基于三菱plc永川蚂蝗桥交通灯控制系统设计.docx
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基于三菱plc永川蚂蝗桥交通灯控制系统设计
毕业设计
题目：
基于三菱plc蚂蝗桥交通灯控制系统设计
院（系）：
机电学院
专业：
电气自动化技术
姓名：
Fairy
学号：
200805083265
指导教师：
杨波
2011年6月11日
毕业设计（论文）任务书
学生姓名
Fairy
学号
200805083265
专业
电气自动化技术
院（系）
机电学院
毕业设计（论文）题目
基于三菱plc蚂蝗桥交通灯控制系统设计
任务与要求
任务:
对此交通灯系统进行合理的功能分析后，确定系统的
模块，进行合理的设计，用三菱的PLC进行编写。
要求:
本次设计运用三菱PLC进行编程，并在实验室进行仿真，分析结果，交通灯系统在各个模块包括计时，转换正常运行。
完成时间段
年月日至年月日共10周
指导教师单位
职称
院（系）审核意见
毕业设计（论文）进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
2010．11.8—2010.11．15
选题
2010.11.15-2010.11．22
下达任务书
2010．11.22—2010.12.14
毕业设计初稿
2010.12.14—2010．12.28
毕业设计二稿
2010.12.28—2011.1.15
准备答辩
2011．3.5—2011.3.6
进行答辩
教师对进度计划
实施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一
毕业设计（论文）中期检查记录表
学生填写
毕业设计（论文）题目:
基于三菱plc蚂蝗桥交通灯控制系统设计
学生姓名:
学号：
专业：
指导教师姓名:
职称:
讲师
检查
教师填写
毕业设计（论文）题目工作量
饱满
一般
不够
毕业设计（论文）题目难度
大
适中
不够
毕业设计（论文）题目涉及知识点
丰富
比较丰富
较少
毕业设计（论文）题目价值
很有价值
一般
价值不大
学生是否按计划进度独立完成工作任务
学生毕业设计（论文）工作进度填写情况
指导次数
学生工作态度
认真
一般
较差
其他检查内容：
存在问题及采取措施:
检查教师签字:
年月日
院（系）意见
（加盖公章）:
年月日
摘要
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
为了实现交通道路的自动控制管理，力求交通管理先进性、科学化。
用可编程控制器（PLC）实现交通灯控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。
随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
针对选题的路口交通信号灯控制系统设计，本文采用顺序控制设计法中并行序列的顺序功能图设计方法，将各个方向的路灯并行控制，再以转换为中心的方法将顺序功能图转换为梯形图，最后利用编程器将指令输入PLC中进行调试，最终实现交通灯的自动控制。
关键词：
交通灯控制系统PLC梯形图顺序功能图自动控制
Abstract
Trafficlightsappear,maketraffictoeffectivelycontrolforrelievestrafficflow,improvetrafficcapacity,reducethenumberoftrafficaccidentshaveobviouseffect.Inordertorealizethetrafficmanagement,andstrivetotrafficmanagementadvancedandscientific.PLCcontrolledtrafficcontrolsystem,andthesystemhardwareandsoftwaredesignmethod,theexperimentprovedthatthesystemissimple,economicandcanbeeffectivelyrelievestraffic,improvetrafficintersectiontrafficcapacityof.Analyzesmodernurbantrafficcontrolandmanagementproblems,basedonthestatusofthetraffictotheactualsituationoftrafficcontrolsystemisexpoundedtheworkingprinciple,thispaperpresentsasimpleandpracticalurbantrafficcontrolsystemofPLCdesignscheme.Programmablecontrollerinindustrialautomationthestatusisveryimportant,widelyusedinvariousindustries.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,programmablecontrollerfunctionisincreasinglyperfect,plusminiaturization,lowprice,highreliability,theroleinmodernindustrybecomemoreprominent。
Topicsoftheintersectionfortrafficlightscontrolsystemdesign,weusethesequentialcontroldesignofparallelorderofthesequencefunctionchartdesignmethod,thestreetparallelcontrolinalldirections,thenthemethodtoconvertthecenterintotheladderSequentialFunctionChartFinally,theinstructioninputbytheprogrammertodebugPLC,theultimaterealizationofautomaticcontroloftrafficlights.
KEYWORD：
TrafficlightcontrolsystemPLCLadderSequentialFunctionChartAutomaticcontrol
第一章绪论
第一节PLC的基本概和结构
一、PLC的的基本概念
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具备极高的可靠性和灵活性，可编程控制器（ProgrammableLogicController）PLC正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
PLC应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用已得到了迅速的发展。
它不仅是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位，PLC应用程度之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。
国际电工委员会（IEC）对PLC作了如下定义：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令、并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程，可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。
由以上定义可以看出，PLC是一种用程序里改变控制功能的工业控制计算机，除了各种各样的控制功能外，还有与其它计算机通和信联网的功能。
二、PLC的基本结构
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图1-1所示。
PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。
1.CPU模块
CPU主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在PLC控制系统中，CPU模块相当于认得大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用来存储程序和数据。
并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源PLC内部电路的
图1-1PLC的组成
工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。
一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。
箱体式PLC的主箱体也有这些显示。
它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。
CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
2.I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，他们相当于人的眼、耳、鼻、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
3.编程器
编程器是用来生成用户程序，便用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。
手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。
它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的PLC编程，或者用与现场调试和维护。
4.电源
PLC使用AC220V电源或DC24V电源。
内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。
小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。
5.PLC的通信联网
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。
第二章PLC的硬件与工作原理
第一节PLC的硬件
一、PLC的物理结构
根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。
1.整体式PLC
整体式又叫做单元式或机箱式，它的体积小、价格低，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。
对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。
无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
2.模块式PLC
大、中型PLC一般采用模块式结构，它由机架和模块组成，模块插在模块插座上，后者焊接在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。
用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。
3.CPU模块中的存储器
存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器，系统程序相当于个人计算机中的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能完成PLC设计者的规定的各种工作。
系统程序由PLC的生厂家设计并固定化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。
用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要球的特定功能，用户程序存储器的容量以字节（B）为单位。
（1）.随机存取存储器（RAM）
用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。
RAM的工作速度高、价格便宜、改写方便。
（2）.只读存储器（ROM）
ROM的内容只能读出，不能写入。
（3）.可以电檫出可编程的只读存储器（EEPROM）
S7-200用EEPROM来存储用户程序和长期保存的重要数据。
4.I/O模块
各I/O点的通/断状态用发光二极管（LED）显示，PLC与外部接线的连接一般用接线端子，某些模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的连接线，就可以迅速的更换模块。
输入模块：
PLC通过输入模块来接收和采集输入信号，通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调速装置等执行器，PLC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号。
输出模块：
输出模块的率放大元件有大功率晶体管和场效应管（驱动直流负载）、双向可控硅（驱动交流负载）和小型继电器，继电器可以驱动交流负载或直流负载。
输出电流的典型值为0.5—2A,负载电源由外部现场提供。
5.PLC的工作原理
可编程控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图很相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。
这种用计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上也有某些相似之处。
继电器在控制系统中有功率放大、电气隔离、逻辑运算的作用。
PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序不实现控制功能。
为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一共有五个阶段如图2-1所示。
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。
在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成别的一些内部工作。
在通信服务阶段，PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
当PLC处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。
PLC处于运行（RUN）状态时，还要完成另外三个阶段的操作。
在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映象寄存器和输出映象寄存器。
PLC梯形图中别的编程元件也有对应的
（a）RUN（b）STOP
映象存储区，它们统称为元件映象寄存器。
PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。
在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。
在程序执行阶段，当执行指令时，从输入映象寄存器或别的元件映象寄存器中将有关编程元件的“0”/“1”状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映象寄存器中。
因此，各编程元件的映象寄存器（输入映象寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。
第三章PLC程序设计基础
第一节PLC编程语言与编程结构
现代的PLC一般备有多种编程语言，供用户使用。
但不同厂家的PLC的编程语言有很大的区别，用户不得不学习多种编程语言和查找故障的方法。
因此，IEC（国际电工委员会）1994年5月公布了可编程序控制器标准（IEC1131）。
该标准由以下5部分组成：
通用信息、设备与测试要求、PLC的编程语言、用户指南和通讯。
由其制定的编程语言即满足目前市场的要求，又适应未来技术的发展。
同时，IEC1131—3
图3-1plc的编程语言
详细说明了句法、语义和下述5种PLC编程语言如图3-1所示。
顺序功能图
梯形图
功能块图
指令表
文本结构
标准中有两种图形语言——梯形图（LD）和功能块图（FBD），还有两种文字语言——指令表（IL）和结构文本（ST），可以认为顺序功能图（SFC）是一种结构块控制程序流程图。
1.顺序功能图（SFC）
SFC提供了一种组织程序的图形方法，在SFC中可以用别的语言嵌套编程。
步、转换和动作（Action）是SFC中的三种主要元件（见图5）。
步是一种逻辑块，即对应于特定的控制任务的编程逻辑；动作是控制任务的独立部分；转换是从一个任务到另一个任务的原因。
作为梯形图语言，SFC提供用户了以上三种基本结构（见图5）。
在顺序结构中，CPU首先反复执行1中的动作，直到转换1变为“1”状态，CPU才处理第2步。
在选择支路中，取决于哪一个转换是活动的，CPU只执行一条支路。
在并行支路中，所有的支路被同时执行。
对于目前大多数PLC来说，SFC还仅仅作为组织编程的工具使用，尚需用其它的编程语言（如梯形图）将它转换为PLC可执行的程序。
因此，通常只是将SFC作为PLC的辅助编程工具，而不是一种独立的编程语言。
2.梯形图（LD）
梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言，有时又被称为电路或程序。
它是一种软件信息，是一种反映PLC的输入输出控制逻辑关系的程序软件，它与传统的继电器控制系统的梯形图（硬件）电路不同，不是真正的物理（硬件）电路，一定不能把它们当作硬件电路来看待。
由于梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，因此很容易被工厂熟悉继电器控制的电气技术人员掌握，特别适用于开头量逻辑控制。
IEC1131-3的梯形图中除了线圈、常开触点和常闭触点外，还允许增加功能和功能块。
3.梯形图的主要特点
（1）.PLC梯形图是的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等。
但是它们不是真实物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件。
（2）.梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（Busbar）。
在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压。
当图6中的触点1、2接通时，可假设“概念电流”或“能流”（Powerflow）从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序一致。
能流的方向只能从左向右流动，因此图6中（a）图应改为图（b）所示的等效电路。
（3）.根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。
逻辑运算是按梯形图中从上到下、从左到右的顺序进行的。
解算的结果立即可以被后面的逻辑解算所利用。
逻辑结算是根据输入映象寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。
（4）.梯形图中的线圈应放在最右边，如图3.2所示。
（a）的电路应改为图7（b）中的电路。
（5）.梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可无限次的使用。
4.梯形图经验设计方法：
（1）.可根据原有的继电逻辑控制图进行转化设计；
（2）.没有固定的方法和步骤可遵循，试探性和随意性强；
（3）.由于需要中间变量完成记忆联锁互锁，需要考虑的因素很多；
（4）.设计耗时长，且修改麻烦；
5.梯形图编规则：
（1）.每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。
（2）.梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接触点），如图3-2所示。
（a）（b）
图3-2梯形图的形式
（a）错误（b）正确
（3）.线圈不能直接接在左边母线上。
（4）.在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应尽量避免。
图3-3错误梯形图
（5）.在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动——即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。
如图3-3所示。
6.功能块图（FBD）
这是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，具有数字电路基础的人很容易掌握。
该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆圈表示“非”运算，信号是自左向右流运的。
像SFC一样，功能块图FBD也是一种图形语言，在FBD中也允许嵌入别的语言（如梯形图、指令表和结构文本）。
第二节顺序控制梯形图的设计方法
一、起保停电路的编程方式
根据顺序功能图设计梯形图时，可以用为存储器位M来代表步，某一步为活动步时，对应的存储器位为1状态，某一转换实现时，改转换的后续步为活动步，前级步变为死步。
起保停电路仅仅使用与触电和线圈有关的指令，设计起保停电路的关键是找出它的启动条件和停止条件。
根据转换实现的基本规则，转换实现的基本条件是前级步为活动步，并且满足相应的转换条件，该步才为1状态，并且后续步为死步。
对于并行序列，如果某一步的前面有N个转换（即有N个分支进入该步），则代表该步的辅助继电器的启动电路有N条支路并联而成，各支路由某一前级步对应的辅助继电器的常开触点与相应的转换条件对
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