课程设计（论文）-交通信号灯PLC控制系统设计.doc

湖南工学院课程设计（论文）交通信号灯PLC控制系统设计摘 要本设计是用PLC来实现对十字路口交通信号灯的控制，其控制方法是采用三菱的FX2N系列PLC编程软件对东西南北的红、黄、绿、左绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。控制过程中采用了顺序控制设计法用了八个定时器六个计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制。控制程序包括有顺序功能图（SFC）、梯形图(LAD)、指令表(STL)。关键词：三菱FX2N，交通信号灯，顺序功能图，梯形图，调试，自动控制目 录第1章 绪论11.1 PLC的发展及现状11.2 本人的主要工作1第2章 十字路口交通信号灯的PLC控制线路设计22.1 十字路口交通信号灯的工作原理及设计要求22.2 十字路口交通信号灯所选PLC的I/O点统计32.3 PLC的选型及技术参数32.3.1 PLC的选型原则42.3.2 十字路口交通信号灯所选类型PLC的技术参数72.4 十字路口交通信号灯的接线图和接线电路设计72.4.1 十字路口交通信号灯的I/O分配表72.4.2 十字路口交通信号灯的外部接线图设计8第3章 十字路口交通信号灯的PLC系统的程序设计93.1 常用梯形图的设计方法93.2 PLC内部继电器的分配103.3 十字路口交通信号灯控制系统的SFC图、梯形图及指令表103.3.1 十字路口交通信号灯PLC控制的SFC图103.3.2 十字路口交通信号灯梯形图设计143.3.3 十字路口交通信号灯分离指令表143.4 在实验室的调试和仿真14结束语15参考文献16附录117 湖南工业大学本科毕业设计（论文）湖南工学院课程设计（论文）第1章 绪论1.1 PLC的发展及现状在工业生产过程中，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ProgrammableController（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。 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。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。1.2 本人的主要工作根据设计任务书要求，进行十字路口交通信号灯的设计，经过反复阅读看懂了交通信号灯的时序图，确定程序的设计方法，编译程序，观察仿真结果是否正确，假使运行出现错误，则检查进行纠正。第2章 十字路口交通信号灯的PLC控制线路设计2.1十字路口交通信号灯的工作原理及设计要求2.1.1 十字路口交通信号灯的工作原理2.1.2 设计内容及要求1系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。2控制对象有八个：东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。3控制规律：1） 高峰时段、正常时段及晚上时段的时序分配按图2.1运行。图2.1 各时段运行分配时序图2） 高峰时段按图2.2运行图2.2 高峰时段运行时序图3） 正常时段按图2.3运行图2.3 正常时段运行时序图4） 晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。2.2 十字路口交通信号灯所选PLC的I/O点统计本设计采用的是三菱FX2N系列32MR的PLC控制系统，总共有32个I/O点。2.3 PLC的选型及技术参数2.3.1 PLC的选型原则1.规模要适当输入.输出点数以及软件对PLC功能及指令的要求是选择PLC机型规模大小的重要依据。首先要确保有足够的输入.输出点数，并留有一定的余地（要有10%的备用量）。如果只是为了实现单机自动化，或机电一体化产品，可选用小型PLC。如果控制系统较大，输入.输出点数较多，被控设备较分散，可以选用中型或大型PLC。还应确定用户程序存储器的容量。一般粗略的估计方法：（输入+输出）*（10-12）=指令步数。特别要注意因控制较复杂，数据处理量较大，可能出现存储器容量不够的问题。2.功能要相当，结构要合理对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，应选用带A/D.D/A转换，加减运算.数据传送功能的低档机。对于控制比较复杂，控制性能要求较高的系统，例如要求实现PID运算.闭环控制.通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制.全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化。对于工艺过程比较固定.环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC。其他情况则选用模块式结构PLC。3.输入.输出功能及负载能力的选择选择哪一种功能的输入.输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类.参数要求和技术要求，选用具有相应功能的模块。为了提高抗干扰能力，输入.输出均应选用具有光电隔离的模块。对于输出形式，分为无触点和有触点两种形式。无触点输出大多使用大功率三极管（直流输出）或双向可控硅（交流输出）电路，其优点是可靠性高.响应速度快.寿命长，缺点是价格高.过载能力差。有触电输出是使用继电器触点输出，其优点是适用电压范围宽.导通压降损失小.价格便宜，缺点是寿命短.响应速度慢。此外，还应考虑输入.输出的负载能力，要注意承受的电压值和电流值。应该指出的是，输出电流值和导通负载电流值是不同的概念。输出电流值是指每一个输出点的驱动能力。导通负载电流值是指整个输出模块驱动负载时所允许的最大电流值，即整个输出模块的满负荷能力。4.使用环境条件在选择PLC时，要考虑使用现场的环境条件是否符合它的规定。一般考虑的环境条件有：环境温度.相对湿度.电源允许波动范围和抗干扰等指标。2.3.2 所选类型PLC的技术参数根据以上PLC的选型原则，再结合设计任务要求。本次设计PLC选用的是三菱FX2N系列的PLC，FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。说明: I/O范围，16-256点（基本单元：16/32/48/64/80/128点）。高速演算：基本命令：0.8us/命令。应用命令：1.52-数100us/命令。宽裕的记忆体容量：内藏8K EEPROM，最大可扩充至16K。2.4 十字路口交通信号灯PLC的接线图和接线电路设计2.4.1 十字路口交通信号灯PLC的I/O分配表表2.1 I/O分配表2.4.2 十字路口交通信号灯的外部接线图设计十字路口交通信号灯接线图如图2.4所示：图2.4 十字路口交通信号灯接线图第3章 十字路口交通信号灯PLC系统的程序设计3.1 常用梯形图的设计方法常见的设计方法包括翻译法，启-保-停，逻辑代数法，时序图，SFC图，模块法。在系统设 计中对不同的环节，可根据具体情况，采用不同的设计方法。通常在全局上采用程序框图及功能模块方法设计；在旧设备改造中，采用替代法设计；在局部或具体功能的程序设计上，采用逻辑代数法和经验法。3.2 PLC内部继电器的分配PLC内部继电器包括内部辅助继电器(M)和内部状态继电器。（1）PLC内部有很多辅助继电器。辅助继电器的线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。辅助继电器的动合和动断触点使用次数不限，在PLC内可以自由使用。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须由输出继电器执行。在逻辑运算中经常需要一些中间继电器作为辅助运算用。这些元件不直接对外输入、输出，但经常用作状态暂存、移位运算等。它的数量比软元件X、Y多。内部辅助继电器中还有一类特殊辅助继电器，它有各种特殊功能，如定时时钟、进/借位标志、启动/停止、单步运行、通信状态、出错标志等。FX2N系列PLC的辅助继电器按照其功能分成以下三类。a.通用辅助继电器M0M499（500点） 通用辅助继电器元件是按十进制进行编号的，FX2N系列PLC有500点，其编号为M0M499。b.断电保持辅助继电器M500M1023（524点） PLC在运行中发生停电，输出继电器和通用辅助继电器全部成断开状态。再运行时，除去PLC运行时就接通的以外，其它都断开。但是，根据不同控制对象要求，有些控制对象需要保持停电前的状态，并能在再运行时再现停电前的状态情形。断电保持辅助继电器完成此功能，停电保持由PLC内装的后备电池支持。c.特殊辅助继电器M8000M8255（256点） 这些特殊辅助继电器各自具有特殊的功能，一般分成两大类。一类是只能利用其触点，其线圈由PLC自动驱动。例如：M8000（运行监视）、M8002（初始脉冲）、M8013（1s时钟脉冲）。另一类是可驱动线圈型的特殊辅助继电器，用户驱动其线圈后，PLC做特定的动作。例如，M8033指PLC停止时输出保持，M8034是指禁止全部输出，M8039是指定时扫描。（2）内部状态继电器是PLC在顺序控制系统中实现控制的重要内部元件。它与后面介绍的步进顺序控制指令STL组合使用，运用顺序功能图编制高效易懂的程序。状态继电器与辅助继电器一样，有无数的动合触点和动断触点，在顺控程序内可任意使用。状态继电器分成四类，其编号及点数如下：初始状态：S0S9（10点）；回零：S10S19（10点）；通用：S20S499（480点）；保持：S500S899（400点）；报警：S900S999（100点）。有关状态继电器的应用，参考项目十STL指令的内容。3.3 十字路口交通信号灯PLC系统的SFC图、梯形图及指令表3.3.1 十字路口交通信号灯PLC控制的SFC图SFC图如图3.1所示：图3.1 交通信号灯SFC图3.3.2 十字路口交通信号灯梯形图设计梯形图如附录1所示3.3.3 十字路口交通信号灯指令表指令表如附录2所示3.4 在实验室的调试和仿真3.4.1 调试中遇到的问题及解决方法1.在开始阶段按下起动按钮后无法实现黄灯闪烁。措施：用计时器的常闭触点放在前面，实现当计时完后常闭触点自动断开，实现复位，这样就可以实现自动置位、复位，达到循环计时的目的。2.程序进入正常时段后，停留在正常时段循环中，即使计数完毕，但下面的计数器无法计数，程序无法前进。要使计数器导通，就要在计数完毕后使其有个通断过程，产生脉冲使其计数。3.4.2 仿真结束语经过本次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了电气控制及PLC这门课程，不仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的强，可以通过平时学的知识自己设计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。在这次课程设计中遇到了很多问题，也获得了很多意想不到的知识。在每次突破一个问题后都有种久违的满足感，甚至对每发现一个问题都有种莫名的兴奋。虽然这次的课程设计整整花了我一个星期的时间，每天从早到晚，头脑中就只有这个设计，甚至屡次因为忙于修改方案，调试程序，想解决问题的方法而忘记吃饭、休息，这种感觉不像高中时段那样被人追着学习，而这是自主的去思考突破，是自身的能动力起了作用。因此，这次的课程设计很有意义，感谢我们院上的领导为我们精心安排了这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比如吃苦耐劳的精神、钻研问题的韧劲等等，在此特别感谢我们PLC课程的陆秀令老师每天来到教室为我们传授他丰富的知识和经验，感谢陆老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。参考文献1陈立定，吴玉香，苏开才电气控制与可编程控制器广州：华南理工大学出版社，2001 （介绍西门子S7系列PLC）2金广业，李景学编可编程序控制器原理与应用北京：电子工业出版社，1991 （TP301/5） （着重介绍PLC的内部结构及编程技巧）3 钟肇新，彭侃可编程控制器原理及应用（第3版）广州：华南理工大学出版社，2005 4陆岛编工业电脑的安装与使用北京：印刷工业出版社，1994 （TP305/1） （介绍日本立石公司OMRON（又称欧姆龙）C系列PLC）5杨振兴，陈登顺可编程序控制器原理和应用长沙：中南工业大学出版社，1993（介绍三菱F1、F2、A系列PLC及与PLC与计算机的通讯）6吕景泉可编程控制器技术教程北京：高等教育出版社，2001（介绍西门子S7系列PLC）7胡学林可编程控制器应用技术北京：高等教育出版社，2001（介绍日本立石公司OMRON（又称欧姆龙）SYSMAC-C系列PLC）8郁汉琪机床电气及可编程序控制器实验、课程设计指导书北京：高等教育出版社，2001 9 郑忠等编.新编工厂电气设备手册. 北京：兵器工业出版社，199410 刑郁甫、杨天民、赵积善编.新编实用电工手册, 北京：地质出版社，1997 11工厂常用高低压电气设备手册增补本12工厂常用高低压电气设备手册上下册附 录 1十字路口交通信号灯的程序梯图湖南工学院课程设计（论文）附 录 2- 6 -湖南工学院课程设计（论文）I/O指令表- 2 -