根据PLC的交通灯设计.doc

^` 基于PLC的交通灯设计 摘 要 自动控制装置的先进程度是体现工业自动化水平的重要标志。随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展,可编程序控制器已经成为工业控制的标准设备之一。用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器,简化控制线路、提高系统可靠性,是PLC的最大优点；根据实际工艺要求,借助于顺序功能图和梯形图来编制用户控制程序,实现单台设备或生产过程的顺序控制,则是PLC的主要功能之一。 本课题是对可编程控制器的顺序控制进行实际的应用，通过西门子的STEP7可编程控制软件对十字路口交通灯编写来研究顺序控制在使用中的作用。 随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分 关键字 交通控制 交通灯 事件发生器 定时器 目 录 1 绪论 ３ 1.1 课题的背景和意义 ３ 1.2 国内外现状 ４ 1.3 方案比较 ５ 1.3.1 采用数字逻辑电路设计 ５ 1.3.2 PLC设计 ５ 1.4 可编程控制器 ６ 1.5 课题设计内容 ８ 2 系统设计 ８ 2.1 控制要求 ８ 2.2 系统硬件设计 １０ 2.2.1 机型选择与I/O分配 １０ 2.2.2 内存变量表 １１ 2.3 软件设计 １２ 3 系统检测与调试 １３ 3.1检测与调试 １３ 4 结论与展望 １４ 结束语 １５ 致谢 １６ 参考文献 １７ 附录 可编程逻辑控制器程序 １９ 1 绪论 1.1 课题的背景和意义 当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路窄的道路交通状况已经很明显了。所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率. 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。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，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，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。 同时，PLC本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用。 1.2 国内外现状 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 在中国机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等地出现了交通超负荷运行的情况，交通事故的问题也越来越严重。并且由于各种特殊车辆（如120急救车、119火警车、110警车及各种特种车辆）在紧急情况之下不受红灯限制，也给交通带来很多不便，甚至造成交通事故。而且，目前大多数交通灯在同一时刻都会出现两个或两个以上方向同时为绿灯的情况，也增加了交通事故的发生率。因此，设计一种专为特殊车辆通过而不至于引发任何交通事故、正常交通控制时任何时刻只有一个方向通行绿灯的现代化智能交通灯控制系统是迫切需要的。 1.3 方案比较 1.3.1 采用数字逻辑电路设计 工作原理:选用十六进制计数器74161和3线-8线译码器74LS138。经过译码后，输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。其中黄灯信号必须满足间歇闪耀；在夜间时黄灯一直闪耀，而绿、红灯灭。 基本组成:主要由控制器部分和数字显示部分,秒脉冲发生器等组成。显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”停止。译码显示可用74LS47 驱动BCD码七段译码器，计数器采用可预制加、减计数器，如74LS168、74LS190、74LS193等。 数字电路的特点:数字电路的信号是不连续变化的数字信号，所以在数字电路中工作的器件多数工作在开关状态，即工作在饱和区和截止区，而放大区只是过渡状态。数字电路的主要研究对象是电路的输入和输出之间的逻辑关系，因而在数字电路中就不能采用模拟电路的分析方法，例如，微变等效电路法等就不适用了。这里的主要分析工具是逻辑代数，表达电路的功能主要用真值表，逻辑表达式及波形图等。其在任何时刻的输出，仅取决于电路此刻的输入状态，而与电路过去的状态无关，它们不具有记忆功能。 或者在任何时候的输出，不仅取决于电路此刻的输入状态，而且与电路过去的状态有关，它们具有记忆功能。 1.3.2 PLC设计 采用计算机和西门子S7系列PLC，在计算机上编译调试好交通灯控制程序，启动PLC写入程序，经过运行后，输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。其中黄灯信号必须满足间歇闪耀. 可编程控制器交通灯控制系统的特点：编程简单，维修方便；联机自动就地工作；上机控制的单周期运行方式；由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；自动启动、自动停机控制方式。近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。 本系统采用PLC是基于以下四个原因： ①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上； ②编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现； ③抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC； ④安装简单维修方便，PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需要将现场的各种设备与PLC相应的I/O端连接，系统便可投入运行。 1.4 可编程控制器 可编程序控制器(program logical controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求;再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。 PLC具有以下特点: (l)可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它。 特殊的周期循环扫描工作方式。 (2)具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 (3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 (4)编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 (5)安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系基于PLC的变频恒压供水系统的设计统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。 PLC的软件可分为系统软件和用户程序两大部分: (l)系统软件:也称之为常驻的操作系统软件。它又包括基本控制单元软件和编程软件两部分。另外，一些特殊功能模块也带有自己的操作系统软件。通常，一个PLC机架只能容纳一定数量的模块插件，这种包含主机模块和部分I/O模块的机架称为基本控制单元。基本控制单元软件固化在主机模块的EPROM中，其主要功能为:进行PLC自身的管理和监督(如开机自检，运行中监督CPU、电池电压是否正常);循环解释运行用户程序;集中进行输入信号的扫描和输出控制的更新编程器软件用来支持用户程序的输入，也可以用来监控用户程序的执行过程。当用户程序己装入PLC的存储器，编程器就可以被分离，基本控制单元将自动进入执行用户程序状态。考虑到PLC内部结构的复杂性，系统软件应有专业技术人员进行设计，一般用户不允许直接设计系统的内部操作。 用户程序:这是用户应用PLC进行控制所需要编制的程序。目前，在PLC中普遍使用梯形图编程方法。这种编程方法是在传统继电器梯形图基础上进行一定演变而形成的，突出了各编程原件之间的逻辑关系。与硬接线的梯形图不同，PLC梯形图逻辑是由软件实现的，因此既形象直观便于编写，又易于扩展和修改功能。 1.5 课题设计内容 按照城市交通控制的需要，本文讨论了用PLC实现正常有序的控制方式，进而对十字路口的交通实现智能控制。 当启动开关接通时，系统开始工作，首先是东西通行，即东西绿灯亮，南北红灯亮。东西绿灯工作到40秒时，开始五秒钟的闪烁，然后变为黄灯，黄灯工作5秒后，东西路口的红灯亮50秒。 与此同时南北方向交通灯的控制规律是：南北红灯亮50秒，然后变为南北绿灯亮40秒，之后5秒钟的闪烁，然后变为黄灯，黄灯工作工作5秒，构成一个完整的控制周期。 按上述方式重复运行，按停止按钮时，工作结束，所有信号灯都熄灭 2 系统设计 交通指挥灯控制系统也是一个比较基本的开关量控制系统，该系统的突出特点是整个系统是严格的按照时间的顺序控制的，是一个时序控制系统。 2.1 控制要求 下图是一个十字路口交通指挥灯的示意图和交通指挥灯的工作时序图，才用PLC实现十字路口的交通指挥灯的控制，具体控制要求如下： 当启动开关接通时，系统开始工作，首先是东西通行，即东西绿灯亮，南北红灯亮。东西绿灯工作到40秒时，开始五秒钟的闪烁，然后变为黄灯，黄灯工作5秒后，东西路口的红灯亮50秒。 与此同时南北方向交通灯的控制规律是：南北红灯亮50秒，然后变为南北绿灯亮40秒，之后5秒钟的闪烁，然后变为黄灯，黄灯工作工作5秒，构成一个完整的控制周期。 按上述方式重复运行，按停止按钮时，工作结束，所有信号灯都熄灭。 对于一个仅有红、黄、绿三种信号灯的十字路口，其南北方向或东西方向信号灯的动作是一致的，所以PLC控制装置使用6个端子演示交通灯的运行状态。可是看出这是一个时序控制系统。 十字路口交通等示意图 十字路口交通灯控制时序图 2.2 系统硬件设计 2.2.1 机型选择与I/O分配 一般来说，一个十字路口交通指挥灯控制系统包含12个交通指挥等。东西方向的6个指挥灯分为两组，每一组分别由红灯、黄灯和绿灯组成需要PLC三个输出端；南北方向也有两组共6个指挥灯，每一组分别由红灯、黄灯和绿灯组成，也需要PLC三个输出端；整个系统还需要一个启动按钮和一个停止按钮。 该系统需要2点输入和6点输出，选择机型为CPU 224，其中，I0.0为运行按钮，输入启动信号；I0.1为停止按钮，输入停止信号；Q0.0为南北红色信号灯；Q0.1为南北黄色信号灯；Q0.2为南北绿色信号灯；Q0.3为东西红色信号灯；Q0.4为东西黄色信号灯；Q0.5为东西绿色信号灯，系统的硬件及接线图如下图所示： 2.2.2 内存变量表 本程序的时间基准的设计是采用一个计数器C0和一个S7-200内部的特殊继电器SM0.5来完成的。由给定时间和时间基准进行比较，由比较结果来决定各个交通灯的工作状态。由十字路口交通指挥灯控制硬件组态可以作出交通指挥灯控制系统的内存变量分配表，如下图所示： 交通指挥灯控制系统的内存变量分配表 模块号 输入变量 输出变量 内存变量 信号名称 有效状态 说明 CPU 224 I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 C0 M0.0 运行按钮 停止按钮 南北红色信号灯 南北黄色信号灯 南北绿色信号灯 东西红色信号灯 东西黄色信号灯 东西绿色信号灯 运行时间计数器 系统运行标志 1有效 1有效 1有效 1有效 1有效 1有效 1有效 1有效 计数值 1有效 按钮 按钮 信号灯 信号灯 信号灯 信号灯 信号灯 信号灯 计数器 寄存器 2.3 软件设计 控制程序可以放在一个子程序中，也可以直接放在主程序OB1中，本设计的控制程序放在了OB1中。 程序设计的核心是用秒脉冲SM0.5作为运行时间计数器C0的计数脉冲。CO是一个加计数器，设定值为100，即100秒为一个运行周期。各个交通指挥灯的运行时间由比较指令完成。 十字路口交通指挥灯的控制程序OB1及其说明: 下图中的“网络1”的功能是设置十字路口交通指挥灯的控制系统的运行标志。当按下运行按钮I0.0时，置运行标志M0.0为1并自锁。 “网络2”启动计数器CTU功能的计数器。计数器的计数数值是时间控制的重要依据。计数器的计数脉冲CU是CPU的系统秒脉冲SM0.5。因此，计数器的计数值表示从启动经过的时间（秒数值）。计数器的复位信号有三个，一个是停止按钮SM0.0=0，二是一个扫描周期SM0.1=1,三是计数器的计数值到设定值PV，这里计数器的计数值到设定值PV使计数器复位的条件，是计数器的计数周期，每过100秒计数器的计数要重复（即运行周期为100秒）。 “网络3”的功能是设置十字路口交通指挥灯的控制系统的东西绿色信号灯Q0.5的自动控制。40秒之前绿灯亮Q0.5=1,40~50秒之间绿灯闪烁，Q0.5由S0.5=1确定。 “网络4”的功能是设置十字路口交通指挥灯的控制系统的东西黄色信号灯Q0.4的自动控制。40~50秒之间黄灯亮q0.4=1。 “网络5”的功能是设置十字路口交通指挥灯的控制系统的东西红色信号灯Q0.3自动控制。50~100秒红灯亮Q0.3=1。 “网络6”的功能是设置十字路口交通指挥灯的控制系统的南北绿色信号灯Q0.2自动控制。50~90秒之间绿灯闪烁。90~95秒之间绿灯闪烁，Q0.2由S0.5=1确定。 “网络7”的功能是设置十字路口交通指挥灯的控制系统的南北黄色信号灯Q0.1自动控制。95~100秒之间黄灯亮Q0.1=1。 “网络5”的功能是设置十字路口交通指挥灯的控制系统的南北红色信号灯Q0.0自动控制。5从开始到50秒红灯亮Q0.0=1. 3 系统检测与调试 3.1检测与调试 大体思路流程如下： 1、硬件调试：硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。 ①静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。 第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。 第二步：用万用表测试。先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。 第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值 第四步：是联机检查。因为只有用可编程控制器开发系统才能完成对用户系统的调试。 ②动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。 由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的 器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试既告完成。 由近及远是将信号流经的各器件按照距离可编程控制器的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。 2、软件调试： 软件调试是通过对拥护程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。程序后，编辑，查看程序是否有逻辑的错误。如果出现故障，应返回编程环境，检查梯形图的错误并修改程序再进行调试，如此反复直到调试成功。 4 结论与展望 本论文模拟城市十字路口的交通状况，设计了一套由可编程逻辑控制器，LED显示器，计算机等主要设备构成的十字路口交通灯系统，经过实验运行克服了传统控制系统的效率低，可靠性差，自动化程度不高等缺点，实现了高效、自动可靠、维护简单、管理方便的十字路口交通灯。 本系统具有以下的特点: (l)采用了可靠性高、使用简单、编程灵活的工控设备PLC和LED显示器作为主要设备，可保证信号灯安全可靠的长时间运行。 (3)系统实现了计算机和PLC的有效结合，具有远程监控与管理能力，设计合理、先进。 (4)系统采取了全自动化的控制方式，使交通控制更加高效。 展望：随着中国经济更快的发展，中国各大城市的交通压力将会更大，怎样通过高效的控制方式来缓解交通压力将成为未来的重点。和西方国家相比，中国的交通控制主要侧重与车辆的优先，而西方国家的交通控制则是行人优先，随着社会的不断发展，相信中国的交通控制也将慢慢的转向以行人优先的交通控制。 结束语 当我知道我的课题是：基于plc的交通灯设计,我想这个课题是很容易的，这样我更应该做的更好。当真正做起来的时候，还是觉得有点困难的，有些东西以前学了，但现在用起来可能又有点疑问。就如画电气原理图吧，整体的构造脑海里都有一个整体的概念。而你要画出来的话，你可能会遇到细节上的问题， 比如说按钮开关的方向是怎样，以及怎么划分区域等。遇到这些问题的时候都能让你主动去翻书，复习这些陌生的知识。我认为这是一种最好的学习方法——通过实践去检验自己的知识。这个只有你自己投入进去你才能发现自己知识点的欠缺。做为一名电气专业的学生对电器原理图的了解更应该有深刻的认识，知道它的重要性。要能看的懂，给你一张电气原理图，你要能够写出梯形图。 查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上有资料但要找到一些真正有用的资料也不是一件容易的事，需要耐心查找。 在程序设计过程中，我对以前的编程方法做了归纳，之前我习惯用功能流程写程序，遇到难点的时候习惯翻书，对照例子提取点精华。现在能灵活运用经验设计法、电气原理图设计法、顺序控制设计法。特别多顺序控制设计有了一定的了解。这里面最经典我认为是单序列的编程方法、选择序列的编程方法和并行序列的编程方法这个三个是很值得研究的，也是一种格式。只要你能熟悉掌握，灵活应用的话，那么编程对你来说将变的非常容易。一个流程图无论多么复杂，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法编程了。当然对于简单的流程也可以用顺序设计。这种方法也是一种固定的格式，只要按照它的格式就可以写出正确的程序，它的优点可以说易懂，条理清晰。但结构多。对于活动步多的设计我想用这个设计比较烦琐。 更加体会到PLC的可靠性高，抗干扰能力强，.通用性强，控制程序可变，使用方便等优点。更加熟悉了西门子编程软件使用方法与各种基本指令。 这次的课程设计使我把可编程控制器的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，让我受益非浅， 对我以后工作中遇到问题或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响。 致谢 本论文从9月份开题以来，到目前为止已经有快2个月的时间了，这次毕业设计中，虽然都没太多的经验，但是在彭老师的指导下，同组的同学鼓励、帮助下，相互奋勉，最终圆满的完成了设计任务。在整个过程当中，有许多人给了我启发和帮助，在毕业论文完成之际，我要在此表达对他们最诚挚的感谢。首先，最需要感谢的人是我的指导老师彭淑花老师。老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，方案可行的确定和论文纲领细节的修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。每一次的批评和教育，使我受益非浅，值此论文完成之际,谨向彭老师再一次向他致以衷心的谢意，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围,以及学习上的耐心细致帮助!最后我还要感谢我的同学与朋友，他们也给我很大的帮助，给我提供了不少的建议，让我少走了许多的弯路。 参考文献 王曙光: S7-200PLC应用基础与实例. 人民邮电出版社, 2007 严盈富:西门子S7-200PLC入门.人民邮电出版社, 2007 龙志文:SIMATIC子S7-200PLC原理及应用.机械工业出版社, 2007 刘永华:电气控制与PLC，北京航空航天大学出版社, 2007 罗宇航:流行PLC实用程序及设计（西门子S7-200PLC系列）.西安电子科技大学出版社, 2007 伊宏业:PLC可编程控制器教程. 航空工业出版社, 1997 刘洪涛:黄海编. PLC应用开发从基础到实践.电子工业出版社, 2007 附录 可编程逻辑控制器程序