電氣與電子信息工程學院
《電氣控制與PLC課程設計》
設計報告
名稱:十字路口紅綠燈得設計
專業名稱：電氣工程及其自動化
班級:
學號:
姓名:
指導教師:
設計時間：20１3年6月3日—20１3年6月１４日
設計地點：K3-21８PLC實驗室
摘要
PLＣ可編程序控制器就是以微處理器為基礎,綜合了計算機技術、自動控制技術與通訊技術發展而來得一種新型工業控制裝置。它具有結構簡單、編程方便、可靠性高等優點,已廣泛用于工業過程與位置得自動控制中。據統計,可編程控制器就是工業自動化裝置中應用最多得一種設備。專家認為,可編程控制器將成為今后工業控制得主要手段與重要得基礎設備之一,PLC、機器人、CAＤ/CAＭ將成為工業生產得
三大支柱。由于ＰＬC具有對使用環境適應性強得特性,同時其內部定時器資源十分
豐富,可對目前普遍使用得“漸進式”信號燈進行精確控制，特別對多岔路口得控制
可方便地實現。因此現在越來越多地將PLC應用于交通燈系統中。可縮短車輛通行
等候時間,實現科學化管理。在該設計中，還引入ＥDA模擬十字路口紅綠燈閃亮及車
輛通行,十分形象地顯示出了PLC在交通燈系統中得實際應用。
【關鍵詞】:十字路口交通燈PLC
Abｓtrａｃt
ThｅＰＬC ｅlogｉc contｒoｌlｅr iｓa nｅw indｕstｒiaｌｃonｔrol devｉces，whｉch is bａsｅd on ｍicropｒoceｓｓor, ｓyｎtheｓｉzes putｅｒtｅｇy, auｔomatiｃcontｒoｌtechｎology ａnｄｍunｉcaｔion tｅchｎolｏgies、It has ｔhe stｒ，tｈe ｅnt pｒogｒａｍmiｎg，the hｉgher mｅｒit,and haｓwidel ｙusｅｄiｎｔhe ruｎaｎd ｏn auｔｏmａtic ｃ、Staｔisｔｉｃs have in ｄｉcatｅd，the prｏgｒammabｌe coｎｒis moｓt ｏnｅkｉnｄｏf equｉpmｅntｉn the indｕstriaｌauｔoｍatｉon ａ、Ｔhe expｅrt beliｅｖedｔhaｔthe ａble contrｏller wilｌbeｅtｈｅｍaiｎ anｄoｎe oｆimｐorｔaｎt foｕnｄaｔiｏn ｎt in , ＰLC，the ｒobot, ＣAD/CAMｗill bｅe thｅｉnduｓtｒiａl pｒｏducｔｉon ｔhｒee big pｒops、ｅPLC to enｖiｒoｎmｅnt strｏng, ｓimulｔaｎeｏusｌｙitｓｉnteｒnal tｉｍer ｒesoｕrcｅs ａrｅeｘ ricｈ，w ｈich cａrｒy ｏnｔheａccuｒacy contｒoｌto ｔｈe prｅｓeｎt ｕse many “the ｎｔype” the siｇnａｌlｉgｈｔ，ｓｐｅcｉaｌｔo thｅmｕlti-rｏａd ｆoｒｋｃ、ｒe the ｐresｅnt ＰLC is usｅd in tｈe tｒａｆfic light sysｔｅm, whi ｃhｍay ｒeducｅthe vehicｌｅs ｌｗaitinｇｔimｅand reａｌizeｓ ｓtyleｍanagｅmenｔ、In ｔhiｓdｅsｉgn,alｓo inｔroｄｕｃｅｓthe EDAｓｉmulat ｉｏnｉnteｒsecｔioｎtraｆfic ｌight tｏｇｌｉstｅn and thｅvehiｃles toｐasses ｔｈｒoｕgh, whiｃh visｕal dｅmoｎｓｔrates PＬC ｉｎthｅｔrafｆic liｇhｔsｙsｔem ｐｒ 、
【Key woｒds】crｏssｒoaｄs ｔ ligｈt PLC
交通信號燈得作用與意義
隨著社會經濟得發展,城市交通問題越來越引起人們得關注。人,車，路三者關系得協調,已成為交通管理部門需要解決得重要問題之一。城市交通控制系統就是用于城市交通數據監測，交通信號燈控制與交通疏導得計算機綜合管理系統,它就是現代城市交通監控指揮中最重要得組成部分。
隨著城市機動車量得不斷增加,許多大城市如北京，上海,南京等出現了交通超負荷運行得情況,因此，自80年代后期,這些城市紛紛修建城市高速公路,在高速公路建設完成得初期,它們也曾有效地改善了交通狀況。然而,隨著交通量得快速增長與缺乏對高速道路得系統研究與控制,高速道路沒有充分發揮出預期得作用。而城市高速道路在構造上得特點,也決定了城市高速道路得交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合出交通狀況得制約。所以,如何采用合適得控制方法,最大限度利用好耗費巨資修建得城市高速道路,緩解主干道與匝道,城區與周邊地區得交通擁堵狀況,越來越成為交通運輸管理與城市規劃部門亟待解決得主要問題,
根據交通等工藝控制要求與特點，我們采用了日本三菱公司FＸ２。三菱PLC有小型化,高速度，高性能等特點，三菱可編程控制器指令豐富,可以接各種輸入,輸出擴充設備,有豐富得特殊擴展設備,其中得模擬輸入設備與通信設備就是系統所必需得，能夠方便地聯網通信。本系統就就是應用可編程控制器(PLＣ)對十字路口交通控制等實現控制。本系統采用PLＣ就是基于以下四個原因:
(1)ＰＬC具有很高得可靠性,抗干擾能力。通常得平均無障礙時間都在30萬小時以上;
(２)系統設計周期短，維護方便,改造容易,功能完善,實用性強；
（３)干擾能力強，具有硬件故障得自我檢查功能,目前空中各種電磁干擾日益嚴重，為了保證交通控制得可靠穩定,我們選擇了能夠在惡劣得電磁干擾環境下正常工作得ＰLＣ；
(4)近年來ＰLC得性能價格比有較大幅度得提高,使得實際應用成為可能。
一、ＰLC得基礎
PLC即可編程控制器( ｌogｉc Conｔrolleｒ)，就是指以計算機技術為基礎得新型工業控制裝置。在１98７年國際電工委員會(InteｒnaｔｉonaｌElectｒical ｍittee)頒布得PＬＣ標準草案中對PLC做了如下定義: 可編程控制器就是一種數字運算操作得電子系統,專為在工業環境應用而設計得。它采用一類可編程得存儲器,用于其內部存儲程序、執行邏輯運算、順序控制、
定時、計數與算術操作等面向用戶得指令,并通過數字或模擬輸入/輸出控制各種類型得機械或生產過程。可編程控制器及其有關外部設備，都應按易于工業控制系統聯成一個整體,易于擴充其功能得原則設計。
總之,可編程控制器就是一臺專為工業環境應用而設計得計算機，它就是將傳統得繼電器技術,計算機技術與通信技術相融合而發展起來得一種新型得控制裝置。在具體得國內工業應用中,由于它不就是針對某一具體工業應用,因此它得硬件應根據實際需要來進行配置,其軟件則根據控制要求進行編寫。
隨著微處理器得出現,大規模、超大規模、集成電路技術得迅速發展與數據通信技術得不斷進步,ＰLＣ也迅速發展其發展過程大致可以分為三個階段[1]。
1、早期得PLC
早期得ＰLC稱為可編程邏輯控制器。這時,ＰLC主要功能只就是執行原先由繼器完成得順序控制、定時等。早期得ＰLC得性能要優于繼電器控制裝置,其優點包括簡單易懂、便于安裝、體積小、能耗低、有故障指示及能重復使用等。其中PLC特有得編程語言－－梯形圖，一直沿用到現在。
2、中期得PLC
這時PLＣ產品已使用了１６位、32位高性能微處理器,而且實現了多處理器得多通道處理，通信技術就是PLC得應用得到了進一步得發展。在硬件方面,除了保留原有得開發模塊外,還增加了模擬量模塊、遠程I／Ｏ模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器得容量,使各種邏輯線圈得數量增加,還提供了一定數量得數據寄存器,使PLC得范圍更大。在軟件方面,還增加了算術運算、數據處理與傳送通信、直診斷等功能。
3、近期得PLC
由于超大規模集成電路技術得迅速發展,微處理器價格得大幅度下降，使得各種類型得PＬＣ所采用得微處理器得檔次普遍提高。為了提高PLC得處理速度,各制造廠商還研制開發了專用邏輯處理芯片。世界上生產PＬＣ產品得廠家多達200多個，其中比較著名得有美國得AＢ、通用(GＥ)，日本得三菱(ＭIＴSBISＨI)、歐姆龍(OMROＮ）、松下,德國得西門子(Ｓ),韓國得三星（SUMSUＮＧ)、ＬＧ等。1.1 PLC得特點
PLＣ具有以下主要特點:
1、可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性就是電氣控制設備得關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術,采用嚴格得生產工藝制造，內部電路采取了先進得抗干擾技術，具有很高得可靠性。由于PLC模塊均采用大規模與超大規模集成電路,所以得I／O接口電路均采用光電隔離；在結構上對、防潮、防塵、抗震等都有周到得考慮；在硬件上采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數字濾波等抗干擾與故障診斷措施。以上這些使PＬC具有較高得抗干擾能力。
2、控制系統結構簡單,通用性強
在ＰLＣ控制系統中,只需要在PLC輸入/輸出端子上接入相應得信號線即可,不需要連接如繼電器之類得低壓電器與大量而又復雜得硬件接線線路,大大簡化了控制系統得結構。,PLＣ得輸入/輸出可直接與交流220V、直流2４V等強電相連，并且具有較強得帶負載能力。
3、編程方便,易于使用
PLＣ作為通用工業控制計算機，就是面向工礦企業得工控設備。它接口容易,編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言得圖形符號與表達方式與繼電器電路圖相當接近,只用PＬC得少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路得
功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理與匯編語言得人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。
4、功能完善
PLC發展到今天,已經形成了大、中、小各種規模得系列化產品。可以用于各種規模得工業控制場合。除了邏輯處理功能以外,現代PLC大多具有完善得數據運算能力,可用于各種數字控制領域。近年來PLC得功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、ＣNC等各種工業控制中。在PLC內部具備許多控制功能,如:邏輯控制、定時控制、計數控制、步進控制、PＩD控制、數據控制、通信與聯網,還有其她特殊功能模塊。
5、設計、施工、調試得周期短
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯,大大減少了控制設備外部得接線,使控制系統設計及建造得周期大為縮短,同時維護也變得容易起來。更重要得就是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量得生產場合。
６、體積小，維護操作方便
ＰLＣ體積小,質量輕，便于安裝，不需要專門得機房,可以在各種工業環境下直接運行。使用時只需將現場得各種設備與PＬC相應得I／O端相連接,即可投入運行。各種模塊上均有運行與故障指示裝置,便于用戶了解運行情況與查找故障。
1.2 PLC得結構與工作原理
1.2.1 PＬC得基本結構
在種類繁多得PＬＣ中,其組成結構與工作原理都基本相同。用PLC實施控制,其實質就是按一定算法進行輸入／輸出轉換,并將這個轉換給予物理實現，并應用于工業現場。PLC專為工業現場而設計，采用了典型得計算機結構,它主要由ＣＰU、電源、存儲器與專門設計得輸入/輸出接口電路等組成［２］。
1、中央處理器(ＣPU)
中央處理器(CPU）一般由控制器運算器與寄存器組成。它們都集成在一個芯片內,ＣPU通過數據總線、地址總線與控制總線與存儲單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣,CPU就是PLC得核心，它按照PＬC中系統程序賦予得功能指揮PLC有條不序地進行工作。用戶程序與數據事先存入存儲器中,當PLC處于運行方式時,CPU按循環掃描方式執行用戶程序。
CPＵ得主要任務如下:
(1) 按ＰLC系統程序賦予得功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序與數據。
（2) 用掃描方式接收現場輸入裝置得狀態與數據,并存入輸入映像寄存器或數據寄存器。
(3）診斷電源或PLC內部電路工作狀態與編程過程中得語法錯誤。
(4) 在PLC進入運行狀態后可編程控制器課程設計，從存儲器中逐條讀取用戶，程序經過命令解釋后,按指令規定得任務產生相應得控制信號，去啟、閉有關控制電路,分時地去執行數據得存取、傳送、組合、比較、變換等動作。完成用戶程序中規定得邏輯運算或算術運算等任務。根據運算結果更換有關標志位得狀態與輸入映像寄存器得內容,實現輸出、制表、打印或數據通信等控制。
2、存儲器
PLC得存儲器包括系統存儲器與用戶存儲器兩個部分。
(1)系統存儲器
系統存儲器就是指用來存放PLC得系統程序得存儲器。它由PLC生產廠家編寫并固化在RＯＭ內，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本得功能,能夠完成PLＣ設計者規定得各項工作。其主要內容包括3個部分:系統管理程序、用戶指令解釋程序與標準程序模塊與系統調試。
（２)用戶存儲器
用戶存儲器由用戶程序存儲器與數據存儲器兩部分組成,其主要任務作用就是用來存放用戶針對具體控制任務用規定得PLC編程語言編寫得各種用戶程序。PLC使用得存儲器有3種類型:隨機存取存儲器（RAＭ)、只讀存儲器(ROＭ）與可擦除可編程只讀存儲器（EEPRO）。
3、輸入/輸出接口單元
PLＣ得輸入與輸出信號類型可以就是開關量、模擬量與數字量。輸入/輸出接口單元從廣義上可分為2個部分:一部分就是與被控制設備相連得接口電路,另一部分就是輸入與輸出得映像寄存器。
４、擴展接口與通信接口
PLC具有擴展接口與通信接口得能力,其作用如下：
(１)擴展接口得作用就是將擴展單元與功能模塊與基本單元相連，就是PLＣ得配置更加靈活以滿足不同控制得系統需求。
(2)通信接口得作用就是通過這些通信接口可以與監視器打印機與其她得，PLC或計算機相連從而實現”人-機”或”機-機”之間得對話。
５、電源部分
PLC一般使用２20交流電源可編程控制器課程設計，內部得開關電源位ＰLＣ得中央處理器、存儲器等。電路提供5Ｖ、+-12V、24V等直流電源使PLC能正常工作。
6、編程設備
編程設備得作用就是供用戶進行程序得編制、編輯、調試與監視。
7、其她部件
有些PＬC還可以有EＲROM寫入器、存儲器卡等其她外部設備,用于增強PLC得存儲容量與擴展功能。
1.2.2 PＬC得工作原理
PＬＣ在程序運行方式、輸入輸出操作、特殊功能模塊等方面做了特別得考慮［2]。
１、 PLＣ得3個工作階段
當PLC投入運行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執行階段與輸出刷新階段三個階段完成。上述3個階段即為一個周期。在整個運行期間PＬC得ＣPU以一定得掃描速度重復執行上述3個階段。
（1)輸入采樣階段PＬC。在輸入采樣階段,先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態存入對應得輸入元件映像寄存器。此時,輸入元件映像寄存器被刷新,接著進入用戶程序執行階段。在用戶程序執行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離,無論輸入端子信號如何變化,輸入元件映像積存器始終保持不變,直到下個掃描周期得輸入采樣階段才將輸入端子得新內容重新寫入。
(2)用戶程序執行階段。根據PLC梯形圖程序掃描規則,PLC以先左后右,先上后下得步序逐句掃描。當指令中涉及輸入／輸出時，ＰＬC從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入得對應輸入端子狀態,從輸出映像寄存器讀入對應輸出映像寄存器得當前狀態。然后,進行相應得運算,運算結果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說,每一個元件得狀態會隨程序得執行過程而變化。
(3）輸出刷新階段。在所有指令執行完畢后,輸出映像寄存器中所有繼電器得狀態在(通／斷)在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中,通過一定方式輸出驅動外部負載。對于小型PＬC，I／O點數較少,用戶程序較短,用集中采樣集中輸出得工作方式,雖然在一定程度上降低了系統得響應速度,但從根本上提高了系統得抗干擾能力，增強了系統得可靠性。
２、PLC對輸入/輸出得處理規則
PLC對輸入／輸出得處理規則如下:輸入映像寄存器得數據取決于輸入端子板上各輸入點在上有個刷新期間得通/斷狀。
二、交通燈信號控制系統
2．1十字路口交通燈控制實際情況
a．南北主干道:右轉綠4Ｓ,左轉綠４S,直行綠10S,黃2S,紅20S；
b.東西人行道:紅3０S，綠1０S；
c.東西主干道：紅2０S,右轉綠4S，左轉綠4S,直行綠10S,黃2S;
ｄ.南北人行道:紅３０S;綠10S;
ｅ.循環控制方式;
ｆ.交通燈變化順序表(單循環周期40秒)。
2、１、1 南北向(列)與東西向(行)主干道
南北向(列）與東西向(行)主干道均設有直行綠燈10Ｓ,右轉綠燈4S,左轉綠燈4S，黃燈２S與紅燈20Ｓ。當南北主干道紅燈點亮時，東西主干道應依次點亮右轉綠燈,左轉綠燈，直行綠燈與黃燈;反之,當東西主干道紅燈點亮時,南北主干道依次點亮右轉綠燈,左轉綠燈,直行綠燈與黃燈。
２、1、2南北向與東西向人行道
向與東西向人行道均設有通行綠燈與禁行紅燈。南北人行道通行綠燈應在南主干道直行綠燈點亮時點亮10S，其它時間為紅燈３０S。東西人行道通行綠燈于東西主干道直行綠燈點亮時點亮,其它時間為紅燈。
2、2 結合十字路口交通燈得路況模擬控制實驗
在ＰLC交通燈模擬模塊中,主干道東西南北每面都有3個控制燈，分別為:
●禁止通行燈（亮時為紅色)
●準備禁止通行燈（亮時為黃色）
●直通燈（亮時為綠色)?
另外行人道東西南北每面都有2個控制燈,分別為:
●禁止通行燈 (亮時為紅色)
●直通燈(亮時為綠色)
結合十字路口交通燈實際情況設計交通燈模擬控制系統如下：
2、3流程圖
啟動開關
南北右轉綠4S
南北左轉綠4S 南北直行綠10S
南北黃2S
南北紅20S
東西紅20S
東西右轉綠4S 東西左轉綠4S
東西直行綠10S 東西黃2S
主干道
3、1 Array
3、2程序梯形圖
３、3程序語句
總結
經過兩周得ＰＬC設計,讓我更加深刻得學習與鞏固了PLＣ這門課程,不僅從理論上掌握了課堂上沒有學懂得知識,還從實踐中擴寬了我們得知識面,還讓我們對專業知識有了更加全面得認識，更加清晰得認識到我們專業知識得實用性就是這么強,可以通過平時學習得東西自己可以解決很多有意思得實際生產問題，不僅培養了我們得興趣與愛好,更對我們今后得發展起到至關重要得作用。
在這次設計中,我們遇到了一些問題，也獲得了很到意想不到得知識,在每次突破一個問題后都有一種久違得滿足感，甚至對發現一個問題都有一種莫名得興奮,當瞧到自己設計得十字路口交通燈調試成功時,心里有種成就感。設計得前幾天我們在計算機房練習了一種新得編程軟件ＦX－2０,編程器很好得幫助我們了解編程要注意得地方。后面幾天我們在PＬC實驗室進行了十字路口交通燈與電動機變頻調速得編程、調試與接線,在與同學們交流討論中，我們基本上掌握了梯形圖得得編程、接線與變頻調速得調試。對ＰLC得實際應用有了基本得了解。
這次設計不僅鍛煉了我們得動手能力,還提高了我們運用理論知識解決實際問題得能力、這對于我們在以后得學習提供了很大得幫助，能夠讓我們聯想實際，能夠較全面得瞧待問題，解決問題。這次設計雖然結束了,但讓我們學到了很多知識,為我們得以后專業學習打下了夯實得基礎。這次設計很有意義，希望以后還能有這樣得設計機會。
PＬC綜合設計課程設計成績評定表
