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1、學(xué) 號 天津城建大學(xué)現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 用順序控制指令實(shí)現(xiàn)十字路口交通信號燈的的PLC控制起止日期： 2014 年 月 日 至 2014 年 月 日學(xué)生姓名班級成績指導(dǎo)教師(簽字)控制與機(jī)械工程學(xué)院2014年 月 日天津城建大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2013 2014學(xué)年第 1 學(xué)期 控制與機(jī)械工程 學(xué)院 電氣工程及其自動(dòng)化 專業(yè)班課程設(shè)計(jì)名稱： 現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 用順序控制指令實(shí)現(xiàn)十字路口交通信號燈的plc控制 完成期限：自 2014 年 月 日至 2014年 月 日共 周設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容：一、課程設(shè)計(jì)的目的（1） 能夠根據(jù)功能要求選擇

2、PLC的類型及其根據(jù)I/O點(diǎn)的要求選擇該類PLC的型號。（2） 根據(jù)所選的PLC的類型，掌握該P(yáng)LC的編程軟件并能夠利用該軟件繪制設(shè)計(jì)課題的梯形圖。（3） 根據(jù)I/O點(diǎn)的定義，繪制PLC外部電氣接線圖。二、課程設(shè)計(jì)的基本要求 要求每位同學(xué)獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)任務(wù)要完成內(nèi)容的基本要求如下：（1）電氣原理圖設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)課題的工藝流程，繪制系統(tǒng)的電氣原理圖（主電路圖）。原理圖設(shè)計(jì)要符合項(xiàng)目的工作原理，。原理圖要完整，連線要正確。（2）硬件選型：根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能要求，確定PLC的型號和所需I/O點(diǎn)數(shù)。所選PLC型號應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)要求，如所選PLC型號I/O點(diǎn)不滿足設(shè)計(jì)需要，則還需進(jìn)行I/O口擴(kuò)展模塊

3、選型。（3）PLC外部接線圖設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，自行分配I/O點(diǎn)，列I/O分配表；根據(jù)I/O點(diǎn)的分配情況，繪制PLC外部電氣接線圖。（4）軟件流程圖設(shè)計(jì)：根據(jù)要求，將總體項(xiàng)目分解成若干個(gè)子功能模塊，每個(gè)功能模塊完成一個(gè)特定的功能。根據(jù)總體要求及分解功能模塊，確定各功能模塊之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)出完整的程序流程圖。（5）梯形圖設(shè)計(jì)：根據(jù)所繪制流程圖，利用相應(yīng)PLC編程軟件編寫出梯形圖。（6）書寫設(shè)計(jì)說明書：課程設(shè)計(jì)報(bào)告要做到層次清晰，論述清楚，圖標(biāo)正確，書寫工整。1）電氣原理圖設(shè)計(jì)說明：簡要說明設(shè)計(jì)目的，原理圖中所使用的器件功能及作用。2）PLC選型和I/O口分配說明：對PLC選型過程進(jìn)行說明，給出I

4、/O口分配表和PLC外部接線圖。3）程序設(shè)計(jì)說明：對程序設(shè)計(jì)總體功能進(jìn)行說明，對各子模塊的功能以及各子模塊之間的關(guān)系作較詳細(xì)的描述，給出程序流程圖，并給出相應(yīng)的程序清單，選擇比較有難度的程序段進(jìn)行詳細(xì)說明。三、課程設(shè)計(jì)控制要求（1）接通交通燈工作開關(guān)（X000）后，南北紅燈亮60s時(shí)間（同時(shí)東西綠燈亮55s后閃爍3s停止，而后東西黃燈亮2s停止）停止；（2）南北紅燈結(jié)束點(diǎn)亮后，東西紅燈亮60s時(shí)間（同時(shí)南北綠燈亮55s后閃爍3s停止，而后南北黃燈亮2s停止）停止；（3）再循環(huán)到南北紅燈點(diǎn)亮60s時(shí)間停止，如此循環(huán)；（4）甲指示燈模擬東西向行駛車，乙指示燈模擬南北向行駛車。指導(dǎo)教師（簽字）： 系

5、（教研室）主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日目 錄一、緒論11.1 設(shè)計(jì)目的與意義11.2 設(shè)計(jì)要求1二、設(shè)備選擇12.1 PLC的產(chǎn)生和定義12.2 PLC的基本組成22.3 PLC的基本工作原理22.4 PLC的特點(diǎn)22.5 本次設(shè)計(jì)的plc型號及其優(yōu)點(diǎn)2三、設(shè)計(jì)方案33.1 十字路口交通燈布置圖33.2 十字路口交通燈接線圖33.3 PLC的I/O地址分配43.3 系統(tǒng)硬件圖設(shè)計(jì)43.4 系統(tǒng)流程控制圖53.5 順序功能圖63.6 系統(tǒng)梯形圖6四、總結(jié)9五、參考文獻(xiàn)10一、緒論1.1 設(shè)計(jì)目的與意義隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為

6、交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限

7、度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。根據(jù)交通燈工藝控制要求與特點(diǎn)，我們采用了德國西門子公司S7-200型PLC。西門子PLC有小型化、高速度、高性能等特點(diǎn)，是S7-200系列中最高檔次的超小型程序裝置。西門子可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴(kuò)充設(shè)備，有豐富的特殊擴(kuò)展設(shè)備，其中的模擬輸入設(shè)備和通信設(shè)備是系統(tǒng)所必需的，能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通信。本系統(tǒng)就是應(yīng)用可編程序控制器(PLC)對十字路口交通控制燈實(shí)現(xiàn)控制。 1.2 設(shè)計(jì)要求本次設(shè)計(jì)任務(wù)是用順序功能指令實(shí)現(xiàn)十字路口交通信號燈的plc控制。

8、具體要求如下：（1）接通交通燈工作開關(guān)（X000）后，南北紅燈亮60s時(shí)間（同時(shí)東西綠燈亮55s后閃爍3s停止，而后東西黃燈亮2s停止）停止；（2）南北紅燈結(jié)束點(diǎn)亮后，東西紅燈亮60s時(shí)間（同時(shí)南北綠燈亮55s后閃爍3s停止，而后南北黃燈亮2s停止）停止；（3）再循環(huán)到南北紅燈點(diǎn)亮60s時(shí)間停止，如此循環(huán)；（4）甲指示燈模擬東西向行駛車，乙指示燈模擬南北向行駛車。二、設(shè)備選擇 2.1 PLC的產(chǎn)生和定義1968年由美國通用汽車公司（GE）提出，1969年有美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制成功，有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)算功能稱為PLC（programmable logic controller）。 8

9、0年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC采用通用微處理器為核心，功能擴(kuò)展到各種算術(shù)運(yùn)算，PLC運(yùn)算過程控制并可與上位機(jī)通訊、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。被稱為PC（programmable controller）即可編程控制器。國際電工委員會(huì)（IEC）1987年頒布的可編程邏輯控制器的定義如下： “可編程邏輯控制器是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，是帶有存儲(chǔ)器、可以編制程序的控制器。它能夠存儲(chǔ)和執(zhí)行命令，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于

10、擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)”。2.2 PLC的基本組成目前，可編程控制器的產(chǎn)品很多，不同的廠家生產(chǎn)的PLC以及同一家生產(chǎn)的不同型號的PLC其結(jié)構(gòu)個(gè)不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它們都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)，其功能的實(shí)現(xiàn)不僅基于硬件的作用，而更靠軟件的支持。PLC的主機(jī)由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（EPROM、ROM）、輸入/輸出模塊、外設(shè)I/O接口、通信接口及電源組成。下圖為PLC各組成部分及作用。圖1 PLC硬件結(jié)構(gòu)組成框圖2.3 PLC的基本工作原理 PLC是一種存儲(chǔ)程序的控制器。用戶根據(jù)某一對象的具體控制要求，編好程序后，編程器將程序鍵入PLC的用戶存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)。PLC的控制功能

11、就是運(yùn)用用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。PLC運(yùn)行程序的方式與微型機(jī)算計(jì)相比有較大的不同，微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，一旦執(zhí)行到END指令，程序運(yùn)行結(jié)束。而PLC從0000存儲(chǔ)地址所存放的第一條擁護(hù)指令開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)的情況下，按存儲(chǔ)地址好遞增的方向順序執(zhí)行擁護(hù)程序，直到END指令結(jié)束。然后再從頭開始，并周而復(fù)始的重復(fù)，直至到停機(jī)或運(yùn)行（RUN）切換到停止（STOP）工作狀態(tài)。我們把PLC這種執(zhí)行程序的方式成為掃描工作方式。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個(gè)掃描周期。另外，PLC對輸出，輸出信號的處理與微型機(jī)算機(jī)不同 。微型機(jī)算機(jī)對輸出、輸出信號實(shí)時(shí)處理。而PLC對輸出、輸出信號是集中批處理。PLC掃描工作方式分為三

12、個(gè)階段：輸出采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。2.4 PLC的特點(diǎn)PLC是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點(diǎn)及計(jì)算機(jī)靈活、方便的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造和發(fā)展的,這就使PLC具有許多其他控制器所無法相比的優(yōu)點(diǎn)：（1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；（2）通用性強(qiáng)，使用方便；（3) 采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組合靈活方便；（4) 編程語言簡單、易學(xué)，便于掌握；（5) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短；（6) 對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強(qiáng)；（7) 安裝簡單、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小；(8）體積小、重量輕、功耗低。2.5 本次設(shè)計(jì)的plc型號及其優(yōu)點(diǎn) 根據(jù)交通燈工藝控制要求與特點(diǎn)，我們采用了德國西門子公司S7-200型PLC。西門子PLC有小型化、高速度、高性

13、能等特點(diǎn)，是S7-200系列中最高檔次的超小型程序裝置。西門子可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴(kuò)充設(shè)備，有豐富的特殊擴(kuò)展設(shè)備，其中的模擬輸入設(shè)備和通信設(shè)備是系統(tǒng)所必需的，能夠方便地聯(lián)網(wǎng)通信。本系統(tǒng)就是應(yīng)用可編程序控制器(PLC)對十字路口交通控制燈實(shí)現(xiàn)控制。本系統(tǒng)采用PLC是基于以下四個(gè)原因：1）PLC具有很高的可靠性，通常的平均無故障時(shí)間都在30萬小時(shí)以上；2）編程能力強(qiáng)，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都方便地用軟件來實(shí)現(xiàn)；3）抗干擾能力強(qiáng)，目前空中各種電磁干擾日益嚴(yán)重，為了保證交通控制的可靠穩(wěn)定，我們選擇了能4）夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的PLC；近年來PLC的性能價(jià)格比有

14、較大幅度的提高，使得實(shí)際應(yīng)用成為可能。三、設(shè)計(jì)方案 3.1 十字路口交通燈布置圖在十字路口的東、西、南、北方向主的干道裝有“紅綠黃”燈。交通燈閃亮表和十字路口交通燈示意圖具體布置如下。 表1 交通燈閃亮表東西 信號 綠燈亮 綠燈閃 黃燈亮 紅燈亮 時(shí)間 55S 3S 2S 60S 南北 信號 紅燈亮 綠燈亮 綠燈閃 黃燈亮 時(shí)間 60S 55S 3S 2S圖2 十字路口交通燈示意圖 3.2 十字路口交通燈接線圖根據(jù)十字路口交通燈的實(shí)際連線，畫出如圖3所示的十字路口交通燈的接線圖。圖3 十字路口交通燈接線圖 3.3 PLC的I/O地址分配I/O地址分配采用自動(dòng)分配的方式，輸入地址分配和輸出地址分

15、配分別如下表表2 I/O口分配表輸入信號輸出信號名稱代號輸入點(diǎn)編號名稱代號輸入點(diǎn)編號啟動(dòng)按鈕SB1I0.0南北紅燈HL1Q0.0南北綠燈HL2Q0.1停止按鈕SB2I0.1南北黃燈HL3Q0.2東西綠燈HL4Q0.3東西黃燈HL5Q0.4東西紅燈HL6Q0.5 3.3 系統(tǒng)硬件圖設(shè)計(jì) S7-200 CPU222系統(tǒng)有8個(gè)輸入信號和6個(gè)輸出信號。1個(gè)模擬量電位器，最多可擴(kuò)展10AI/AO點(diǎn)。4KB用戶程序區(qū)和2KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。有4路高速計(jì)數(shù)器（30KHZ），2路高速脈沖輸出，1個(gè)RS485通信/編程口，2個(gè)獨(dú)立的輸入端可同時(shí)作加、減計(jì)數(shù)，可連接2個(gè)相位差為90度的A/B相增量編碼器?？梢赃M(jìn)行一定

16、模擬量的控制和2個(gè)模塊的擴(kuò)展，對于比較適合小型的控制系統(tǒng)。所以在這個(gè)設(shè)計(jì)中選用了S7-200 CPU222。 在硬件接線圖中，輸入口I0.0接收啟動(dòng)按鈕SB1的輸入，輸入口I0.1接收停止按鈕SB2的輸入；輸出口Q0.0接收南北紅燈(HL1)，輸出口Q0.1接收南北綠燈(HL2)，輸出口Q0.2接收南北黃燈(HL3)，輸出口Q0.3接收東西綠燈(HL4)，輸出口Q0.4接收東西黃燈(HL5)，輸出口Q0.5接收東西紅燈(HL6)。圖4 交通信號燈PLC控制硬件接線圖3.4 系統(tǒng)流程控制圖本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖如下。圖5 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程控制圖采用線性程序設(shè)計(jì)。線性程序設(shè)計(jì)就是把工程中需要的控制任

17、務(wù)按照工藝要求書寫在主程序中。線性程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，分析起來一目了然、這種結(jié)構(gòu)適用于一些規(guī)模較小、運(yùn)行過程比較簡單的控制程序。對于一些控制規(guī)模較大，運(yùn)行過程比較復(fù)雜的控制程序，特別對于分支較多的控制程序，則不宜選用這種結(jié)構(gòu)。 3.5 順序功能圖 通過對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，可用如下的順序功能圖來表示，其中初始步為順序控制繼電器S0.0，其他順序繼電器代表各個(gè)工作步。 圖6 順序功能圖 3.6 系統(tǒng)梯形圖根據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)梯形圖，在此程序設(shè)計(jì)過程中采用了使用順序控制繼電器的設(shè)計(jì)方法。具體梯形圖如下所示： 四、總結(jié) 通過本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我對于西門子S7-200系列PLC的特點(diǎn)有了更深的了解。十字路口交通

18、燈控制系統(tǒng)利用了西門子S7-200系列PLC的特點(diǎn)，對按鈕、開關(guān)、交通等輸入/輸出點(diǎn)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了十字路口交通燈控制中的自動(dòng)化。這只是一個(gè)簡單的控制系統(tǒng)，并不能十分有效的改變交通的現(xiàn)狀，不過可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)中某一方向車流量的大小來對程序進(jìn)行改變，使之更適合交通的現(xiàn)實(shí)狀況。 通過此次課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，使我收獲豐富。各種系統(tǒng)的適應(yīng)條件，各種設(shè)備的選擇標(biāo)準(zhǔn)，我都隨著設(shè)計(jì)的不斷學(xué)習(xí)而熟悉。五、參考文獻(xiàn)1 郁漢琪. 電氣控制與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)M.南京:東南大學(xué)出版社,2003.P1412 宋伯生.陳東旭. PLC應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)教程M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.P2123 孫同景. PLC原理及工程應(yīng)用D. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.P2564 鐘肇新.范建東.馮太合. 可編程控制器原理及應(yīng)用M.廣州:華南理工大學(xué)出版社.2008.P1885周波.胡修玉. 可編程控制器原理與應(yīng)用M.北京:國防工業(yè)出版社.2008.P12210