课设PLC交通灯控制新版专业系统设计.doc

摘 要： 本设计是用PLC来实现对十字路口交通信号灯控制，其控制办法是采用西门子S7-200系列CPU224型号PLC对东西南北红、黄、绿、左绿灯实既有规律循环闪亮，以达到对交通信号灯控制。控制过程中采用了顺序控制设计法用了八个定期器六个计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象控制。控制程序涉及有顺序功能图（SFC）、梯形图(LAD)、指令表(STL)。仿真测试用是S7-200汉化版仿真软件进行仿真，最后通过多次调试实现了咱们所需所有设计规定。核心词： PLC S7-200，交通信号灯，顺序功能图，梯形图第一章 PLC基本知识1.1 PLC概述可编程控制器（简称PLC）是在继电器控制和计算机技术基本上开发出来，并逐渐发展成为以微解决器为核心，集计算机技术，自动控制技术及通讯技术于一体一种新型工业控制装置。PLC变化原老式“硬”接线程序控制方式为存储程序控制方式，即通过运营事先编好，并存于程序存储器中顾客程序来完毕控制功能。而控制规定变化时只需修改存储器中顾客程序某些语句即可。可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简朴，维护以便等独特优势被日趋广泛应用于国民经济各个控制领域，它应用深度和广度已成为一种国家工业先进水平重要标志。1.2 PLC由来 初期工业生产中广泛使用电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，随着20世纪工业生产迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代周期日趋缩短，新产品不断涌现，老式继电器控制系统难以满足当代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式生产控制规定，为了变化这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，规定用新控制装置取代继电器控制装置，并从顾客角度提出了招标研制新一代工业控制器（可编程序逻辑控制器）十条规定，即： 1、编程以便，现场可修改程序，可迅速重新设计；2、可靠性高于继电器控制装置，对环境适应性高；3、维修简朴，采用模块化构造；4、体积不大于继电器控制装置，能量消耗小；5、能与中央解决系统进行通信，以便监视系统运营状态和状况；6、系统能接受按钮及限位开关信号流；7、输出信号能直接驱动电动机起动器及电磁阀线圈；8、在扩展时，原系统只要很小变更，并在很短时间内变更完毕；9、成本可与继电器控制系统竞争；10、顾客程序存储器容量至少能扩展到4000个存储字节或存储单元。 这就是知名GM10条，1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型工业控制装置以其简朴易懂，操作以便，可行性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列长处，不久地在美国其她工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置浮现，也受到了世界其她国家高度注重。1971日本从美国引进了这项新技术，不久研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们第一台PLC。国内从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。1.3 PLC定义可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中一员，是为工业控制应用而设计制造。初期可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它重要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术发展，这种装置功能已经大大超过了逻辑控制范畴，因而，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)简称混淆，因此将可编程控制器简称PLC可编程控制器始终在迅速发展中，因而到当前为止，尚未对其下最后定义。国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC 原则草案第一稿，第二稿，并在1987 年2 月通过了对它如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定 时，计数与算术操作等面向顾客指令，并通过数字或模仿式输入/输出控制各种类型机械或生产过程。可编程控制器及其关于外部设备，都按易于与工业控制系 统联成一种整体，易于扩充其功能原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造计算机。它具备丰富输入/输出接口，并且具备较强驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一详细工业应用，在实际应用时，其硬件需依照实际需要进行选用配备，其软件需依照控制规定进行设计编制。1.4 PLC工作原理和过程PLC虽然以微解决器为核心，具备微机许多特点，但它工作方式却与微机有很大不同，危机普通采用等待命令和中断工作方式，而PLC则是采用“顺序扫描、不断循环”方式进行工作。当PLC运营时，CPU依照顾客按控制规定编写好并存于顾客存储器中程序，按指令步序号周期性程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行顾客程序，直到程序结束，然后重返回第一条指令，开始下一轮扫描。每次完毕对输入信号采样和对输出状态刷新等工作，如此周而复始。PLC工作过程大体分三个阶段：输入刷新阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。1 输入刷新阶段PLC在此阶段一方面以扫描方式按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子通断状态或输入数据，并将其存入内存中各相应输入状态映像寄存器中，这一过程称为输入刷新。随后关闭输入端口，进入程序执行阶段，在程序执行阶段，虽然输入端状态有变化，输入状态映像寄存器中内容也不发生变化。变化了输入信号状态只能在下一周期输入刷新阶段被读入。2 程序执行阶段PLC在程序执行阶段，按顾客程序顺序扫描执行每条命令，所需执行条件可以从输入映像寄存器中和元件状态寄存器中读入，通过相应运算解决后，将成果再写入元件映像寄存器中，因而对于每一种元件来说，元件映像寄存器中所存内容会随着程序执行进程而变化。3 输出刷新阶段当程序所有指令执行完毕，输出状态映像寄存器通断状态在CPU控制之下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定输出方式，推动外部相应执行元件工作。1.5 PLC构造PLC是以微解决器为核心电子系统，索然厂家品种繁多，功能和指令系统存在差别，但其构造和工作原理大同小异，它普通由中央解决单元CPU、存储器、输入/输出接口、电源、I/O扩展接口、外部设备接口、编程器等几种重要某些构成。中央解决单元CPU CPU作为整个PLC核心起着总指挥作用，是PLC运算和控制中心，重要任务是1、诊断电源，内部电路工作状态及编制程序中语法错误。2、用扫描方式采集由现场输入装置送来数据和状态，并存入寄存器中。3、运营状态时，按顾客程序中存储先后顺序逐条读取指令，经编译后，按指令规定任务完毕各种运算和操作，依照运算成果存储相应数据，并更新所有标志位状态和输出映像寄存器内容。4、将存于数据寄存器中数据解决成果和输出映像寄存器内容送至输出电路。5、按照PLC中系统程序所赋予功能按接受并存储从编程器输入顾客程序和数据，响应各种外部设备工作祈求。存储器PLC内部存储器有两类：一类是系统程序存储器，用以存储系统程序（涉及系统管理程序、监控程序、模块化应用功能子程序以及对顾客程序做编译解决编译解释程序等）。一类是顾客存储器，涉及顾客存储区及工作数据存储区。其中顾客程序存储区重要存储顾客已编制好或正在调试应用程序；工作数据存储区则涉及存储各种输入端状态采样成果和各输出状态运算成果输入/输出映像寄存器区、定期器/计数器设定值和通过值存储区、各种内部编程元件状态及特殊标志位存储区，存储暂存数据和中间运算成果数据寄存器区等等。输入/输出接口输入/输出接口是将PLC与现场各种输入、输出设备连接起来部件。输入接口通过PLC输入端子接受现场输入设备（如限位开关、操作按钮、光电开关、温度开关等）控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和解决数字信号。输出接口则相反，它将CPU解决过输出数字信号传送给输出端电路元件，以控制其接通或断开，从而驱动接触器、电磁阀、批示灯等输出设备获得或是去工作所需电压或电流。电源PLC电源是指将外部输入交流通过整流、滤波、稳压等解决后转换为满足PLCCPU、存储器、输入输出接口等内部电子电路工作需要直流电源电路或电源模块。输入、输出接口电路电源彼此互相独立，以避免或减小电源间干扰。当前许多PLC直流电源采用直流开关稳压电源，这种电源稳压性能好、抗干扰能力强，不但可提供多路独立电压供内部电路使用，并且可觉得输入设备或输出设备传感器提供原则电源。编程器编程器是人与PLC联系和对话工具，是PLC最重要外围设备。顾客可以运用编程器来输入，读出、检查、修改、调试顾客程序，也可以用它监视PLC工作状态、显示错误代码或修改系统寄存器参数设立。I/O扩展接口若主机（基本单元）I/O接口不能满足 输入输出设备点数需要时，可以通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与基本单元相连，以增长I/O点数。外部设备接口外部设备接口可将编程器、上位计算机、图形监控系统、打印机、条码判读器等外部设备与主机CPU连接，以完毕相应操作。1.6 PLC重要技术性能PLC重要技术性能，普通可以用如下各种指标进行描述。1、 I/O总点数I/O总点数是衡量PLC可以接受输入信号（I）和输出信号（O）数量。PLC输入输出有开关量和模仿量两种，其中开关量用最大I/O点数表达，模仿量用最大I/O通道数表达。2、 顾客程序存储容量顾客程序存储量是衡量可存储顾客应用程序多少指标，普通以字或K字为单位，PLC中普通以字为单位来存储指令和数据，普通逻辑操作指令每条占一种字，定期/计数、移位等指令占2个字，而数据指令占2-4个字。3、 编程语言编程语言普通有梯形图、语句表、控制系统程序流图等几种，因PLC不同而不同。4、 编程手段手持编程器、CRT编程器、计算机编程分为小型、中型及大型PLC编程装置。5、 指令执行时间指令执行时间是指CPU执行基本指令所需要时间，普通每步几至几十微秒。6、 扫描速度扫描速度是指扫描1K字顾客程序所需时间，普通以ms/K字为单位。7、 指令系统指令系统指令种类和数量是衡量PLC软件功能强弱重要指标。PLC指令普通分为基本指令和高档指令两某些。8、 内部继电器种类和数量PLC内部继电器是指内部辅助继电器、定期器/计数器、移位寄存器、特殊功能继电器等，其数量多少关系到编程与否灵活以便。9、其他除以上基本性能外，不同PLC尚有某些其她指标，如输入/输出方式、特殊功能模块种类、自诊断、通讯联网、远程I/O、监控、重要硬件型号、工作环境及电源级别等。第二章 模仿交通灯控制系统设计规定2.1 十字路口交通灯控制设计规定描述1、按下开关S1后，交通灯白天模式工作，南北红灯亮10s，同步东西绿灯先平光亮5s，再闪烁亮3s，然后东西黄灯亮2s；总共10s结束后，东西红灯亮10s，同步南北绿灯平光亮5s，再闪烁亮3s，然后南北黄灯亮2s，依次循环下去，在此过程中，数码管跟随红灯亮10s开始显示时间减少，始终循环。2、白天时，按下开关S3，提迈进入夜间模式，当此时按S2时，交通灯控制系统可以关断，但夜间模式时按S4键进入不了强制通行状态，因夜间普通不会浮现强制通行任务。3、白天模式时、按下S4，交通灯进入强制通行状态，交通灯所有红灯亮，并且，数码管显示全为8，象征吉利，此时普通是有大领导来时候，要一路同行时使用。当通行完毕后按S1即可恢复正常。4、当过一段时间，白天模式进行60s后，自动进入夜间模式，夜间模式持续30s时，自动转为白天模式，在夜间模式时，只能有黄灯闪烁，按任意按钮都没有作用，只要是PLC通电，夜间模式就能执行。保证夜间不论是什么状况，总能保证夜间模式执行。白天正常工作时红黄绿灯亮灭相应时间如下：东西信号绿灯亮绿灯闪黄灯红灯亮时间5s3s2s10s南北信号红灯亮绿灯亮绿灯闪黄灯亮时间10s5s3s2s数码管显示数字显示由90递减数字显示由90递减夜间模式只能黄色灯闪，不能关闭。30s后转为白天模式，再60s转为夜间模式强制通行强制所有红灯亮，同步数码管显示8.按X0恢复正常。2.2十字路口交通灯路况画出模仿图北 南东西2.1交通指挥灯示意图绿 黄红绿黄红红黄绿绿红黄 第3章 交通灯控制系统硬件设计3.1 PLC机型和容量选取环节与原则随着PLC技术发展，PLC产品种类也越来越多。不同型号PLC，其构造形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，合用场合也各有侧重。因而，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统技术经济指标有着重要意义。PLC选取重要应从PLC机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 PLC机型选取基本原则是在满足功能规定及保证可靠、维护以便前提下，力求最佳性能价格比。选取时重要考虑如下几点：1、合理构造型式PLC重要有整体式和模块式两种构造型式。 整体式PLC每一种IO点平均价格比模块式便宜，且体积相对较小 普通用于系统工艺过程较为固定小型控制系统中；而模块式PLC功能扩展灵活以便在IO点数、输入点数与输出点数比例、IO模块种类等方面选取余地大，且维修以便，普通于较复杂控制系统。2、安装方式选取 PLC系统安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网分布式。集中式不需要设立驱动远程IO硬件，系统反映快、成本低；远程IO式合用于大型系统，系统装置分布范畴很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网分布式合用于多台设备分别独立控制，又要互相联系场合，可以选用小型PLC，但必要要附加通讯模块。3、相应功能规定 普通小型(低档)PLC具备逻辑运算、定期、计数等功能，对于只需要开关量控制设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模仿量控制系统，可选用能带AD和DA转换单元，具备加减算术运算、数据传送功能增强型低档PLC。 对于控制较复杂，规定实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂限度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，普通用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。4、响应速度规定 PLC是为工业自动化设计通用控制器，不同档次PLC响应速度普通都能满足其应用范畴内需要。如果要跨范畴使用PLC，或者某些功能或信号有特殊速度规定期，则应当慎重考虑PLC响应速度，可选用品有高速IO解决功能PLC，或选用品有迅速响应模块和中断输入模块PLC等。5、系统可靠性规定 对于普通系统PLC可靠性均能满足。对可靠性规定很高系统，应考虑与否采用冗余系统或热备用系统。6、机型尽量统一 重要考虑到如下三方面问题： 1)机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件采购和管理。 2)机型统一，其功能和用法类似，有助于技术力量培训和技术水平提高。 3)机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一种多级分布式控制系统。3.2 PLC容量选取环节与原则 PLC容量涉及IO点数和顾客存储容量两个方面。1、IO点数选取 PLC平均IO点价格还比较高，因而应当合理选用PLCIO点数量，在满足控制规定前提下力求使用IO点至少，但必要留有一定裕量。 普通IO点数是依照被控对象输入、输出信号实际需要，再加上10%15%裕量来拟定。2、存储容量选取 顾客程序所需存储容量大小不但与PLC系统功能关于，并且还与功能实现办法、程序编写水平关于。一种有经验程序员和一种初学者，在完毕同一复杂功能时，其程序量也许相差25%之多，因此对于初学者应当在存储容量估算时多留裕量。 PLCIO点数多少，在很大程序上反映了PLC系统功能规定，因而可在IO点数拟定基本上，按下式估算存储容量后，再加20%30%裕量。 存储容量(字节)开关量IO点数10模仿量IO通道数1003.3 本系统选取PLC本次交通灯设计用是FP-1C40可编程控制器。由于实验室PLC是松下FP-1C40可编程控制器，所觉得了以便演示而选取。3.4可编程控制器I/O端口分派依照对交通指挥信号灯系统控制设计分析，系统采用自动控制方式，输入有系统白天模式按钮，白天关闭系统按钮，夜间模式按钮，白天强制通行按钮，输出有东西方向、南北方向各两组批示信号。由于每一种方向两组批示灯中，同种颜色批示灯同步工作，为了节约输出点数，可采用并联输出办法。当夜间模式时有显示正处在夜间模式批示灯，当处在白天模式时有处在白天模式批示灯，当处在强制通行时，有处在强制通行模式批示灯。由此可知，该系统所需输入点数为4，输出点数为16。所有是开关量，则可将I/O分派用表3-1和表3-2表达表3-1 输入口地址分派表输入口地址分派表白天工作开按钮S1X0白天工作关按钮S2X1夜间模式按钮S3X2强制通行按钮S4X4表3-2输出口地址分派表输出口地址分派表东西红灯Y0数码管a段Y8东西黄灯Y1数码管b段Y9东西绿灯Y2数码管c段YA南北红灯Y3数码管d段YB南北黄灯Y4数码管e段YC南北绿灯Y5数码管d段YD显示强制通行Y6数码管f段YE显示夜间模式Y7显示白天工作YF3.3 PLC外部接线图 Y0X0 Y1X1 X2 Y2X3 Y3COM Y4Y8 Y9 Y5YA Y6YB YC Y7 YD YFYE COM1AGBCDEF东西红灯东西绿灯东西黄灯南北红灯南北绿灯南北黄灯强制同行夜间显示白天显示电源数码管端口白天开S1白天关S2夜间开S3强制通行S4图3-1,PLC外部接线图第四章 模仿交通灯控制系统软件设计4.1 时序图交通等正常白天工作时，对指挥灯控制规定按一定期序进行，如下：启动/南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯南北绿灯南北黄灯图3.2 交通信号灯时序状态示意图夜间模式时，只有每个路口黄灯交替闪烁。4.2 继电器、定期器、计数器、寄存器功能分派表如附件4所示。4.3 流程图依照交通灯工作实际控制状况，可得出其流程图如图附5所示,。4.4 程序梯形图依照对交通信号灯控制规定及PLC控制系统I/O分派定义，可对PLC进行控制程序设计，其梯形图如附件6所示。下面对所设计梯形图作几点阐明：(1) 当按下S1按钮，白天模式批示灯YF亮，Y0接通10s，东西红灯亮10s，数码管由9每秒递减至0， 同步Y5接通亮，南北绿灯亮5s，闪烁3s，之后Y4接通南北黄灯亮2s。之后，南北黄灯灭，数码管由9每秒递减至0， Y3接通，南北红灯亮10s，同步，Y2接通，东西红灯变为绿灯亮5s，闪3s，然后，Y1接通。东西黄灯亮2s。(2) 白天时，按下S3，进入强制通行状态，Y0和Y3保持接通，东西南北红灯始终亮。(3) 白天时，按下S2，可以进入夜间模式，Y1和Y4同步间隔通电，南北黄灯闪烁，再按其她键可以返回其她状态。(4) 白天时，按下S1，关闭整个系统，但时间照样走(5) 夜间时执行夜间模式，Y1和Y4同步间隔通电，东西南北黄灯闪烁，同步按其他键都没关于闭或更换模式功能。 第五章 系统软硬件调试5.1、硬件调试接通电源，检查松下FP-1C40型可编程控制器与否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑通信口连接。电脑与PLC连接对的之后，再连接交通灯外接电路，将数码管和模仿交通连接，并连上电源线。通过下载程序，调试电路与否对的。5.2、软件调试打开FPSOFT软件，按规定输入梯形图，看软件与否与PLC可编程控制器正常连接，下载此梯形图到PLC可编程控制器，进行下一步运营调试。5.3、运营调试在硬件调试和软件调试基本上，运营此程序并进行调试直至程序可以按照系统规定运营。参照文献和资料1、吴建强、姜三勇编著可编程控制器原理及其应用，哈尔滨工业大学出版社,1998年9月。2、常斗南主编，可编程控制器原理应用实验，机械工业出版社，1998年7月。3、李俊秀、赵黎明主编，编程控制器应用技术实训指引，化学工业出版社，1月。4、中华人民共和国期刊网附件:附件1 输入口地址分派表输入口地址分派表白天工作开按钮S1X0白天工作关按钮S2X1夜间模式按钮S3X2强制通行按钮S4X4附件2 输出口地址分派表输出口地址分派表东西红灯Y0数码管a段Y8东西黄灯Y1数码管b段Y9东西绿灯Y2数码管c段YA南北红灯Y3数码管d段YB南北黄灯Y4数码管e段YC南北绿灯Y5数码管d段YD显示强制通行Y6数码管f段YE显示夜间模式Y7显示白天工作YF附件3 PLC接线原理图 Y0X0 Y1X1 X2 Y2X3 Y3COM Y4Y8 Y9 Y5YA Y6YB YC Y7 YD YFYE COM1AGBCDEF东西红灯东西绿灯东西黄灯南北红灯南北绿灯南北黄灯强制同行夜间显示白天显示电源数码管端口白天开S1白天关S2夜间开S3强制通行S4附件4继电器、定期器、计数器、寄存器功能分派表内部通用继电器功能分派表R35其通断控制白天模式时绿灯闪烁R23白天模式时按下按钮S4，转为强制通行R22参加控制白天和夜间模式循环交替R21参加控制白天和夜间模式循环交替R9接通后数码管显示9R8接通后数码管显示8R7接通后数码管显示7R6接通后数码管显示6R5接通后数码管显示5R4接通后数码管显示4R3接通后数码管显示3R2接通后数码管显示2R1接通后数码管显示1R0接通后数码管显示0特殊内部继电器功能分派表R901C产生1妙间隔矩形波，使绿灯闪烁R9010常闭继电器，保持所在点常闭定期器功能分派表T10与T11一并形成振荡电路，提供夜间黄灯闪烁信号T11与T10一并形成振荡电路，提供夜间黄灯闪烁信号T20参加白天模式和夜间模式更替时间控制T0东西红灯亮时间计时T1南北红灯亮时间计时T2东西绿灯平光计时T3东西绿灯闪烁计时T4东西黄灯计时T5南北绿灯平光计时T6南北绿灯闪烁计时T7南北黄灯计时计数器功能分派表C100参加白天模式和夜间模式更替时间控制C101参加白天模式和夜间模式更替时间控制寄存器功能分派表EV0通过值寄存器，当等于某个通过值时，相应数码管通电EV1通过值寄存器，当等于某个通过值时，相应数码管通电SV0设定值寄存器，上电瞬间，将设定值存入设定寄值存器SV1设定值寄存器，上电瞬间，将设定值存入设定寄值存器K十进制常数寄存器，存入相相应十进制数，和EV通过值相比较，如果相等，相应数码管通电附件5 PLC程序流程图按白天按钮东西红灯亮10s东西绿灯亮5s东西绿灯闪3s东西黄灯亮2s东西黄灯亮2s东西黄灯亮2s东西黄灯亮2s东西黄灯亮2s白天结束？N东西南北黄灯闪烁，其她灯全灭夜晚结束？NYY强制通行？夜间模式？YNY南北红灯全亮数码管显示8，其她灯灭白天模式？夜间模式？NY结束附件6程序梯形图