十字路口交通信號燈PLC控制設(shè)計課程設(shè)計

1引言當(dāng)今，紅綠燈（紅燈亮表達(dá)“停止”，綠燈亮表達(dá)“通行”）安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。

隨著社會的發(fā)展，人們的消費水平不停的提高，私人車輛不停的增加。人多、車多道路少的道路交通狀況已經(jīng)很明顯了。因此采用有效的辦法控制交通燈是勢在必行的。PLC

的智能控制原則是控制系統(tǒng)的核心，采用PLC把東西方向或南北方向的車輛按數(shù)量規(guī)模進(jìn)行分檔，對應(yīng)給定的東西方向與南北方向的綠燈時長也按一定的規(guī)律分檔.

這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)按車流量規(guī)模給定綠燈時長，達(dá)成最大程度的有車放行，減少十字路口的車輛滯流，緩和交通擁擠、實現(xiàn)最優(yōu)控制，從而提高了交通控制系統(tǒng)的效率。

近年來隨著科技的飛速發(fā)展，PLC的應(yīng)用正在不停地走向進(jìn)一步。同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。它含有構(gòu)造簡樸、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)自動化妝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)為可編程控制器將成為此后工業(yè)控制的重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)生產(chǎn)的三大支柱。由于PLC含有對使用環(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?？蓪ΜF(xiàn)在普遍使用的“漸進(jìn)式”信號燈進(jìn)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本身還含有通訊聯(lián)網(wǎng)功效，將同一條道路上的信號燈構(gòu)成一局域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理可縮短車輛通行等待時間，實現(xiàn)科學(xué)化管理。在實時檢測和自動控制的PLC應(yīng)用系統(tǒng)中，PLC往往是作為一種核心部件來使用，僅PLC方面知識是不夠的。還應(yīng)根據(jù)具體硬件構(gòu)造以及針對具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合加以完善。十分形象地顯示出了PLC在交通燈系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。eq\o\ac(○,1)1.1設(shè)計任務(wù)與規(guī)定1、在十字路口，規(guī)定東西方向和南北方向各通行35s，并周而復(fù)始。2、在南北方向通行時，東西方向的紅燈亮35s，而南北方向的綠燈先亮30s后再閃3s后黃燈亮2s。3、在東西方向通行時，南北方向的紅燈亮35s,而東西方向的綠燈先亮30s后再閃3s后黃燈亮2s.4、規(guī)定只用一種控制開關(guān)對系統(tǒng)進(jìn)行啟停控制。eq\o\ac(○,2)1.1.1實用價值與理論意義交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進(jìn)性、科學(xué)化。用可編程控制器實現(xiàn)交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計辦法，實驗證明該系統(tǒng)實現(xiàn)簡樸、經(jīng)濟，能夠有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。分析了當(dāng)代都市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合交通的實際狀況敘述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡樸實用的都市交通燈控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計方案?？删幊绦蚩刂破髟诠I(yè)自動化中的地位極為重要，廣泛的應(yīng)用于各個行業(yè)。隨著科技的發(fā)展，可編程控制器的功效日益完善，加上小型化、價格低、可靠性高，在當(dāng)代工業(yè)中的作用更加突出。1.2所用的辦法及其優(yōu)缺點電氣控制技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，生產(chǎn)工藝不停提出新的規(guī)定而不停發(fā)展的。隨著電力拖動方式的演變與發(fā)展，電力控制的控制方式也由手動控制向自動控制方向發(fā)展．而在電氣控制技術(shù)的發(fā)展所經(jīng)歷的三個發(fā)展階段中PLC又因其本身的特點成為自動控制中應(yīng)用最廣泛的控制裝置，本文就是針對PL C控制十字路口交通燈所做的研究，PLC相對于繼電接觸器系統(tǒng)有下列優(yōu)勢：1、功效強，性能價格比高2、硬件配套齊全，顧客使用方便，適應(yīng)性強3、可靠性高，抗干擾能力強4、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少5、體積小、編程簡樸、能耗低6、維修工作量少，維修方便固然PLC控制也有本身的缺點：在控制簡樸的裝置時由于PLC沒有接觸器控制系統(tǒng)有成本優(yōu)勢，并且因此至今仍是機床和其它許多機械設(shè)備廣泛使用的基本電氣控制方式。eq\o\ac(○,3)2可編程控制器(PLC)2.1什么是可編程控制器(PLC)可編程控制器，簡稱PLC（ProgrammablelogicController）,PLC是以微解決器為基礎(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。PLC的定義有許多個。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：一種含有微解決機的數(shù)字電子設(shè)備，用于自動化控制的數(shù)字邏輯控制器，能夠?qū)⒖刂浦噶铍S時加載內(nèi)存內(nèi)儲存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔蓛?nèi)部CPU，指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)字模擬等單元所模組化組合成。eq\o\ac(○,4)作為通用工業(yè)控制計算機，30年來，可編程控制器從無到有，實現(xiàn)了工業(yè)領(lǐng)域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功效從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步；其應(yīng)用領(lǐng)域從小到大，實現(xiàn)了單體設(shè)備簡樸控制到勝任運動控制、過程控制、及集散控制等多個任務(wù)的跨越。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用?！翱删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、次序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制多個類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一種整體，易于擴充其功效的原則設(shè)計?！眅q\o\ac(○,5)2.1.11968年，美國通用汽車公司（GM）根據(jù)市場形勢與生產(chǎn)發(fā)展的需要，提出了“多品種、小批量、不停翻新汽車品牌型號”的戰(zhàn)略。要實現(xiàn)這個戰(zhàn)略決策，依靠原有的工業(yè)控制裝置顯然不行，而必須有一種新的工業(yè)控制裝置，它能夠隨著生產(chǎn)品種的變化，靈活方便地變化控制方案以滿足對控制的不同規(guī)定。1969年，出名的美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)GM的功效規(guī)定，研制出了這種新的工業(yè)控制裝置，并在GM公司的一條汽車自動化生產(chǎn)線上初次運行獲得成功。根據(jù)這種新型工業(yè)控制裝置能夠通過編程變化控制方案這一特點，以及專門用于邏輯控制的狀況，稱這種新的工業(yè)控制裝置為可編程序控制器（ProgrammableLogicController），簡稱PLC。從1968年到現(xiàn)在，PLC經(jīng)歷了四次換代：第一代PLC大多用一位機開發(fā)，用磁芯存儲器存儲，只有邏輯控制功效。在第二代PLC產(chǎn)品中換成了8位微解決器及半導(dǎo)體存儲器，PLC產(chǎn)品開始系列化。第三代PLC產(chǎn)品隨著高性能微解決器及位片式CPU在PLC中大量使用，PLC的解決速度大大提高，從而促使它向多功效及聯(lián)網(wǎng)通信方向發(fā)展。第四代PLC產(chǎn)品不僅全方面使用16位、32位高性能微解決器，高性能位片式微解決器，RISC（Reducedinstructionsetcomputer）精簡指令系統(tǒng)CPU等高級CPU，并且在一臺PLC中配備多個解決器，進(jìn)行多通道解決。同時生產(chǎn)了大量內(nèi)含微解決器的智能模板，使得第四代PLC產(chǎn)品成為含有邏輯控制功效、過程控制功效、運動控制功效、數(shù)據(jù)解決功效、聯(lián)網(wǎng)通信功效的真正名符其實的多功效控制器。同一時期，由PLC構(gòu)成的PLC網(wǎng)絡(luò)也得到飛速發(fā)展。PLC與PLC網(wǎng)絡(luò)成為工廠公司中首選的工業(yè)控制裝置，由PLC構(gòu)成的多級分布式PLC網(wǎng)絡(luò)成為CIMS（computer-integratedmanufacturingsystem）系統(tǒng)不可或缺的基本構(gòu)成部分。人們高度評價PLC及其網(wǎng)絡(luò)的重要性，認(rèn)為它是當(dāng)代工業(yè)自動化的三大支柱之一。eq\o\ac(○,6)2.2PLC的基本構(gòu)造可編程邏輯控制器實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件構(gòu)造基本上與微型計算機相似，基本構(gòu)成為：一、電源

可編程邏輯控制器的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一種良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。普通交流電壓波動在+10%(+15%)范疇內(nèi)，能夠不采用其它方法而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。

二、中央解決單元(CPU)

中央解決單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功效接受并存儲從編程器鍵入的顧客程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診療顧客程序中的語法錯誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從顧客程序存儲器中逐條讀取顧客程序，通過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的成果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等全部的顧客程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到對應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進(jìn)一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，近年來對大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。eq\o\ac(○,7)

三、存儲器

寄存系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。

寄存應(yīng)用軟件的存儲器稱為顧客程序存儲器。

四、輸入輸出接口電路

1．現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。

2．現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出對應(yīng)的控制信號。

五、功效模塊

如計數(shù)、定位等功效模塊。

六、通信模塊2.3PLC的特點2.3.1體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸不大于100mm，重量不大于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的抱負(fù)控制設(shè)備。2.3.2可靠性高，抗干擾能力強

高可靠性是電氣控制設(shè)備的核心性能。PLC由于采用當(dāng)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采用了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，含有很高的可靠性。諸多同等規(guī)模的PLC控制系統(tǒng)和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大減少。另外，PLC帶有硬件故障自我檢測功效，這樣，整個系統(tǒng)含有極高的可靠性也就不奇怪了。2.3.3配套齊全，功效完善，合用性強

PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小多個規(guī)模的系列化產(chǎn)品。能夠用于多個規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯解決功效以外，當(dāng)代PLC大多含有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于多個數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功效單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲入到了位置控制、溫度控制、CNC等多個工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC2.3.4系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造

PLC用存儲邏輯替代接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備通過變化程序變化生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。2.3.5易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎

PLC作為通用工業(yè)控制計算機2.3.4系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造，是面對工礦公司的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與體現(xiàn)方式和繼電器電路圖相稱靠近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就能夠方便地實現(xiàn)繼電器電路的功效。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。eq\o\ac(○,8)2.4PLC的工作原理當(dāng)可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程普通分為三個階段，即輸入采樣、顧客程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完畢上述三個階段稱作一種掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。

一、輸入采樣階段

在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入全部輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的對應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入顧客程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的對應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會變化。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須不不大于一種掃描周期，才干確保在任何狀況下，該輸入均能被讀入。

二、顧客程序執(zhí)行階段

在顧客程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的次序依次地掃描顧客程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的次序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的成果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者擬定與否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功效指令。eq\o\ac(○,9)

即，在顧客程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其它輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，并且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行成果會對排在下面的但凡用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一種掃描周期才干對排在其上面的程序起作用。

在程序執(zhí)行的過程中如果使用立刻I/O指令則能夠直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立刻更新，這跟立刻輸入有些區(qū)別。eq\o\ac(○,10)

三、輸出刷新階段

當(dāng)掃描顧客程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新全部的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動對應(yīng)的外設(shè)。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。eq\o\ac(○,11)3系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計3.1施耐德PLC介紹3.1.1施耐德PLC硬件施耐德PLC重要有原Modicon旗下的Quantum、Compact(已停產(chǎn))、Momentum等系列，編程軟件是Concept;而TE旗下的Premium、Micro系列則使用PL7Pro。施耐德在整合了Modicon和TE品牌的自動化產(chǎn)品后，將UnityPro軟件作為將來中高端PLC的統(tǒng)一平臺。支持Quantum、Premium和M340三個系列。至于Momentum和Micro作為成熟產(chǎn)品將來不會再有多大的改善，因此會繼續(xù)沿用原來的軟件平臺。小型的Twido系列使用TwidoSoft軟件(有中文版本，國外已經(jīng)開始使用TwidoSuit,但是預(yù)計短時間內(nèi)還不會引入中國進(jìn)行漢化翻譯)，至于邏輯控制器ZelioLogic的編程軟件ZelioSoft已經(jīng)推出中文版了。3.1.2施耐德編程軟件施耐德plc編程軟件是施耐德電氣自動化的核心產(chǎn)品，它是新一代軟硬件自動化平臺。其全新的獨創(chuàng)設(shè)計縮短了開發(fā)時間，解決器的靈活性能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能?；陂_放性以及對工具的協(xié)同式應(yīng)用，Unity在軟件開發(fā)和控制系統(tǒng)運行上達(dá)成了更高水平，它將生產(chǎn)率的提高放在首位。施耐德plc編程軟件是用于Premium、Atrium和QuantumPLC的通用IEC61131-3編程、調(diào)試和運行軟件包。基于PL7和Concept的公認(rèn)原則，UnityPro能夠協(xié)助我們實現(xiàn)更高的生產(chǎn)率以及更多的軟件協(xié)作新功效。其集成的轉(zhuǎn)換器能夠重用PL7和Concept的IEC應(yīng)用程序。您能夠因此減少您的軟件投資，減少培訓(xùn)成本，充足運用UnityPro在兼容性和將來開發(fā)能力方面無可匹敵的潛力。運用UnityEFBToolkit，VisualC++開發(fā)者能夠創(chuàng)立定制的功效，這些功效能夠在UnityPro中使用。UnitySFCView是一種ActiveX控件，可集成到一種原則的HMI/SCADA系統(tǒng)中，用于監(jiān)視和控制SFC程序。eq\o\ac(○,12)3.2施耐德m218編程軟件3.2.1慣用編程語言施耐德m218編程軟件慣用編程語言1.梯形圖-LD語言

2.ST語言

3.FBD功效塊語言

4.

CFC持續(xù)功效圖

5.SFC次序功效圖

3.3十字路口交通信號燈PLC控制設(shè)計的分析運用PLC設(shè)計控制十字路口交通燈的全自動運行，系統(tǒng)啟動后，根據(jù)設(shè)立好的東西南北方向的通車時間控制東西南北方向批示燈按照一定的規(guī)律運行，完畢一種周期工作后自動進(jìn)入下一種周期繼續(xù)運行。都市路口交通燈控制系統(tǒng)用于十字路口的車輛以及行人的交通管理。1、在十字路口，規(guī)定東西方向和南北方向各通行35s，并周而復(fù)始。2、在南北方向通行時，東西方向的紅燈亮35s，而南北方向的綠燈先亮30s后再閃3s后黃燈亮2s。3、在東西方向通行時，南北方向的紅燈亮35s,而東西方向的綠燈先亮30s后再閃3s后黃燈亮2s.交通信號交通燈控制系統(tǒng)如圖3-1所示：圖3-1交通信號交通燈控制系統(tǒng)3.4系統(tǒng)總體方案1.系統(tǒng)啟動后，東西直行、南北直行都亮紅燈。2.東西直行綠燈亮30s后再閃3s，與此同時南北紅燈全亮35s；3.東西直行綠燈熄滅，黃燈亮2秒。4.南北直行綠燈亮30s后再閃3s，東西方為紅燈全亮35s。5.南北直行綠燈熄滅后，黃燈閃爍2s。6.循環(huán)執(zhí)行上述1到5步，實現(xiàn)對交通信號燈的控制。3-1交通燈設(shè)計思想表系統(tǒng)動作流程圖:圖3-2系統(tǒng)動作流程圖1.型號選擇：輸出端有東西、南北方向紅綠黃燈輸出點，因此選用施耐德m218編程軟件。2.輸入/輸出分派表：如表3-2表3-2輸出南北紅燈Y000南北綠燈Y001南北黃燈Y002東西紅燈Y010東西綠燈Y011東西黃燈Y0123.硬件電路圖連接：如圖3-3所示：圖3-3硬件電路圖4軟件設(shè)計4.1定時器的設(shè)立為了明確各定時器的作用，方便于理解各個燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的精確時間，表4-1列出了定時器的功效以下：表4-1定時器設(shè)立定時器定時時間功效t035s紅燈計時t135s另外一種紅燈計時t100.5s綠燈閃爍t110.5s另外一種綠燈閃爍t2030s綠燈計時t213s綠燈閃爍的總時間t222s黃燈計時t3030s另外一種綠燈計時t313S另外一種綠燈閃爍的總