基于plc对交通灯控制大学论文.doc

1 绪论二十世纪中上期，汽车开始逐渐在世界流行，而在出现当初，交通没有得到很好的管制，时常出现交通事故。交通信号灯的出现，使得交通得以有效的管制，对于疏导交通的流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显的效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理的先进性、科学化，各个国家先后都采用了以单片机为控制核心的交通灯。可编程控制器在工业自动化的地位及其重要，广泛应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制的功能日益完善，加上小型化，价格低，可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。通过用可编程控制器实现交通灯的控制系统以及该系统软硬件的设计实验，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。本设计分析了现代城市交通管理与管理问题的现状,结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单使用的城市交通控制的PLC设计方案，新增加了盲人控制,力求加强交通灯控制的便捷、实用和人性化。 2 PLC简介2.1 PLC定义PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLCPLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。国际电工委员会(IEC)在其标准中将PLC定义为:可程式逻辑控制器是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2.2 PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障高的可靠性也就不奇怪了。自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极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。2.3 PLC基础知识 PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，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。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.4 模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。2.5 数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。2.6 通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.7 PLC的国内外状况在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，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，美国数字设备公司（DEC）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 ,是世界上公认的第一台PLC.限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。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）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。2.8 PLC未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 3 交通灯信号的时间控制3.1 十字路口交通灯控制时间设定根据城市十字路口交通规则制定相对的交通灯时间控制，模拟出真实的时间控制有助于后面硬件选取及程序的编制，特别设计如下：（1）南北主干道 绿10S 绿闪2S黄灯2S红14S；（2）南北人行道 绿10S 绿闪4S红14S；（3）东西主干道 红14S绿灯10S绿闪4S；（4）东西人行道 绿10S绿闪4S红灯14S。循环控制方式：交通灯变化顺序表（单循环周期42S）南北向和东西向主干道均设有直行绿灯10S，黄灯2S和红灯14S。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道依次点亮直行绿灯，绿灯闪亮和和黄灯;反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮直行绿灯，绿灯闪亮和黄灯闪。南北向和东西向人性道均设有通行绿灯和禁行红灯。南北人心道通行绿灯应在南北主干道直行绿灯点亮时点亮，当南北主干道直行绿灯闪亮时南北人行道绿灯也要对应闪亮，其他时间为红灯，东西人行道通行绿灯于东西主干道直行绿灯点亮时点亮，当东西主干道直行绿灯闪亮时东西人行道绿灯也要对应闪亮，其他时间为红灯。结合十字路口的路况模拟试验 在PLC交通灯模拟中，主干道东西南北都有（红黄蓝）3个控制灯，分别为： 禁止通行灯 （点亮时为红色） 准备禁止通行灯 （点亮时为黄色） 直通灯 （点亮时为绿色）另外人行道东西南北每面都有2个控制灯，分别为：禁止通行灯 （点亮时为红色）直通灯 （点亮时为绿色）3.2 时序控制结合十字路口的实际交通情况设计交通模拟控制系统如下：当交通灯系统启动开关接通时，南北向和东西向人行道均设有绿灯10S，绿灯闪亮2S黄灯2S很红灯14S；当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应该依次亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。南北向和东西向的人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。南北人行通道绿灯应该在南北主干道绿灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北人行道绿灯也要对应闪亮，其他时间为红灯。东西人行道绿灯与东西主干道绿灯点亮时点亮，当东西主干道绿灯闪亮时东西人行道的绿灯也要对应闪亮，其他时间为红灯。根据以上的叙述给出时序控制图，见图3-1：图3-1 交通灯时序图 根据3-1给出的时序图制作交通灯的流程图，如图3-2：图3-2 交通灯流程图3.3 附加功能 除此之外另外设计两个功能，使用10个脉冲开关。实现让盲人可以方便通过十字路口和手动控制车辆流量。其中八个安装在人行道的两边，当东西方向的盲人需要通过时，按下脉冲开关东西向的人性对哦啊绿灯点亮，南北主干道的红灯点亮，延迟10秒恢复原来的控制系统。南北向的脉冲开关对应东西向功能相同，另外两个脉冲开关可以控制车流量，当东西主干道的等待车辆较多的时候，按下脉冲开关，东西主干道延长绿灯闪亮时间到15秒。东西向人行道绿灯也要对应延长。南北向脉冲开关对应东西向的功能相同。根据以上的思路给出了绿灯延时时序图，见图3-3： 图3-3 交通灯延时时序图根据以上的时序图画出延时流程图，如图3-4：启动开关按下脉冲开关原来控制循环系统结束人行道绿灯点亮，主干道红灯点亮YN启动开关按下脉冲开关原来的控制方式对于方向绿灯延时15S,另一方向红灯延时15S依照此次方式循环再次按下启动按钮结束YNYN盲人脉冲时序图图3-4 交通灯延时流程图4 可编程控制程序设计4.1 可编程控制器选择 根据第三章的叙述，考虑到应用PLC的输入和输出接口数量较多，所以本次交通设计用的是来自OMRON的CPM1A-30CDR-A可编程控制器。产品规格：CPMIA CPU单元CPMIA在编程环境方面，它不仅具备了以往小型PLC所具有的功能，尽可能使安装空间最小化，并实现了具有10点到100点的输入输出点数的弹性构成。而且还可以连接编程控制终端，创造了尚无前例的灵活运用。它不仅可以代替带怒气控制柜，就是座位小型的控制器或在传感器应用中，亦能适应生产现场的不同的需求。AC电源输入，继电器输入，能加扩展单元。4.2 可编程控制器I/O分配表设定各灯和按钮的地址接口：表4-3 I/O接口分配表启动开关0000停止开关0001东西主干道绿灯1000东西主干道黄灯1001东西主干道红灯1002南北主干道绿灯1003南北主干道黄灯1004南北主干道红灯1005东西人行道绿灯1100东西人行道红灯1101南北人行道绿灯1102南北人行道红灯1103东西绿灯延时按钮0004南北绿灯延时按钮0005东西盲人脉冲按钮0003南北盲人脉冲按钮0002 根据4-1的I/O接口分配表画出PLC的硬件接线图图4-2 PLC 硬件接线图4.3 程序梯形图 至此，PLC交通灯的程序梯形图已经完成，以下给出程序的语句表：4.4 程序语句表0LD 000042LD 2010284OUT 200031OR 2030043OR 2010385TIM 006#0022AND-NOT 000144AND-NOT 0000186LD TIM 0063AND-NOT 2000045AND-NOT TIM 01887OR TIM 0084OUT 2030046OUT 2010388OR TIM 0105LD 2030047TIM 016#15089OR TIM 0096AND-NOT 2000148TIM 017#17090OR 200047AND-NOT 2020349TIM 018#19091AND-NOT TIM 0078OUT2030150LD 000592AND-NOT 00019LD 2030151OR 2020093OR 2000310OR TIM 00552AND-NOT 000194TIM 007#00211OR TIM 02753AND-NOT 0000195LD 2000212OR2000054LD TIM 01896OR 2000313AND-NOT TIM 00255OUT 2020097AND-NOT 000114AND-NOT 2010356LD TIM 00298AND-NOT 2000915AND-NOT 000157LDTIM 01899OUT 100016OUT 2000058OUT 20205100LD TIM 00117TIME OOO#10059LD TIM 20200101AND-NOT TIM 00218TIM 001#12060AND 20205102LD TIM 01719TIM 002#14061OUT 20202103AND-NOT TIM 01820LD TIM00262LD 20202104OR LD21OR 2000163OR 20203105AND-NOT 2000922OR TIM 01864AND-NOT 0001106AND-NOT 000123AND-NOT TIM 00565AND-NOT 027107OUT 100124AND-NOT 000166OUT 20203108LD 2000025AND-NOT 2020367TIM 025#150109AND-NOT TIM 00226OUT 200168TIM 026#170110LD 2010327TIM 003#10069TIM 027#190111AND-NOT TIM 01828TIM 004#12070LD 20000112OR LD29TIM 005#14071AND-NOT TIM 000113AND-NOT 2000930LD 000472LD 20103114AND-NOT 000131OR 2010073AND-NOT TIM 016115OUT 10332AND-NOT 000074OR LD116LD 2000033AND-NOT 000575LD 20103117AND-NOT TIM 00234AND-NOT000176OUT 20002118LD 2010335OUT 2010077LD TIM 000119AND-NOT 01836LD2010078AND-NOTTIM 001120OR LD37AND 2010579LD TIM 016121AND-NOT 2010338OUT 2010280AND-NOT TIM 017122AND-NOT 000139LD TIM 00581OR LD123OUT 2001540OR TIM 02782AND-NOT 20004124LD 2001541OUT 2010583AND-NOT 0001125OR 20014126AND-NOT 0001168AND-NOT TIM 027210OUT 20009127OUT 1005169OR LD211TIM 011#100128LD 20001170AND-NOT 0001212LD 20009129AND-NOT TIM 003171AND-NOT 20009213AND-NOT 20010130LD20203172OUT 21000214OUT 20011131AND-NOT TIM 025173LD 21000215TIM 012#010132OR LD174OR 20011216LD TIM 012133AND-NOT 0001175AND-NOT 0001217OR TIM 015134OUT 20005176OUT 1002218OR 20010135LD TIM 003177LD TIM 001219AND-NOT TIM 013136AND-NOT TIM 004178AND-NOT TIM 002220OUT 20010137LD TIM 045179LD TIM 017221TIM 013#010138AND-NOT TIM 026180AND-NOT TIM 018222LD 0003139OR LD181OR LD223OR 20013140AND-NOT 20004182AND-NOT 20004224AND-NOT TIM 014141AND-NOT 0001183AND-NOT 0001225OUT 20013142OUT 20006184OUT 20007226TIM 014#100143TIM 008#002185TIM 009#002227LD 20013144LD 20005186LD TIM 004228AND-NOT 20010145OR 20006187AND-NOT TIM 005229OUT 20014146AND-NOT 20013188LD TIM 026230TIM 015#010147AND-NOT 0001189AND-NOT TIM 027231END148OUT 1003190OR LD232149LD TIM 004191AND-NOT 20004233150AND-NOT TIM 005192AND-NOT 0001234151LD TIM 026193OUT 20008235152AND-NOT TIM 027194TIM 010#2236153OR LD195LD 20007237154AND-NOT 0001196OR 20003238155AND-NOT 20031197OR 20002239156OUT 1101198OR 20013240157LD 20001199AND-NOT 0001241158AND-NOT TIM 005200OUT 1100242159LD 20203201LD 20008243160AND-NOT TIM 027202OR 20005244161OR LD203OR 20006245162AND-NOT 20013204OR 20009246163AND-NOT 0001205AND-NOT 0001247164OUT 1101206OUT 1102248165LD 20001207LD 0002249166AND-NOT TIM 005208OR 20009250167LD 20203209AND-NOT TIM 011251程序语句表完成。结 论终于完成了为期近两个多月的毕业设计，基于PLC对于交通灯的改进也告一段落。通过着两个多月对毕业设计的制作，从最初的选题，然后开题报告，最后到毕业设计的梯形图，程序编写的完善，可以说还是比较辛苦的过程。毕业设计作为大学生的最后的“作业”，是对多年学习的总结和实际考察，是考验学生对于理论的实际生活应用，也就是将所学知识应用的日常生活，解决生活中遇到的问题，并且通过毕业设计，系统化、科学化地提出有效方案解答难题。对于学生是一次不可多得的检验机会。也是对于所学知识的综合应用。在对于本题目基于PLC对交通灯的改进设计中，我充分应用了大学电气控制PLC的应用所学的理论知识，结合生活中的实际交通情况，在毕业设计中给出了一个比较合理的设计方案，并且在交通灯的基础上加入了盲人控制和流量控制的手动设计，增加的两个功能希望在实际生活中可以得到更充分的应用。 最后相当感谢指导老师的细心指导及对设计的关注，也同时感谢学院相关电脑平台及软硬件的支持，再次感谢。通过了这次毕业设计的制作，复习相关资料也了解制作的辛苦，认识到自身知识的局限，希望在今后生活中应用到今天的吃苦耐劳。并希望有更多锻炼自己的机会！致 谢本文是在指导老师老师的精心指导下完成的，在这次毕业设计中给了我许多的帮助，老师渊博的知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！对学院提供相关的各种软硬件设备也表示由衷的感谢。这次设计是对我专业知识的一次综合，我刚刚开始时花了不少的时间来学习以前遗忘了的东西，这个设计也是对我个人能力的挑战，但是事后我的确又学习了不少东西：电脑应用、各种电气元件的应用等等，在学到这些知识后，我感觉自己很有成就感。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少同学、朋友给了我许多的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！由于我的理论知识水平有限，实践能力和设计经验不足，在设计的过程中难免还存在一些问题甚至是错误。恳请各位老师批评指导，以便我在以后的学习和工作中加以改正。 参考文献1 林小峰.可编程控制器原理及应用M.北京：高等教育出版社，19942 田瑞庭.可编程控制器应用技术M.北京：机械工业出版社，19943 张万忠.可编程控制器应用技术M.北京：化学工业出版社，2001.124 于庆广.可编程控制器原理及系统设计M.北京：清华大学出版社.20027