XXXX 大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 題 目： 基于 PLC 的十字路口紅綠燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 職稱 : 職稱 : 20*年 *月 5 日 摘要 近年來(lái)隨著科技的飛速發(fā)展， PLC 的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)過(guò)程和位置的自動(dòng)控制中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可編程控制器是工業(yè)自動(dòng)化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)為，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一， PLC、機(jī)器人、 CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。由于 PLC 具有對(duì)使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源十分豐富，可對(duì)目前普遍使用的“漸進(jìn)式”信號(hào)燈進(jìn)行 精確控制，特別對(duì)多岔路口的控制可方便地實(shí)現(xiàn)。因此現(xiàn)在越來(lái)越多地將 PLC 應(yīng)用于交通燈系統(tǒng)中。 同時(shí)， PLC 本身還具有通訊聯(lián)網(wǎng)功能，將同一條道路上的信號(hào)燈組成一局域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，可縮短車輛通行等候時(shí)間，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)中， PLC 往往是作為一個(gè)核心部件來(lái)使用，僅 PLC 方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，加以完善。十分形象地顯示出了 PLC 在交通燈系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。 本次 課程 設(shè)計(jì)用三菱 FX2N 的可編程控制器控制十字路口信號(hào)燈來(lái)說(shuō)明可編程 控制器硬件、軟件的設(shè)計(jì)。為十字路口交通燈控制提供可靠的保障，使交通有序、安全、快捷運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。 關(guān)鍵詞： PLC； 三菱 FX2N；交通燈。 Abstract In recent years, with the rapid development of science and technology, the application of PLC is continuously to the deepening, and push the traditional control test on the new beneficial update. It is simple in structure, convenient programming and high reliability etc, are widely used in industrial process and the location of the automatic control. According to the statistics, the programmable controller is used in the industrial automation devices a kind of most equipment. Experts think, programmable controller will be the major means of industrial control and important basic equipment is one of PLC, robots, CAD/CAM will become industrial production the three pillars. Due to the use of PLC has the characteristics of strong adaptability to the environment, and the internal timer is very rich in resources, but the current widely used progressive precise control signal, especially for much of the fork in the control can be realized. So now more and more will PLC in the traffic light system. At the same time, PLC itself also has communication networking function, will be the same path of light a LAN unified dispatching management, can shorten the traffic waiting time, realize scientific management. In real time detection and automatic control of PLC application system, the PLC is often as a core component to use, only PLC aspects knowledge is not enough, should according to the specific hardware structure, and the view of the specific application of the characteristics of the object software combines, perfect. Very image to show that the PLC in the traffic light system in the practical application. This course design with Mitsubishi FX2N programmable controller intersection control signal to illustrate programmable controller hardware, software design.For crossing traffic control provided the reliable safeguard, make traffic orderly and safe, efficient operation of the link. Keywords: PLC； Mitsubishi FX2N； The traffic lights 目錄 一、 交通燈簡(jiǎn)介 . 1 1.1 plc 交通燈的作用 . 1 2.2 plc 交通燈的發(fā)展前景 . 1 二、 PLC 簡(jiǎn)介 . 2 1.1 PLC 發(fā)展過(guò)程 . 2 2.2 PLC 的構(gòu)成 . 3 1. 輸入寄存器 . 3 圖 2-1 PLC 的組成 . 3 2. 輸出寄存器 . 3 3. 存儲(chǔ)器 . 3 4. CPU 單元 . 3 5. 其它接口單元 . 4 2.3 PLC 的運(yùn)用領(lǐng)域 . 4 三、 交通燈 plc 程序設(shè)計(jì) . 5 3.1 交通燈程序設(shè)計(jì)任務(wù) . 5 3.2 plc 的選型 . 5 3.3 I/O 口的地址分配 . 6 3.4 PLC 的電路連接圖 . 1 3.5 交通燈的順序功能圖 . 8 3.6 指令表的編輯 . 9 3.7 軟件仿真出梯形圖 . 13 3.8 程序的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 . 31 四、 總結(jié) . 32 1 一、 交通燈簡(jiǎn)介 1.1 plc 交通燈的作用 隨著交通的不斷發(fā)展和汽車化進(jìn)程的加快，交通擁擠加劇，交通事故頻發(fā)，交通環(huán)境惡化，已經(jīng)成為引人注目的城市問(wèn)題之一。交通問(wèn)題不僅的發(fā)展中國(guó)家，就在發(fā)達(dá)國(guó)家也是一個(gè)令人困擾的嚴(yán)重問(wèn)題。眾所周知，緩解交通擁擠的最直接和最有效辦法是提高路網(wǎng)的通信能力。但無(wú)論哪個(gè)國(guó)家的大城市，不可能無(wú)限制地修建道路，不論是資金因素還是土地因素，都限制了道路的無(wú)節(jié)制增長(zhǎng)。因此，不可能通過(guò)無(wú)限制地修建道路難滿足日益增長(zhǎng)的交通需求。與此同時(shí)，通過(guò)限制車輛增加削減交通需求也因受到客觀因素的制約而無(wú)法取得滿意的結(jié)果。 交通信號(hào) 燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實(shí)現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進(jìn)性、科學(xué)化。用可編程控制器實(shí)現(xiàn)交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，能夠有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問(wèn)題的現(xiàn)狀，結(jié)合交通的實(shí)際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的城市交通燈控制系統(tǒng)的 PLC 設(shè)計(jì)方案。可編程序控制器在工業(yè)自動(dòng)化中的地位極為重要，廣泛的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。隨著科技的發(fā)展， 可編程控制器的功能日益完善，加上小型化、價(jià)格低、可靠性高，在現(xiàn)代工業(yè)中的作用更加突出。 2.2 plc 交通燈的發(fā)展前景 隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，許多大城市出現(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(zhǎng)和缺乏對(duì)高澎路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒(méi)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藕合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適 的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道車流量繁忙的交通擁堵2 狀況，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門待解決的主要問(wèn)題。 所以采用有效的方法控制交通燈是勢(shì)在必行的。 PLC 的智能控制原則是控制系統(tǒng)的核心，采用 PLC 把東西方向或南北方向的車輛按數(shù)量規(guī)模進(jìn)行分檔，相應(yīng)給定的東西方向與南北方向的綠燈時(shí)長(zhǎng)也按一定的規(guī)律分檔 . 這樣就可以實(shí)現(xiàn)按車流量規(guī)模給定綠燈時(shí)長(zhǎng)，達(dá)到最大限度的有車放行，減少十字路口的車輛滯流，緩解交通擁擠、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，從而提高了交通控制系統(tǒng)的效率 . 二、 PLC 簡(jiǎn)介 1.1 PLC 發(fā)展過(guò)程 PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來(lái)的，二十世紀(jì)七十年代的 PLC 只有開(kāi)關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過(guò)數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。 PLC的 CPU 內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過(guò)程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加 1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最 終步（通常為 END 指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。 PLC 每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的 PLC，循環(huán)掃描周期在 1 微秒到幾十微秒之間。 PLC 用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算 1K 邏輯程序不到 1 毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開(kāi)關(guān)量來(lái)處理， 16 位（也有 32 位的）為一個(gè)模擬量。大型 PLC 使用另外一個(gè) CPU 來(lái)完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給 PLC 的控制器。 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，可編程控制器 (PLC)作為自動(dòng)控制的三大技術(shù)支柱（ PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一，成為 大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)。由于綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)，使它發(fā)展日新月異，大大超過(guò)其出現(xiàn)時(shí)的技術(shù)水平。它不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過(guò)輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。特別是超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展以及信息、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，擴(kuò)展了 PLC 的功能，使它具有很強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)通訊能力，從而更廣泛地應(yīng)用于眾多行業(yè) 3 2.2PLC 的構(gòu)成 如圖所示， PLC 與通用計(jì)算機(jī)沒(méi)有什么區(qū)別，只是一臺(tái)增強(qiáng)了 I/O 功能的可與控制對(duì)象方便連接的 計(jì)算機(jī)。其完成控制的實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行 I O 變換，并將這個(gè)變換物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 1. 輸入寄存器 輸入寄存器可按位進(jìn)行尋址，每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)開(kāi)關(guān)量，其值反映了開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，其值的改變由輸入開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)，并保持一個(gè)掃描周期。 CPU 可以讀其值，但不可以寫(xiě)或進(jìn)行修改。 圖 2-1 PLC 的組成 2. 輸出寄存器 輸出寄存器的每一位都表明了 PLC 在下一個(gè)時(shí)間段的輸出值 ,而程序循環(huán)執(zhí)行開(kāi)始時(shí)的輸出寄存器的值 ,表明的是上一時(shí)間段的真實(shí)輸出值。在程序執(zhí)行過(guò)程中 ,CPU 可以讀其值 ,并作為條件參加控制 ,還可以修改其 值 ,而中間的變換僅僅影響寄存器的值。只有程序執(zhí)行到一個(gè)循環(huán)的尾部時(shí)值才影響下一時(shí)間段的輸出，即只有最后的修改才對(duì)輸出接點(diǎn)的真實(shí)值產(chǎn)生影響。 3. 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的是系統(tǒng)程序，它是由廠家開(kāi)發(fā)固化好了的，用戶不能更改， PLC 要在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。用戶存儲(chǔ)器中存放的是用戶程序和運(yùn)行所需要的資源， I/O 寄存器的值作為條件決定著存儲(chǔ)器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復(fù)雜的控制功能。 4. CPU 單元 CPU 單元控制著 I O 寄存器的讀、寫(xiě)時(shí)序，以及對(duì)存儲(chǔ)器單元中程序的解釋執(zhí)行工 作，是 PLC 的大腦。 4 5. 其它接口單元 其它接口單元用于提供 PLC 與其它設(shè)備和模塊進(jìn)行連接通信的物理?xiàng)l件。 2.3 PLC 的運(yùn)用領(lǐng)域 近年來(lái) PLC 的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機(jī)械制造、造紙、紡織、等行業(yè)。 PLC的應(yīng)用通常可分為五種類型。 順序控制這是 PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，用以取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。 PLC可應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)群控、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等。如注塑機(jī)、印刷機(jī)械、訂書(shū)機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線及電梯控制等。 運(yùn)動(dòng)控制 PLC制造商目 前已提供了拖動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)的單軸或多軸位置控制模版。在多數(shù)情況下， PLC把掃描目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模版塊，其輸出移動(dòng)一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置。 閉環(huán)過(guò)程控制 PLC能控制大量的物理參數(shù)，如溫度、速度和流量等。一個(gè)具有 PID控制能力的 PLC可用于過(guò)程控制。當(dāng)過(guò)程控制中某一個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí)， PID控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。 數(shù)據(jù)處理在機(jī)械加工中，出現(xiàn)了把支持順序控制的 PLC和計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（ CNC）設(shè)備緊密結(jié)合的趨向。著名的日本 FANUC公司推出的 Systen10、 11、 12系 列，已將 CNC控制功能作為 PLC的一部分。為了實(shí)現(xiàn) PLC和 CNC設(shè)備之間內(nèi)部數(shù)據(jù)自由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過(guò)窗口軟件，用戶可以獨(dú)自編程，由 PLC送至 CNC設(shè)備使用。 通信和聯(lián)網(wǎng)為了適應(yīng)國(guó)外近幾年來(lái)興起的工廠自動(dòng)化（ FA）系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（ FMS）及集散控制系統(tǒng)（ DCS）等發(fā)展的需要，必須發(fā)展 PLC 之間， PLC 和上級(jí)計(jì)算機(jī)之間的通信功能。作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，不僅 PLC 數(shù)據(jù)通信速率要求高，而且要考慮出現(xiàn)停電故障時(shí)的對(duì)策。 5 三、 交通燈 plc 程序設(shè)計(jì) 3.1 交通燈程序設(shè)計(jì)任務(wù) 本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)是實(shí)現(xiàn) 十字路口的紅路燈設(shè)計(jì)。十字路口為雙向三車道的一個(gè)十字路口，每一個(gè)路口有各有 9 個(gè)燈，三個(gè)紅燈，三個(gè)黃燈，三個(gè)綠燈，分別控制直行，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)的行駛和停止。據(jù)觀察得出器南北車流量明顯大于東西方向的車流量。所以在設(shè)計(jì)交通燈時(shí)，南北方向的綠燈要比東西方向的綠燈要久。交通燈中當(dāng)綠燈變換時(shí)會(huì)有相應(yīng)的閃爍，且有綠燈變?yōu)辄S燈在變?yōu)榧t燈，此舉也是為了方便司機(jī)判斷。根據(jù)車流量的大小設(shè)計(jì)出一個(gè)符合交通情況的交通燈。交通燈的控制程序有三菱的 plc 程序控制，并完成 plc 控制程序和接線圖。 3.2 plc 的選型 由于本次設(shè)計(jì)的交通燈 控制數(shù)目共有三十六個(gè)，所以需要三十六個(gè)輸出口。所以本文選用三菱系列的 FX2N-128。 FX2N 系列擁有無(wú)以匹及的速度、高級(jí)的功能、邏輯選件以及定位控制等特點(diǎn)， FX2N 是從 16 到 256 路輸入 /輸出的多種應(yīng)用的選擇方案。價(jià)格便宜，功能齊全，比起其他 PLC 有著速度、邏輯、定位等優(yōu)越之處。安裝簡(jiǎn)單，維修方便。 FX2N-128 的I/O 總數(shù) 64，輸入 /輸出各 64 個(gè)，輸入類型為漏型，輸出類型為繼電器或晶體管。 FX2N 通過(guò)儲(chǔ)存的程序周期運(yùn)轉(zhuǎn)。 PLC 作為控制器件是因?yàn)榭删幊炭刂破骱诵氖且慌_(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制 造的計(jì)算機(jī)。它具有高可靠性豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力 ；它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算 ,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程 ；它采用模塊化結(jié)構(gòu)，編程簡(jiǎn)單，維修方便。 6 3.3 I/O 口的地址分配 紅 Y21 Y22 Y23 黃 Y11 Y12 Y13 綠 Y1 Y2 Y3 紅黃綠綠黃紅 Y51 Y41 Y31 Y34 Y44 Y54 Y52 Y42 Y32 Y35 Y45 Y55 Y53 Y43 Y33 Y36 Y46 Y56 綠 Y4 Y5 Y6 黃 Y14 Y15 Y16 紅 Y24 Y25 Y26 由圖可知道本次控制的交通燈中各個(gè)燈數(shù)目共為 36 個(gè)，成東西南北，每一個(gè)方向有九盞燈。每一排有三盞燈，控制著左轉(zhuǎn)，直行，右轉(zhuǎn)的行駛車輛。每個(gè)方向又有三排為綠燈、黃燈、紅燈，分別控制者通行、提示、停止等信號(hào)。 本文中選用的 plc 為 FX2N-128，共有 64 個(gè)輸出接口，也符合我們本次設(shè)計(jì)。 7 PLC X0 啟動(dòng)開(kāi)關(guān) 北面 Y01 綠燈 Y02 Y03 南面 Y04 綠燈 Y05 Y06 北面 Y11 黃燈 Y12 Y13 南面 Y14 黃燈 Y15 Y16 北面 Y21 紅燈 Y22 Y23 南面 Y24 紅燈 Y25 Y26 西面 Y31 綠燈 Y32 Y33 東面 Y34 綠燈 Y35 Y36 西面 Y41 黃燈 Y42 Y43 東面 Y44 黃燈 Y45 Y46 西面 Y51 紅燈 Y52 Y53 東面 Y54 紅燈 Y55 Y56 24+ 公共接地 COM 3.4 PLC 的電路連接圖 8 S20111 S212111 S222111 S232111 S242111 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 S33 S34 S35 S36 S37 S38 S39 S39 3.5 交通燈的順序功能圖 X0 T1 T2 T3 C0*T4 C0*T4 T5 T6 T7 C1*T8 C1*T8 T9 T20 Y02 Y04 Y21 Y03 Y05 Y06 T1 K200 Y51 Y52 Y53 Y54 Y55 Y56 Y31 Y32 Y35 Y36 Y53 Y54 T11 K200 Y01 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 T2 K50 Y53 Y54 T12 K5 Y01 Y06 T3 K5 Y31 Y32 Y35 Y36 Y53 Y54 T13 K5 C2 K5 Y01 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 T4 K5 C0 K5 Y41 Y42 Y53 Y54 Y45 Y46 T14 K30 Y01 Y12 Y13 Y14 Y15 Y06 T5 K30 Y51 Y52 Y53 Y54 Y55 Y56 T15 K30 Y01 Y22 Y23 Y06 Y24 Y25 T6 K80 Y33 Y34 Y51 Y52 Y55 Y56 T16 K150 Y51 Y52 Y55 Y56 T17 K5 Y22 Y23 Y24 Y25 T7 K5 Y01 Y22 Y23 Y24 Y25 Y06 T8 K5 C1 K5 Y33 Y34 Y51 Y52 Y55 Y56 T18 K5 C3 K5 Y43 Y51 Y52 Y44 Y55 Y56 T19 K30 Y11 Y22 Y23 Y06 Y24 Y25 T9 K30 Y21 Y22 Y23 Y24 Y25 Y26 T10 K50 RET CO, C1 Y51 Y52 Y53 Y54 Y55 Y56 T20 K50 RET C2, C3 S0 9 3.6 指令表的編輯 根據(jù)順序功能圖把指令表編輯，指令表如下圖所示。 10 11 12 13 3.7 軟件仿真出梯形圖 本次課程設(shè)計(jì)的交通燈程序