低压可编程课程设计详解

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1章 绪论1.1设计背景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中最重要的组成部分。1.2设计目的学生在完成低压电器与可编程控制器课程学习之后，在已掌握低压电器与可编程控制器技术基本理论的基础上，用两周时间完成其课程设计。通过对交通灯控制系统设计，使学生将课本中所学的专业知识应用于设计实践，以巩固课堂学的专业知识，为今后的毕业设计打下良好的基础。1、了解控制系统中PLC结构、功能及使用。 2、正确掌握交通灯控制系统工作原理。 3、运用已掌握专业知识设计低压电器电路系统和调试过程。1.3 设计任务运用所学内容进行交通灯控制系统设计，任务如下：1.通过设计交通灯控制系统，熟悉低压电器与PLC应用系统中信息逻辑顺序、变换、控制及传输的运用方法。2.通过交通灯控制系统进一步对PLC可编程技术的理解；3.运用PLC系统结构实现对交通灯红绿黄信号有效控制并阐述其原理；4.根据控制要求，画出时序图；选择合适的PLC控制器；完成PLC控制器的输入量及输出量的定义和地址分配，并画出PLC接线图；编写梯形图程序；5.运用交通信号处理系统完成程序的仿真和调试；6.完成系统设计给出结论，并总结该课程设计心得体会。第 15 页 共 17 页 1.4 设计内容1、交通灯的工作过程：系统工作状态受开关控制，启动开关ON则系统工作，启动开关OFF则系统停止工作；控制对象：南北主干道和东西主干道各有六个交通灯，其中左转有红、黄、绿三个；直行有红、黄、绿三个；南北人行道和东西人行道各有红、黄、绿三个交通灯。控制规律：1）正常循环 按下启动按钮，交通灯开始工作，先亮南北方向绿灯和东西方向红灯，主干道南北方向左转绿灯亮10S，黄灯亮2S后红灯亮；左转绿灯灭的同时直行绿灯亮，持续30S，绿灯闪亮3S,黄灯亮2S后，红灯亮。当南北主干道红灯全亮时，东西主干道按照南北主干道相同的规律依次点亮左转和直行方向灯。人行道上的红、黄和绿灯与同方向主干道上的直行灯运行方式相同。2）急车强制通过控制 急车的强通受强通开关控制。无急车时，按正常循环运行，又急车来时，打开急车强通开关，不管原来信号灯的状态，一律让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过，断开急车强通开关，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3S,随后按正常时序控制。2、根据控制要求，画出时序图；选择合适的PLC控制器；完成PLC控制器的输入量及输出量的定义和地址分配，并画出PLC接线图；编写梯形图程序。3、完成程序的仿真和调试。4、按照规定的要求编写设计报告。第2章 可编程控制器的简介2.1 PLC的概述可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。可编程控制器是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。2.2 PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强：通用性高，使用方便；程序设计简单，易学，易懂，深受工程技术人员欢迎；采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；系统设计周期短；系统的设计、建造工作量小，安装简便，调试方便，维护工作量小；容易改造体积小，重量轻，能耗低，对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产。2.3 PLC的应用 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类： 1.开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3.运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4.过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5.数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.4 PLC的结构 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相似。PLC按其结构形式可分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。PLC的基本结构框图如图2-1所示：图2-1 PLC的基本结构框图 PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式输出，驱动相应输出设备工作。第3章 控制方案的设计3.1信号灯控制的设计 1. 正常循环 按下启动按钮，交通灯开始工作，先亮南北方向绿灯和东西方向红灯，主干道南北方向左转绿灯亮10S，黄灯亮2S后红灯亮；左转绿灯灭的同时直行绿灯亮，持续30S，绿灯闪亮3S,黄灯亮2S后，红灯亮。当南北主干道红灯全亮时，东西主干道按照南北主干道相同的规律依次点亮左转和直行方向灯。人行道上的红、黄和绿灯与同方向主干道上的直行灯运行方式相同。2. 急车强制通过控制 急车的强通受强通开关控制。无急车时，按正常循环运行，又急车来时，打开急车强通开关，不管原来信号灯的状态，一律让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过，断开急车强通开关，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3S,随后按正常时序控制。3.2交通信号灯的控制要求城市交通控制系统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。保障行人、车辆安全的同时也要合理设计合理有效疏导交通，调整交通灯的时间控制和变换频率以及工作时间的控制,从而使交通更为畅通和安全,提高了交通灯的自身作用和价值。因此，在实际设计时要遵循一定的原则和要求。本次课程设计要求，基于PLC设计交通信号灯控制系统，系统的工作状态受开关控制，由启动按钮ON控制，系统则开始工作，启动开关OFF控制，系统则停止工作。由启动按钮控制的对象有南北主干道和东西主干道各六个交通灯，其中左转有红、黄、绿三个，直行有红、黄、绿三个，南北人行道和东西人行道各有红、黄、绿三个交通灯。顺序系统循环：当按下启动按钮ON时，交通灯即开始工作，先亮南北方向绿灯和东西方向红灯，南北方向主干道左转绿灯亮10S，然后黄灯亮2S后红灯亮；左转绿灯灭的同时直行绿灯亮，持续30S后绿灯闪亮3S,然后黄灯亮2S后，红灯亮。当南北主干道红灯全亮时，东西主干道按照南北主干道相同的规律依次点亮左转和直行方向灯。南北方向和东西方向人行道上的红、黄和绿灯与同方向主干道上的直行灯运行方式相同，即可用同一个继电器控制，每个周期时长为90s，若按下停止按钮OFF，交通灯即停止工作。急车强制部分：急车的强通受强通开关控制，无急车时，按正常循环运行，急车来时，打开急车强通开关，不管原来信号灯的状态，一律让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过，断开急车强通开关，信号灯的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3S,随后按正常时序控制。交通信号灯平面图如图3-1所示： 图3-1 交通信号灯平面图3.3 设计方案的原理本次课程设计所要实现的是基于PLC控制交通系统，根据任务书中给出的设计主要技术参数及要求，可绘出交通系统的时序图，运用时序图设计法设计程序即实现了PLC对十字路口交通灯进行控制：正常时序循环的程序中总共有2个输入点和16个输出点，两个输入是系统的开和关，把信号灯分为东西两组，南北两组，各有红、黄、绿三种，分别用来指示左转弯和直行，另外，还有四组人行道上的红绿灯。首先，按照控制要求利用计算机编程软件编写好科学合理的程序并输入PLC，PLC按照所输入的程序给出输出并通过外部中间继电器对硬件电路进行相应的逻辑顺序控制，使交通灯按控制要求进行亮、灭和闪烁来完成科学的交通控制要求。第4章 交通信号灯控制系统的设计4.1 PLC选型在对PLC控制系统进行硬件结构设计时，首先