基于PLC的交通灯控制.docx
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基于PLC的交通灯控制
电气工程学院
课程设计说明书
电气控制与PLC
设计题目:
基于PLC的交通灯控制
系别：
仪器工程与科学系
年级专业：
10级检测一班
学号：
学生姓名：
燕山小妖
指导教师：
张立国
教师职称：
副教授
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：
电气控制与PLC
基层教学单位：
仪器科学与工程系指导教师：
张立国
学号
1001030200044
学生姓名
许帆
（专业）班级
10级检测一班
设计题目
基于PLC的交通灯控制
设
计
技
术
参
数
1.设计内容见附页（14）
2.使用组态王实现上位控制
3.公共实践（四层电梯）
4.公共实践（邮件分拣）（选作）
5.查阅资料（变频器）
设
计
要
求
采用PLC进行设计。
画出系统图，采用梯形图编程，并给出相应的组态控制工程（附主画面）。
结合公共实践部分，完成设计说明书。
参
考
资
料
“电气控制”类图书及论文资料
“可编程控制器”类图书及论文资料
周次
20周
应
完
成
内
容
分析设计要求、查资料、确定方案，设计梯形图、设计上位组态
撰写课程设计说明书，答辩
指导教
师签字
张立国
基层教学单位主任签字
说明：
1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
一摘要
PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
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.
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
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。
二四层电梯
2.1用PLC做四层电梯的意义
随着城市建设的不断发展，楼群建筑不断增多，电梯在当今社会的生活中有着广泛的应用。
电梯作为楼群建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，大部分电梯控制系统都采用随机逻辑方式控制。
目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。
从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。
国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定、可靠性高等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器（PLC）来实现。
在电梯控制系统中，采用PLC构成的系统，具有可靠性高，故障率低，维修方便等优点。
2.2自动电梯相关原理知识
电梯以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。
电梯是机电一体化产品。
其机械部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。
电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。
2.3运行要求
[1]电梯上行：
①当电梯停于1楼（1F）或2F、3F时，4楼呼叫．则上行到4楼碰行程开关后停止。
②电梯停于1F或2F，3F呼叫、则上行，到3F行程开关控制停止。
②电梯停于1F，2F呼叫，则上行，到2F行程开关控制停止。
④电梯停于lF，2F、3F同时呼叫，则电梯上行到2F后，停5秒种，继续上行到3F停止。
⑤电梯停于1F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到．3F，停5秒，继续上行到4F停止。
⑥电梯停于1F，2F、4P同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到4F停止
⑦电梯停于1F，2F、3F、4F同时呼叫，电梯上行到2F，停5秒，继续上行到3F，停5秒，继续上行到4F停止。
⑧电梯停于2F、3F，4F同时呼叫，电梯上行到3F停5秒，继续上行到4F停止。
电梯下行：
①电梯停于4F或3F或2F，1F呼叫，电梯下行到1F停止。
②电梯停于4F或3F，2F呼叫，电梯下行到2F停止。
③电梯停于4F，3F呼叫，电梯下行到3F停止。
④电梯停于4F，3F、2F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F停止
⑤电锑停于4F，3F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到1F停止
⑥电梯停于4F，2F、1F同时呼叫，电梯下行到2F，停5秒，继续下行到1F停止。
⑦电梯停于4F，3F、2F、1F同时呼叫，电梯下行到3F，停5秒，继续下行到2F停5秒，继续下行到lF停止。
各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障。
电梯停于某一层，数码管应显示该层的楼层数。
设计电梯停于2F,3F时，电梯运行状态。
（上下同时呼叫时，采取先上后下的原则）
2.4输入输出分配表
表一输入输出分配表
输入
输出
主机
实验模块
注释
主机
实验模块
注释
X1
LAY1
一楼行程开关
Y0
DJB
电机下行
X2
LAY2
二楼行程开关
Y1
DJA
电机上行
X3
LAY3
三楼行程开关
COM1
24V
X4
LAY4
四楼行程开关
COM0
24V
X12
2DN
二层下呼
Y6
A
数码管段码
X13
3DN
三层下呼
Y7
B
X14
4DN
四层下呼
Y10
C
X11
1UP
一层上呼
Y11
D
X12
2UP
二层上呼
Y12
E
X13
3UP
三层上呼
Y13
F
Y14
G
X0
RST
复位
LEDCOM
GND
COM2
24V
X5
IN1
一层内选按钮
X6
IN2
二层内选按钮
24V
24V
X7
IN3
三层内选按钮
GND
GND
X10
IN4
四层内选按钮
COM
COM
GND
2.5四层电梯PLC设计步进梯形图
三十字路口信号灯控制系统
3.1组态王的介绍
（1）特点
组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
（2）实践
1、使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：
（1）图形界面的设计
（2）构造数据库
（3）建立动画连接
（4）运行和调试
2、使用组态王软件开发具有以下几个特点
（1）实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。
（2）该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
3、在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:
（1）图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
（2）数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。
（3）连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
3.2组态王实现步骤
（1）创建新工程
选择菜单“文件\新建工程”或单机“新建”按钮，弹出“新建工程向导之一”对话框，如图
单击“下一步”继续，弹出“新建工程向导之二”对话框，输入“交通灯”，如图
单击“下一步”继续，弹出“新建工程向导之三”对话框，在工程名称里输入“交通灯”，点击完成，如图
点击完成在“组态王工程浏览器”就可以看到已经创建好的工程了，如图：
（2）定义变量
对于变量的定义，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如时间、位置等。
在我们的题目中我们需要定义的变量有：
钻头位置、控制电机、各个控制开关、指示灯等等。
当我们创建动画时需要用这些变量将不同的画面之间建立联系。
变量的类型选择需要根据具体的应用来选择，由于此次课程设计我们实验室的PLC试验箱不能实现与组态王相连接，因此定义的变量类型均为内存型的。
所定义的变量如图所示：
（3）图形界面的设计
图形界面的设计是用抽象的图形画面来模拟实际的现场和相应的工控设备。
下面为我设计的最终效果图
（4）建立动画连接
当我们完成控制工程的图画设计与变量定义之后，要想建立动画还应该将这些图画与定义的变量进行连接，应用组态王的编程语言，通过编程来实现对变量的控制，进而实现了对画面运行的控制。
程序的设计是基于工程控制来进行的，以实际情况为基础我们建立的动画应满足实际情况。
这样，我们就完成了对工业控制过程的模拟，如果与外设相连还可以对控制过程进行监测和控制。
当建立动画连接完成后，就可以对动画进行运行。
3.3组态王中的程序
if（\\本站点\启动==1）
{
\\本站点\时间=\\本站点\时间+1;}
if（\\本站点\时间<=6&&启动==1&&紧急制动==0）
{\\本站点\南北绿=1;
\\本站点\南北黄=0;
\\本站点\南北红=0;
\\本站点\东西红=1;
\\本站点\东西绿=0;
\\本站点\东西黄=0;}
if（\\本站点\时间>=6&&\\本站点\时间<=7&&启动==1&&紧急制动==0）
{\\本站点\南北绿=0;
\\本站点\南北黄=1;\\本站点\南北红=0;
\\本站点\东西红=1;
\\本站点\东西绿=0;
\\本站点\东西黄=0;}
if（\\本站点\时间>7&&\\本站点\时间<12&&启动==1&&紧急制动==0）
{\\本站点\南北绿=0;
\\本站点\南北黄=0;
\\本站点\南北红=1;
\\本站点\东西绿=1;
\\本站点\东西红=0;
\\本站点\东西黄=0;}
if（\\本站点\时间>=12&&\\本站点\时间<13&&启动==1&&紧急制动==0）
{\\本站点\南北绿=0;
\\本站点\南北黄=0;
\\本站点\南北红=1;
\\本站点\东西红=0;
\\本站点\东西绿=0;
\\本站点\东西黄=1;}
if（\\本站点\时间>=13&&\\本站点\时间<18&&启动==1&&紧急制动==0）
{\\本站点\南北绿=1;
\\本站点\南北黄=0;
\\本站点\南北红=0;
\\本站点\东西红=1;
\\本站点\东西绿=0;
\\本站点\东西黄=0;}
if（\\本站点\东西绿==1||\\本站点\东西黄==1&&\\本站点\启动==1）
{\\本站点\车左=\\本站点\车左+200;
\\本站点\车右=\\本站点\车右+200;
\\本站点\行人上=\\本站点\行人上+100;
}
if（\\本站点\南北绿==1||\\本站点\南北黄==1&&\\本站点\启动==1）
{\\本站点\车上=\\本站点\车上+100;
\\本站点\车下=\\本站点\车下+100;
\\本站点\行人左=\\本站点\行人左+50;
\\本站点\行人右=\\本站点\行人右+50;}
if（\\本站点\时间>=17）
{\\本站点\时间=0;
\\本站点\车左=0;
\\本站点\车上=0;
\\本站点\车右=0;
\\本站点\车下=0;
\\本站点\救护车=0;
\\本站点\行人右=0;
\\本站点\行人左=0;
\\本站点\行人上=0;}
if（\\本站点\紧急制动==1）
{\\本站点\南北红=1;
\\本站点\东西红=1;
\\本站点\南北绿=0;
\\本站点\东西绿=0;
\\本站点\东西黄=0;
\\本站点\南北黄=0;
\\本站点\救护车=\\本站点\救护车+200;
\\本站点\车下=\\本站点\车下;
\\本站点\车右=\\本站点\车右;
\\本站点\车上=\\本站点\车上;
\\本站点\车左=\\本站点\车左;}
四变频器（查阅资料）
4.1变频器简介
变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
4.2通用变频器的发展
上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。
在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。
通用变频器发展过程中有以下几个特点：
A、容量不断扩大
B、结构的小型化
C、多功能和智能化
D、应用领域不断扩大
4.3变频器的工作原理
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型、电流型。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
4.4变频器的控制方式
1、非智能控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
（1）V/f控制
V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。
（2）转差频率控制
转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。
这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
（3）矢量控制
矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。
通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。
例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。
目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。
因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。
但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。
无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。
这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。
（4）直接转矩控制
直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。
即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩。
（5）最优控制
最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。
例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。
（6）其他非智能控制方式
在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。
2、智能控制方式
智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统和学习控制等，目前智能控制方式在变频调速控制系统中的具体应用中已取得一些成功经验。
4.5变频器自学习功能的应用方法
为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而61665就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是:
将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。
显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。
4.6变频器的功率输出驱动技术动向
采用变频器的调速传动技术，近年来取得惊人的进步。
从技术发展动向来看，大致有如下几个方面:
A、IGBT的应用
最近几年来，工GBT的应用正在迅速推进。
其显著的特点是:
开关频率高，驱动电路简单。
用于通用变频器时，有如下明显的效果:
a.由于载波效率的提高（20KHz或更高），负载电动机的噪声明显减少，实现了低
噪声传动。
电动机的金属鸣响声因振动频率超过了人耳可感知的程度而“消失”。
b.同样由于载波频率的提高，使电动机的电流（特别是低速时的电流）波形更加趋于正弦波，因而减少了电动机转矩的脉动和电动机的损耗。
c.由于工GBT为电压驱动型，因而简化了驱动回路，使整个装置更加紧凑，可靠性提高，成木降低。
d.主开关器件如果采用工PM，上述效果将更加明显。
B、网侧变流器的fWM控制的变频器
目前上市的绝大多数通用变频器，其网侧变流器采用不可控的二极管整流器。
虽然控制简单，成本较低，但也有它的缺点。
比如，网侧电流波形严重畸变，影响电网的功率因数，谐波损耗大，电动机制动时的再生能量无法回馈给电网等。
现已开发出一种新型的采用PWM控制方式的自换相交流器，并己经成功地用作变流器中的网侧变流器。
电器结构形式与逆变器完全相同，每个桥臂均由一个自关断器件和一个二极管反并联组成。
其特点是:
直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数可保持为1，并且能量可以双向流通。
网侧变流器采用PWM控制交流器又称为“双PWM控制变频器”。
这种再生能量回馈式高性能通用变频器，代表着另一个新的技术动向。
它的大容量化，对于制动频繁的或可逆运行的生产设备十分有意义。
但因其价位高、投资大，所以在某种程度上限制了它的发展速度。
C、矢量控制变频器的通用化
在造纸、轧钢等应用领域，要求精度高，响应快，一般性的通用变频器已经不能胜任，往往要采用矢量控制方案.但是矢量控制往往需要速度传感器，运算复杂、调整麻烦，对电动机的参数依赖性较大.目前，国内正在努力使矢量控制变频器实现通用化.因此，对无速度传感器的矢量控制系统的理论研究和实用化的开发代表着另一个新
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