李健-基于plc的交通灯控制系统设计xiugai

李健-基于plc的交通灯控制系统设计xiugai内容摘要：

的规模更大 ,存储器的容量又提高了 1 个数量级 (最高可达 896 K) ,有的 PLC 已采用了 32 位微处理器 ,多台 PLC 可与大系统一起连成整体的分布式控制系统 ,在软件方面有的已与通用计算机系统兼容。 编程语言除了传统的梯形图、流程图语句表外 ,还有用于算术的 BASIC 语言、用于机床控制的数控语言等。 3． 2 ＰＬＣ系统的特点 [2] 、抗干扰能力强 PLC 是专为工业控制而设计的， PLC 的平均故障间 隔可达几十万小时。 一般由程序控制的数字电子设备产生的故障常有两种：一种是软故障，由于外界恶劣环境，如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压等引起的未损坏系统硬件的暂时性故障，另一种是由多种因素而导致元器件损坏所引起的故障，称为硬故障。 PLC 的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生。 此外， PLC 采用了如下一系列的硬件和软件的抗干扰措施： （ 1）、硬件方面： 隔离是抗干扰的主要手段之一。 在微处理器与 I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地抑制了外部干扰源对 PLC 的影响，同时还可以防止外部高电压 进入 CPU模块。 滤波 是抗干扰的又一主要措施。 对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，可抑制高频干扰。 （ 2）、软件方面： a、设置故障检测与诊断程序。 PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间，检测 系统硬件是否正常，锂电池电压是否过低，外部环境是否正常，如掉电、欠电压等； b、当软故障条件出现时，立即把现状态重要信息存入指定存储器，软硬件配合封闭 存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉，这样，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。 由于采取 了以上抗干扰措施， PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高，可以承受幅值为 1000V、上升时间为 1ns、脉冲宽度为 1us的干扰脉冲。 2. 编程简单、使用方便 目前大多数的 PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，这是一种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微机语言相比更容易被操作人员所接受并掌握。 通过阅读 PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员可以很快熟悉梯形图语言，并用来编制一般的用户程序。 配套的简易编程器的操作和使用也很简单，这也是PLC近年来获得迅速普及和推广的原因之一。 3. 设计、安装容易、维 护工作量少 由于 PLC已实现了产品的系列化、标准化和通用化，用 PLC组成控制系统，在设计、安装、调试和维修等方面，表现出了明显的优越性。 设计部门能在规格繁多、品种齐全的系列 PLC产品中，选出高性能价格比的产品。 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。 在用户维修方面，由于 PLC本身的故障率极低，维修工作量很小；并且 PLC有完善的诊断和显示功能，可以根据 PLC上的发光二极管或在线编程器上提供的信息，迅速地查明原因。 因此维修极为方便。 、通用性强 现代 PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有 A/D、 D/A转换，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，也可对模拟量进行控制；既可以控制单台设备，也可以控制一条生产线或全部生产工艺过程 . 5. 体积小、能耗低 以西门子中小型 PLC S7300为例， CPU 314模块可以扩展为 512点开关量， 64路模拟量，其外形尺寸为 80mm*125mm*130mm，重量仅 ,消耗功率 8W。 由于体积小， PLC很容易装入机械设备内部，是实现机 电一体化的理想控制设备。 2． 3 ＰＬＣ控制系统应用领域 [3] 随着 PC 技术的不断发展，它在工业生产和日常生活中的应用越来越广泛，下面介绍几个 PLC 的应用实列： 可编程控制器 (PLC)的应用领域极其广阔。 对于早期的可编程控制器，凡是有继电器的地方就需要可编程控制器；而对于当今的可编程控制器，几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要可编程控制器。 就目前的应用情况来看，可编程控制器主要用于有大量开关量和少量模拟量的控制系统方面。 小型可编程控制器主要用于单机自动化，而大型可编程控制器则是自动 生产线的必不可少的部件。 最近我国引进的生产设备和自动生产线绝大多数都是采用可编程控制器作为核心控制部件的。 3． 3 PLC控制系统应用领域 [3] 在发达的工业国家， PLC已经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面： 1. 开关量逻辑控制 PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。 开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深 入到民用和家庭中。 2. 运动控制 PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、 3轴和多轴联动的位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。 PLC的运动控制功能广泛用于各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。 3. 闭环过程控制 闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。 PLC通过模拟量 I/O模块，实现模拟量 (Analog)和数字量 (Digital)之间的 A/D转换与 D/A转换， 并对模拟量实行闭环 PID(比例 积分 微分 )控制。 其闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 4. 数据处理 现代的 PLC具有整数四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位、浮点数运算等运算功能，和数据传送、转换、排序、查表、位操作等功能，也可以完成数据的采集、分析和处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。 5. 机器人控制 机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的三大支柱之一。 现在许多机器人制造公司，选用 PLC作为机器人控制器来控制各种机械动作。 随着 PLC体积进一步缩小，功能进一步增强， PLC在机器人控制中的应用必将更加普遍。 6. 通信联网 PLC的通信包括 PLC与远程 I/O之间的通信、多台 PLC之间的通信、 PLC与其他智能控制设备 (例如计算机、变频器、数控装置 )之间的通信。 PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。 3． 4 ＰＬＣ控制系统及技术的发展趋势 [4] 随着新技术、新器件的不断出现，特别是微处理器、单片机、半导体存储器等技术的飞速发展和迅速融合，使得 PLC功能更加齐全，适用范围更加广泛，使用更加方便，具有更高的性能价格比。 目前， PLC以广泛应用于工业控制各个领域，而且产品更新速度快，有的更新换代周期仅为 3~5年。 未来的 PLC将有以下几个发展趋势： 1．向大型、高性能化方向发展 PLC的输入 /输出点数不断上升，可达到 8192点，甚至高达 10000点以上或号称无限点，这类产品可以满足钢铁工业、石油、化工等大型生产自动控制的需要。 它们采用有高速 运算能力的高性能 16位和 32位微处理器，而且常常采用多处理器结构，并吸收以连续量处理为主的集散控制系统（ DCS）的优点，热备冗余系统更高速、可靠，进一步增强科学计算、数据处理能力和联网能力，网络更开放，有很高的运行速度并能方便地与微机以及其他控制器构成控制、管理系统和计算机集成过程系统（ CIPS）等。 操作站系统则采用以微软的 Windows9x/NT/2020/XP为平台的工业计算机（ IPC）和通用的人机界面软件，并在管理层上应用各种数据库管理软件进行生产过程的处理。 这种系统结构将成为主流。 2．向方便灵 活、小型化发展 为满足工业生产过程对控制系统小型化以及减少体积、降低成本的需要， PLC生产厂家几乎都开发了结构简单、使用方便灵活的小型、微型 PLC，这是 20世纪 80年代中后期发展最快的一类产品。 据相关统计数字表明，小型 PLC约占市场的 1/4。 而另一方面，小型 PLC的功能不断增加，如增加了数值运算、模拟量处理、与上位机或操作站联网通信的功能。 在结构上，一些小型 PLC也采用了模块式结构，用户可以根据需要配置系统大小，使用户可以方便地构成易于扩展、灵活经济的最小控制系统。 小型化的 PLC作为机电一体化的基本构成 要素和原始设备制造商（ OEM）的重要设备，将是一个重要的发展方向。 3．网络结构更开放、通信功能更完善 随着通信网络技术、现场总线技术和互联网技术的飞速发展， PLC的冗余网络、局域网络技术日趋成熟，并向统一、通用的开放网络发展，不同品牌 PLC的互操作性将大大提高，工业以太网、过程控制的对象链接和嵌入（ OPC）和互联网技术将在 PLC系统中大量应用。 从控制层、操作层到管理层，实现全方位的多层次、分布的自动化网络管控一体化，成为真正的过程控制解决方案。 4．编程组态更方便灵活 除提供传统的梯形图编程 环境外，大多数 PLC 都提供语句表、顺序功能图以及更友好、方便和高效的图形化组态软件和符合 IEC11313 标准的编程组态工具。 第 4章 设计项目的总体方案设计 4． 1 受控对象的控制要求与控制过程分析 交通信号灯安置如图 3所示： 图 3 信号灯安置 1. 受控对象的控制要求 （ 1）系统受一个启动开关控制，开关启动时系统开始工作，开关断开所有信号灯熄灭；南北绿灯和东西红灯不能同时亮，否则关闭信号系统并报警。 （ 2）系统工作时，先南北红灯亮，同时东西绿灯亮。 （ 3）南北红灯亮维持 25s，东西绿灯亮 20s。 到 20s时，东西绿灯闪亮，绿灯闪亮周期 1s（亮 ,熄 ）；绿灯闪亮 3s后熄灭，东西黄灯亮，并维持 2s。 （ 4）到 2s时，东西黄灯熄，东西红灯亮，同时南北红灯熄，南北绿灯亮。 （ 5）东西红灯亮维持 30s，南北绿灯亮维持25s。 （ 6）到 25s时，南北绿灯闪亮 3s后熄灭，南北黄灯亮，并维持 2s。 （ 7）到2s时 ,南北黄灯熄，南北红灯亮，同时东西红灯熄，东西绿灯亮，开始第 2周期的动作。 周而复始的循环。 2. 控制过程分析[5] 给上电源，运行用户程序。 安下启动钮后， 20200接通且自锁。 TIM000接通 计时，TIM006同时接通计时， 01002接通，南北红灯亮，同时由 01002使 01004接通，东西绿灯亮。 当 TIM006计满 20s时，使 TIM007接通计时，同时 TIM006常闭接点打开，使东西绿灯亮的功能停止，而 TIM006的一个常开接点接通，该接点与时钟周期为 1s的 25502一起控制 01004的周期通、断工作，使得东西绿灯闪烁。 当 TIM007计满 3s后，其常开接点使 TIM005计时开始，其另一个常闭接点断开东西 绿灯闪烁电路，而一常开接点则使 01005 接通，东西黄灯亮。 当 TIM005 计满 2s 后，东西黄灯断开，完成了循环控制的前半周期。 当 TIM005 计满 2s 的同时，恰好 TIM000 计时满 25s，此时循环工作的下半周期开始。 TIM000 常开接点首先启动 TIM004 和 TIM001 定时器开始计时，而其常闭接点断开 01002，常开接点接通 01006，使得南北红灯熄灭，东西红灯亮，在此同时由 01006 使 01000 接通，南北绿灯亮起来。 TIM001 计满 25s，其一常开接点起动 TIM002 计时开始，一常闭断开南北绿灯，而另一常开与 25502 一起使南北绿灯闪烁。 TIM002 计满 3s 后，起动 TIM003 计时开始， TIM002 的一常闭接点使南北绿灯停止闪烁，而 TIM002 的一常开接点使 01001 通，南北黄灯亮。 当 TIM003 计满 2s 时，断开 01001，南北黄灯熄灭。 此时也正是 TIM004 计满 30s。 TIM004 的常闭接点使 TIM000 断开复位，随后 TIM004 自动亦被复位。 在程序的下一个扫描周期开始时，系统工作的下一个循环开始，即南北红灯亮，东西绿灯亮。 按下停止按钮时，因 20200 释放，所有灯熄灭。 在运行中若东西、南北绿灯因错误而被同时驱动时， 01003 就会被驱动且自锁，它一方面使。