PLC课程设计十字路口交通灯(53页).doc

-电气与电子信息工程学院电气控制与PLC实训设计报告名 称： 市中心双向六车道十字路口红绿灯控制 专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 2012级电气本一班 学号： 201240220145 姓 名： 彭兴旺 指导教师： 高海洲、胡学芝 设计时间： 2015年4月27日5月8日 设计地点： K3-218 PLC实验室 电气控制与PLC实训成绩评定表姓 名彭兴旺学号201240220145专业班级2012级电气工程及其自动化本一班题目：市中心双向六车道十字路口红绿灯控制答辩记录：1、程序语句ZRST T0 T21的作用？答：这条语句的作用是将T0到T21共22个时间继电器全部清零，避免程序序在运行过程中产生时间差。2、数码管显示程序是哪一部分，从哪开始到哪儿结束？答：数码管显示程序是从STL S32开始到SET S39结束。成绩评定及依据：1. 考勤情况（10%）：2. 设计调试情况（30%）：3. 设计答辩（20%）：4. 设计报告（完成情况、报告规范性等情况40%）：最终评定成绩（以分数和优、良、中、及格、不及格评定）： 指导教师签字： 设计任务书20142015 学年第2学期学生姓名： 彭兴旺 专业班级： 2012级电气本一班 指导教师： 胡学芝、高海洲 工作部门： 电气与电子信息工程学院一、设计题目 课题1 ：.电动机的综合控制方向课题2 ：竟猜抢答系统的设计方向课题3 ：交通灯控制方向课题4 ：电梯控制方向课题5 ：喷泉或彩灯控制方向二、设计内容（含技术指标） 1、用PLC实现四台以上电动机综合控制，要求模拟实际的工况，包括电机的顺序控制、电机的连锁和互锁控制，电机间的逻辑联系应具有一定的复杂程度，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。2、用PLC实验装置设计竟猜抢答系统，要求不少于5组，有必要的组号显示、记时显示和模拟记分系统，有优先抢答功能，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。3、用PLC实现各种路口的交通信号灯控制，要求与实际交通灯工作情况基本相符，具有必要显示和通过外部设备进行设定功能，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。4、用PLC实现电梯控制，要求与实际基本相符，电梯层数不少于4层，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。5、用PLC实现喷泉控制，要求花样不少于6种，能自动循环、单循环、和手动控制，画出主电路和接线图，接好线，编程并进行调试。6、同组同学要求不能完全重复，必须有自己的亮点，对思路新颖的、和用到更多功能指令的有加分。7、所有小组均应在开题的过程中，由指导老师对与题目相关的具体的设计控制要求进行审核。三、设计进度安排序 号内 容学时安排（天）1选题、讲解设计要求、查资料； 12方案论证、说题及硬件选型和设计23软件设计24程序及系统调试35绘制图纸、撰写和打印设计报告16设计答辩1合 计10设计指导答辩地点：K3PLC实验室四、基本要求设计报告：不少于5000字，幅面，统一复印封面。 封面、设计任务书 目录1）方案选择，方案论证（综述、任务详解及设计思路，PLC选型等）2）系统硬件设计（系统功能及原理、系统组成框图、器件选择、电路原理图、功能时序图、I/O分配及接线）3）系统软件设计（各软件模块的功能，梯形图及说明（此部分不是全部梯形图，只是把主要部分分别单独截出来，分别单独介绍说明！） 4）系统调试（调试步骤、方法及调试过程中的问题及如何解决等）5）结果分析及展望（最后的结果成功点和不足之处、总结及改进等） 附录-参考文献和完整梯形图（梯形图要求要有注释，否则会扣分！）五、设计考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩按得分0100分，可分为优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值设计考勤考勤、自行设计、按进度完成任务等情况10设计调试软硬件调试过程及完成情况30设计答辩回答问题等情况20设计报告完成情况、报告规范性、创新性、雷同率等情况4090100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格教研室主任：胡学芝 2015年2月20日目 录1 方案选择及论证11.1 任务详解及设计思路11.2 PLC选型11.2.1 PLC的用途11.2.2 PLC选型22 系统硬件设计4 2.1 系统的功能及控制原理4 2.2 系统组成框图5 2.3 功能时序图.5 2.4 I/O分配接线5 2.5 电路原理图.63 系统软件程序设计73.1 定时器、计数器的选择7 3.2程序流程图························································83.3梯形图各主要模块及说明94 系统调试184.1 调试步骤与方法184.2 调试过程中的问题及解决185 结果分析及展望195.1调试结果总结19第 41 页-5.2功能展望195.3个人总结19参考文献20程序梯形图······················································201方案论证1.1任务详解及设计思路随着社会经济的发展，城市交通的畅通与否是考量一个城市经济发展水平的关键环节，现代化城市的推进与私家车数量的倍增都使城市交通问题更加突出。合理设定十字路口的运行时间，解决交通拥挤、实现各个路段的最优控制，提高各个路段的运行效率已成为当务之急，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。为了实现十字路口交通运输的管理，力求先进性和科学化，用PLC实现十字路口交通灯控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。本次课程设计结合十字路口交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市十字路口交通灯控制系统的PLC设计方案，并在PLC可编程控制器试验台上进行现场调试，满足十字路口交通灯控制性能要求。任务：设计一个能够控制二十六盏交通信号灯的模拟系统。并且要求交通信号灯按照交通规则的模试来运行。实验通过控制八个交通灯就好了。内容：因为本课程设计是交通灯的PLC控制设计，所以要了解实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口为东西南北走向。先转状态1，南北绿灯通车25S，东西红灯，东西人行道绿灯。过一段时间转状态2，南北绿灯先闪3S然后灭，黄灯亮2S，东西仍然红灯，东西人行道红灯。再转状态3，东西绿灯通车25S，南北红灯，南北人行道绿灯。过一段时间转状态4，东西绿灯先闪3S然后灭，黄灯亮2S，南北仍然红灯，南北人行道红灯。再转状态5,南北左转绿灯通行25S，东西红灯。过一段时间转状态6，南北左转绿灯闪3S然后灭，黄灯亮2S，东西仍然红灯。再转状态7，东西左转绿灯通行25S，南北红灯。过一段时间转状态8，东西左转绿灯闪3S然后灭，黄灯亮2S，南北仍然红灯。最后转至状态1循环。1.2 PLC选型1.2.1 PLC的用途 PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型：（1）顺序控制  这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是为了不和切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。（2）运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。 相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。（3）闭环过程控制  PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。（4）数据处理 著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。1.2.2 PLC选型（1）抗干扰能力强，可靠性高  继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。(2) 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (3)易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 (4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 (5)体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。根据具体情况，本次课程设计中用到是三菱FX系列超小型PLC FX2N-48MR ，是具有24个输出口,24个输入口的基本单元，继电器输出形式，使用的电源是DC 24V。2 系统硬件设计2.1 系统的功能及控制原理能实现东西、南北四个路口的红、黄、绿灯循环变换，东西方向直行时南北方向禁止通行，南北方向直行时东西方向禁止通行。能实现正常的左转弯控制，东西路口车辆左转弯时南北路口车辆禁止通行，南北路口车辆左转弯时东西方向车辆禁止通行。各方向直行和各路口左转弯循环交替。能实现东西、南北四个路口人行道通行与禁止交替，东西方向人行道在东西方向机动车直行时可以通行，南北方向人行道在南北方向机动车直行时可以通行，其他时间禁止通行。同时还能实现两位数码管的倒计时显示，倒计时显示与红绿灯的变化相对应，能让通行车辆更好地掌握路口交通灯的变化情况。十字路口东南西北四个路口各设有一套直行红、黄、绿灯，由于所选用PLC的输出口个数的限制所以左转灯与直行灯共用同一组灯，当东西南北都执行完之后就开始执行左转，此时将绿灯设为以两秒为周期闪动来代表左转，也是由于受PLC输出端口数量的限制人行横道也只设绿灯，绿灯灭则禁止通行。交通灯状态控制如下：南北路口东西路口数码管倒计时显示直行绿直行红、人行道绿倒计时25S直行绿闪直行红、人行道绿闪3S直行黄直行红2S直行红、人行道绿直行绿25S直行红、人行道绿闪直行绿闪3S直行红直行黄2S左转绿（两秒周期闪）左转红25S左转绿闪（一秒为周期）左转红3S左转黄左转红2S左转红左转绿（两秒周期闪）25S左转红左转绿闪（一秒为周期）3S左转红左转绿闪（一秒为周期）2S都执行完后再进行循环。2.2系统组成框图系统组成框图如下：2.3功能时序图直行时段南北方向时序图：X0Y22Y27Y20Y21Y25直行时段东西方向时序图与南北方向的基本相同，只是东西方向的是接在南北方向的后面，如下：2.4 I/O分配接线根据控制要求PLC的I/O口分配为：X0启动按键X0Y20南北直行/左转红灯X1停止按键X1Y21东西路口人行道绿灯Y0Y7数码管十位Y23东西直行/左转绿灯Y10Y17数码管个位Y24东西直行/左转黄灯Y22南北直行/左转绿灯Y25东西直行/左转红灯Y27南北直行/左转黄灯Y26南北路口人行道绿灯2.5 电路原理图根据控制要求设计电路原理图如下：停止按钮X1启动按钮X0X001X000Y021Y026Y023Y024Y025Y022Y027Y020FX2N48MRY007Y000Y006COMY017Y016Y010COM13 系统软件程序设计3.1 定时器、计数器的选择在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。定时器通道范围如下：100 ms定时器T0T199， 共200点，设定值：0.1 3276.7秒；10 ms定时器T200TT245，共46点，设定值：0.01327.67秒；1 ms积算定时器 T245T249，共4点，设定值：0.00132.767秒；100 ms积算定时器T250T255，共6点，设定值：0.13276.7秒； 定时器指令符号及应用如下图所示： 当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10 ms的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒（10 * 123ms = 1.23s）时才动作，当T200触点吸合后，Y000就有输出。当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值.计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数，其设定计数值由程序设置。本设计中用到的计数器只是用于普通的计数功能，故选用普通加计数器，其地址范围为C0C99。3.2程序流程图启动 显示42倒计时3S显示295倒计时25S南北直行绿闪3S、东西红、东西路口人行道绿闪3S南北直行绿亮25S、东西红、东西路口人行道绿 显示10倒计时2S南北直行黄亮2S、东西红 显示295倒计时25S东西直行绿亮25S、南北红、南北路口人行道绿显示42倒计时3S东西直行绿闪3S、南北红、南北路口人行道绿闪3S显示10倒计时2S东西直行黄亮2S、南北红显示295倒计时25S南北左转绿亮25S（以2S周期闪）、东西红显示42倒计时3S南北左转绿闪3S（以1S周期）、东西红南北左转黄亮2S、东西红显示10倒计时2S显示295倒计时25S东西左转绿亮25S（以2S周期闪）、南北红显示42倒计时3S东西左转绿闪3S（以1S周期）、南北红显示10倒计时2S东西左转黄亮2S、南北红停止3.3梯形图各主要模块及说明1、启动按键按下，进入并行程序。2、 先是南北直行绿灯亮25S、东西红、东西路口人行道绿灯亮。3、 南北直行绿灯和东西路口人行道绿灯以1S为周期闪3S、东西红。4、 南北直行黄灯亮2S、东西红。5、 东西直行绿灯亮25S、南北红、南北路口人行道绿灯亮。6、 东西直行绿灯和南北路口人行道绿灯以1S为周期闪3S、南北红。7、 东西直行黄灯亮2S、南北红。8、 南北左转绿灯亮25S（以2S为周期闪烁）、东西左转红。9、 南北左转绿灯以1S为周期闪3S、东西左转红。10、 南北左转黄灯亮2S、东西左转红。11、 东西左转绿灯亮25S（以2S为周期闪烁）、南北左转红。12、 东西左转绿灯以1S为周期闪3S、南北左转红。13、 东西左转黄灯亮2S、南北左转红。14、 控制数码管显示倒计时，从29倒计时到0。从这开始：到这结束就是数码管显示程序：15、 停止按键，按下时全部停止。16、 控制周期为1S闪烁的程序。17、 控制周期为2S闪烁的程序。4系统调试4.1调试步骤与方法（1）将PLC与对应输入输出的设备连接起来。（2）用GX Works2软件编制图的梯形图程序，将编制无误的程序分别下载到PLC中，并将模式选择开关拨至RUN状态。（3）调试运行。按下启动开关，先转状态1，南北绿灯通车25S，东西红灯，东西人行道绿灯。过一段时间转状态2，南北绿灯先闪3S然后灭，黄灯亮2S，东西仍然红灯，东西人行道红灯。再转状态3，东西绿灯通车25S，南北红灯，南北人行道绿灯。过一段时间转状态4，东西绿灯先闪3S然后灭，黄灯亮2S，南北仍然红灯，南北人行道红灯。再转状态5,南北左转绿灯通行25S，东西红灯。过一段时间转状态6，南北左转绿灯闪3S然后灭，黄灯亮2S，东西仍然红灯。再转状态7，东西左转绿灯通行25S，南北红灯。过一段时间转状态8，东西左转绿灯闪3S然后灭，黄灯亮2S，南北仍然红灯。最后转至状态1循环。（4）监控运行。当PLC运行时，可以使用GX Works2软件中的监视功能监控整个程序的运行过程，以方便调试程序。在GX Works2软件上，单击 “PLC写入”“监视”“监视开始”，可以全画面监控PLC的运行，这时可以观察到定时器的定时值会随着程序的运行而动态变化，通电闭合的触点和线圈会变蓝。借助于GX Works2软件的监控功能可以检查哪些线圈和触点该通电时没通电，从而为进一步修改程序提供帮助。4.2 调试过程中的问题及解决在PLC实验台上按十字路口交通灯控制硬件电路原理图接线，之前觉得交通灯很难，变化很多，不好把握，在接触之后发现其实是有规律可循的。经过比较，最终根据实验仪器的现有条件和需要实现的功能要求作出了自己的设计。 在第一次程序上机调试，发现程序进行到一半去无法再继续下去，检查发现原来是时间继电器用混了，导致计数无法完成，程序无法跳转。更改后发现程序并行过程中数码管显示部分可以正常循环，但是交通灯部分就只能走一遍而无法进行循环，经过仔细排查后发现，原来是数码管显示部分控制循环的计数器清零位置不对，导致计数器无法记满，从而是程序不能跳出并行进入大循环。经过不断改进最终调试结果符合方案设计预期效果。5结果分析及展望5.1调试结果总结很多时候想一次性把程序完成是非常困难的，我在调试运行中也遇到不少错误。刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现发现程序进行到一半去无法再继续下去。那时候真不知道从哪里下手，只好一条一条的检查指令，才发现我把时间继电器用混了，导致计数无法完成，程序无法跳转。还有灯虽然亮起来了，但是又发现程序并行过程中数码管显示部分可以正常循环，但是交通灯部分就只能走一遍而无法进行循环，梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题，最后发现原来是数码管显示部分控制循环的计数器清零位置不对，导致计数器无法记满，从而是程序不能跳出并行进入大循环。后来就这样把加上其他功能出现的错误页找出来了，虽然找错误是枯燥无味的工作，但只要你耐心去做的话，你肯定能学到有用的东西。5.2功能展望 目前设计交通灯的方案有很多，应用PLC设计实现交通信号灯控制器的方法居多。目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：1，两车道的车辆轮流放行时间相同，导致一边堵车堵得厉害，一边车流量却很少。时间不能自动调节。 2，两条干道的红绿时间不能随时间的改变而修改。 还有如果能将交通路口的车流量数据集中起来，做到数据共享，从而根据几个交通路口的数据来智能的控制交通灯，那么这样的话，缓解车流量的效果会更加明显，效果会更加好，智能化程度会更高。同时，本设计是通过光电计数器来统计车辆数，进而进行比较的。如果能统计出出流量来进行比较，那么将会更加接近实际的情况，控制的效果也会更好。5.3个人总结为期两周的PLC课程设计，我热情高涨。十字路口交通灯控制设计课题的特点是思路清晰、结构明了，中间产生的错误也让我明白必须严谨。这次课程设计重要的是使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中遇到的问题，在老师的帮助、组员的合作和自己的努力下都得到了圆满的解决，同时在设计的过程中发现了自己对所学的知识理解得不够透彻，掌握得不够牢固，此次课程设计重新加深了我对这部分知识的掌握程度。不足的是本次十字路口交通灯控制设计还不够完善。这次实训我收获颇丰，今后也会更加努力提高自己的能力。参考文献1李仁主编，电气控制，北京：机械工业出版社，20002陈立定等主编，电气控制与可编程控制器，广州：华南理工大学出版社，20013王仁祥主编，常用低压电器原理及其控制技术，北京：机械工业出版社，20024郑萍主编，现代电气控制技术，重庆：重庆大学出版社，20015 佟为明等编，低压电器继电器及其控制系统，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20006 王海，李洪奎，刘晓。基于PLC的多轴控制研究J。机械工程学报,2008,  6(4): 470-472.7 杨东, 黄永红, 张新华, 吉敬华. 用PLC基本指令实现自动运动定位控制的 研究J.  微计算机信息, 2010, 26(2-1): 62-64。 8 秦琴，王忠庆.。利用PLC的高速计数功能实现轴的精确定位控制.。电气技术。2009(3)。9 陈婵娟, 薛恺. 基于PLC的步进电动机单双轴运动控制的实现. 机械设计与制造. 2009(3)。10 杨涛, 王启江等。 基于PLC绕线机控制系统设计J。组合机床与自动化加工技术， 2005(8)：58-59。程序梯形图