基于PLC的交通信号灯控制.doc
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1、XX技术学院 毕 业 设 计题目 基于PLC的交通信号灯控制 系别 专业 班级 姓名 学号 指导教师 日期 .设计任务书设计题目:基于PLC的交通信号灯控制设计要求:在综合掌握PLC控制交通灯理论的基础上,自主灵活的利用这些知识去分析设计,使其设计的结果最终能够实现:(1) 东西和南北方向各有一组红、黄、绿灯用于指挥交通,红、黄、绿三灯的持续时间分别为36s,6s,30s。(2) 当东西方向为红灯时,南北方向为绿灯。当南北方向为红灯时,东西方向为绿灯。红灯倒计36s后,黄灯闪烁3次,然后绿灯亮。(3) 东西和南北各有两组数码管,以倒计时方式显示两个方向允许通行或禁止通行的时间。设计进度要求:第
2、一周:查阅收集相关的资料确定设计题目。第二周:根据设计要求分析西门子PLC的工作原理。第三周:到图书馆,电子阅览室等相关地方查找资料。第四周:写出控制交通灯工作的梯形图。第五-六周:进行软、硬件设计并画出相关的电路图。第七周:调试修改,找出问题,改进设计。第八周:撰写论文,准备答辩。指导教师(签名): 孙海燕 摘 要目前对交通灯的控制有很多种,但是往往都存在着故障率高、可靠性差、抗扰性差等众多缺点。但是PLC控制系统克服了这些缺点,它工作可靠,功能强,存储容量大,编程方便、抗干扰能力强,受到众多设计者的青睐。因此,我这次的设计是以PLC为基础来实现对交通信号灯的控制。此次设计我首先对交通信号灯
3、的原理进行分析;然后根据分析确定设计的输入、输出点数;进而确定所要选用的PLC的型号;以及需要扩展的模块的数量并对扩展的模块数量进行I/O编址;最后利用输入、输出点数确定I/O接线图、程序流程图和梯形图。并通过了系统调试,最终达到了交通信号灯自动控制的目的。因些利用PLC控制交通灯不仅可以实现交通灯的作用,而且还使交通灯的设计更加方便,实现的功能更加强大。关键词:可编程控制器,交通灯,梯形图 目录设计任务书I摘要II目录I1 PLC的概述11.1 PLC控制交通灯的背景11.2 PLC控制交能灯的优点11.3 PLC的工作原理22 交通灯控制系统的总体设计32.1设计总体要求32.2设计总框图
4、32.3硬件设计总思路42.4软件设计总思路43 硬件设计53.1 PLC的硬件系统组成53.2 PLC的选型63.3输入、输出点的估算73.4主机型号的选择73.5模块的扩展83.6输入、输出点的分配93.7 PLC外部接线示意图103.8七段数码管的显示工原理114 软件设计144.1编程软件的概述144.2编程语言的选择144.3程序梯形图155 PLC的调试与分析21总结25致谢26参考文献271 PLC概述1.1 PLC控制交通灯的背景随着现代科学技术的发展,对于交通灯的控制不断地在工艺、性能等各方面进行改进,使交通灯的控制变得更加方便,实现的功能更加的强大。我国早期对交通灯的控制有
5、二种:电子线路控制系统、继电器控制系统。电子线路控制系统虽然能实现交通灯的基本要求,但是因为是电子线路比较复杂,容易出现问题并且查找问题比较困难,早在继电器控制系统出现之时已销声匿迹了。继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点,目前已逐渐被淘汰。而我国目前交通灯控制系统主要有二种控制方式:PLC控制系统和智能化控制系统。智能化控制系统虽在智能控制方面有较强的功能,但也存在抗扰性差,系统设计复杂,一般维修人员难以掌握维修技术等缺陷。而PLC控制系统本着运行可靠性高,使用维修方便,抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点,已成为人们的新宠。1.2 PLC控制交能灯的优点
6、PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物,它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点,充分利用了微处理器的优点,语言编程简单,采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式,使用户程序编制形象、直观、方便易学;调试与查错也都很方便。还是一种用于自动化控制的专用计算机,因此它使用的非常广泛。PLC是工业专用计算机,这种计算机采用面向用户的指令,因而编程方便。它能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作”,还具有“数字量,模拟量输入/输出控制”的能力。并且容易与“工业控制系统连为一体”,易于扩充。因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算
7、机。随着人们生活水平的不断提高和交通问题的日益严重,发展PLC控制交通灯已成为必然,并且会受到越来越多人的关注。S7200系列可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制器。它工作可靠,功能强,存储容量大,编程方便,输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈,抗干扰能力强。因此,能够满足交通灯对电气控制系统的要求。且西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化,具有网络通信能力,功能更强,可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC(如S7-200),小规模性能要求的PLC(如S7-300)和中、高性能要求的PLC(如S7-400)等。这里我们采用S7-200 系列, S7-200 系
8、列PLC 具有可靠性高、运算速度快、产品成本低等优点。1.3 PLC的工作原理众所周知,继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”,采用的工作方式为并行工作方式,而可编程控制器是一种工业控制计算机,故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上,即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的,但CPU是以分时操作方式来处理各项任务的,计算机在每一瞬间只能做一件事,所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各点起的动作,所以它属于串行工作方式。PLC采用自左到右、自上而下的逐行循环扫描的方式,RUN的工作方式下, CPU从用户等程序第一条指令开始执行,直到最后一条指令结束,然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PL
9、C就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC把用户程序执行一次所经过的时间称为PLC的一个机器扫描周期,它分内部处理、通迅服务、输入采样、用户程序执行、输出刷新五大步骤。PLC运行状态按输入采样、用户程序执行、输出刷新等步骤周而复始地循环工作。而具体的工作过程如下图1.1所示。图1.1 PLC的工作过程2 交通灯控制系统的总体设计2.1设计总体要求本设计是以PLC为核心再加上数码管等外接器件来实现交通灯的控制的。(1)当按下起动按钮时,东西方向的红灯开始亮,数码管从36开始递减。(2)当按下起动按钮时,南北路口的绿灯开始亮,数码管从30开始递减,当30S时间到时,南北路口的黄灯开始闪烁,共闪
10、烁3次。(3)东西方向红灯的时间到,黄灯开始闪烁,黄灯闪烁3次后东西方向的绿灯开始亮并倒计30s。(4)南北方向的红灯开始亮,数码管从36开始倒计数。(5)东西路口的绿灯开始亮,数码管从30开始递减,当30S时间到时,东西路口的黄灯开始闪烁,共闪烁3次。(6)南北方向的红灯时间到时,黄灯开始闪烁,闪烁3次后南北方向的绿灯开始亮并倒计30s。(7)东西方向的红灯开始亮,数码管从36开始倒计数。(8)当按下停止按钮时,南北方向和东西方向的红、黄、绿三灯和4组数码管都不亮。而具体的控制要求如表2.1所示。表2.1 交通灯的控制要求 东西路口红灯黄灯绿灯亮36s闪烁3次亮30s南北路口绿灯黄灯红灯亮3
11、0s闪烁3次亮36s2.2设计总框图PLC控制交通灯系统的组成有核心控制元件PLC、起动按钮、停止按钮、红黄绿三灯、数码管等元件组成。因此交通灯系统控制框图如图2.1所示。 图2.1 设计总框图2.3硬件设计总思路根据可编程控制器设计交通灯硬件部分的设计步骤,本设计的具体设计步骤如下所示:(1)PLC的选型;(2)输入、输出点的估算;(3)主机型号的选择;(4)模块的扩展及I/O编址;(5)输入、输出端子的分配;(6)画出I/O接线图;(7)数码管的显示原理。2.4软件设计总思路硬件设计设计的是外部电路,是需要外接的器件。而软件设计是来驱动硬件电路工作的,是设计的核心所在,硬件电路能否正常的工
12、作就要看软件设计的是否合理,故软件设计很重要的。本设计的软件设计是按以下的步骤进行的。(1)编程语言的选择;(2)编写程序的梯形图。3 硬件设计3.1 PLC的硬件系统组成PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。各部分之间通过内部系统总线进行连接。CPU是PLC的核心部分,由它实现逻辑运算,协调控制系统内部各部分的工作,它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。PLC的对外功能主要是通过各类接口模块,实现对工业设备和生产过程的检测和控制。PLC的电源一般采用开关电源,其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。一旦某模块出现故障,进行在线插拔、调试时不会影
13、响各机的正常运行。PLC的硬件组成与微型计算机相似,主要是由CPU、存储器、输入/输出接口、电源等几部分组成。具体如图3.1所示。 图3.1 PLC的硬件结构组成(l)CPUCPU也称为中央处理器,是PLC的核心,对PLC的整机性能有决定性的影响。一般由控制电路、运算器和寄存器组成。(2)存储器存储器是用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量等信息的。分为ROM和RAM两种类型。 系统程序是用来控制PLC完成各种控制功能的程序。这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令编写的,并固化到ROM中。用户程序是根据生产过程和工艺要求编写的控制程序,存储在RAM中。(3)输入/输出部件这是PLC与用户设
14、备和被控设备相连接的接口电路。输入接口电路一般由光电耦合电路组成,用来接收PLC的各种输入信号。如开关量、传感器等信号。输出接口电路一般采用继电器、晶闸管或晶体管输出,将CPU的弱电信号转换成现场需要的强电信号,以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。(4)电源电源的作用是将交流电转换为直流电提供给PLC。为了提高可靠性,大部分PLC采用开关式稳压电源。3.2 PLC的选型当今的PLC厂商琳琅满目,产品性能各不相同。常用的PLC有很多种:德国西门子(SIEMENS)公司:它有SS系列和S7系列,S7系列包括有S7-200(小型)、 S7-300(中型)及S7-400机(大型)。日本欧姆龙(O
15、MRON)公司:CPM1A型机,P型机,H型机,CQM1、CVM、CV型机。日本三菱公司的PLC的小型机FI机和 FXZ机,它的中、大型机为A系列。日本东芝公司的EX小型机及EXPLUS小型机。 日本日立公司E系列,它的基本箱体有E-20、E-28、E40、E64系列等。以上的众多的厂家为我们提供了多种选择的机会,但是除此之外我们还要注意CPU的功能要强、结构要合理、I/O控制规模要适当;输入、输出功能级、及负载能力要匹配以及对通信、系统响应速度的要求。还要考虑电源的匹配等问题。输入、输出点数多少是选择PLC规模大小的依据。如果是单机自动化或机电一体化产品可选用小型机;若控制系统较大,输入、输
16、出点数较多,控制要求比较复杂,则可选用中或大型机。在选择PLC I/O点数的同时,还要考虑用户存储的存储容量。一般厂家提供1KB、2KB、4KB、8KB、13KB、16KB、26KB等容量的存储器,选择的方法主要是根据经验估算。常用估算方法是PLC内存容量要等于I/O点数的1015倍。对于以开关量控制为主的系统,PLC响应时间无须考虑。一般的机型都能满足要求。对于有模拟量控制的系统,特别是闭环控制系统,则要注意PLC响应时间,根据控制的时时性要求,选择合适的高速PLC。有时也可选用快速影响模块和中断输入模块来提高相应的速度。通过对以上各个厂家的PLC的比较以及选择主机时所要注意的事项。我最终选
17、用的是德国西门子公司生产的S7系列的S7-200PLC。S7-200PLC是德国西门子公司生产的超小型化PLC。它结构紧凑,扩展性能好,指令性能强大,它的强大功能使其无论是单机运行,或是连成网络都能实现复杂的控制功能,并且它有EM221、EM231等丰富的扩展模块。3.3输入输出点的估算根据被控对象对PLC控制系统的技术指标和要求,确定用户所需的输入、输出设备,据此确定PLC的I/O点数。在估算系统的I/O点数和种类时,要全面考虑输入、输出信号的个数,I/O信号类型(数字量/模拟量),电流、电压等级,是否有其它控制要求等因数。以上统计的数据是一台PLC完成系统功能所必须满足的,但具体要确定I/
18、O点数时,则要按实际I/O点数再向上附加20%30%的备用量。在选择PLC I/O点数的同时,还要考虑用户存储的存储容量。根据本设计的控制要求,本设计有起动停止两个输入点,南北方向和东西方向的红、黄、绿三灯6个输出点,4组数码管的段码显示共28个输出点。所以本设计总共有34个输出点。3.4主机型号的选择CPU是PLC的核心部分,由它实现逻辑运算,协调控制系统内部各部分的工作,它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。交通灯能否正常的工作就取决于CPU选取的是否合理,故CPU的选择是很重要的。而S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品,其中CPU22X型PLC有CPU221、C
19、PU222、CPU224和CPU226四种基本型号。I/O点数及可扩展的模块数见表3.1。根据输入输出的点数选取的主机类型为CPU224。CPU224的输入输出点比较多,它有I0.0-I0.7,I1.0-I1.5 14个输入点和Q0.0-Q0.7,Q1.0-Q1.1 10个输出点。CPU224的14个输入点可以满足本设计两输入点的需求,但是10个输出点不能满足本设计34个输出点的需求,因此需要再扩展28个输出点。3.1 S7-200系列中CPU22X的基本单元型号主机输入点数主机输出点数可扩展模块CPU22164无CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点CPU22
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