交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣及自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：年級(jí)：2014級(jí)專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：14自動(dòng)化1班指導(dǎo)教師：機(jī)械與電氣工程學(xué)院制2017年5月交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械與電氣工程學(xué)院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)1前言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市人口越來(lái)越多，居民出行次數(shù)和機(jī)動(dòng)車(chē)擁有量不斷增加，城市道路擁擠、車(chē)流量不均衡等問(wèn)題日趨嚴(yán)重。人們經(jīng)常會(huì)為道路擁擠，交通秩序混亂,出行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等城市交通問(wèn)題倍感苦惱，例如：綠燈方向幾乎沒(méi)有什么車(chē)輛，而紅燈方向卻排著長(zhǎng)隊(duì)等候通過(guò)。因此提高城市路網(wǎng)的通行能力、實(shí)現(xiàn)道路交通的科學(xué)化管理迫在眉睫。如何才能保持城市交通的安全便捷、高效暢通和綠色環(huán)保，已成為政府規(guī)劃的一個(gè)重要問(wèn)題。通過(guò)對(duì)十字路口交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，使我們進(jìn)一步鞏固和加深了對(duì)所學(xué)的基礎(chǔ)理論，基本技能和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)掌握。同時(shí)也培養(yǎng)自身綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)理論，基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能進(jìn)行分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力， 更使我們受到了PLC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的綜合訓(xùn)練并且掌握典型自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)思路。更重要的是，通過(guò)對(duì)十字路口交通燈系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)際操作鍛煉了勇于探索，刻苦鉆研的工作作風(fēng)。PLC的基本知識(shí)早期的可編程控制器主要是用來(lái)代替繼電器控制系統(tǒng)的，因此功能較為簡(jiǎn)單，只能進(jìn)行開(kāi)關(guān)邏輯控制，稱(chēng)為可編程控制器（programmablelogiccontroller）,簡(jiǎn)稱(chēng)PLG隨著電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通行技術(shù)的快速發(fā)展， 20世紀(jì)70年代后期微處理器被用作可編程控制器的中央處理器，從而較大的擴(kuò)展了可編程控制器的功能?？删幊炭刂破饔虚_(kāi)關(guān)邏輯，模擬量控制，高速計(jì)數(shù)，PID賄賂調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)程I/O和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。1980年，美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)正式將其命名為可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng) PC。1987年2月，國(guó)際電工委會(huì)對(duì)PLC的具體含義做出了明確的定義：在工業(yè)環(huán)境的背景之下，一種常用來(lái)做數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它既可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制，也可以進(jìn)行定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)字運(yùn)算等操作。雖然它中間的運(yùn)算是采用的數(shù)字模式，但是它的輸入和輸出還是采用模擬的信號(hào)。這種可編程控制器，可以控制各類(lèi)生產(chǎn)的過(guò)程。PLC的基本結(jié)構(gòu)與通用計(jì)算機(jī)一樣，中央處理單元（CPU足PLC的核心部件，它的主要作用是控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致的運(yùn)行。它解釋并執(zhí)行用戶及系統(tǒng)程序，完成所有控制、處理、通信以及所賦予的其他功能，它的主要功能有以下幾點(diǎn)。1）接收、存儲(chǔ)用戶通過(guò)編程器等輸入設(shè)備輸入的程序和數(shù)據(jù)。2）以掃描方式接收來(lái)自輸入單元的輸入變量，狀態(tài)數(shù)據(jù)，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（輸入映像寄存器）。3）利用錯(cuò)誤檢驗(yàn)技術(shù)監(jiān)控存儲(chǔ)和通信狀態(tài)、診斷內(nèi)部電路的工作狀態(tài)、電源狀態(tài)和用戶編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。4）執(zhí)行用戶程序，完成各種數(shù)據(jù)的處理、傳輸和存儲(chǔ)，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，刷新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號(hào)，以完成用戶指令規(guī)定的各種操作。5）響應(yīng)各種外圍設(shè)備的要求。存儲(chǔ)器一般分兩種：系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的是系統(tǒng)程序。它是由廠家開(kāi)發(fā)固化好了的，用戶不能更改，PLC要在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。用戶存儲(chǔ)器中存放的是用戶程序和運(yùn)行所需的資源， I/O存儲(chǔ)器的值作為條件決定著存儲(chǔ)器中的程序如何被執(zhí)行， 從而完成復(fù)雜的控制功能。 常用的存儲(chǔ)器類(lèi)型有 CMOSR、AMEPRO、MEEPRO。M由于系統(tǒng)程序用來(lái)管理PLC系統(tǒng)，用戶不能直接存儲(chǔ)，因此PLC產(chǎn)品中所說(shuō)的存儲(chǔ)類(lèi)型極其容量，是指用戶程序存儲(chǔ)器而言。PLC中所配用的用戶存儲(chǔ)器的容量大小具有較大的差別，其中小型的PLC在8K以下，而大型的PLC可以達(dá)到256K。輸入模塊和輸出模塊簡(jiǎn)稱(chēng)I/O模塊，它是聯(lián)系外部設(shè)備和CPU奠塊的橋梁。PLC的對(duì)外功能模塊，主要是通過(guò)各種 I/O接口模塊與外界聯(lián)系的，按 I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPl^f能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出存儲(chǔ)器狀態(tài)。 輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)， 輸出模塊用來(lái)送出 PLC運(yùn)算后得出的控制信息，并通過(guò)機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)控制。 PLC有多種I/O模塊，常見(jiàn)有數(shù)字 I/O模塊、模擬量 I/O模塊、快速響應(yīng)模塊、高速計(jì)數(shù)模塊 PID控制模塊等。PLC配有開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源模塊，用來(lái)將外部供電電源轉(zhuǎn)換成使 PLC內(nèi)部的CPU存儲(chǔ)器和I/O接口等電路工作所需的直流電源。PLC的電源部件有很好的穩(wěn)壓措施，因此對(duì)外部電源的穩(wěn)定性要求不高。小型PLC的電源往往和CPUI元合為一體，大中型PLC都有專(zhuān)用電源模塊。編程器用來(lái)生成用戶程序，一般分為手持式編程器和圖形編程器。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入好編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它的體積小，價(jià)格便宜，一般用來(lái)給小型的PLC編程。或者用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)。圖形編程器既可以用指令語(yǔ)句進(jìn)行編程，又可以用梯形圖編程；既可聯(lián)機(jī)編程，又可脫機(jī)編程，操作方便，功能強(qiáng)。現(xiàn)在，很多PLC都可以用計(jì)算機(jī)作為編程工具，在計(jì)算機(jī)上直接生成和編輯梯形圖或指令表， 并可以實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。 最重要的是這種程序可以存盤(pán)或者打印，也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送。1.3PLC型號(hào)的選定以及可行性分析本設(shè)計(jì)擬采用三菱FX264MR001型PLC此型號(hào)是PLC家族中最先進(jìn)的PLC之一。它具有一些顯著的特點(diǎn)：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程序執(zhí)行更快、全面補(bǔ)充了通信功能，適合世界各個(gè)國(guó)家不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，因此在選定的過(guò)程中，它有著廣泛的選定范圍。它的各方面參數(shù)如下： I/O總數(shù)為 64、輸入數(shù)目為32、輸出數(shù)目為32、型號(hào)為漏型。采用24V、400mA勺直流電源，它優(yōu)良的快速斷開(kāi)端子塊使得接著線纜也可以更換單元， 并且它的遠(yuǎn)程維護(hù)功能使得遠(yuǎn)處的編程軟件可通過(guò)調(diào)制解調(diào)器通信來(lái)監(jiān)測(cè)、上傳、卸載程序和數(shù)據(jù)。與其他 PLC相比，本PLC價(jià)格便宜，功能齊全， 除了有著速度、 邏輯、定位等優(yōu)越之處而且還安裝簡(jiǎn)單， 維修方便。本設(shè)計(jì)中的十字路口東西南北四個(gè)方向各有一個(gè)光點(diǎn)計(jì)數(shù)器來(lái)統(tǒng)計(jì)通過(guò)車(chē)子的數(shù)量， 再加上啟動(dòng)開(kāi)關(guān)和停止開(kāi)關(guān)總共需要 6個(gè)接口。而東西南北方向各有紅綠黃燈一個(gè)，一共有交通信號(hào)燈 18個(gè)，也就是需要 18個(gè)輸出接口。據(jù)此看來(lái)，如果通過(guò)選擇三菱 FX2——64MR--001型PLC根據(jù)實(shí)際情況完全能夠滿足要求2控制方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路如圖1是十字路口交通信號(hào)燈示意圖，本系統(tǒng)的控制對(duì)象有八個(gè)，東西方向紅燈兩個(gè)，南北方向紅燈兩個(gè)，東西方向黃燈兩個(gè)，南北方向紅黃燈兩個(gè)，東西方向綠燈兩個(gè)，南北方向綠燈兩個(gè)，東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個(gè)，南北方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個(gè)，本控制系統(tǒng)分為高峰時(shí)段和正常時(shí)段進(jìn)行控制。圖1十字路口交通信號(hào)燈示意圖方案分析本系統(tǒng)是一個(gè)多時(shí)段十字路口交通燈的 PLC控制系統(tǒng)，利用西門(mén)子公司的S7-200可編程邏輯控制器對(duì)十字路口的交通燈交通燈進(jìn)行控制。本系統(tǒng)具有一定的智能性，即它可以對(duì)交通燈按高峰期、正常期及晚間幾個(gè)時(shí)段進(jìn)行分段控制。高峰、正常及晚間時(shí)段的時(shí)序分布見(jiàn)圖 2。高峰時(shí)段的控制方案為：南北方向左轉(zhuǎn)彎燈和南北方向紅燈同時(shí)亮 10秒，同時(shí)東西方向紅燈亮；南北方向綠燈亮 35秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；南北方向黃燈閃爍 5秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈和南北方向紅燈同時(shí)亮 10秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；東西方向綠燈亮 25秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮；東西方向黃燈閃爍 5秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮，然后跳至第（ 1）步,依次循環(huán)。正常時(shí)段的控制方案為：（1）南北方向左轉(zhuǎn)彎燈和南北方向紅燈同時(shí)亮 10秒，同時(shí)東西方向紅燈亮；（2）南北方向綠燈亮 30秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（3）南北方向黃燈閃爍 5秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（4）東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈和南北方向紅燈同時(shí)亮 10秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（5）東西方向綠燈亮 30秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮；（6）東西方向黃燈閃爍 5秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮，然后跳至第（ 1）步依次循環(huán)。晚間的控制方案為：東、南、西、北四個(gè)黃燈繼續(xù)閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮 0.4秒，暗0.6秒的規(guī)律反復(fù)循環(huán)。圖2高峰、正常及晚上時(shí)段的時(shí)序分布圖3高峰時(shí)段時(shí)序圖圖4正常時(shí)段時(shí)序圖方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用主程序調(diào)用子程序的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)主程序計(jì)算比較當(dāng)前時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)對(duì)時(shí)問(wèn)段的判斷和分析來(lái)調(diào)用子程序段。子程序段分別是正常時(shí)間段、高峰時(shí)間段和晚間時(shí)間段，它們分別和各自的時(shí)序圖相對(duì)應(yīng)，見(jiàn)上面的圖2、圖3和圖4從而控制交通燈的信號(hào)。3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1輸入輸出點(diǎn)分配表為了將十字路口交通燈的控制關(guān)系用PLC控制器實(shí)現(xiàn)，PLC需要2個(gè)輸入點(diǎn)（啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)），12個(gè)輸出點(diǎn)選擇FX2N-64MW的PLG表1輸入/輸出點(diǎn)分配輸入/輸出點(diǎn)分配輸入信號(hào)輸出信號(hào)名稱(chēng)代號(hào)輸入點(diǎn)編號(hào)名稱(chēng)代號(hào)輸出點(diǎn)編號(hào)啟動(dòng)按鈕SB1X0直行紅燈（南北）HL1Y0停止按鈕SB2X1直行黃燈（南北）HL2Y1直行綠燈（南北）HL3Y2左轉(zhuǎn)紅燈（南北）HL4Y3左轉(zhuǎn)黃燈（南北）HL5Y4左轉(zhuǎn)球燈（南北）HL6Y5直行紅燈（東西）HL7Y6直行黃燈（東西）HL8Y7直行綠燈（東西）HL9Y8左轉(zhuǎn)紅燈（東西）HL10Y9左轉(zhuǎn)黃燈（東西）HL11Y10左轉(zhuǎn)綠燈（東西）HL12Y11注：表中所有直行綠燈和左轉(zhuǎn)彎燈都分別由 9個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)電阻串聯(lián)而成，所組成的簡(jiǎn)單電路。十字路口交通燈的I/O接線圖根據(jù)十字路口交通燈的輸入輸出點(diǎn)分配表， 畫(huà)出如圖5所示的PLC控制系統(tǒng)的I/O接線圖。圖5PLC控制系統(tǒng)的I/O接線圖十字路口交通燈的電路接線圖根據(jù)十字路口交通燈的實(shí)際連線，畫(huà)出如圖6所示的十字路口交通燈的接線圖。圖6十字路口交通燈的接線圖十字路口交通燈的程序設(shè)計(jì)根據(jù)十字路口交通燈的控制關(guān)系寫(xiě)出如圖 7所示的程序。圖7十字路口交通燈的PLC程序在圖7中，Y0控制南北紅燈，Y1控制南北綠燈，Y2控制南北黃燈，Y3控制東西紅燈,Y4控制東西綠燈，Y5控制東西黃燈。為了控制各個(gè)時(shí)間段，選用T0~T5為控制正常時(shí)問(wèn)段的定時(shí)器，T6~T11為控制高峰時(shí)段的定時(shí)器。元器件清單交通燈實(shí)物接線仿真圖硬件名稱(chēng)型號(hào)數(shù)量可編程控制器（PLC二菱FX-2N-48MR1臺(tái)中間繼電器220V.5A16個(gè)低壓斷路器DZ47-60C101個(gè)熔斷器RT18-3232A.380V1個(gè)轉(zhuǎn)換電源220VAC~24DC1個(gè)發(fā)光二極管2V多量根據(jù)程序仿真出實(shí)物接線圖，如下面的圖8所示圖8實(shí)物接線仿真圖4十字路口交通燈的程序調(diào)試編輯思路本組的課程設(shè)計(jì)是用PLC控制十字路口交通燈，用PLC控制可以實(shí)現(xiàn)更多功能，同時(shí)也比較簡(jiǎn)單。由于現(xiàn)在越來(lái)越多的人擁有自己的汽車(chē)，從而使交通變得繁忙，而早晚上下班時(shí)間更是交通的高峰期，同時(shí)也是為了適應(yīng)不同路段的交通繁忙程度，所以本組設(shè)計(jì)了正常時(shí)段、高峰時(shí)段和晚間時(shí)段可以切換的程序，從而使本組設(shè)計(jì)的實(shí)用性更強(qiáng)?？刂葡到y(tǒng)的程序調(diào)試步驟對(duì)于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需要繪制系統(tǒng)流程圖，用以清楚的表明動(dòng)作的順序和條件。由于本控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單就可以省略這一步。設(shè)計(jì)梯形圖。這是程序設(shè)計(jì)關(guān)鍵的一步，也是比較困難的一步。要設(shè)計(jì)好梯形圖，首先要十分熟悉控制要求，同時(shí)還要有一定的電氣設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。⑶將程序輸入到PLC的用戶存儲(chǔ)器，并查找程序是否正確。4)對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直到滿足要求為止。4.3調(diào)試過(guò)程遇到的問(wèn)題及解決辦法在起初情況，按下轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)該有“南北紅燈”、“南北左轉(zhuǎn)彎紅燈”、“東西綠燈”，由于設(shè)計(jì)中未考慮周全，當(dāng)按下轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)“X1”時(shí)，不僅“南北紅燈”“南北左轉(zhuǎn)彎紅燈”、“東西綠燈”亮，而且“南北綠燈”、“東西紅燈”也亮，斷電后對(duì)程序進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)把程序轉(zhuǎn)換到高峰時(shí)段后，沒(méi)有對(duì) T0終止，所以才會(huì)出現(xiàn)燈亮混亂的情況。(2)設(shè)計(jì)中T0T5為一個(gè)周期，當(dāng)程序處在早上八點(diǎn)之后的正常時(shí)段時(shí)，程序運(yùn)行了一個(gè)周期后， T5沒(méi)有被復(fù)位，檢查得知是因?yàn)閷?duì) T0的分段控制不當(dāng)。對(duì)程序進(jìn)行修改后，調(diào)試后都正常?？偨Y(jié)及心得體會(huì)本組設(shè)計(jì)的是十字路口交通燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試，由于這個(gè)課題和我們的生活很緊密，所以這讓我們做起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)。俗話說(shuō)萬(wàn)事開(kāi)頭難，一開(kāi)始我們沒(méi)有頭緒，但是在老師的指導(dǎo)之下，我們慢慢就理解了，然后就開(kāi)始了設(shè)計(jì)。我們?cè)O(shè)計(jì)的十字路口交通燈的功能是，不同時(shí)段的交通狀況不同的所以本次設(shè)計(jì)就分為正常時(shí)段、高峰時(shí)段和晚間時(shí)段。首先我們自己研究普通的十字交通燈，在了解透徹的情況下，老師有跟我們具體講解這次設(shè)計(jì)的思路。把具體的要求給我們，然后又給我們提出了可能會(huì)遇到的問(wèn)題讓我們加以注意。分析這些問(wèn)題之后，我們就開(kāi)始準(zhǔn)備工作。首先我們做硬件設(shè)計(jì)，先畫(huà)原理圖和硬件接線圖，在老師的指導(dǎo)下，我們順利的完成了。然后就是確定元器件型號(hào)，列元器件清單，之后就是設(shè)計(jì)元器件的位置，使電路看起來(lái)整齊美觀。接下來(lái)就是把元器件按照原理圖連接起來(lái)，這一步一定要小心，因?yàn)樵骷苋菀讚p壞，而且一定要細(xì)心，因?yàn)殡娐泛苋菀走B錯(cuò)，而且錯(cuò)誤不容易檢查出來(lái)。老師幫我們檢查之后就調(diào)試，結(jié)果成功，硬件的接線是正確的。下面就是軟件設(shè)計(jì)，在編寫(xiě)程序之前，我們先對(duì)基本的電路進(jìn)行分析，在理解之后，我們就考慮怎樣進(jìn)行正常時(shí)段、高峰時(shí)段和晚間時(shí)段的跳轉(zhuǎn)，老師也帶領(lǐng)我們一起分析，起初我們?cè)O(shè)計(jì)的程序出現(xiàn)了錯(cuò)誤，該亮的燈沒(méi)有亮，該滅的燈沒(méi)有滅，而且不能進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，在老師的一次一次的分析下，我們對(duì)程序進(jìn)行修改，實(shí)驗(yàn)最終成功。6參考文獻(xiàn)[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）清華大學(xué)教研組[M].高等教育出版社，2006.[3]毛瑞麗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010.[4]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）清華大學(xué)教研組