十字路口交通灯智能控制系PLC交通灯课设报告附程序.doc

上海XXXX电气学院课程设计报告课 程： 电气控制及PLC课程设计 题 目：十字路口交通灯智能控制系统年 级： 2010级 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： XXX 学 号： XXXXXXXXXXX 指导教师： XXX 201X年X月X日目 录1 简介11.1 课题概况11.2 设计要求11.3 设计内容12 系统总体方案设计32.1 总体方案选择说明32.2 I/O分配表32.3 电气元件型号规格的选定依据42.4 电气元件明细表53 控制系统设计63.1 控制程序流程图设计63.2 控制程序设计思路74 系统调试及结果分析94.1 系统调试及解决的问题94.2 结果分析105 系统的使用说明书116 课程设计体会137 参考文献14附录15附录A15附录B34附录C34附录D341 简介1.1 课题概况1、某一双向六车道路口，南北方向和东西方向车流量随机变化，为使经过该路口的车辆能高效地通过，在距离该路口50米的四个方向安装了汽车感测器，采集由南向北、由北向南、由东向西、由西向东四个方向汽车经过情况，确定该十字路口交通灯转换时间；2、每个方向的三个车道，外车道为左转弯专用道，中间车道为直行专用车道，里车道为直行和右转弯共用车道；3、信号灯均为LED，功率为15W左右，请予以适当选择。1.2 设计要求1、结合实际生活中交通信号灯工作情况，开展本次课程设计有关工作；2、该路口交通灯基本的工作情况，各方向红、绿灯翻转的周期为120秒，每个方向平均通行60秒；3、综合汽车感测器采集的信息，在各方向红、绿灯翻转的周期为120秒不变情况下，增加某个方向通行时间，减少其停留时间。至少考虑4种以上的变化方案；4、整个控制系统可以在自动工作状态和手动工作状态之间切换。（1）自动工作状态：工作周期120秒，各方向的红绿灯切换时间，根据汽车感测器采集信息加以变换；（2）手动工作状态：可手工控制交通信号灯；（3）各路口之间的信号灯应该有必要的联锁，以免错误信号引起路口的混乱。1.3 设计内容1、根据课题概况，绘制系统的控制流程图；2、设计电气控制原理图；3、设计电气元器件布置图和电气接线图；4、进行用户程序设计；5、完成用户程序的模拟调试，以实现控制要求；6、十字路口交通灯智能控制系统说明书。2 系统总体方案设计2.1 总体方案选择说明图2-1 十字路口交通灯示意图如图2-1所示，在东西南北四个路口各设置三个交通灯，分别代表着直行、大转弯、以及禁行的功能，为了避免出现交通混乱的情况，东西方向与南北方向上交通灯的控制有着互锁的结构，当东西方向可以通行时，南北方向禁行，相反地，南北方向通行时，东西方向禁行。十字路口交通灯智能控制系统操作面板启动开关正常情况紧急情况手动操控高峰情况东西直行南北禁行东西大弯南北禁行南北直行东西禁行南北大弯东西禁行紧急操作按钮禁行手动控制模式选择图2-2 十字路口交通灯智能控制系统操作界面由于题目中要求设置四种特殊情况，所以我们用模块化编程的方式来实现。操作界面如图2-2所示，具体的实施情况如下：正常情况下，每个方向的直行以及大转弯各60秒，禁行时间为120秒；紧急情况下，每个方向都是红灯，禁止通行；手动情况下，每个方向的通行时间由工作人员决定；交通高峰时期，根据传感器检测到的车流量来确定通行的时间，当一个方向上的车流量超过40时，通行时间加倍，超过80时，通行时间再加倍。2.2 I/O分配表本次十字路口交通灯智能控制课程设计用到12个输入以及8个输出具体的I/O分配表如表2-1所示。表2-1 I/O分配表分类地址说明输入I0.0启动按钮(SB1)I0.1紧急情况控制按钮(SB2)I0.2东西方向传感器1(SB3)I0.3东西方向传感器2(SB4)I0.4南北方向传感器1(SB5)I0.5南北方向传感器2(SB6)I1.0手动控制按钮1(SB7)I1.1手动控制按钮2(SB8)I1.2手动控制按钮3(SB9)I1.3手动控制按钮4(SB10)I1.4正常情况(SB11)I1.5手动选择(SB12)I1.6紧急情况(SB13)I1.7高峰时段(SB14)输出Q0.0南北方向绿灯Q0.1南北方向大转弯灯Q0.2南北方向红灯Q0.3东西方向绿灯Q0.4东西方向大转弯灯Q0.5东西方向红灯Q0.6南北方向红灯Q0.7东西方向红灯2.3 电气元件型号规格的选定依据2.3.1 PLC型号选择PLC实质上是一种专用与工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相近，在结构上分为固定式和组合式（模块式）两种，固定式PLC包括CPU板，I/O板，显示面板，内存块，电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块，I/O模块，内存模块，电源模块，底板或机架。这些模块可以按照一定的规则组合配置。本次采用的是西门子S7-300型号的PLC，S7-300采用模块化结构设计。含有多种模块，可进行单独组合。各种 CPU 可用于不同的性能范围，包括具有集成 I/O 和对应功能的 CPU 以及具有集成 PROFIBUS DP、PROFINET 和点对点接口的 CPU。S7-300通过分布式中央控制器(CC)和3个扩展单元(EU) 可以操作多达32个模块。所有模块都是密封的，运行时无需风扇。SIPLUS 模块扩展的环境条件下使用：适用于-25至+60°C的温度范围高湿度、结露以及有雾的环境条件。防直接日晒、雨淋或水溅，在防护等级为IP20机柜内使用时，可直接用于车载或室外使用。不需要全天候防护的机柜和IP 65机柜保护。简单的结构使得S7-300使用灵活且易于维护，只需将模块安装到 DIN 导轨上，将其旋入并用螺钉紧固。背板总线集成到模块里。模块通过总线连接器相连，总线连接器插在机壳的背面。更换时只需松开模板上的紧固螺钉。按下锁紧机构，拔下前连接器。前连接器上的编码装置防止将已接线的连接器错插到其他的模块上。对于信号模块可以使用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子。2.3.2 电器元件主要参数计算与选择由于在设计题目中要求本次智能控制系统所选用的交通灯为15W的LED指示灯，所以我们所需要选择的只剩下、开关电源空气开关以及负载保护。根据以下的公式已知PLC的供电电源为24V，可以得出每个信号灯所需要的额定电流为0.625安培，一共所需12个信号灯，即总电流为7.5安培。因此，我们选择了S-200W的24V的开关电源，空气开关型号选择为DZ47-63。2.4 电气元件明细表表2-2 电气元件明细表序号文字符号名称型号规格单位数量备注1PLC西门子PLC314C-2DP台1西门子2QF空气开关DZ47-63额定电流In=63A个1北京亚奥博3FU1、FU2负载保护RT18-32-2座体32A400v熔体2A个4内含2A保险负载4SB1自锁按钮LA39-11/g个2上海二工5SB按钮LA39-11/r个126HL指示灯AD16-16/g31个12上海二工7XT1、XT2端子板50mm*180mm个1需27个端子8电路导线BV500套29交流控制线BV500北京神州永立3 控制系统设计3.1 控制程序流程图设计开始正常情况手动控制紧急情况高峰时段东西直行 南北禁行(60s)东西大弯 南北禁行(60S)东西禁行 南北直行(60S)东西禁行 南北大弯(60S)SB1:东西直行 南北禁行SB2:东西大弯 南北禁行SB3:东西禁行 南北直行SB4:东西禁行 南北大弯东西禁行南北禁行车辆数>40/80通行时间加倍结束图3-1 控制程序流程图3.2 控制程序设计思路如图3-1所示，在程序中设置了四种特殊情况：正常情况下，每个方向的直行以及大转弯各60秒，禁行时间为120秒；紧急情况下，每个方向都是红灯，禁止通行；手动情况下，每个方向的通行时间由工作人员决定；交通高峰时期，根据传感器检测到的车流量来确定通行的时间，当一个方向上的车流量超过40时，通行时间加倍，超过80时，通行时间再加倍。程序主要分为OB1、FC1、FC2、FC3、FC4、FC5、FC6、FC7以及FC8组成，各个程序块的功能如下：1、OB1：OB1为主程序，利用四个互锁的开关(分别对应I1.3、I1.4、I1.5、I1.6)决定进入FC1、FC2、FC3、FC4中的其中一个（分别对应正常情况、手动控制情况、紧急情况以及高峰情况）。2、FC1：该程序段对应的是正常情况，利用中间继电器的置位、复位来实现交通灯的转换，通过关断延时计时器来实现交通灯开关长短的控制。3、FC2：此程序对应手动控制情况，在该程序中，主要是要求各个方向上的信号灯有着必要的互锁，以免错误信号引起路口的混乱。、4、FC3：FC3是紧急状态下的程序段，此程序中只有四个方向的红灯亮起，控制开关为点动开关，时间长度为手动控制。5、FC4：对应的是高峰时期的状态，用四个不带自锁的开关表示四个车辆传感器，使用加减计数器来统计车流量，将车流量通过比较器与固定值40以及80比较，当超过40的时候每个方向上的通行时间均加倍，超过80的时候各个方向上的通行时间再次加倍。6、FC5：FC5是在FC4中所对应的南北方向的两倍通行时间。7、FC6：FC6是在FC4中所对应的南北方向的三倍通行时间。8、FC7：FC7是在FC4中所对应的东西方向的两倍通行时间。9、FC8：FC8是在FC4中所对应的东西方向的三倍通行时间。4 系统调试及结果分析4.1 系统调试及解决的问题问题1：正常状态下，东西方向的红灯一直显示。解决方案：本程序中是通过中间继电器的置位及复位控制信号灯，由于M0.0继电器一直没有复位，所以导致该情况发生，在每个定时器后面都将M0.0复位从而解决问题。问题2：在手动情况中，有两种选择状态下红灯不亮。解决方案：在一个程序中同一个输出端不能有两次输出，利用中间继电器解决了该问题。4.1.1系统梯形图OB1：4.2 结果分析在调试程序后能够实现四种功能：正常情况下，每个方向的直行以及大转弯各60秒，禁行时间为120秒；紧急情况下，每个方向都是红灯，禁止通行；手动情况下，每个方向的通行时间由工作人员决定；交通高峰时期，根据传感器检测到的车流量来确定通行的时间，当一个方向上的车流量超过40时，通行时间加倍，超过80时，通行时间再加倍。5 系统的使用说明书该交通灯智能控制系统设置了四种特殊情况：正常情况下，每个方向的直行以及大转弯各60秒，禁行时间为120秒；紧急情况下，每个方向都是红灯，禁止通行；手动情况下，每个方向的通行时间由工作人员决定；交通高峰时期，根据传感器检测到的车流量来确定通行的时间，当一个方向上的车流量超过40时，通行时间加倍，超过80时，通行时间再加倍。表5-1是所有的按钮开关汇总，首先按下启动按钮，使用SB11、SB12、SB13、SB14选择交通灯运行模式，注意每个开关之间有互锁，所以选择一种模式只能按下一个开关。表5-1 按钮开关汇总表I0.0启动按钮(SB1)I0.1紧急情况控制按钮(SB2)I0.2东西方向传感器1(SB3)I0.3东西方向传感器2(SB4)I0.4南北方向传感器1(SB5)I0.5南北方向传感器2(SB6)I1.0手动控制按钮1(SB7)I1.1手动控制按钮2(SB8)I1.2手动控制按钮3(SB9)I1.3手动控制按钮4(SB10)I1.4正常情况(SB11)I1.5手动选择(SB12)I1.6紧急情况(SB13)I1.7高峰时段(SB14)正常情况：按下启动开关（SB1）并选择好模式（SB11）后，信号灯将开始自动运行，首先是南北直行东西禁行，然后南北大转弯东西禁行，接下来东西直行南北禁行，最后是东西大转弯南北禁行，如此下去依次循环。手动控制：按下启动开关（SB1）并选择好模式（SB12）后，如果按下手动控制按钮1（SB7）信号灯的效果是南北直行东西禁行，如果按下手动控制按钮2（SB8）信号灯的效果是南北大转弯东西禁行，如果按下手动控制按钮3（SB9）信号灯的效果是东西直行南北禁行，如果按下手动控制按钮4（SB10）信号灯的效果是东西大转弯南北禁行，以上每个按钮都有互锁功能，不会导致交通混乱的局面。紧急情况：按下启动开关（SB1）并选择好模式（SB13）后，如果按下紧急情况控制按钮（SB2），每个方向上都将是红色信号灯显示，每个方向上都禁行，松开SB2后红色信号灯关闭。高峰时段：按下启动开关（SB1）并选择好模式（SB14）后，安装在车道上的车辆电磁传感器将会统计每个方向上的车流量，当某一方向上的车流量超过40的时候，该方向上的通行时间将会加倍，当车流量超过80时，该方向上的车流量将会再次加倍。该交通灯智能控制系统设置了四种特殊情况：正常情况下，每个方向的直行以及大转弯各60秒，禁行时间为120秒；紧急情况下，每个方向都是红灯，禁止通行；手动情况下，每个方向的通行时间由工作人员决定；交通高峰时期，根据传感器检测到的车流量来确定通行的时间，当一个方向上的车流量超过40时，通行时间加倍，超过80时，通行时间再加倍。6 课程设计体会实现交通灯的控制方法很多，传统的方法实现都存在一个共同的问题，就是工作的可靠性、稳定性和抗干扰能力有限，而交通灯又安装在嘈杂的交通路口，外界因素的干扰可想而知，这为PLC在工业控制中的使用提供了广阔的空间。PLC是专为在工业环境下应用而设计的，其工作的可靠性非常高，具有很强的抗干扰能力，能在很恶劣的环境下(如温度高、湿度大、金属粉尘多，距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等)长期连续可靠地工作，平均无故障时间长，故障修复时间短。和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的是十字路口交通灯智能控制系统。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。通过这两周的PLC课程设计，从某一种角度来看，学习到了很多新的知识，也锻炼了很多方面的能力，当然从另外一个角度来看，我们这两周课程设计做的课题比较注重一个完整的项目，有一个系统的概念，相当于一个小的工程设计，我们要从所设计的物体的外观、功能等全方面去考虑我们所做的东西，有一种系统工程设计的概念，从这方面来讲，我们学到了很多，对于我们以后走上社会自己去开发一些产品具有很大的启发和帮助，至少我们现在亲身体验了一把。最后感谢XXX老师在这两周中给我们的指导！让我们学到了要以认真的态度去设计电气图、去编写控制系统的程序。7 参考文献1 孙平.可编程控制器原理及应用M.北京：高等教育出版社，2002.2 陈建明.电气控制与PLC应用M.北京：电子工业出版社，2006.3 廖常初.PLC梯形图程序的设计方法与技巧M.重庆:重庆大学出版社,2001.4 廖常初.可编程序控制器应用技术（第四版）M.重庆: 重庆大学出版社,2002.5 田淑珍.S7-200 PLC原理及应用M.北京：机械工业出版社，2009.6 王挺有.可编程控制器原理及应用M.北京:国防工业出版社，2005.7 戴一平.可编程控制器技术M.北京:机械工业出版社，2002附录附录A十字路口交通灯智能控制系统梯形图OB1：FC1：FC2：FC3:FC4:FC5:FC6:FC7：FC8：附录B十字路口交通灯智能控制系统电气原理图附录C十字路口交通灯智能控制系统电气元件布置图附录D十字路口交通灯智能控制系统电气元件接线图