交通灯PLC课设.docx
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交通灯PLC课设
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：
仪器科学与工程系
年级专业：
10级检测二班
学号：
学生姓名：
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
学生姓名
（专业）班级
检测二班
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
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。
电气工程学院教务科
目录
第1章摘要...................................................4
第2章可编程控制器简介及其发展趋势…………………………………..5
第3章四层电梯的设计..................................................................................13
第4章组态设计……………………………………………………………..25
第5章变频器相关知识........................................35
心得体会............................................................................................................38
参考文献…………………………………………………………………….39
第1章摘要
可编程控制器ProgrammabieLogicController,（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。
可编程序控制器从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。
有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。
可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。
随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。
在这次为期一周的课设中，我利用三菱FX2N系列单片机设计了四层电梯自动控制程序并且进行了仿真实验，利用组态王软件设计了交通灯控制的人机界面，配合组态王的编程语言实现了组态王的仿真运行。
同时接触并学习了变频器的一些知识。
关键字：
PLC，组态王，交通灯
第二章可编程控制器（ＰＬＣ）简介及发展趋势
2.1PLC的起源
在工业自动化控制领域主要分为PLC，工控机和嵌入式控制，而PLC自1968年诞生以后以惊人的速度成为了这一领域的主导者，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。
另一方面，PLC还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。
PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。
PLC技术发展的最终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。
大多数人认为，PLC将会继续失去市场份额；更有甚者认为，在工业PC面前，PLC将会一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工业应用领域仍将为PLC提供一定的市场份额。
2.2PLC的特点
1．可靠性
可靠性包括产品的有效性和可维修性。
可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：
a）可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高。
b）可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复。
c）可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
d）可编程控制器的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。
例如，采用可靠性高的工业级元件，采用先进的电子加工工艺（SMT）制造，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等；存储器内容的保护，采用看门狗和自诊断措施，便于维修的设计等。
2．易操作性
a）操作方便：
对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。
现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改。
b）编程方面：
PLC有多种程序设计语言可以使用，梯形图与电气原理图相似；编程语句是功能的缩写，便于记忆；功能图表语言以过程流程进展为主线，十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。
功能模块图和结构化文本语言，功能清晰，易于理解等优点。
c）维修方便：
PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。
3．灵活性
a）编程的灵活性：
PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。
使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。
b）扩展的灵活性：
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
它不仅可以通过增加输入输出卡件数来增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能。
c）操作的灵活性：
操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。
操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。
在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化，不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。
4．机电一体化
为了使工业生产的过程控制更平稳，更可靠，向优质、高产、低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化，即仪表、电子、计算机综合的要求，而PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗干扰性好等优点，它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起，因此，它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备，成为工业自动化三大支柱（PLC，机器人，CAD/CAM）之一。
可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统，它们可以与其它系统通讯，提供产品报表，生产调度，诊断自身和设备的故障，这些技术上的改进，让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。
由以上特点不难看出，PLC在工业控制领域，不仅不会逐渐推出，而且会不断扩大他的市场份额。
表面上看工控机的出现给PLC带来了一定程度的冲击，但如果我们仔细分析一下可以看到，工控机在某种程度上其实帮助了PLC的发展，因为PLC的可靠性高，易操作，但对与操作员站的一些功能，如曲线处理，数据记录等功能，远不及工控机，而工控机的致命缺陷是可靠性差。
所以目前来看工控机与PLC结合的控制系统更为完美。
工控机的出现推动了PLC的发展。
2.3PLC发展的方向
其实PLC自诞生以来也是在不断发展改进创新的。
采用新的、先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间。
小型的、低成本的PLC，可以替代4到10个继电器，获得更大的发展动力。
高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口。
基于微处理器的智能I/O接口，扩展了分布式控制能力。
典型的接口如：
PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和支持高级语言编程的模块（如BASIC，PASCAL）。
包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成。
特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等。
由于工控机，DCS等控制系统的出现，将迫使PLC向着功能更多，开放性兼容性更强的方向不断发展。
2.4PLC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。
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。
2.5PLC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。
2.6PLC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。
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。
2.7PLC选型及简介
1．选择的原则
选择PLC是首待解决的事情。
一方面要选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。
对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。
控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际电数。
因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。
所以一旦它们是交流220V的负载负载使用。
则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。
这样有可能造成输出点浪费，增加成本。
所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。
一般情况下继电器输出的PLC使用最多，对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：
（1）功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。
如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。
（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。
在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。
因为本次课程设计是在学校完成。
考虑到实验室中应用的是三菱FX2N型PLC，对此种型号PLC的指令以及使用方法都比较熟悉。
所以本次设计采用就近取材原则选三菱FX2N型PLC。
2．FX2N型PLC的简介
20世纪90年代，三菱公司在FX系列PLC的基础上又推出了FX2N系列产品。
该机型在运算速度，指令数量及通讯能力方面有了较大的进步，是一种小型化、高速、高性能、各方面都相当于FX系列中最高档次的超小型的PLC。
FX2NPLC的基本单元可以根据控制规模大小外加扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成叠装式PLC控制系统。
下图是FX2N可编程控制器基本单元实物图。
FX2N可编程控制器实物图
第三章四层电梯的设计
3.1四层电梯控制要求
如电梯模拟实验台结构所示，其动作要求如下：
【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3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3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3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3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3秒，继续上行到4F停止。
【2】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3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3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3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3秒，继续下行到2F停3秒，继续下行到lF停止。
【3】各楼层运行时间应在15秒以内，否则认为有故障。
【4】电梯停于某一层，数码管应显示该层的楼层数。
【5】设计电梯停于2F,3F时，电梯运行状态。
（上下同时呼叫时，采取先上后的原则）
3.2自动电梯相关知识
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。
随着社会的不断发展，楼房越来越高，而电梯成为了高层楼房的必须设备。
电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。
PLC在电梯升降控制上的应用主要体现在它的逻辑开关控制功能。
由于PLC具有逻辑运算，计数和定时以及数据输入输出的功能。
在电梯升降过程中，各种逻辑开关控制与PLC很好的结合，很好的实现了对的控制。
3.3设计思路
四层电梯的自动控制主体思想是将四层楼分为四个状态，每个楼层分为两个子状态一、二，状态一为该楼层的等待状态，状态二为该楼层的行进状态。
四个楼层状态之间依据限位开关进行切换，即一层状态可以切换到二层状态，二层状态可以切换到一、三层的状态。
切换时首先判断该层是否被呼叫，如果被呼叫则切换到该层的等待状态中，等待3秒后进入该层的行进状态中。
3.4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
24V
24V
X4
LAY4
四楼行程开关
GND
GND
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
X0
RST
复位
Y14
G
X5
IN1
一层内选按钮
COM0
24V
X6
IN2
二层内选按钮
COM1
24V
X7
IN3
三层内选按钮
COM2
24V
X10
IN4
四层内选按钮
COM3
24V
COM
COM
GND
COM4
24V
LEDCOM
GND
COM5
24V
3.5系统结构框图
3.6程序流程及功能实现
四层电梯的自动控制主体思想是将四层楼分为四个状态，每个楼层分为两个子状态一、二，状态一为该楼层的等待状态，状态二为该楼层的行进状态。
四个楼层状态之间依据限位开关进行切换，即一层状态可以切换到二层状态，二层状态可以切换到一、三层的状态。
切换时首先判断该层是否被呼叫，如果被呼叫则切换到该层的等待状态中，等待3秒后进入该层的行进状态中。
以电梯在一楼为例
一、开机分支转移程序：
二、等待子程序：
三、行进子程序：
四、电梯上下行判断流程
Lay1——Lay4是四个楼层的限位开关，对应输入X1——X4，四个楼层的呼叫信号对应输入X11——X14，对应中间继电器M11——M14，将四个开关量作为一个整体K1X1、K1M11，然后进行比较，如果K1X1>K1M11，代表呼叫楼层在电梯所在楼层下面，因此电
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