plc控制交通灯毕业设计论文.doc
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1、毕毕 业业 设设 计计 题 目 PLC 控制交通灯 毕业设计类别 产品设计类方案设计类工艺设计类 学生姓名 学 号 系 (部) 机电工程系 专 业 机电一体化 班 级 指导教师 职 称 成时间 2016 年 6 月 9 日 教务处印制 2 目 录 摘摘 要要.I 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1.1 引言.1 课题研究背景1 1.2 现在城市路口交通灯控制系统现状.1 1.3 本课题主要研究内容2 1.4 可编程控制器的发展3 1.5 主要用途5 1.6 可编程控制器的组成6 1.7 PLC 的工作原理7 第第 2 2 章章 交通灯控制电路设计交通灯控制电路设计.10 2.1 PLC 正常时
2、序10 2.2 I/O 地址分配和硬件插图12 2.3 主程序流程图13 2.4 正常时序情况13 2.5 车流滞留情况红绿灯时间长度控制 15 致谢致谢17 参考文献参考文献17 I 摘 要 随着社会的发展和进步,上路的车辆越来越多,而道路建设却往往跟不上城市发 展的速度,因此城市交通的问题日益突出,经常在十字路口等交通繁忙的地方发生堵 塞情况。在这个时候,道路交通灯的正常运行以及合理的功能就是交通畅通的重要保 证。而以往的交通信号灯大都采用继电器或是单片机来实现,存在着功能少,可靠性 差。维护量大等缺点,而 PLC 编程简单,易维护,可以随着不同场合的需要灵活改变 程序以实现不同的功能需求
3、,且可靠性高,性价比较好,最重要的是 PLC 很适合来控 制交通信号灯这类的时序控制系统。通过分析现代城市交通控制与管理问题的现状, 结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理,本设计介绍了应用 PLC 实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析,对 PLC 控 制系统进行了软、硬件设计,并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠,具有很 高的实用价值 关键词关键词 :运行,控制,交通灯 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行,实现红绿灯的自动指挥能使交通管 理工作得到改善,也是城市交通管理工作自动化的重要
4、标志之一。可编程序控制器(PLC) 是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯 技术融为一体,是专能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系 列优点。因此,本文介绍了三菱公司的 PLC 产品来实现交通灯的自动控制。 课题研究背景课题研究背景 可变成序控制器(PLC)是以计算机技术为核心的通用自动控制装置, 在日常生活中得到了广泛的应用。 PLC 是一种数字式运算操作的电子系统,专为工业 环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺 序控制、定时、计数和算术等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入输出,控制各 种类型的机
5、械或生产过程。 PLC 具有可靠性高,抗干扰能力强等优点,PLC 的平均无 故障运行时间(又称平均故障间隔时间 MTBF)已经高达几十万小时。其次,PLC 具有 通用性强,使用方便的特点。由于 PLC 产品的系列化和模块化,PLC 配备有品种齐全的 各种硬件装置供用户选用,可以组成能满足各种控制要求的控制系统,用户不必自己 再设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接线。一个控制对象的硬件配置确定以后,可以通过修改用户程序,方便快速 地适应工艺条件的变化。 PLC 还具有功能强,适应面广的特点,现代 PLC 不仅具有逻 辑运算、计时、计数、顺控
6、等功能,数值运算和数据处理等功能。因此,它既可对开 关量进行控制,也可以对模拟量进行控制,既可控制一台生产机械、一条生产线,也 可控制一个生产过程。PLC 还具有通信联网的功能,可与上位计算机构成分布式控制系 统。用户只需根据控制的规模和要求,适当选择 PLC 的型号和硬件配置,就可以组成 所需的控制系统。 随着交通的不断发展和汽车化进程的加快,交通拥挤加剧,交通 事故频发,交通环境恶化,已经成为引人注目的城市问题之一。交通问题不仅的发展 中国家,就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。众所周知,缓解交通拥挤的最 直接和最有效办法是提高路网的通信能力。但无论哪个国家的大城市,不可能无限制 地修
7、建道路,不论是资金因素还是土地因素,都限制了道路的无节制增长。因此,不 可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。与此同时,通过限制车辆增 加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。事实上,由于交通 系统是一个相当复杂的大系统,无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑,都很 2 难从根本上解决问题。 早在 19 世纪,人们就开始研究交通信号,用信号指挥车通行, 控制车辆进出交叉口的次序。据文献记述,早在 1868 年,英国伦敦的威斯特明斯特 (Westminster)街就安装了红、绿色两色的交通信号灯。到 1917 年,美国的盐湖城开 始使用由人工控制的红、黄、绿 3
8、色的信号灯。1925 年,这种由人工控制的 3 色信号 灯也首次出现在英国伦敦的皮克的时路口。次年,英国人研制出了自己的自动控制信 号机。 道路通交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份,这个系统的运行状 况如何,直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。在这一系统中,道路不 仅仅是易变化的部分,而是它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。只有对这一 系统的组成及运行机理进行科学客观的分析研究,对能制定科学有效的管理和控制对 策,从而保障系统的有效运行。 1.21.2 现在城市路口交通灯控制技术现状现在城市路口交通灯控制技术现状 随着城市机动车量的不断增加,许多大城市出现了交通超负荷运行
9、的情况,因此,自 80 年代后期,这些城市纷纷修建城市高速道路,在高速道路建设完成的初期,它们也 曾有效地改善了交通状况。然而,随着交通量的快速增长和缺乏对高澎路的系统研究 和控制,高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点,也 决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。 所以,如何采用合适的控制方法,最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路,缓 解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解 决的主要问题 1.31.3 本课题主要研究内容本课题主要研究内容 按照城市交通控制的需要,本文讨论了用 PLC 实现正常时
10、序、急车强通 2 种控制方式, 通过传感器与 PLC 完成对交通异常状况(滞留或堵车)的判别及处理。正常时序控制 对路面进行控制.南北方向红灯时,东西方向绿灯.绿灯闪 3 秒紧接着黄灯闪 2 秒,变红 灯.南北方向红灯直接变绿灯.东西方向红灯时同理.急车强通时,发送信号给交通灯让 其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通. 急车强通信号受急车强通开关控制;无急车 时,信号灯接正常时序控制;有急车来时,一律强制让急车方向的绿灯亮,使急车放 3 行,直至急车通过为止。交通滞留的异常情况,在路口与路尾设置两个传感器进行检 测车流量.交通路段车流量繁忙时,传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。当一 方车流
11、量过大的时候,PLC 要对控制这一路段的信号灯进行调控,让滞留或堵车的一方绿 灯时间加长,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不必要的麻烦 与事故,就、控制进行很方便,很便捷。PLC 的种类很多,其实现的功能、内存容量、控 制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此,PLC 的分类没有一个严格的统一标准, 而是按照结构形式、控制规模、实现的功能进行大致的分类。(1)按结构形式分类 PLC 按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。整体式 PLC 外观上是一个长方形 箱体,又称为箱式 PLC。组合式 PLC 在硬件构成上具有一定的灵活性,其规模可以像拼 积木一样的进行组合,构成具有
12、不同控制规模和功能的 PLC,因此这种 PLC 又称为积木 式 PLC。 整体式 PLC:整体式 PLC 的 CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内,这种 结构的特点是:结构简单,体积小,价格低;输入输出路数固定,实现的功能和控制 规模固定,灵活性较低 。组合式 PLC:组合式 PLC 为总线结构。其总线做成总线板, 上面有若干个总线槽,每个总线槽可安装一个 PLC 模块,不同的模块实现不同的功能。 PLC 的 CPU、存储器和电源等做成一个模块,该模块在总线版上的安装位置一般来说是 固定的,而且该模块也是构成组合式 PLC 所必需的。其他的模块根据 PLC 的控制规模、 实现的功能选取,安
13、装在总线版的其他任一总线槽上。组合式 PLC 安装完成后,需进 行登记,使 PLC 对安装在个总线上的模块进行确认。组合式 PLC 的总线板又称为基版。 组合式 PLC 的特点是系统构成灵活性高,可构成具有不同控制规模和功能的 PLC;价格 较高。(2)按控制规模分类输入输出的总线数,又称 I/O 点数,是表征 PLC 控制规模 的重要参数。因此,按控制规模对 PLC 分类时,可根据 I/O 点数的不同大致分为小型、 中型和大型 PLC。小型 PLC:I/O 点数较少,在 256 点以下的 PLC。中型 PLC:I/O 点数 较多,在 256 点以上、2048 以下的 PLC。 大型 PLC:
14、I/O 点数较多,在 2048 点以下的 PLC。(3)按实现的功能分类 按照 PLC 所能实现的功能的不同,可以把 PLC 大致的 分为低档、中档、和高档机三类。 低档机:具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断 监控等功能,还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。 中档机:除具有低档机的功能外,还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转 换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机:除具有中档机的功能 外,还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。函数、表格、CRT 显示、打印机打印等功 能。一般地,低档机多为小型 PLC,采用整体式机构;中档机可为大、中、小型 P
15、LC, 其中小型 PLC 多采用整体式结构,中型和大型 PLC 多采用组合式结构;高档机多为大 型 PLC,采用组合式结构。目前,在国内工业控制中应用最广泛的是中、低档机。 4 1.41.4 可编程控制器的发展可编程控制器的发展 20 世纪 80 年代至 90 年代中期是 PLC 发展最快的时期。PLC 发展至今,已有 30 多年 的历史。伴随着半导体技术、计算机技术、通讯技术的发展,工业控制领域已有了翻 天覆地的变化,PLC 亦再不断发展变化中,PLC 正朝着新的技术发展。 近年来随着科 技的飞速发展,PLC 的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益更新。 在实时检测和自动控制
16、的 PLC 应用系统中,PLC 往往是作为一个核心部件来使用,仅 PLC 方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结 合,加以完善。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。随着中国加入 WTO,我们不但要在经济、文 化、科技等各方面与国际接轨,在交通控制方面也应与国际接轨。 PLC 在世界各地得 到了广泛应用,同时,PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制 技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC 在开关量处理的基础上增加了模 拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局
17、限于逻辑控制,在运动控制、过程控 制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控的制的首选产品,PLC 在二十世纪八十 年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20%30%。随着 工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大,近年来 PLC 在工业发达 国家的增长速度放缓。但是,在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相关资 料,2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的 位置。PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的 PLC 只有开关 量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。它以存
18、储执行逻辑运算、顺序控制、定时、 计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。 的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入 PLC 的用户程序存储器中。运行 时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示程序 步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加 1, 程序 从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为 END 指令),然后再返回起始 步循环运算。PLC 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC,循环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间。PLC 用梯形图编程,在解算逻
19、辑方面, 表现出快速的优点,在微秒量级,解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当 成开关量来处理,16 位(也有 32 位的)为一个模拟量。大型 PLC 使用另外一个 CPU 来 5 完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。相同 I/O 点数的系统,用 PLC 比 用 DCS,其成本要低一些(大约能省 40%左右)。PLC 没有专用操作站,它用的软件和 硬件都是通用的,所以维护成本比 DCS 要低很多。一个 PLC 的控制器,可以接收几千 个 I/O 点(最多可达 8000 多个 I/O)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采 用 PLC 较为合适。PLC 由于采
20、用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容 易一些。近 10 年来,随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大,越来越多的中 小设备开始采用 PLC 进行控制,PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速 发展和基础自动化水平的不断提高,今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势 头。通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器,但 PLC 相对一般 嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原 来采用嵌入式控制器,现在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器 1. 向高 性能、高速度、大容量发展 大型 P
21、LC 大多采用 CPU 结构,不断向高性能、高速度、 大容量发展。ANA 系列 PLC 使用了世界上第一个在一块芯片上实现 PLC 全部功能的 32 位微处理器、即顺序控制芯片,其扫描时间为每条基本指令 0.15us。 2. 增强小型 PLC 的功能 小型 PLC 一般指 I/O 点数小于 256 的 PLC,大多数采用整体结构,小型 PLC 价格便宜,性价比不断提高,很使用单机自动化,或组成分布式系统。近年来, PLC 厂商不断推出功能更强的小型 PLC,更新换代的周期越来越短。除了开关量逻辑控 制功能以外,现代小型 PLC 还具有中断功能、脉冲捕获功能、内置的实时钟、用 EEPROM 代替
22、 RAM 和锂电池,使 PLC 成为完成完全免维护的设备,将过去许多需要特殊 功能模块完成的功能软件化,如用 PID 指令实现 PID 控制,用定位控制实现位置控制。 各 PLC 厂家近年来推出一些价格便宜的专用人机接口装置,用来监视 PLC 的内部变量 和修改参数。与西门子 S7-200 配套的 TD200 文本显器可显示两行中文,每行 10 或 20 个字符,可用 S7-200 编程软件设置 TD200 的显示内容。3. 不断提高编程软件的功能 (1)编程软件日益普及 (2)编程软件功能不断完善 (3)编程语言的标准化 (4) 编程软件配备仿真功能,如西门子 S7-200 与 STEP7
23、编程软件配套使用的 S7-PLCSIM 仿真软件。 (5) 通讯功能的增强和标准化 (6)PLC 的软件化与 PC 1.51.5 主要用途主要用途 PLC 编程一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令编制程序, 非常形象直观,在了解了 PLC 简单工作原理和它的编程技术后,就可以结合实际需要 6 进行应用设计,进而将 PLC 用语实际控制系统中,此外,PLC 还具有使用和编程方便, 抗干扰能力强,运行稳定可靠,在实际运用中设施施工周期短等特点,是一种用于工 业自动化控制的理想工具。 PLC 诞生后,受到工业界的普遍欢迎,并得到迅速发展, 目前,它的应用几乎覆盖了所有工业企业,
24、而且随着 PLC 技术的推广和应用,PLC 将向 着标准化,小型化,模块化及低成本,高功能的方向发展。 3-2PLC 与一般的计算机 的结构相似,由中央处理单元(CPU),存储器(MEMERY),输入/输出 (INPUT/OUTPUT)接口,电源部件外部设备接口等,但由于 PLC 专为工业环境下设计 的,为了便于接线,扩充功能,操作及维护,它的结构与组成又与一般的计算机系统 有所区别。 1.61.6 可编程控制器的组成可编程控制器的组成 如图所示,PLC 与通用计算机没有什么区别,只是一台增强了 I/O 功能的可与控制对象 方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行 IO 变换,并将这
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