機電一體化大學(xué)本科方案設(shè)計書彭超

1、河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）課題名稱：PLC類交通燈系別：機電工程系專業(yè)：10機電學(xué)生姓名：彭超指導(dǎo)教師：吳德剛宀兀成日期：201209 06目錄摘要 第一章 PLC 的特點及應(yīng)用1.1 概述 31.2 PLC 的特點 41.3 PLC 的應(yīng)用 4第二章 PLC 的結(jié)構(gòu)及原理2.1 PLC 的分類 62.2 PLC 的結(jié)構(gòu) 62.3 PLC 的工作原理 72.4 PLC 匯編語言 72.5 PLC 的基本指令 92.6 PLC 交通燈畢業(yè)設(shè)計編程器件 13第三章 梯形圖的設(shè)計與編程方法 131313141618213 1 控制要求 3 2 控制時序 3. 3 PLC交通燈畢業(yè)設(shè)計硬件及外圍元器

2、件 34 I/O 分配表 15第四章 程序設(shè)計 164. 1 PLC交通燈畢業(yè)設(shè)計梯形圖4. 2 PLC交通燈畢業(yè)設(shè)計指令圖4 3 軟件設(shè)計 第五章PLC交通燈畢業(yè)論文設(shè)計總結(jié)21謝 辭22參考文獻 22PLC交通燈畢業(yè)論文PLC可編程序控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，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(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)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(chǔ)設(shè)備之一 ，PLC、機器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生

3、產(chǎn)的 三大支柱。由于PLC具有對使用環(huán)境適應(yīng)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(yīng)用于交通燈系統(tǒng)中。同時,PLC本 身還具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，將同一條道路上的信號燈組成一局域網(wǎng)進行統(tǒng)一調(diào)度管 理,可縮短車輛通行等候時間，實現(xiàn)科學(xué)化管理第一章PLC的特點及應(yīng)用1.1概述可編程控制器(Programmable Controller )是計算機家族中的一員，是為 工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，

4、簡稱 PLC它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因 此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC但是為了避免與個人計算機(Personal Computer )的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC1.2 PLC的特點1可靠性高，抗干擾能力強；2通用性高，使用方便；3程序設(shè)計簡單，易學(xué)，易懂；4采用先進的模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組合靈活方便;5系統(tǒng)設(shè)計周期短；6安裝簡便，調(diào)試方便，維護工作量?。?對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強，可進行柔性生產(chǎn);1.3 PLC的應(yīng)用目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制 造、汽車、輕紡、交通

5、運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納 為如下幾類。1開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯 控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線 如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和 速度等都是模擬量。 為了使可編程控制器處理模擬量， 必須實現(xiàn)模擬量 （Analog ） 和數(shù)字量（Digital ）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和 D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3

6、 運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接 用于開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制 模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電 梯等場合。4 過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控 制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也 具有此功能模塊。 PID 處理一般是運行專用的 P

7、ID 子程序。過程控制在冶金、化 工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。5 數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些 數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通 信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系 統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品 工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。6 通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各

8、PLC廠商都十分重視PLC的通信功能, 紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC都具有通信接口，通信非常方便。第二章PLC的結(jié)構(gòu)及原理2.1 PLC的分類1按pic的結(jié)構(gòu)形式分類：1）整體式；2）模塊式。2按pic的I/O點數(shù)分類：1）小型256點以下；2）中型256點以上，2048 點以下；3）大型2048點以上。3按pic功能分類：抵擋型，中擋型，高檔型。2.2 PLC的結(jié)構(gòu)PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機 從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC包括CPU板、 I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整

9、體。模 塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可 以按照一定規(guī)則組合配置。PLC的基本結(jié)構(gòu)框圖如下:接受現(xiàn)場信號2.3 PLC的工作原理l. plc的工作方式1 ）輸入采樣階段，在此階段，順序讀入所有輸入緞子通斷狀態(tài)，并將讀入 的信息存入內(nèi)存，接著進入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行時，即使輸入信號發(fā)生變 化，內(nèi)存中輸入信息也不變化，只有在下一個掃描周期的輸入采樣階段才能讀入 信息。2 ）程序執(zhí)行階段：plc對用戶程序掃描。3 ）輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢通過隔離電路，驅(qū)動功率放大器， 電路是輸出端子向外界輸出控制信號驅(qū)動外部負(fù)載。2.4 PLC匯編語言采用面

10、向控制過程，面向問題，簡單直觀的plc編寫橫語言，常用的有：梯形 圖，語句表，功能圖等。1.梯形圖：由繼電器控制邏輯演變而來，兩者具有一定程度的相似性，但梯 形圖編程語言功能更強更方便。主要特點：1）自上而下，從左到右的順序排列，兩列垂直線為母線。每一邏輯行, 起使左母線。2 ）梯形圖中采用繼電器名稱，但不是真實物理繼電器稱為“軟繼電器”3 ）每個梯級流過的是概念電流，從左向右，其兩端母線設(shè)有電源。4 ）輸入繼電器，用于接入信號，而無線圈，輸入繼電器，通過輸入接入的繼電器，晶體及晶閘管才能實現(xiàn)2. 語句表：又叫指令表，類似計算機匯編語言形式，用指令的記助符編程。例: 下圖是三菱公司的FX2N系

11、列產(chǎn)品的最簡單的梯形圖例：它有兩組，第一組用以實現(xiàn)啟動、停止控制。第二組僅一個END旨令，用以 結(jié)束程序。梯形圖與助記符的對應(yīng)關(guān)系：助記符指令與梯形圖指令有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而梯形圖的連線又可把指令的順序予以體現(xiàn)。一般講，其順序為：先輸入， 后輸出（含其他處理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形圖就可將其翻譯 成助記符程序。上圖的助記符程序為：地址指令變量0000LDX0000001ORX0100002ANDX0010003OUTY0000004END反之根據(jù)助記符，也可畫出與其對應(yīng)的梯形圖2.5 PLC的基本指令1輸入輸出指令（LD/LDI/OUT）下面把LD/LDI/OUT三條指令的功能、梯

12、形圖表示形式、操作元件以列表的形式加以說明：符號功能LD （取）常開觸點與母線相連LDI （取反）常閉觸點與母線相連OUT（輸出）線圈驅(qū)動梯形圖表示操作元件1_1LX，Y，M T，C,SX，Y，M T，C,S7，M T，C, S,FLD與LDI指令用于與母線相連的接點，此外還可用于分支電路的起點。OUT指令是線圈的驅(qū)動指令，可用于輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、 計數(shù)器、狀態(tài)寄存器等，但不能用于輸入繼電器。輸出指令用于并行輸出,能連續(xù)使用多次。指令數(shù)據(jù)xq。| Y000 O地址0000 LDX0000001 OUT Y0002觸點串連指令（AND/AND）、并聯(lián)指令（OR/OR）符號（名稱）梯

13、形圖表示操作元件AND （與）常開觸點串聯(lián)連接，丫,T，C,SANDI （與非）常閉觸點串聯(lián)連接，丫,T，C,SOR （或）常開觸點并聯(lián)連接，丫,T，C, SORI （或非）常閉觸點并聯(lián)連接，Y,T,C, S地址指令數(shù)據(jù)X003| |ANDI0004OR X0030005OUT Y001AND、ANDI指令用于一個觸點的串聯(lián)，但串聯(lián)觸點的數(shù)量不限，這兩個指令可連續(xù)使用。OR、ORI是用于一個觸點的并聯(lián)連接指令。X001 Xp 02 丫001O0002 LD X0013電路塊的并聯(lián)和串聯(lián)指令（ORB ANB符號（名稱）功能梯形圖表示操作元件ORB （塊或）電路塊并聯(lián)連接無ANB （塊與）電路塊串

14、聯(lián)連接）_）無含有兩個以上觸點串聯(lián)連接的電路稱為 “串聯(lián)連接塊”，串聯(lián)電路塊并聯(lián)連接 時，支路的起點以LD或LDNOT旨令開始，而支路的終點要用 ORBt令。ORB指令是一種獨立指令，其后不帶操作兀件號，因此，ORB指令不表示觸點,可以看成電路塊之間的一段連接線。如需要將多個電路塊并聯(lián)連接，應(yīng)在每 個并聯(lián)電路塊之后使用一個ORB旨令，用這種方法編程時并聯(lián)電路塊的個數(shù) 沒有限制；也可將所有要并聯(lián)的電路塊依次寫出，然后在這些電路塊的末尾 集中寫出ORB勺指令，但這時ORB旨令最多使用7次。將分支電路（并聯(lián)電路塊）與前面的電路串聯(lián)連接時使用ANB指令，各并聯(lián)電路塊的起點，使用LD或LDNOT旨令；與

15、ORB旨令一樣，ANB旨令也不 帶操作元件，如需要將多個電路塊串聯(lián)連接，應(yīng)在每個串聯(lián)電路塊之后使用 一個ANB旨令，用這種方法編程時串聯(lián)電路塊的個數(shù)沒有限制，若集中使用 ANB旨令，最多使用7次。ANBXO01X0OOX006X003地址指令數(shù)據(jù)0000 LDX000110001 OR X0010002 LD X0020003 ANDX0030004 LDIX0040005 ANDX0050006 ORX0060007 ORB0008 ANB0009 ORX0030010 OUT一Y0064程序結(jié)束指令（END符號（名稱）功能梯形圖表示操作元件END（結(jié)束）程序結(jié)束結(jié)束無在程序結(jié)束處寫上END

16、旨令，PLC只執(zhí)行第一步至END之間的程序，并 立即輸出處理。若不寫END指令，PLC將以用戶存貯器的第一步執(zhí)行到最后 一步，因此，使用END指令可縮短掃描周期。另外。在調(diào)試程序時，可以將 END指令插在各程序段之后，分段檢查各程序段的動作，確認(rèn)無誤后，再依 次刪去插入的END指令。其他還有一些指令，如置位復(fù)位、脈沖輸出、清除、移位、主控觸點、 空操作、跳轉(zhuǎn)指令等。由梯形圖寫出與之對應(yīng)的助記符形式的指令。并由后面的GPP軟件傳輸 到PLC中，實時運行。2.6 PLC交通燈畢業(yè)設(shè)計編程器件一般情況下，X代表輸入繼電器，丫代表輸出繼電器，M代表輔助繼電器，SPM 代表專用輔助繼電器，T代表定時器，

17、C代表計數(shù)器，S代表狀態(tài)繼電器，D代表 數(shù)據(jù)寄存器，M0代表傳輸?shù)取５谌?梯形圖的設(shè)計與編程方法3. 1控制要求信號燈受啟動及停止按鈕的控制，當(dāng)按下啟動按鈕時，信號燈系統(tǒng)開始工作，并 周而復(fù)始地循環(huán)工作，當(dāng)按下停止按鈕時，系統(tǒng)將停止在初始狀態(tài)，所有信號燈 都熄滅。3. 2控制時序交通燈示意圖如圖1所示，在東西南北兩個方向均安裝信號燈，兩個方向各6個燈, 分為紅、黃、綠三種顏色。工作時序如圖2所示，假設(shè)東西向較忙，綠燈時間是南 北向的2倍(40s)。按下起動按鈕后，南北向綠燈亮維持 20s，20s后，南北黃燈閃 爍3次，計6S,期間，東西向紅燈也亮，并維持26s； 26s后，東西方向綠燈亮40

18、s, 后東西向黃燈閃爍3次,計6s，期間，南北向紅燈也亮，并維持46so接下去周而復(fù) 始，直到停止按鈕被按下為止。一 O綠iO黃1O紅 w綠黃紅ooox 紅董綠 2 2 2E 紅EO 董io圖1交通燈示意圖綠Y1fuw紅1衛(wèi)Y440s圖2交通燈工作時序3. 3PLC交通燈畢業(yè)設(shè)計硬件及外圍元器件根據(jù)信號燈的控制要求，所有的器件有：三菱 FX系列PLC起動按鈕SB1停止按鈕SB2紅黃綠色信號燈各4 只，輸入/輸出端口接線如圖3所示。由圖可見：起動按鈕SB1接于輸入繼電器X0 端，停止按鈕SB2接于輸入繼電器xl端，東西方向的綠燈接于輸出繼電器丫5端，東 西方向黃燈接于輸出繼電器丫4端，東西方向的

19、紅燈接于輸出繼電器 丫3端，南北方 向綠燈接于輸出繼電器丫2端，南北方向的黃燈接于輸出繼電器 丫1，南北方向紅燈 接于輸出繼電器丫0。將輸出端的COM及COM用導(dǎo)線相連，輸出端的電源為交流 220V。如果信號燈的功率較大，一個輸出繼電器不能帶動兩只信號燈，可以采用一個輸出點驅(qū)動一只信號燈，也可以采用輸出繼電器先帶動中間繼電器，再由中 間繼電器驅(qū)動信號燈。起動停止3. 4 I/O 分配表第四章程序設(shè)計4. 1 PLC交通燈畢業(yè)設(shè)計梯形圖H丄M2DOK3276D1H10»10D11Hi 3H16D100D101D100K2OD1O1YOO17002YC03YOQ5LSIL7Lrl1651

20、73T6(T6 K6179T?ClT8<ci(TBTO-lZR5T CO ClY006K40EUD4. 2 PLC交通燈畢業(yè)設(shè)計指令圖0LDX0X11PLSN13LDX0124PLSM26LDHl70RM28INCDO11LDX01312ORX0141.3OUTCIOK327616MOVC2DI21LDN8OOO22CMPDIDOMIO29LDMIO30SUBDODIDIO37LDMl 238SUBDIDODll4.5LDBBDOO46CMPDIOK5111353CMPDllK5M1660LDM800261MOVKI 00D10066MOVKI 00D10171LDIMIS72ANDT9

21、73ADDD100K10D10080SUBDI 01K10D10187LDIMl 838AMPT8B9ADDD101K10D10196LDT8那ZRSTDODllL02LDXOOOL03ORMO104AMIX001L05OUTMO106LDMO107HPS108LDITOL09ORT2110AliBLUOUTY001112KPP113OUTY004L14ANIT8115OUTTOD100L18LDTO119ANIT3L20ANICO121OUTT2K6L24LDT2L25OUTT3K6”8LDT3129OUTCOK3132LDco133MFS134AMIT4丄35OUT?YOO2136MPP1

22、37OUTT4K2 0140LDT4141OUTVO 0 314ZMFS143LDTT5144ORT7145ANE146OUTYOOS147MPP143OUT?T5D1O1151LDT5152ANIT7153ATI工Cl154OUTT6K61S7LDT6158OUTT7KS161LDT7162OUTClK316SLDCl166MPS166MPS167ANIT8168OUTY006169MPP170OUTT8K40173LDT8174ZRSTCOCl4 3 軟件設(shè)計采用步進梯形指令雙流程編程實現(xiàn)， 應(yīng)用并聯(lián)分支結(jié)構(gòu)， 其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 4所示。 由圖可知，我們把東西和南北方向信號燈的動作分成兩個

23、流程同時起動，分別運 行各自的時序動作， 相互之間的配合由統(tǒng)一的時鐘進行有機配合， 不會出現(xiàn)差錯。 現(xiàn)僅以南北方向的動作簡單分析一下工作原理，東西方向工作過程基本相同，在 此不再贅述。系統(tǒng)起動時，利用M800開機脈沖自動進入XO犬態(tài)，系統(tǒng)處于等待狀 態(tài)。當(dāng)啟動按鈕SB1按下時，xO11接通，丫1和丫4同時起動，丫1使南北綠燈亮，丫4 使東西紅燈亮（東西方向以下不分析），x0起動的同時T少始計時，20s后利用 常 開接點的閉合使?fàn)顟B(tài)進入T4,此時丫3和丫5起動，T4使南北黃燈亮，T1計時6s, 6s 后進入T2,在T3狀態(tài)下，起動C叮2,此時南北黃燈滅，CO+數(shù)加1,T2時間到時， 如果co,J

24、-數(shù)不到3次，狀態(tài)轉(zhuǎn)到T0循環(huán)，如果CO+數(shù)到3次，狀態(tài)轉(zhuǎn)入T4,這樣就 做到了南北方向黃燈閃爍3次的要求。南北方向黃燈閃爍3次后，系統(tǒng)進入T4狀態(tài)， 在T4狀態(tài)下，為下次閃爍作好準(zhǔn)備，同時起動 丫3和丫5, 丫1使南北紅燈亮，亮46s 后進入X0犬態(tài)，至此南北方向的一個循環(huán)執(zhí)行完，此時東西方向也應(yīng)該完成，在兩個方向都完成后（必須都完成），又重新進入X0和X11，如此反復(fù)工作。在任何時候按下停止按鈕 SB2， Xl 接通，并復(fù)位相關(guān)狀態(tài)和計數(shù)器， 系統(tǒng)自動 停止。第五章 PLC 交通燈畢業(yè)論文設(shè)計總結(jié)在設(shè)計過程中，經(jīng)常會遇到這樣那樣的情況，就是心里老想著這樣的接法可 以行得通， 但實際接上電路， 總是實現(xiàn)不了， 因此耗費在這上面的時間用去很多。我趁著做課程設(shè)計的同時也對課本知識有了鞏固和加強，由于課本上的知識 太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容 有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在 電路中的使用有了更多的認(rèn)識。經(jīng)過兩個星期的設(shè)計里，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我們也失落過， 也曾一度熱情高漲。從開始時的滿富激情到后來汗水背后的復(fù)雜心情，點點滴滴 無不令我回味無長