基于PLC汽车信号灯系统控制设计.docx
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基于PLC汽车信号灯系统控制设计
目录
摘要I
1课题原理及意义1
1.1课题原理1
1.2课题意义1
2PLC的相关知识2
2.1PLC的历史和发展2
2.2PLC的特点2
2.3PLC的应用3
3控制系统的硬件设计4
3.1PLC硬件配置4
3.2设计思路5
3.3控制面板设计5
3.4PLC的外部接线图6
3.5实验室接线调试电路图7
4控制系统的软件设计9
4.1系统的顺序功能图9
4.2梯形图程序10
4.3程序的指令表。
11
5心得体会14
参考文献15
摘要
本课题用PLC设计汽车信号灯控制系统，本课题题采用6个LED灯实现。
PLC是一种专门为了在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置。
它采用一可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。
PLC及有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。
在本课程设计中，其设计任务为设计并制作出PLC汽车信号灯控制系统，控制的信号灯有仪表板左/右转弯灯、左/右头灯和左/右尾灯共六类灯，在不同的驾驶操作控制下可驱动相对应的汽车信号灯闪烁或长亮。
关键字：
FX2N—16PLC；LED灯
1课题原理及意义
1.1课题原理
PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。
它是一种存储程序的控制器，用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序键入到PLC的用户程序存储器中寄存。
PLC扫描工作方式主要分三个阶段：
输入采样、程序执行、输出刷新。
1.输入采样PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入采样。
PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。
在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入采样阶段才被刷新。
2.程序执行PLC完成了采样工作后，按顺序从0000号地址开始的程序进行扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。
再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。
但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上。
3.输出刷新在执行到END的命令时，即执行完用户所有的程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。
1.2课题意义
汽车信号灯控制系统，在交通如此发达的当今社会，是永远不会被淘汰的，但是它却是在永远更新与完备的一个控制系统。
汽车控制系统给我们在操作上带来的便利，刺激着很多研究者们纷纷研究它，精进它，使人类能够在其中得到更多的便利，不断推动人类的进步。
所以这个课题不论是在科学上还是在生活中都是有重大意义的。
任何一项科学的进步都是靠一代代的研究者们不断的探索与钻研来推动的，汽车信号灯控制系统也一样，它能发展到现在这个水平是许多科研前辈努力的结果，而要想再进一步发展它，就要靠我们这些后辈的努力了。
所以我们今天的努力是有巨大意义的。
我相信通过一代又一代研究者的努力，汽车控制系统会越来越先进，使用也会越来越方便。
会深受全世界人们的喜爱。
2PLC的相关知识
2.1PLC的历史和发展
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。
20世纪70年代中期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术己全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中己获得了广泛的应用。
20世纪末期，可编程控制器的特点是更加适应于现代工业控制的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机;从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。
加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。
PLC的联网通信有两类：
一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。
除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
2.2PLC的特点
PLC是一种专门为了在工业环境下应用而设计的数字运算操作装置。
它采用一可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。
PLC及有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。
PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。
可靠性高，抗干扰能力强；通用性强，使用方便；采用模块化结构，使系统组合灵活方便；编程语言简单、易学，便于掌握；系统设计周期短；对生产工艺改变适应性强；安装简单、调试方便、维护工作量小等。
2.3PLC的应用
目前，PLC在国内己广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、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，又可用于多机群控及自动化流水线.
2.数据处理
PLC可以用于对直线运动或圆周运动的位置速度和加速度的控制。
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，早期直接用开关量I/0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。
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,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。
5.控制网络（通信）
随着计算机控制系统的发展，近年来工厂自动化通信联网发展得很快，各个著名的PLC生产厂商推出了自己网络系统。
3控制系统的硬件设计
3.1PLC硬件配置
本控制系统采用日本三菱公司生产的FX2N—16PLC。
FX2N系列是一种超小型叠装式PLC，它由基本单元、扩展单元、扩展模块和特殊功能模块组成。
基本单元：
内置电源（输入模块不需外接电源，它由内置电源供电）、I/O模块及CPU与存贮器，是PLC的核心部分。
既可单独使用，又可与扩展单元、扩展模块组合使用。
可以增加基本单元的I/O点数，内置电源。
扩展模块：
扩展I/O点数，但电源由基本单元或扩展单元供电。
每台基本单元或扩展单元最多可联接2台扩展模块。
特殊功能模块：
FX2N-16NT，用于通信；FX2N-3A，可提供2路模拟量输入，1路模拟量输出，来选用。
1.电气设备及元器件明细表如表3.1所示。
表3.1
序号
符号
型号
名称
数量
1
PLC
FX2N-16
可编程序控制器
1
2
LED
2EF302
发光二极管
6
3
S
XCM-A110/B510
限位开关
5
2.FX2N-16的输入/输出端口地址分配表图表3.2所示。
表3.2
输入端子分配
输出端子分配
左转弯开关SB0
X0
发光二极管L0
Y0
右转弯开关SB1
X1
发光二极管L1
Y1
紧急开关SB2
X2
发光二极管L2
Y2
刹车开关SB3
X3
发光二极管L3
Y3
停靠开关SB4
X4
发光二极管L4
Y4
发光二极管L5
Y5
3.2设计思路
本系统中要求设计汽车信号灯控制系统，在驾驶汽车时有左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关、停靠五个操作；所以可以用五个开关来模拟这几个操作，当PLC检测到相关操作后，然后判断属于那一类操作，再通过软件来驱动控制相应的信号灯闪烁或长亮。
以此来实现对汽车信号灯的控制。
当合上左转弯开关后，仪表板左转弯灯、左头灯、左尾灯闪烁；当合上右转弯开关后，仪表板右转弯灯、右头灯、右尾灯闪烁。
当刹车开关合上时，左右尾灯长亮；合上停靠开关后，头灯、尾灯以30Hz的频率闪烁；在紧急开关合上后，所有灯都闪烁。
同时合上左/右转弯开关和刹车开关时，仪表板左/右转弯灯、左/右头灯以2HZ的频率闪烁，左/右尾灯长亮。
合上相应的开关，可以驱动对应的汽车信号灯闪烁或长亮。
闪烁频率通过PLC中的定时器来控制，六类灯用发光二极管来体现。
当合上相应的开关后，信号灯会有相应的信号。
3.3控制面板设计
汽车信号灯的控制面板如图3.1所示。
图3-1操作面板示意图
3.4PLC的外部接线图
基于上述的设计思想以及所学PLC知识，并且设计环境。
所以我们在设计时，选择了五个限位开关、FX2N-16PLC、6只发光二极管。
其中FX2N-16PLC做为控制核心，当5个限位开关的状态发生改变后，PLC检测到开关信号后就通过软件输出相关信号，在经过芯片来驱动6个汽车信号灯根据开关的相应状态闪烁或长亮。
PLC电气外部控制图如图3.2。
图3.2PLC电气外部控制图
图中六个限位开关：
SB0表示左转弯开关，SB1表示右转弯开关，SB2表示紧急开关，SB3表示刹车开关、SB4表示停靠开关。
L0、L1、L2、L3、L4、L5、L6分别表示六个发光二极管。
分别通过Y0、Y2、Y3、Y4、Y5来驱动。
R0、R1、R2、R3、R4、R5分别表示与各个发光二极管串联的限流电阻，用来保护发光二极管的正常运行。
RJ为热继电器开关，用来保护总个系统的正常运行。
X0、X1、X2、X3、X4、X5为输入接口，分别采集SB0、SB1、SB2、SB3、SB4、SB5的信号。
3.5实验室接线调试电路图
在实验室的实物连接图如图3.3、图3.4、图3.5所示。
图3.3实物连接图
（1）
图3.4实物连接图
（2）
图3.5实物连接图（3）
4控制系统的软件设计
4.1系统的顺序功能图
该控制系统的顺序功能图如图4.1所示。
图4.1汽车信号灯控制系统设计的顺序功能图
图中用M8002激活初始步M0，M0变为活动步后，当转换X0为1时，即左转弯开关闭合，M1变为活动步，从而驱动Y0、Y2、Y4、T200、T201，从而驱动相应的信号灯闪烁或常亮。
或当X1为1时，即右转弯开关闭合时，M2变为活动步，从而驱动Y1、Y3、Y5、T208、T209，从而驱动相应的信号灯闪烁或常亮。
或当X2变为1时，即紧急开关闭合时，M3变为活动步，从而驱动Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、T200、T201、T208、T209，从而驱动相应信号灯闪烁或常亮。
或当X3变为1时，即合上刹车开关时，M4变为活动步，从而驱动Y4、Y5，从而驱动相应信号灯闪烁或常亮。
或当X3*X0为1时，即左转弯时刹车，M5变为活动步，从而驱动Y0、Y2、Y4、Y5、T200、T201，从而驱动相应信号灯闪烁或常亮。
或当X3*X1为1时，即右转弯时刹车，M6变为活动步，从而驱动Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、T2、T3，从而驱动相应信号灯闪烁或常亮。
或当X4为1时，即停靠开关闭合时，M7变为活动步，从而驱动Y2、Y3、Y4、Y5、T246、T247，从而驱动相应信号灯闪烁或常亮。
4.2梯形图程序
该控制系统的梯形图程序如图4-2所示。
图4.2控制系统的梯形图
4.3程序的指令表。
该控制系统的指令表如图4.3所示。
图4.3该控制系统的指令表
5心得体会
随着现代科学技术的迅猛发展，PLC技术几乎完全融入了我们的日常生活之中，所以学习PLC对我们今后的发展也是非常重要的。
对于初学者的我们，此次课程设计无疑是一个很好的培养锻炼我们的机会，运用平时所学和图书馆以及网上资源来设计自己的程序，发现和解决问题弥补知识的欠缺以及锻炼实践的能力。
在此次实训中，我们三人一组，大家同心协力，一同泡图书馆查资料，一起研究梯形图，遇到问题都是自己先讨论尝试着解决，如果确实无法解决才向老师寻求帮助，让我深深感受到团队协作的力量，也拿出了好的成果。
回顾此次PLC课程设计，时间虽比较短暂，但是在此次实习中学到很多有用的东西。
当我们刚刚拿到这个课题的时候，有点茫然，不知道该从何下手，切入点在哪?
经过在图书馆、网上搜索相关的资料，逐步了解自己要设计个什么东西，该东西的工作原理，工作设计是什么，各环节的线索是什么？
理清线索后，就确定整体设计方案，按方案的步骤着手设计各单元电路，庆幸的是各单元电路的设计比较简单，但是实际按图连线就有些困难，及运行当中出现的问题有点让我们止步，不过最后我们团结互助，不断向老师请教，把一个个难关予以解决。
现在，整个设计虽基本完成，也许结果并不是很令人满意，过程中出现的一些问题，例如延迟时间不是很精确，电路设计得不怎么完善等等。
我想我们只有在实践中多去操作，不言放弃、不急躁，迎难而上，多总结经验，多尝试，才能将专业知识学得更好，才能学以致用，才能达到学习的真正目的。
为以后的工作生活积累更多的经验，让自己走得更远，更好。
参考文献
[1]魏志精.可编程控制器应用基础，电子工业出版社.，2006.
[2]李树雄.PLC原理与应用，北京航空航天大学出版社，2006.
[3]田瑞庭.可编程控制器应用技术.北京机械工业出版社，2001.
[4]王兆义.小型可编程控制实用技术.北京机械工业出版社，2000.
[5]温照方.可编程控制器教程，北京理工大学出版社，2002.
[6]陈建明.电气控制与PLC应用联系与实践,电子工业出版社，2008.
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