課程設(shè)計（論文）-交通信號燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

湖南工學(xué)院課程設(shè)計（論文）交通信號燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要本設(shè)計是用PLC來實現(xiàn)對十字路口交通信號燈的控制，其控制方法是采用三菱的FX2N系列PLC編程軟件對東西南北的紅、黃、綠、左綠燈實現(xiàn)有規(guī)律的循環(huán)閃亮，以達(dá)到對交通信號燈的控制?？刂七^程中采用了順序控制設(shè)計法用了八個定時器六個計數(shù)器分時段分頻率自動實現(xiàn)對八個控制對象的控制?？刂瞥绦虬ㄓ许樞蚬δ軋D（SFC）、梯形圖(LAD)、指令表(STL)。關(guān)鍵詞：三菱FX2N，交通信號燈，順序功能圖，梯形圖，調(diào)試，自動控制目 錄第1章 緒論11.1 PLC的發(fā)展及現(xiàn)狀11.2 本人的主要工作1第2章 十字路口交通信號燈的PLC控制線路設(shè)計22.1 十字路口交通信號燈的工作原理及設(shè)計要求22.2 十字路口交通信號燈所選PLC的I/O點統(tǒng)計32.3 PLC的選型及技術(shù)參數(shù)32.3.1 PLC的選型原則42.3.2 十字路口交通信號燈所選類型PLC的技術(shù)參數(shù)72.4 十字路口交通信號燈的接線圖和接線電路設(shè)計72.4.1 十字路口交通信號燈的I/O分配表72.4.2 十字路口交通信號燈的外部接線圖設(shè)計8第3章 十字路口交通信號燈的PLC系統(tǒng)的程序設(shè)計93.1 常用梯形圖的設(shè)計方法93.2 PLC內(nèi)部繼電器的分配103.3 十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)的SFC圖、梯形圖及指令表103.3.1 十字路口交通信號燈PLC控制的SFC圖103.3.2 十字路口交通信號燈梯形圖設(shè)計143.3.3 十字路口交通信號燈分離指令表143.4 在實驗室的調(diào)試和仿真14結(jié)束語15參考文獻(xiàn)16附錄117 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）湖南工學(xué)院課程設(shè)計（論文）第1章 緒論1.1 PLC的發(fā)展及現(xiàn)狀在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱ProgrammableController（PC）。 PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。 從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。1.2 本人的主要工作根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，進(jìn)行十字路口交通信號燈的設(shè)計，經(jīng)過反復(fù)閱讀看懂了交通信號燈的時序圖，確定程序的設(shè)計方法，編譯程序，觀察仿真結(jié)果是否正確，假使運行出現(xiàn)錯誤，則檢查進(jìn)行糾正。第2章 十字路口交通信號燈的PLC控制線路設(shè)計2.1十字路口交通信號燈的工作原理及設(shè)計要求2.1.1 十字路口交通信號燈的工作原理2.1.2 設(shè)計內(nèi)容及要求1系統(tǒng)工作受開關(guān)控制，起動開關(guān) ON 則系統(tǒng)工作；起動開關(guān) OFF 則系統(tǒng)停止工作。2控制對象有八個：東西方向紅燈兩個 , 南北方向紅燈兩個，東西方向黃燈兩個 , 南北方向黃燈兩個，東西方向綠燈兩個 , 南北方向綠燈兩個，東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個，南北方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個。3控制規(guī)律：1） 高峰時段、正常時段及晚上時段的時序分配按圖2.1運行。圖2.1 各時段運行分配時序圖2） 高峰時段按圖2.2運行圖2.2 高峰時段運行時序圖3） 正常時段按圖2.3運行圖2.3 正常時段運行時序圖4） 晚上時段按提示警告方式運行，規(guī)律為： 東、南、西、北四個黃燈全部閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的規(guī)律反復(fù)循環(huán)。2.2 十字路口交通信號燈所選PLC的I/O點統(tǒng)計本設(shè)計采用的是三菱FX2N系列32MR的PLC控制系統(tǒng)，總共有32個I/O點。2.3 PLC的選型及技術(shù)參數(shù)2.3.1 PLC的選型原則1.規(guī)模要適當(dāng)輸入.輸出點數(shù)以及軟件對PLC功能及指令的要求是選擇PLC機型規(guī)模大小的重要依據(jù)。首先要確保有足夠的輸入.輸出點數(shù)，并留有一定的余地（要有10%的備用量）。如果只是為了實現(xiàn)單機自動化，或機電一體化產(chǎn)品，可選用小型PLC。如果控制系統(tǒng)較大，輸入.輸出點數(shù)較多，被控設(shè)備較分散，可以選用中型或大型PLC。還應(yīng)確定用戶程序存儲器的容量。一般粗略的估計方法：（輸入+輸出）*（10-12）=指令步數(shù)。特別要注意因控制較復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量較大，可能出現(xiàn)存儲器容量不夠的問題。2.功能要相當(dāng)，結(jié)構(gòu)要合理對于以開關(guān)量進(jìn)行控制的系統(tǒng)，一般的低檔機就能滿足要求。對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，應(yīng)選用帶A/D.D/A轉(zhuǎn)換，加減運算.數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機。對于控制比較復(fù)雜，控制性能要求較高的系統(tǒng)，例如要求實現(xiàn)PID運算.閉環(huán)控制.通信聯(lián)網(wǎng)等，可視控制規(guī)模及復(fù)雜的程度，選用中檔或高檔機。其中高檔機主要用于大規(guī)模過程控制.全PLC的分布式控制系統(tǒng)以及整個工廠的自動化。對于工藝過程比較固定.環(huán)境條件較好（維修量較?。┑膱龊?，選用整體式結(jié)構(gòu)PLC。其他情況則選用模塊式結(jié)構(gòu)PLC。3.輸入.輸出功能及負(fù)載能力的選擇選擇哪一種功能的輸入.輸出形式或模塊，取決于控制系統(tǒng)中輸入和輸出信號的種類.參數(shù)要求和技術(shù)要求，選用具有相應(yīng)功能的模塊。為了提高抗干擾能力，輸入.輸出均應(yīng)選用具有光電隔離的模塊。對于輸出形式，分為無觸點和有觸點兩種形式。無觸點輸出大多使用大功率三極管（直流輸出）或雙向可控硅（交流輸出）電路，其優(yōu)點是可靠性高.響應(yīng)速度快.壽命長，缺點是價格高.過載能力差。有觸電輸出是使用繼電器觸點輸出，其優(yōu)點是適用電壓范圍寬.導(dǎo)通壓降損失小.價格便宜，缺點是壽命短.響應(yīng)速度慢。此外，還應(yīng)考慮輸入.輸出的負(fù)載能力，要注意承受的電壓值和電流值。應(yīng)該指出的是，輸出電流值和導(dǎo)通負(fù)載電流值是不同的概念。輸出電流值是指每一個輸出點的驅(qū)動能力。導(dǎo)通負(fù)載電流值是指整個輸出模塊驅(qū)動負(fù)載時所允許的最大電流值，即整個輸出模塊的滿負(fù)荷能力。4.使用環(huán)境條件在選擇PLC時，要考慮使用現(xiàn)場的環(huán)境條件是否符合它的規(guī)定。一般考慮的環(huán)境條件有：環(huán)境溫度.相對濕度.電源允許波動范圍和抗干擾等指標(biāo)。2.3.2 所選類型PLC的技術(shù)參數(shù)根據(jù)以上PLC的選型原則，再結(jié)合設(shè)計任務(wù)要求。本次設(shè)計PLC選用的是三菱FX2N系列的PLC，F(xiàn)X2N系列PLC是FX系列中最高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點，F(xiàn)X2N是從16到256路輸入/輸出的多種應(yīng)用的選擇方案。說明: I/O范圍，16-256點（基本單元：16/32/48/64/80/128點）。高速演算：基本命令：0.8us/命令。應(yīng)用命令：1.52-數(shù)100us/命令。寬裕的記憶體容量：內(nèi)藏8K EEPROM，最大可擴(kuò)充至16K。2.4 十字路口交通信號燈PLC的接線圖和接線電路設(shè)計2.4.1 十字路口交通信號燈PLC的I/O分配表表2.1 I/O分配表2.4.2 十字路口交通信號燈的外部接線圖設(shè)計十字路口交通信號燈接線圖如圖2.4所示：圖2.4 十字路口交通信號燈接線圖第3章 十字路口交通信號燈PLC系統(tǒng)的程序設(shè)計3.1 常用梯形圖的設(shè)計方法常見的設(shè)計方法包括翻譯法，啟-保-停，邏輯代數(shù)法，時序圖，SFC圖，模塊法。在系統(tǒng)設(shè) 計中對不同的環(huán)節(jié)，可根據(jù)具體情況，采用不同的設(shè)計方法。通常在全局上采用程序框圖及功能模塊方法設(shè)計；在舊設(shè)備改造中，采用替代法設(shè)計；在局部或具體功能的程序設(shè)計上，采用邏輯代數(shù)法和經(jīng)驗法。3.2 PLC內(nèi)部繼電器的分配PLC內(nèi)部繼電器包括內(nèi)部輔助繼電器(M)和內(nèi)部狀態(tài)繼電器。（1）PLC內(nèi)部有很多輔助繼電器。輔助繼電器的線圈與輸出繼電器一樣，由PLC內(nèi)各軟元件的觸點驅(qū)動。輔助繼電器的動合和動斷觸點使用次數(shù)不限，在PLC內(nèi)可以自由使用。但是，這些觸點不能直接驅(qū)動外部負(fù)載，外部負(fù)載的驅(qū)動必須由輸出繼電器執(zhí)行。在邏輯運算中經(jīng)常需要一些中間繼電器作為輔助運算用。這些元件不直接對外輸入、輸出，但經(jīng)常用作狀態(tài)暫存、移位運算等。它的數(shù)量比軟元件X、Y多。內(nèi)部輔助繼電器中還有一類特殊輔助繼電器，它有各種特殊功能，如定時時鐘、進(jìn)/借位標(biāo)志、啟動/停止、單步運行、通信狀態(tài)、出錯標(biāo)志等。FX2N系列PLC的輔助繼電器按照其功能分成以下三類。a.通用輔助繼電器M0M499（500點） 通用輔助繼電器元件是按十進(jìn)制進(jìn)行編號的，F(xiàn)X2N系列PLC有500點，其編號為M0M499。b.斷電保持輔助繼電器M500M1023（524點） PLC在運行中發(fā)生停電，輸出繼電器和通用輔助繼電器全部成斷開狀態(tài)。再運行時，除去PLC運行時就接通的以外，其它都斷開。但是，根據(jù)不同控制對象要求，有些控制對象需要保持停電前的狀態(tài)，并能在再運行時再現(xiàn)停電前的狀態(tài)情形。斷電保持輔助繼電器完成此功能，停電保持由PLC內(nèi)裝的后備電池支持。c.特殊輔助繼電器M8000M8255（256點） 這些特殊輔助繼電器各自具有特殊的功能，一般分成兩大類。一類是只能利用其觸點，其線圈由PLC自動驅(qū)動。例如：M8000（運行監(jiān)視）、M8002（初始脈沖）、M8013（1s時鐘脈沖）。另一類是可驅(qū)動線圈型的特殊輔助繼電器，用戶驅(qū)動其線圈后，PLC做特定的動作。例如，M8033指PLC停止時輸出保持，M8034是指禁止全部輸出，M8039是指定時掃描。（2）內(nèi)部狀態(tài)繼電器是PLC在順序控制系統(tǒng)中實現(xiàn)控制的重要內(nèi)部元件。它與后面介紹的步進(jìn)順序控制指令STL組合使用，運用順序功能圖編制高效易懂的程序。狀態(tài)繼電器與輔助繼電器一樣，有無數(shù)的動合觸點和動斷觸點，在順控程序內(nèi)可任意使用。狀態(tài)繼電器分成四類，其編號及點數(shù)如下：初始狀態(tài)：S0S9（10點）；回零：S10S19（10點）；通用：S20S499（480點）；保持：S500S899（400點）；報警：S900S999（100點）。有關(guān)狀態(tài)繼電器的應(yīng)用，參考項目十STL指令的內(nèi)容。3.3 十字路口交通信號燈PLC系統(tǒng)的SFC圖、梯形圖及指令表3.3.1 十字路口交通信號燈PLC控制的SFC圖SFC圖如圖3.1所示：圖3.1 交通信號燈SFC圖3.3.2 十字路口交通信號燈梯形圖設(shè)計梯形圖如附錄1所示3.3.3 十字路口交通信號燈指令表指令表如附錄2所示3.4 在實驗室的調(diào)試和仿真3.4.1 調(diào)試中遇到的問題及解決方法1.在開始階段按下起動按鈕后無法實現(xiàn)黃燈閃爍。措施：用計時器的常閉觸點放在前面，實現(xiàn)當(dāng)計時完后常閉觸點自動斷開，實現(xiàn)復(fù)位，這樣就可以實現(xiàn)自動置位、復(fù)位，達(dá)到循環(huán)計時的目的。2.程序進(jìn)入正常時段后，停留在正常時段循環(huán)中，即使計數(shù)完畢，但下面的計數(shù)器無法計數(shù)，程序無法前進(jìn)。要使計數(shù)器導(dǎo)通，就要在計數(shù)完畢后使其有個通斷過程，產(chǎn)生脈沖使其計數(shù)。3.4.2 仿真結(jié)束語經(jīng)過本次課程設(shè)計，讓我更加深刻的學(xué)習(xí)和鞏固了電氣控制及PLC這門課程，不僅從理論上掌握了課堂上沒有學(xué)懂的知識，還從實踐中拓寬了我的知識面，讓我對我們專業(yè)的知識有了更加全面的認(rèn)識，更加清晰的認(rèn)識到我們專業(yè)知識的實用性是如此的強，可以通過平時學(xué)的知識自己設(shè)計很多有意思的電子產(chǎn)品，不僅能培養(yǎng)我們的興趣愛好，更對我們今后的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。在這次課程設(shè)計中遇到了很多問題，也獲得了很多意想不到的知識。在每次突破一個問題后都有種久違的滿足感，甚至對每發(fā)現(xiàn)一個問題都有種莫名的興奮。雖然這次的課程設(shè)計整整花了我一個星期的時間，每天從早到晚，頭腦中就只有這個設(shè)計，甚至屢次因為忙于修改方案，調(diào)試程序，想解決問題的方法而忘記吃飯、休息，這種感覺不像高中時段那樣被人追著學(xué)習(xí)，而這是自主的去思考突破，是自身的能動力起了作用。因此，這次的課程設(shè)計很有意義，感謝我們院上的領(lǐng)導(dǎo)為我們精心安排了這次課程設(shè)計，讓我們在短時間內(nèi)掌握了很多知識，以及知識以外的許多東西，比如吃苦耐勞的精神、鉆研問題的韌勁等等，在此特別感謝我們PLC課程的陸秀令老師每天來到教室為我們傳授他豐富的知識和經(jīng)驗，感謝陸老師的悉心教導(dǎo)才有了我們的設(shè)計取得突破性進(jìn)展。參考文獻(xiàn)1陳立定，吳玉香，蘇開才電氣控制與可編程控制器廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001 （介紹西門子S7系列PLC）2金廣業(yè)，李景學(xué)編可編程序控制器原理與應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社，1991 （TP301/5） （著重介紹PLC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及編程技巧）3 鐘肇新，彭侃可編程控制器原理及應(yīng)用（第3版）廣州：華南理工大學(xué)出版社，2005 4陸島編工業(yè)電腦的安裝與使用北京：印刷工業(yè)出版社，1994 （TP305/1） 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