plc控制红绿灯设计.docx
《plc控制红绿灯设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《plc控制红绿灯设计.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
plc控制红绿灯设计
毕业论文
PLC控制红绿灯设计
院系：
电气工程系
专业：
电气系统及自动化技术
学号：
1020112436
姓名：
郭慧
指导教师：
张帆
论文提交日期：
二〇一五年五月
摘要
电气控制技术是随着科学技术的不断发展及生产工艺不断提出新的要求而得到飞速发展的。
从最早的手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统。
从有触点的硬点接线继电器控制系统发展到以计算机为中心的软件控制系统，随着新电器元件的不断出现和计算机技术的发展，电气控制技术也在持续发展。
现代电气控制技术正是综合应用了计算机自动控制电子技术精密测量等许多先进的科学技术成果而迅速发展起来的。
当前PLC已经成为电气自动控制系统中应用最广泛的核心装置，在工业自动控制领域占有十分重要的地位。
可编程逻辑控制器，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。
1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称ProgrammableLogicController，简称PLC，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；
1971年，日本研制出第一台DCS-8；
1973年，德国西门子公司（SIEMENS）研制出欧洲第一台PLC，型号为SIMATICS4；
1974年，中国研制出第一台PLC，1977年开始工业应用。
目 录
1引言1
1.1PLC的发展史2
1.2PLC的结构2
1.3PLC的特点4
1.4 PLC的编程语言5
1.5PLC的主要功能5
1.6PLC的经济分析5
1.7编程控制器的应用6
1.8PLC发展状况及趋势6
2采用PLC控制红绿灯的优点7
3国内红绿灯控制现状7
4PLC控制系统设计概要8
4.1课题设计的目的和意义10
5系统控制方案的确定10
5.1系统设计的基本步骤10
5.2PLC的选型10
6结论14
致谢15
参考文献16
引言
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。
1.1PLC的发展历史
起源：
1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。
1969年，美国数字设备公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
1969年，美国研制出世界第一台PDP-14
1971年，日本研制出第一台DCS-8
1973年，德国研制出第一台PLC
1974年，中国研制出第一台PLC
发展：
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
1.2PLC的结构
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。
其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。
各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。
其结构简图如下：
图1 PLC结构图
（1）电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
（2）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（3）存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（4）输入输出接口电路
①现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
②现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
（5）功能模块
如计数、定位等功能模块
（6）通信模块
PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。
系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。
用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可的。
1.3PLC的特点
可编程序控制器是一种以微机处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。
国内外现有的机械手系统，它们的控制形式大都采用可编程序控制器控制，特别是在智能化要求程度高容量大的现代化工业机械手系统中应用更为普遍。
其主要原因是因为PLC具有以下优点：
（1）灵活、通用
在继电器控制系统中，使用的控制器件是大量的继电器，整个系统是根据设计好的电器控制图，由人工布线、焊接、固定等手段组装完成的，其过程费时费力。
如果因为工艺上的稍许变化，需要改变电器控制系统的话，那么原先的整个电器控制系统将被全部拆除，而重新进行布线、焊接、固定等工作，浪费了大量的人力、物力和时间。
而可编程控制器是通过存储在存储器中的程序实现控制功能的，如果控制功能需要改变的话，只需要修改程序以及改动极少量的接线即可。
而且，同一台可编程控制器还可以用于不同的控制对象，只要改变软件就可以实现不同的控制要求，因此具有很大的灵活性、通用性。
（2）可靠性高、抗干扰能力强
对于机械手系统来说，可靠性、抗干扰能力是非常重要的指标，如何能在各种工作环境和条件（如电磁干扰、低温潮湿、灰尘超高温等）下，平稳可靠的工作，将故障率降至最低，是研制每一种控制系统必须考虑的问题。
现代PLC采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠性程度是使用机械触点的继电器所无法比拟的。
为了保证PLC能在恶劣的工业环境可靠的工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施，使其可以适应恶劣的工业应用环境。
（3）操作方便、维修容易
PLC采用电气操作人员熟悉的梯形图和功能助记符编程，使用户十分方便的读懂程序和编写、修改程序。
对于使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识。
工程师编好的程序十分清晰直观，只要写好操作说明书，操作人员经短期的学习就可以使用。
（4）功能强
现代PLC不仅具有条件控制、计时、计数和步进等控制功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网和生产过程监控等。
因此，它既可控制开关量，又可控制模拟量；既可控制一个机械手，又可控制一个机械手群；既可控制简单系统，又可控制复杂系统；既可现场控制，又可远程控制。
（5）体积小、重量轻和易于实现机电一体化
由于PLC采用了半导体集成电路。
因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。
且PLC是为工业控制设计的专用计算机，其结构紧凑、坚固耐用、体积小巧，并由于具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为实现机电一体化十分理想的控制设备。
同样，可编程序控制器控制也有其不足的地方，在性价比上要高于继电器控制和单片机控制，其开发潜力要差于单片机，并且通用性不好，不同厂家的可编程序控制器以及其附属单元都是固定专用等等。
1.4PLC的编程语言
在IEC61131-3中，规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，并对以往编程语言进行了部分修改后形成目前通用的5种语言。
在这5种语言中，有3种是图形化语言，2种是文本化语言。
图形化编程语言包括：
梯形图（LD－Ladder Diagram）、功能块图（FBD － Function Block Diagram）、顺序功能图（SFC －Sequential Function Chart）。
文本化编程语言包括：
指令表（IL-Instruction List）和结构化文本 （ST-Strutured Text）。
继电器梯形图编程语言是PLC首先采用的编程语言，也是PLC最普遍采用的编程语言。
梯形图编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。
PLC的梯形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。
指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。
所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。
1.5PLC的主要功能
PLC是一种应用面很广、发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）内占重要地位。
PLC系统主要有以下功能：
（1）多种控制功能；
（2）数据采集、存储与处理功能；
（3）通信联网功能；
（4）输入、输出接口调理功能；
（5）人机界面功能；
（6）编程、调试功能。
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。
另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。
PLC产品面临现场总线的发展，将再次革新，满足工业与民用控制的更高需求。
1.6PLC的经济性分析
综上所述，在各种环境中，使用PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动化控制将越来越广泛。
对PLC的经济分析，应从以下几方面考虑：
（1）从影响成本的各个因素综合考虑
对目前生产设备控制装置来说，有三种类型：
① 继电器控制；② 半导体器件控制；③ PLC控制。
价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择控制装置时需要考虑的又一个重要因素。
（2）从设计、生产周期长短考虑
不论是对旧设备进行改造，还是设计新的生产机械设备。
毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。
这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。
如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。
这是因为使用PLC不必改动外部设备接线，只要对软件进行一些改变就可以了。
也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。
这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。
据调查，目前我国70%的机械生产设备，都是采用继电器进行控制的，除了可靠性差外，程序设计也很繁杂。
从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。
而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。
设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。
编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪种产品的程序，操作人员可以随时调用，这既简单、方便又保密。
1.7编程控制器的应用
可编程序控制器PC（Programmable Controller）又称可编程序控制器PLC（Programmable Logic Controller），是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学，调试和查错都很容易。
PLC现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一，以其可靠性、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备告诉计数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电－接触控制系统在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通、等行业得到广泛应用。
PLC的应用深度和广度已经成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。
1.8PLC发展状况及趋势
现代PLC的发展主要有两个趋势：
一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。
（1）大型网络化
主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。
网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连，向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。
（2）多功能
随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。
（1）控制方式上看：
PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）工作方式看：
PLC串行工作，不受制约。
（3）控制速度上看：
PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而五抖动一说。
（4）定时、计数看：
PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。
（5）可靠、维护看：
PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
2采用PLC控制红绿灯的优点
（1）控制方式上看：
PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。
（2）工作方式看：
PLC串行工作，不受制约。
（3）控制速度上看：
PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而五抖动一说。
（4）定时、计数看：
PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。
（5）可靠、维护看：
PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。
3国内红绿灯控制现状
国内的红绿灯系统曾经都是plc来控制，最早用西门子logo。
后来用200系列的。
现在的大部分已经使用专门设计单板电路控制（不过现在依然有不少用plc的。
第一阶段：
1.总体方案的确定：
熟悉控制对象和控制要求，分析控制过程，确定总体方案。
2.正确选用电气控制元件和PLC：
PLC控制系统是由PLC、用户输入及输出设备、控制对象等连接而成的。
应认真选择用户输入设备（按钮、开关、限位开关和传感器等）和输出设备（继电器、接触器、信号灯、电磁阀等执行元件）。
要求进行电气元件的选用说明。
必要时应设计完成系统主电路图。
根据选用的输入输出设备的数目和电气特性，选择合适的PLC。
PLC是控制系统的核心部件，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。
选择PLC应包括机型、容量、I/O点数、输入输出模块（类型）、电源模块以及特殊功能模块的选择等。
3.分配I/O点：
根据选用的输入输出设备、控制要求，确定PLC外部I/O端口分配。
a.作I/O分配表，对各I/O点功能作出说明。
b.画出PLC外部I/O接线图，依据输入输出设备和I/O口分配关系，画出I/O接线图。
接线图中各元件应有代号、编号等。
并在电器元件明细表中注明规格数量等。
4.PLC控制流程图及说明：
绘制PLC控制系统程序流程图，完成程序设计过程的分析说明。
第二阶段：
5.程序设计：
利用CX-Programmer编程软件编写控制系统的梯形图程序。
在满足系统技术要求和工作情况的前提下，应尽量简化程序，尽量减少PLC的输入输出点，设计简单、可靠的控制程序。
注意安全保护（检查联锁要求、防误操作功能等能否实现。
）
6.调试、完善控制程序：
a.利用CX-Programmer在计算机上仿真运行调试PLC控制程序。
b.与PLC仅输入及输出设备联机进行程序调试。
调试中对设计的系统工作原理进行分析，审查控制实现的可靠性，检查系统功能，完善控制程序。
控制程序必须经过反复调试、修改，直到满意为止。
7.撰写设计报告：
设计报告内容中应有控制要求、系统分析、主电路、控制流程图、I/O分配表、I/O接线图、内部元件分配表、系统电气原理图、用CX-P打印的PLC程序、程序说明、操作说明、结论、参考文献等。
要重点突出，图文并茂，文字通畅。
并应着重阐述本人工作内容和心得体会。
4PLC控制系统设计概要
（一）、PLC控制系统设计的基本原则
在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本要求：
1.最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
2.在满足控制要求的的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维修方便。
3.保证控制系统的安全、可靠。
4.考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余地。
（二）、PLC控制系统设计的一般步骤
PLC控制系统设计的一般步骤见以下流程图：
4课题设计的目的和意义
随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入个崭新的时代，其应用越来越广。
而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，环境越来越重要，好的环境能使心身愉快，做事效率提高。
其中喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温。
喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子，有益于改善社区面貌和增进居民身心健康。
5系统控制方案的确定
5.1系统设计的基本步骤
在红绿灯控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：
（1）深入了解和分析红绿灯的工艺条件和控制要求。
（2）确定I/O设备。
根据红绿灯控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。
常用的输入设备有按钮、选择开关等，常用的输出设备有指示灯等。
（3）根据I/O点数选择合适的PLC类型。
（4）分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或输入输出端子的接线图。
（5）设计红绿灯系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图（6）程序，这是整个红绿灯系统设计的核心工作。
（7）将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。
5.2PLC的选型
1.PLC选型的基本原则
一般从系统控制功能、指令和编程方式、PLC存储量和响应时间、通信联网功能等几个方面综合考虑。
所选PLC应能够满足控制系统的功能需要。
从应用角度来看，PLC可按控制功能或I/O点数分类。
从PLC的物理结构来看，PLC分为模块式和整体式。
PLC的指令系统一般包括逻辑指令、运算指令、控制指令、数据处理和其他特殊指令，这些指令能完成诸如开平方、对数运算、网络通信（PLC联网已成为一种发展趋势）等功能。
用户可从便于控制系统编程的角度来加以选择，只要能满足实际需要就可以了。
PLC的编程有两种方式：
在线和离线编程。
采用离线编程可降低成本，对大多数应用系统来说都可以满足生产需要，因而较多的中小型PLC都使用这种方法。
2.输入/输出模块的选择
输入模块将现场设备（如按钮开关）的信号进行检测并转换成PLC机内部的电平信号，它按电压分为交流式和直流式，按电路形式分为汇点输入式和分隔输入式。
选择输入模块时应考虑：
输入信号电压的大小，信号传输的距离长短，是否需要隔离及采用
升级会员 