课设PLC交通灯控制系统设计

第一章基于PLC的交通灯控制系统PLC基础知识1.1PLC的概述可编程控制器（简称PLC）是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来，并逐渐发展成为以微处理器为核心，集计算机技术，自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。PLC改变原传统的“硬”接线程序控制方式为存储程序控制方式，即通过运行事先编好，并存于程序存储器中的用户程序来完成控制的功能。而控制要求改变时只需修改存储器中用户程序的部分语句即可。可编程控制器以其可靠性高，组合灵活，编程简单，维护方便等独特优势被日趋广泛应用于国民经济的各个控制领域，它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进水平的重要标志。1.2PLC的由来早期工业生产中广泛使用的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世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并从用户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）的十条要求，即：1、编程方便，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，对环境的适应性高；3、维修简单，采用模块化结构；4、体积小于继电器控制装置，能量消耗小；5、能与中央处理系统进行通信，以便监视系统运行状态和情况；6、系统能接受按钮及限位开关的信号流；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、用户程序存储器容量至少能扩展到4000个存储字节或存储单元。这就是著名的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。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，-1-基于PLC的交通灯控制系统造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。1.3PLC的定义可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，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(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC可编程控制器一直在迅速发展中，因此到目前为止，尚未对其下最后的定义。国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，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用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”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的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。1.4PLC的工作原理和过程PLC虽然以微处理器为核心，具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同，危机一般采用等待命令和中断的工作方式，而PLC则是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直到程序结束，然后重返回第一条指令，开始下一轮扫描。每次完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作，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。-2-123基于PLC的交通灯控制系统输入刷新阶段PLC在此阶段首先以扫描方式按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子的通断状态或输入数据，并将其存入内存中各对应的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，即使输入端状态有变化，输入状态映像寄存器中的内容也不发生变化。变化了的输入信号状态只能在下一周期的输入刷新阶段被读入。程序执行阶段PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条命令，所需的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，经过相应的运算处理后，将结果再写入元件映像寄存器中，因此对于每一个元件来说，元件映像寄存器中所存的内容会随着程序的执行进程而改变。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的通断状态在CPU的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。1.5PLC的结构PLC是以微处理器为核心的电子系统，索然厂家品种繁多，功能和指令系统存在差异，但其结构和工作原理大同小异，它一般由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出接口、电源、I/O扩展接口、外部设备接口、编程器等几个主要部分构成。中央处理单元CPUCPU作为整个PLC的核心起着总指挥的作用，是PLC运算和控制的中心，主要任务是1、诊断电源，内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。2、用扫描的方式采集由现场输入装置送来的数据和状态，并存入寄存器中。3、运行状态时，按用户程序中存放的先后顺序逐条读取指令，经编译后，按指令规定的任务完成各种运算和操作，根据运算结果存储相应数据，并更新所有标志位的状态和输出映像寄存器的内容。4、将存于数据寄存器中的数据处理结果和输出映像寄存器的内容送至输出电路。5、按照PLC中系统程序所赋予的功能按接收并存储从编程器输入的用户程序和数据，响应各种外部设备的工作请求。存储器-3-基于PLC的交通灯控制系统PLC内部存储器有两类：一类是系统程序存储器，用以存放系统程序（包括系统管理程序、监控程序、模块化应用功能子程序以及对用户程序做编译处理的编译解释程序等）。一类是用户存储器，包括用户存储区及工作数据存储区。其中用户程序存储区主要存放用户已编制好或正在调试的应用程序；工作数据存储区则包括存储各种输入端状态采样结果和各输出状态运算结果的输入/输出映像寄存器区、定时器/计数器的设定值和经过值存储区、各种内部编程元件状态及特殊标志位存储区，存放暂存数据和中间运算结果的数据寄存器区等等。输入/输出接口输入/输出接口是将PLC与现场各种输入、输出设备连接起来的部件。输入接口通过PLC的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）的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。输出接口则相反，它将CPU处理过的输出数字信号传送给输出端的电路元件，以控制其接通或断开，从而驱动接触器、电磁阀、指示灯等输出设备获得或是去工作所需的电压或电流。电源PLC的电源是指将外部输入的交流经过整流、滤波、稳压等处理后转换为满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电子电路工作需要的直流电源电路或电源模块。输入、输出接口电路的电源彼此相互独立，以避免或减小电源间的干扰。现在许多PLC的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，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且可以为输入设备或输出设备的传感器提供标准电源。编程器编程器是人与PLC联系和对话的工具，是PLC最重要的外围设备。用户可以利用编程器来输入，读出、检查、修改、调试用户程序，也可以用它监视PLC的工作状态、显示错误代码或修改系统寄存器的参数设置。I/O扩展接口-4-基于PLC的交通灯控制系统若主机（基本单元）的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，以增加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，以完成相应操作。1.6PLC的主要技术性能PLC的主要技术性能，通常可以用以下各种指标进行描述。1、I/O总点数I/O总点数是衡量PLC可以接收输入信号（I）和输出信号（O）的数量。PLC输入输出有开关量和模拟量两种，其中开关量用最大I/O点数表示，模拟量用最大I/O通道数表示。2、用户程序存储容量用户程序存储量是衡量可存储用户应用程序多少的指标，通常以字或K字为单位，PLC中通常以字为单位来存储指令和数据，一般的逻辑操作指令每条占一个字，定时/计数、移位等指令占2个字，而数据指令占2-4个字。3、编程语言编程语言一般有梯形图、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的编程装置。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的时间，一般每步几至几十微秒。6、扫描速度扫描速度是指扫描1K字用户程序所需的时间，一般以ms/K字为单位。7、指令系统指令系统的指令种类和数量是衡量PLC的软件功能强弱的重要指标。PLC的指令一般分为基本指令和高级指令两部分。8、内部继电器的种类和数量PLC内部继电器是指内部辅助继电器、定时器/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是否灵活方便。-5-基于PLC的交通灯控制系统9、其它除以上基本性能外，不同的PLC还有一些其他指标，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、主要硬件型号、工作环境及电源等级等。第二章模拟交通灯控制系统设计要求2.1十字路口交通灯控制设计要求描述1、按下开关S1后，交通灯白天模式工作，南北红灯亮10s，同时东西绿灯先平光亮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，同时南北绿灯平光亮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，数码管跟随红灯亮的10s开始显示时间的减少，一直的循环。2、白天时，按下开关S3，提前进入夜间模式，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，因夜间一般不会出现强制通行的任务。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，此时一般是有大的领导来的时候，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。保证夜间不管是什么情况，总能保证夜间模式的执行。白天正常工作时红黄绿灯亮灭对应时间如下：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9—0递减数字显示由9—0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，同时数码管显示8.按X0恢复正常。2.2十字路口交通灯的路况画出模拟图-6-基于PLC的交通灯控制系统北绿黄红绿黄西红红东黄绿红黄绿南2.1交通指挥灯示意图第3章交通灯控制系统硬件设计3.1PLC机型和容量的选择