机电系统创新综合设计说明书最终版.docx
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机电系统创新综合设计说明书最终版
目录
摘要1
一 PLC基础知识2
1.1PLC的概述2
1.2 PLC的由来2
1.3 PLC的定义3
1.5 PLC的结构5
二 模拟交通灯控制系统设计要求9
2.1 十字路口交通灯控制设计要求描述9
2.2十字路口交通灯的路况画出模拟图9
三 交通灯控制系统硬件设计10
3.1 PLC机型和容量的选择步骤与原则10
3.2 PLC容量的选择步骤与原则11
3.3 本系统选择的PLC12
3.4可编程控制器I/O端口分配12
四 模拟交通灯控制系统软件设计14
4.1 循环状态图14
4.2 流程图14
4.3 程序梯形图15
4.4电气原理图16
五 系统的软硬件调试17
5.1、硬件调试17
5.2、软件调试17
5.3、运行调试17
六总结18
七参考文献19
摘要
随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。
人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。
所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。
单片机也可以控制交通灯系统，由于单片机电子元件的可靠性没有PLC可靠性高，容易出现系统的错误，从而产生一些不便，甚至事故，所以为保证交通的畅行，十字路口的交通灯的控制显得尤为重要，不能有差错，在正常工作中，为了保证系统运行的可靠性一般选用PLC来控制交通灯。
可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。
它将传统继电器技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来，成为了工业自动化领域中最重要的、应用最多的控制设备，并已跃居工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）的首位。
近年来PLC的应用更为广泛，它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，对使用环境适应性强，同时其内部定时器资源十分丰富，十字路口的交通灯控制可方便地实现。
因此使用PLC控制交通灯系统势在必行。
一 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。
1.2 PLC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，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。
1.3 PLC的定义
可编程控制器（Programmable Controller）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（Programmable Logic Controller），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（Personal Computer）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。
1.4 PLC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。
1 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。
2 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。
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。
1.5 PLC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CPU
CPU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
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
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。
1.6 PLC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。
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。
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。
二 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）正常情况下A、B道（A、B道交叉组成十字路口，A是主道，B是支道）轮流放行，A道放行1分钟（其中5秒用于警告），B道放行30秒（其中5秒用于警告）。
（2）一道有车而另一道无车（用按键开关K1、K2模拟）时，使有车车道放行。
（3）有紧急车辆通过（用按键开关K0模拟）时，A、B道均为红灯。
2.2十字路口交通灯的路况画出模拟图
三 交通灯控制系统硬件设计
3.1 PLC机型和容量的选择步骤与原则
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。
不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。
因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的选择主要应从PLC的机型、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机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。
选择时主要考虑以下几点：
1、合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I／O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小 一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便在I／O点数、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。
2、安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I／O硬件，系统反应快、成本低；远程I／O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I／O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I／O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。
3、相应的功能要求
一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A／D和D／A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂，要求实现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程度，选用中档或高档PLC。
但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
4、响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。
如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I／O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
5、系统可靠性的要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。
对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
6、机型尽量统一
主要考虑到以下三方面问题：
1）机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。
2）
2）机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。
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个多级分布式控制系统。
3.2 PLC容量的选择步骤与原则
PLC的容量包括I／O点数和用户存储容量两个方面。
1、I／O点数的选择
PLC平均的I／O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I／O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少，但必须留有一定的裕量。
通常I／O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%~15%的裕量来确定。
2、存储容量的选择
用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。
一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。
PLC的I／O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I／O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%~30%的裕量。
存储容量（字节）＝开关量I／O点数×10＋模拟量I／O通道数×100
3.3 本系统选择的PLC
本次交通灯设计用的是S7-200可编程控制器。
由于实验室的PLC是西门子S7-200可编程控制器，所以为了方便演示而选择的。
3.4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设计分析，系统采用自动控制方式和人工干预控制两种，有输出有东西方向、南北方向各两组指示信号。
由于每一个方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为了节省输出点数，可采用并联输出方法。
当处于强制通行时，有处于强制通行模式的指示灯。
则可将I//O分配用表3-1和表3-2表示
表3-1 输入口地址分配表
输入口地
址分配表
I0.0
总开关
I0.1
A车道单独放行
I0.2
B车道单独放行
I0.3
紧急情况（AB均为红灯）
表3-2输出口地址分配表
输出口地
址分配表
Q0.0
红灯（A道）
Q0.1
红灯（B道）
Q0.2
绿灯（A道）
Q0.3
绿灯（B道）
Q0.3
黄灯（A道）
Q0.5
黄灯（B道）
四 模拟交通灯控制系统软件设计
4.1 循环状态图
时间
红灯
绿灯
黄灯
A
B
A
B
A
B
0——25（S）
亮
亮
25——30（S）
亮
亮
25——30（S）
亮
亮
85——90（S）
亮
亮
4.2 流程图
4.3 程序梯形图
4.4电气原理图
五 系统的软硬件调试
5.1、硬件调试
接通电源，检查松下FP-1C40型可编程控制器是否可以正常工作，接头是 否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。
电脑与PLC连接正确之后， 再连接交通灯的外接电路，将数码管和模拟交通连接，并连上电源线。
通 过下载程序，调试电路是否正确。
5.2、软件调试
打开FPSOFT软件，按要求输入梯形图，看软件是否与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，进行下一步的运行调 试。
5.3、运行调试
在硬件调试和软件调试的基础上，运行此程序并进行调试直至程序可以按 照系统要求运行。
六总结
经过设计，想一次性把程序完成是非常难的，在调试中就出现了不少的错误。
刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来而且在完成了一个周期后就循环不起来了。
那时真的不知道从哪里入手，只好一条一条地检查才发现了一条指令。
最后灯虽然是亮了，但仍然循环不起来。
从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出来。
突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控，于是发现了在程序的第一周期一切都运行正常，但再运行下去的时候第二周期就再没有反应了，包括里面的辅助继电器，最后发现原来是程序前面没有并上完成这个循环的继电器号。
后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了。
虽然找错误是一个枯燥无味的工作，但只要你耐心的去做的话，你肯定能学到有用的东西。
通过此次课程设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电气行业的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。
七参考文献
[1]张运波．工厂电气控制技术．北京：
高等教育出版社，2001
[2]廖常初．PLC基础及应用．北京：
机械工业出版社，2002
[3]郁汉琪．电气控制与可编程控制器应用技术．东南大学出版社，2003
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