流220V、直流24V等強電相連，并且具有較強的帶負載能力。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)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4. 功能完善PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。在PLC內(nèi)部具備許多控制功能，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)，還有其他特殊功能模塊。5. 設計、施工、調(diào)試的周期短PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。6. 體積小，維護操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝，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)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均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。1.2 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理1.2.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)在種類繁多的PLC中，其組成結(jié)構(gòu)和工作原理都基本相同。用PLC實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進行輸入/輸出轉(zhuǎn)換，并將這個轉(zhuǎn)換給予物理實現(xiàn)，并應用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場而設計，采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，它主要由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成2。 1. 中央處理器(CPU) 中央處理器(CPU)一般由控制器運算器和寄存器組成。它們都集成在一個芯片內(nèi)，CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC有條不序地進行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，當PLC處于運行方式時，CPU按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。 CPU的主要任務如下： (1) 按PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序和數(shù)據(jù)。 (2) 用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。 (3) 診斷電源或PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。 (4) 在PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶，程序經(jīng)過命令解釋后，按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去啟、閉有關(guān)控制電路，分時地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較、變換等動作。完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運算或算術(shù)運算等任務。根據(jù)運算結(jié)果更換有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。 2. 存儲器 PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩個部分。 (1)系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器是指用來存放PLC的系統(tǒng)程序的存儲器。它由PLC生產(chǎn)廠家編寫并固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設計者規(guī)定的各項工作。其主要內(nèi)容包括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與系統(tǒng)調(diào)試。 (2)用戶存儲器用戶存儲器由用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分組成，其主要任務作用是用來存放用戶針對具體控制任務用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。PLC使用的存儲器有3種類型：隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和可擦除可編程只讀存儲器(EEPRO)。3. 輸入/輸出接口單元PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)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：一部分是與被控制設備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 4. 擴展接口和通信接口PLC具有擴展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)擴展接口的作用是將擴展單元和功能模塊與基本單元相連，是PLC的配置更加靈活以滿足不同控制的系統(tǒng)需求。(2)通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機和其他的，PLC或計算機相連從而實現(xiàn)”人-機”或”機-機”之間的對話。5. 電源部分PLC一般使用220交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源位PLC的中央處理器、存儲器等。電路提供5V、+-12V、24V等直流電源使PLC能正常工作。6. 編程設備編程設備的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。7. 其他部件有些PLC還可以有ERROM寫入器、存儲器卡等其他外部設備，用于增強PLC的存儲容量和擴展功能。1.2.2 PLC的工作原理PLC在程序運行方式、輸入輸出操作、特殊功能模塊等方面做了特別的考慮2。1. PLC的3個工作階段當PLC投入運行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行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PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述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)存入對應的輸入元件映像寄存器。此時，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進入用戶程序執(zhí)行階段。在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離，無論輸入端子信號如何變化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內(nèi)容重新寫入。(2)用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù)PLC梯形圖程序掃描規(guī)則，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句掃描。當指令中涉及輸入/輸出時，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應輸出映像寄存器的當前狀態(tài)。然后，進行相應的運算，運算結(jié)果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個元件的狀態(tài)會隨程序的執(zhí)行過程而變化。(3)輸出刷新階段。在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通/斷）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅(qū)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的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。2. PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點在上有個刷新期間的通/斷狀。二、交通燈信號控制系統(tǒng)21 十字路口交通燈控制實際情況a 南北主干道：右轉(zhuǎn)綠4S，左轉(zhuǎn)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(zhuǎn)綠4S，左轉(zhuǎn)綠4S，直行綠10S，黃2S； d南北人行道：紅30S；綠10S； e循環(huán)控制方式；f交通燈變化順序表（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(zhuǎn)綠燈4S，左轉(zhuǎn)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(zhuǎn)綠燈，左轉(zhuǎn)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(zhuǎn)綠燈，左轉(zhuǎn)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(jié)合十字路口交通燈的路況模擬控制實驗 在PLC交通燈模擬模塊中，主干道東西南北每面都有3個控制燈，分別為： 禁止通行燈 （亮時為紅色） 準備禁止通行燈 （亮時為黃色） 直通燈 （亮時為綠色）另外行人道東西南北每面都有2個控制燈,分別為： 禁止通行燈 （亮時為紅色） 直通燈 （亮時為綠色） 結(jié)合十字路口交通燈實際情況設計交通燈模擬控制系統(tǒng)如下：2.3流程圖 東西紅20S 啟動開關(guān) 南北右轉(zhuǎn)綠4S 主干道東西右轉(zhuǎn)綠4S南北左轉(zhuǎn)綠4S 東西左轉(zhuǎn)綠4S南北直行綠10S 南北黃2S東西直行綠10S 南北紅20S 東西黃2S 結(jié)束 人行道 啟動開關(guān) 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10S東西人行道紅2S 結(jié)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(zhuǎn)綠燈Y004東西行右轉(zhuǎn)綠燈Y014南北左轉(zhuǎn)綠燈Y005東西行左轉(zhuǎn)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(guān) X024 3.2程序梯形圖3.3程序語句 總結(jié) 經(jīng)過兩周的PLC設計，讓我更加深刻的學習和鞏固了PLC這門課程，不僅從理論上掌握了課堂上沒有學懂得知識，還從實踐中擴寬了我們的知識面，還讓我們對專業(yè)知識有了更加全面的認識，更加清晰的認識到我們專業(yè)知識的實用性是這么強，可以通過平時學習的東西自己可以解決很多有意思的實際生產(chǎn)問題，不僅培養(yǎng)了我們的興趣和愛好，更對我們今后的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。 在這次設計中，我們遇到了一些問題，也獲得了很到意想不到的知識，在每次突破一個問題后都有一種久違的滿足感，甚至對發(fā)現(xiàn)一個問題都有一種莫名的興奮，當看到自己設計的十字路口交通燈調(diào)試成功時，心里有種成就感。設計的前幾天我們在計算機房練習了一種新的編程軟件FX-20，編程器很好的幫助我們了解編程要注意的地方。后面幾天我們在PLC實驗室進行了十字路口交通燈和電動機變頻調(diào)速的編程、調(diào)試與接線，在與同學們交流討論中，我們基本上掌握了梯形圖的的編程、接線和變頻調(diào)速的調(diào)試。對PLC的實際應用有了基本的了解。這次設計不僅鍛煉了我們的動手能力，還提高了我們運用理論知識解決實際問題的能力.這對于我們在以后的學習提供了很大的幫助，能夠讓我們聯(lián)想實際，能夠較全面的看待問題，解決問題。這次設計雖然結(jié)束了，但讓我們學到了很多知識，為我們的以后專業(yè)學習打下了夯實的基礎。這次設計很有意義，希望以后還能有這樣的設計機會。 PLC綜合設計課程設計成績評定表姓 名羅 洋學號201040220227專業(yè)班級10級電氣工程及其自動化課程設計題目： 十字路口紅綠燈控制課程設計答辯記錄： BIN指令的作用？ 答：將源元件中的BCD碼轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)并送到指定目標元件中。ADD指令在這個程序中的作用？ 答：確保后面的變量能跟著D10一起變化，防止出錯。 成績評定及依據(jù)：1. 課程設計考勤情況（10%）：2. 設計調(diào)試情況（30%）：3. 設計答辯（20%）：4. 設計報告（完成情況、報告規(guī)范性等情況40%）：最終評定成績（以分數(shù)和優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）： 指導教師簽字： 2013 年 4 月 20 日