PLC课程设计报告十字路口交通灯控制.doc
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1、十字路口交通灯控制摘要近年来随着科技的飞速发展,PLC的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益更新。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。交通信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有明显效果。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统,以及该系统软
2、、硬件设计方法,实验证明该系统实现简单、经济,能够有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力。针对选题十字路口交通信号灯控制系统设计,本文采用顺序控制设计法中并行序列的顺序功能图设计方法,将东西、南北两个方向的路灯并行控制,再以转换为中心的方法将顺序功能图转换为梯形图,最后利用编程器将指令输入PLC中进行调试,最终实现交通灯的自动控制。关键词:PLC、自动控制、梯形图、顺序功能图、交通灯控制系统第一章 PLC概述可编程控制器(PLC)是在继电器控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种新型的工业自动控制设备,它以微处理为核心,集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体,广泛应用于自动化的各个领域。P
3、LC从原来具有逻辑控制、顺序控制等功能,发展到现在已具有模拟量输入/输出、定位控制、旋转角度检测、高速计数、数据处理、联网通信等功能。PLC使用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程,适应工业环境,简单易懂,操作方便,是可靠性高的新一代通用工业控制装置。1.1 PLC的简介PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。事实上
4、,PLC就是以嵌入式CPU为核心,配以输入,输出等模块,可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。1.2 PLC的用途与特点1.2.1 PLC的用途PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型: (1)顺序控制这是PLC应用最广泛的领域,用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单
5、机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、随着电子技术和计算机技术的迅猛发展,PLC的功能也越来越强大,更多地具有计算机的功能,所以又简称PC(PROGRAMMABLE CONTROLLER),但是为了不和切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。 (2)运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下,PLC把扫描目标位置的数据送给模版块,其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时,位置控制模块保持适当的速度和加速度,确保运动平滑。 相对来说,位置控制模块比计算机数值控制(CNC)装置体积更小,价格
6、更低,速度更快,操作方便。 (3)闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数,如温度、压力、速度和流量等。PID(Proportional Intergral Derivative)模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。 (4)数据处理在机械加工中,出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制(CNC)设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列,已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自
7、由传递,该公司采用了窗口软件。通过窗口软件,用户可以独自编程,由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。 (5)通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化(FA)系统、柔性制造系统(FMS)及集散控制系统(DCS)等发展的需要,必须发展PLC之间,PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统,不仅PLC数据通信速率要求高,而且要考虑出现停电故障时的对策。 1.2.2PLC的特点 (1)抗干扰能力强,可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力,但使用了大量的机械触头,使
8、设备连线复杂,由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良,容易出现故障,PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。 而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成,大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代,故寿命长,可靠性大大提高。(2)配套齐全,功能完善,适用性强 PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模
9、的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (3)易学易用,深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事
10、工业控制打开了方便之门。 (4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 (5)体积小,重量轻,能耗低 以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。第二章 PLC控制系统设计2.1 设计任务和内容任务:设计一个能够控制十二盏交通信号灯的模拟系统。并且要求交通信号灯按照交通规则的模
11、试来运行。实验通过控制六个交通灯就好了。内容:因为本课程设计是交通灯的单片机控制设计,所以要了解实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口为东西南北走向。然后转状态1南北红灯,东西绿灯通车。过一段时间转状态2东西绿灯灭,黄灯闪烁几次,南北仍然红灯。再转状态3,南北绿灯通车,东西红灯。过一段时间转状态4,南北绿灯灭,闪几次黄灯,东西仍然红灯。最后循环至状态12.2 各软件功能分析 GX-Developer:GX Developer是三菱PLC的编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计,网
12、络参数设定,可进行程序的线上更改、监控及调试,具有异地读写PLC程序功能。 这次课程设计我们所使用的是(自己加)MCGS组态软件:MCGS即“监视与控制通用系统”,英文全称为Monitor Control Generated System。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件,具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。MCGS工控组态软件的功能和特点如下:1、 概念简单,易于理解和使用2、 功能齐全,便于方案设计3、 实时性与并行处理4、 建立实时数据库,便于用户分组组态,保证系统安全可靠运行5、 “面向窗口”的设计方法,增加了可视性和操作性第三章 十字
13、路口交通信号灯的具体设计3.1 方案比较 3.1.1 方案一:采用数字逻辑电路设计工作原理:选用十六进制计数器74161和3线-8线译码器74LS138。经过译码后,输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。其中黄灯信号必须满足间歇闪耀;在夜间时黄灯一直闪耀,而绿、红灯灭。基本组成:主要由控制器部分和数字显示部分,秒脉冲发生器等组成。显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时,使减法计数器开始工作(用对方的红灯信号控制),每来一个秒脉冲,使计数器减1,直到计数器为“0”停止。译码显示可用74LS47 驱动BCD码七段译码器,计数器采用可预制加、减计数器,如74LS168、74LS190、
14、74LS193等 数字电路的特点:数字电路的信号是不连续变化的数字信号,所以在数字电路中工作的器件多数工作在开关状态,即工作在饱和区和截止区,而放大区只是过渡状态。数字电路的主要研究对象是电路的输入和输出之间的逻辑关系,因而在数字电路中就不能采用模拟电路的分析方法,例如,微变等效电路法等就不适用了。这里的主要分析工具是逻辑代数,表达电路的功能主要用真值表,逻辑表达式及波形图等。其在任何时刻的输出,仅取决于电路此刻的输入状态,而与电路过去的状态无关,它们不具有记忆功能。 或者在任何时候的输出,不仅取决于电路此刻的输入状态,而且与电路过去的状态有关,它们具有记忆功能。3.1.2 方案二:PLC设计
15、采用计算机和FX2N-48M2系列PLC,在计算机上编译调试好交通灯控制程序,启动PLC写入程序,经过运行后,输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。其中黄灯信号必须满足间歇闪耀;在夜间时黄灯一直闪耀,而绿、红灯灭。可编程控制器交通灯控制系统的特点:编程简单,维修方便;联机自动就地工作;上机控制的单周期运行方式;由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制;自动启动、自动停机控制方式。近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高,使得实际应用成为可能。3.1.3 最终方案确定经过比较,本实验决定采用PLC设计,总结原因如下:PLC具有很高的可靠性,通常的平均无故障时间都在30万小时以上;
16、编程能力强,可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现;抗干扰能力强,目前空中各种电磁干扰日益严重,为了保证交通控制的靠稳定,我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC;安装简单维修方便,PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需要将现场的各种设备与PLC相应的I/O端连接,系统便可投入运行。综上所述,确定方案二为最终方案。3.2 十字路口交通信号灯的控制要求随着城市和经济的发展,交通信号灯发挥的作用越来越大,正因为有了交通信号灯,才使车流、人流有了规范,同时,减少了交通事故发生的概率。然而,交通信号灯不合理使用或设置,也会影响交通的顺畅。交通信号灯由红
17、灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行,绿灯表示准许通行,黄灯表示警示。交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。交通信号灯用于道路平面交叉路口,通过对车辆、行人发出行进或停止的指令,使各同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰,从而提高路口的通行能力,保障路口畅通和安全。北 南东西绿 黄红绿黄红红黄绿绿红黄十字路口交通信号灯现场示意图如图1所示,南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯,为确保交通安全,详细要求如下:图1 交通灯现场示意图详细要求:(1)信号灯受一个启动开关控制,当启动开关接通时,信号
18、灯系统开始工作,且先南北红灯亮,东西绿灯亮。当启动开关断开时,所有信号灯都熄灭。 (2)南北红灯亮维持25秒,在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮,并维持20秒。到20秒时,东西绿灯闪亮,闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时,东西黄灯亮,并维持2秒。到2秒时,东西黄灯熄灭,东西红灯亮,同时,南北红灯熄灭,绿灯亮。东西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持20秒,然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮,维持2秒后熄灭,这时南北红灯亮,东西绿灯亮。周而复始。或者:这里我们不懂1)采用PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。系统上电后,交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。SA1手柄指向左
19、45时,接点SA1-1接通,交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作,按照如图3-2所示工作时序周而复始,循环往复工作。SA1手柄指向中间0时,接点SA1-2接通,交通指挥系统南北向绿灯常亮,东西向红灯常亮,。SA1手柄指向右45时,接点SA1-3接通,交通指挥系统东西向绿灯常亮,南北向红灯常亮。图3-1交通灯现场示意图2)正常控制时 当东西方向允许通行(绿灯)时,南北方向应禁止通行(红灯);同样,当南北方向允许通行(绿灯)时,东西方向应禁止通行(红灯)。在绿灯信号要切换为红灯信号之前,为提醒司机提前减速并刹车,应有明显的提示信号:绿灯闪烁同时黄灯亮。信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。3.3
20、 十字路口交通灯控制实验面板图3.4十字路口交通灯模拟控制时序图 启动/停止南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯南北绿灯南北黄灯交通信号灯时序状态示意图3.5 交通灯控制流程图3.6 可编程控制器I/O端口分配根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析,系统采用自动控制方式,输入有系统开启与停止按钮信号;输出有东西方向、南北方向各两组指示信号。甲模拟东西向车辆行驶状况;乙模拟南北向车辆行驶状况由此可知,该系统所需的输入点数为1,输出点数为8,全部是开关量,则可将I/O分配用下表表示。输入元件输入地址输出元件输出地址开启/停止按钮SB0.00南北绿灯Y010.00南北黄灯Y110.01南北红灯Y210.0
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