按钮式人行横道指示灯的控制教材.docx

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按钮式人行横道指示灯的控制教材

等级:

课程设计

课程名称

电气控制与PLC课程设计

课题名称

按钮式人行横道指示灯的控制

专业

班级

学号

姓名

指导老师

刘星平，赖指南，谭梅，沈细群

2016年6月17日

电气信息学院

课程设计任务书

课题名称

按钮式人行横道指示灯的控制

姓名

专业

班级

学号

指导老师

沈细群

课程设计时间

2016年6月6日～2016年6月17日（第15～16周）

教研室意见

同意开题。

审核人：

汪超林国汉

一.任务及要求

设计任务：

按X0或X1，人行道和车道指示灯按如图1所示的示意图点亮。

图1示意图

二.进度安排

1.第一周星期一：

布置课程设计任务，讲解设计思路和要求，查阅设计资料。

2.第一周星期二～星期四：

详细了解金属压铸机的基本组成结构、工艺过程和控制要求。

确定控制方案。

配置电器元件，选择PLC型号。

绘制金属压铸机控制系统的PLCI/O接线图。

设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。

3.第一周星期五：

上机调试程序。

4.第二周星期一：

指导编写设计说明书。

5.第二周星期二～星期四：

编写设计说明书。

6.第二周星期五：

答辩。

三.参考资料

[1]刘星平.PLC原理及工程应用[M].北京：

中国电力出版社，2014年。

[2]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：

机械工业出版社，2014年。

[3]王阿根.西门子S7-200PLC编程实例精解[M].北京：

电子工业出版社，2013年。

[4]赖指南.PLC原理与应用补充教材（内部使用），本校自编教材，2010年。

第1章人行横道指示灯概述

1.1可编程控制器的特点及应用

PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高和抗干扰能力强等优点，已广泛应用于工业过程和位置的自动控制中。

据统计，可编程序控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

专家认为，可编程序控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设施之一。

PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

由于PLC具有对使用环境适应强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别是对多岔路口的控制亦可方便的实现。

因此，现在越来越多的将PLC应用于交通灯系统中。

1.2按钮式人行横道指示灯的作用与研究意义

近年来，随着我国经济的发展，城市的交通拥挤问题日趋严重。

因此，提高城市路网的通过能力，实现交通的科学化管理迫在眉睫。

传统的十字路口交通灯，通常采用的是定时控制，即事先对经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。

然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。

即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：

绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。

这种流量变化的偶然性是无法建立起准确模型的。

不对实际情况进行实时监控的方法，已不能适应迅猛发展的交通状况。

而更为现实的需要是能有一种可以根据实际情况控制调节的交通灯。

本课题所研究的这种智能交通控制系统，正是源自这种需求，并能够较好的改善当前十字路口马路交通的尴尬局面。

第2章控制方案选择

2.1PLC工作原理

PLC是采用“循环逐行”扫描的“串行”方式工作的，即在PLC运行时，CPU根据用户依控制要求编制好的程序，按指令步序号从第一条指令开始逐条顺序执行，直至程序结束；然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，并按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。

整个过程可分为五个阶段：

自诊断、通信处理、扫描输入、执行程序、刷新输出。

其中，在扫描输入阶段：

PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将所有输入端的状态送到输入映像寄存器。

在执行程序阶段：

中央处理器将逐条执行用户指令程序，即按程序要求对数据进行逻辑、算数计算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中。

在刷新输出阶段：

当所有的指令执行完毕时，集中把输出映像寄存器的状态，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。

2.2PLC控制系统设计的基本原则

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

（1）最大限度的满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度的满足被控对象的控制要求，使设计PLC控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在设计前就要深入现场调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。

同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

（2）保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。

例如：

应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等）也能正常工作。

（3）在满足控制要求的前提下，力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。

这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便，成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，应适当留有扩充的裕量

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

2.3PLC控制系统设计的一般步骤

（1）分析生产工艺过程，明确工艺过程对电气控制的要求

分析生产工艺过程，是了解被控对象要求的前提。

在这一过程中，要详细调查被控对象的工作性质，明确其功能要求，弄清系统是以逻辑量控制为主还是以模拟量控制为主，并绘制出工艺控制流程图。

（2）确定控制方案

在分析被控对象的基础上，根据PLC的特点，与继电接触器控制系统、微型计算机控制系统比较。

如果被控对象的工业坏境较差，而安全性、可靠性要求较高，用人工进行控制工作量大、操作复杂、容易出错或者操作过于频繁时，往往与PLC控制。

（3）选择可编程序控制器机型

机型选择的基本原则是在满足生产工艺要求的情况下，保证运行可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。

具体应考虑这几个方面：

结构合理、功能合理、机型统一、是否在线编程等。

（4）硬、软件设计

选择机型后，就可根据控制系统的要求具体安排输入、输出的配置，并对输入、输出进行地址分配，然后分头对控制系统进行硬、软件的设计。

硬件设计是对可编程序控制器外围电路的设计，而软件设计是指根据工艺要求使用PLC编程语言进行用户程序的设计。

（5）总装调试

首先对可编程序控制器外部线路做仔细检查。

检查时，常将主电路断开，通过一些简单的实验程序对其进行通电扫描，查找故障。

确认无误后接主电路，将模拟调试好的程序进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致为止。

（6）编制技术

说明书将控制系统的性能用文字形式详细的作出说明，同时给出必要的电气原理图和接线图。

第3章控制系统具体设计

3.1设计要求

由于设计要求中信号灯亮有时间限制及闪烁，故采用定时器进行时间控制，闪烁电路完成闪烁，在程序中使用顺序控制继电器来控制灯的亮灭，利用自锁、互锁实现顺序控制。

在正常情况下公路上只允许车辆通行，车道保持绿灯，人行道也一直保持红灯，当有人需要过马路时，按下车道两侧设有的开关X0或X1，人行道收到信号送入端子任选SL-200PLC中，SL-200PLC在接受信号后开始执行相应程序。

3.2硬件配置

3.2.1I/O地址分配

输入信号端：

2个人行道手动按钮（X0、X1），作为有人要过马路时的输入指令。

输出信号端：

5个信号灯，分别控制车道和人行道的信号灯。

如表3.1所示

表3.I/O地址分配

输入

作用

输出

作用

I0.0

人行道按钮X0

Q0.0

车行道红灯

I0.1

人行道按钮X1

Q0.1

车行道黄灯

Q0.2

车行道绿灯

Q0.3

人行道红灯

Q0.4

人行道绿灯

3.2.2PLC外部接线图

根据控制要求，设计分析及I/O地址分配表，外部硬件接线如图3.1所示.

图3.1外部硬件接线图

3.3按钮式人行横道系统设计

3.3.1系统的闪烁电路

闪烁电路也称振荡电路，实际是一个时钟电路，闪烁时间可以是等间隔，也可是不等间断的。

本设计采用的是等间隔的通断。

利用SM0.5给一个秒脉冲，用定时器设置闪烁的时间。

SM0.5是输出一个占空比为50%的秒时钟脉冲，作为时间基准。

闪烁电路是时序图如图3.2所示，梯形图如图3.3所示。

图3.2闪烁部分时序图

图3.3闪烁部分梯形图

3.3.2系统顺序功能图的设计

利用S7-200PLC设计人行道按钮控制信号灯，控制过程如下：

（1）设计一路口交通灯控制电路，要求无人横穿马路时，车道绿灯与人行道红灯始终都是亮的。

（2）当有人要过马路时按下按钮X0或X1，30s后车道绿灯灭，黄灯亮10s后灭，红灯亮。

（3）过5s人行道红灯灭绿灯亮，绿灯亮15s后闪烁5次，每次0.5s。

（4）绿灯闪烁5s后灭人行道红灯再亮5s后，车道红灯灭绿灯亮。

在这个过程中再按路边按钮式不起作用的，只有当整个过程结束后也就是车道绿灯与人行道红灯同时亮时按钮才起作用。

根据控制过程绘制出顺序功能图如图3.2所示。

M0.0

SM0.1

I0.0+I0.1

Q0.3T39

M0.4

Q0.2T37

M0.1

绿灯亮30S红灯亮45S

M0.2

T37T39

Q0.4T40

M0.5

Q0.1T38

黄灯亮10S绿灯亮15S

Q0.0T42

T38T40

T41

M0.6

M0.3

红灯亮30S绿灯闪5S

M1.1

Q0.3T43

T42T41

M1.3

红灯亮5S

M1.4

T43

图3.2顺序功能图

3.4控制系统梯形图

3.5控制系统的指令应用程序

网络1

LDM1.3

AM1.4

OSM0.1

OM0.0

ANM0.1

ANM0.4

=M0.0

RM0.1，11

网络2

LDI0.0

OI0.1

AM0.0

ANM0.2

=M0.1

=Q0.2

TONT37，300

网络3

LDM0.1

AT37

OM0.2

ANM0.3

=M0.2

=Q0.1

TONT38,100

网络4

LDM0.2

AT38

OM0.3

ANM1.3

=M0.3

=Q0.0

TONT42，300

网络5

LDM0.3

AT42

OM1.3

ANM0.0

=M1.3

网络6

LDI0.0

OI0.1

AM0.0

0M0.4

ANM0.5

=M0.4

TONT39，450

网络7

LDM0.4

AT39

OM0.5

ANM0.6

=M0.5

=Q0.4

TONT40，150

网络8

LDM0.5

AT40

0M0.6

ANM1.1

=M0.6

TONT41,50

网络9

LDM0.6

ASM0.5

OM0.5

=Q0.4

网络10

LDM0.6

AT41

0M1.1

ANM1.4

=M1.1

TONT43，50

网络11

LDM1.1

AT43

OM1.4

ANM0.0

=M1.4

网络12

LDM0.4

OM1.1

=Q0.3

第4章PLC程序的调试

（1）硬件调试：

检查外接线头是否良好，检查完毕把PLC连上电源线并用PC/PPI电缆线和电脑相连。

接通电源，检查可编程逻辑控制器是否正常工作，观察PLC是否有报警现象。

（2）软件调试：

在PLC基本功能正常的情况下，将编好的程序输入编程软件STEP7后,检查无误后，下载到PLC中以便下步调试。

（3）运行调试：

在硬件调试和软件调试基础上，将可编程控制器主机上的STOP/RUN开关拨到RUN位置，运行指示灯点亮，运行程序，观察运行情况。

（4）结果：

经过调试修改使运行结果符合设计要求。

电路接通后，电路处于复位状态，当按下I0.0或I0.1按钮，30s后Q0.2车道绿灯灭，黄灯亮再过10s黄灯灭红灯亮，然后5s人行道红灯灭绿灯亮，绿灯亮15s后闪烁5次,红灯亮5s后车道红灯灭绿灯亮。

通过调试，得实验现象完全与要求一样，故按钮式人行道信号灯的PLC控制系统经过不断调试和修改符合设计要求。

交通灯正常工作时，调试结果图如图4.1所示。

图4.1调试结果

第5章结束语

经过两个星期的课程设计，简单掌握了PLC电气设计的基本方法由与步骤，进一步巩固了课堂所学知识，将理论与实践相结合，用理论来进行实践，用实践来完善理论。

为了对交通进行有效地管理，本课题介绍了一种全新的以交通灯为对象，通过可编程序控制器对其进行控制的智能化交通灯系统。

设计中针对交通灯的控制方式、LED灯的显示、倒计时功能等进行了软、硬件的总体设计。

通过设计，使交通灯具有可根据交通的不同状况，人为选择不同的工作状态，兼带有数码显示器实行显示倒计时的功能。

它弥补了现行交通灯的不足，而且克服了在同一时刻机动车辆和行人、非机动车辆之间的交叉通行的缺点，避免了交通事故，保证了在任一时刻只有一个方向为绿灯供车辆和行人分别通行，使交通更为安全可靠，并且大大提高了对交通的控制功能，提高了道路的利用效率。

在整个设计过程中，经常遇到各种问题，在编写梯形图时认为正确的，但经过上机实验，发现总是有连线，编程等个方面的问题，无法实现。

回顾本次课程设计，在这两个星期的时间里，我收获很多，不仅巩固了所学知识，将相应知识运用于实践，而且学到很多课本以外的内容。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实践结合的重要性，只有将所学运用到实践中才是真正学懂了，才能提高自己的动手能力和独立思考能力。

在查找和整理资料过程中，我获得了更广泛的PLC的相关知识，对此有了更深层次的认识。

对一些辅助画图的工具的简单使用，能达到基本掌握，熟练使用。

在此还要感谢沈老师给予的帮助，并在设计时提出了宝贵的意见，令我能顺利的完成本次课程设计。

电气信息学院课程设计评分标准

环节

项目

评价

优

良

中

及格

差

实践环节（70%）

1.设计方案合理性与创造性

2.主电路及控制电路的设计、计算、选型完成情况

3.控制程序的设计分析

4.仿真或实验调试结果*

5.解决问题能力及答辩情况

6.纪律和出勤情况

设计报告（30%）

1.设计报告内容完整、规范，

2.图纸正确、清晰，

3.设计步骤规范、正确，

4.设计结果可行

综合评分

课程设计成绩评定为：

□优□良□中□及格□不及格

指导老师签名：

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日期：

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