压低可编程课程设计交通灯控制系统设计大学毕设论文.docx
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压低可编程课程设计交通灯控制系统设计大学毕设论文
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。
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
2.1PLC的概述
可编程控制器（ProgrammableController）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（ProgrammableLogicController），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（PersonalComputer）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。
2.2PLC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。
2.3PLC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。
2.4PLC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2-1PLC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
4.1PLC选型
在对PLC控制系统进行硬件结构设计时，首先，要了解各个控制对象的驱动要求，如：
驱动电压的等级、负载的性质等；其次，要分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；再次，要确定所控制参数的精度及类型。
根据上述原则，我们要选择适合的PLC机型及外设，完成相应的PLC硬件结构配置。
本设计选择欧姆龙CPM2A的PLC进行编程，CPM2A在一小巧的单元综合有各种性能，包括同步脉冲控制，中断输入，脉冲输出，模拟量设定，和时钟功能等。
CPM2ACPU单元又是一个独立单元，能处理广泛范围的机械控制应用，所以它是在设备内用在内装控制单元的理想产品，完整的通信功能保证了与各人计算机。
4.2输入点和输出点的分配
按照第二章所介绍的控制要求，经过认真考虑本系统所包括的正常时序循环和急车强制，使用了PLC的6输入点和18个输出点，由于其中人行道的信号与该方向干道直行方向的信号相同，所以输出点用12个即可，具体的输入/输出点分配如表所4-1示：
表4-1I/O点分配
交通信号灯系统输入/输出点地址分配
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
启动按钮
SB1
0.00
南北左转绿灯
L1
10.00
停止按钮
SB2
0.01
南北左转黄灯
L2
10.01
南北急车强制启动
SB3
0.02
南北左转红灯
L3
10.02
南北急车强制停止
SB4
0.03
南北直行绿灯（自行车道）
L4
10.03
东西急车强制启动
SB5
0.04
南北直行黄灯（自行车道）
L5
10.04
东西急车强制停止
SB6
0.05
南北直行红灯（自行车道）
L6
10.05
东西左转绿灯
L7
10.06
东西左转黄灯
L8
10.07
东西左转红灯
L9
11.00
东西直行绿灯（自行车道）
L10
11.01
东西直行黄灯（自行车道）
L11
11.02
东西直行红灯（自行车道）
L12
11.03
4.3PLC控制系统I/O接线图：
根据十字路口交通灯的输入输出点分配表，画出如图4-1所示的PLC控制系统I/O接线图。
图4-1交通信号灯PLC外部接线图
4.4交通信号灯的控制时序图
根据十字路口交通灯的控制关系画出如图4-2所示的时序图。
图4-2交通信号灯控制系统时序图
4.5交通信号灯的梯形图
梯形图编程是目前使用最为广泛、最受电气技术人员的欢迎的一种编程语言，具有简单、直观、易学易懂的特点。
采用常开接点、常闭接点构成组合逻辑电路驱动各类软器件线圈或者功能指令块实现一定的逻辑运算、算术运算或数据的传送、变换与外部输出等功能。
根据十字路口交通灯的时序图画出如图4-3所示梯形图。
图4-3交通信号灯控制系统梯形图
第5章程序调试
5.1程序的模拟调试
将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。
用户程序一般现在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟。
5.2程序的现场调试
完成上述工作后，将PLC安装在控制现场进行联机调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。
PLC现场调试是指所有设备都安装好后，所有连接线都接好后的实际调试。
也是PLC程序的最后调试。
现场调试的具体过程大体是：
（1）要查接线、核对地址。
要逐点进行，要确保正确无误。
可不带电核对，那就是查线，较麻烦。
也可带电查，加上信号后，看电控系统的动作情况是否符合设计的目的
（2）检查模拟量输入输出。
看输入输出模块是否正确，工作是否正常。
必要时还可用标准仪器检查输入输出的精度。
（3）检查与测试指示灯。
控制面板上如有指示灯，应先对应指示灯的显示进行检查。
一方面，查看灯坏了没有，另一方面检查逻辑关系是否正确。
（4）检查手动动作及手动控制逻辑关系。
完成了以上调试，继而可进行手动动作及手动控制逻辑关系调试。
要查看各个手动控制的输出点，是否有相应的输出以及输出对应的动作，然后再看，各个手动控制是否能够实现。
如有问题，立即解决。
（5）半自动工作。
如系统可自动工作，那先调半自动工作能否实现。
调试可一步步推进直至完成整个控制周期。
哪个步骤或者环节出现问题，就着手解决哪个步骤或、环节的问题。
（6）自动工作。
在完成半自动调试后，可进一步调试自动工作，要多观察几个工作循环，以确保系统能正确无误的连续工作。
（7）模拟量调试、参数确定。
以上调试的都是逻辑控制的项目。
这是系统调试时，首先要通电。
这些调试基本完成后，可着手调试模拟量、脉冲量控制。
最主要的是选定合适控制参数。
（8）异常条件检查。
完成以上调试，整个调试基本也就完成了，但是最好再进行一些异常条件检查，看看是否会出现异常情况或一些难以避免的非法操作。
结论
有了之前几次课程设计的经验，我对本次设计的制作流程也更加熟练。
此次设计PLC交通灯我先按照要求将问题分析一清二楚，然后开始画出时序图，根据时序图清晰的画出PLC交通灯的程序梯形图，然后进行检查测试调节，将程序用数据线连接到欧姆龙实验台内部，让后观察电脑模拟梯形图程序，调节实验台上对应的开关，观察程序能否实现此交通灯的控制的要求，经过这次的设计，加强了我对低压电器与可编程控制器这门课程的理解与认知。
在程序设计过程中，我对以前的编程方法做了归纳，之前我习惯直接写程序，有时候就会出错，而且思路不会特别清晰，现在编写程序，先画梯形图，然后再去考虑编程问题，这样思路就会很清晰有序，遇到难点的时候习惯翻书，对照例子提取点精华。
现在能灵活运用经验设计法、顺序控制设计法。
特别多顺序时间定点控制设计有了一定的了解。
对于PLC编程只要你能熟悉掌握，灵活应用的话，那么编程对你来说将变的非常容易。
一个流程图无论多么复杂，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法编程了。
只要按照它的格式就可以写出正确的程序。
这次的课程设计使我把可编程控制器的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，让我受益非浅，对我以后工作中遇到问题或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响。
致谢
这两周的交通灯控制系统设计，从开始到结束都是在程老师的指导下完成的。
老师为我们详细的介绍这次课程设计的主要内容，嘱咐我们设计中的哪些问题需要特别的注意。
期间我遇到了很多问题，比如怎样绘制CAD图、怎样分析控制系统等，同学们都为我细心解答。
在调试程序的时候，老师细心查看我们每个同学的设计，指出我们问题所在之处。
在提交设计报告的时候，老师仔细阅读我们的设计，让我们的设计更加的完善。
在这次设计中，我们让理论知识与实践相结合，提高我们的动手能力，巩固了以前所学的知识，也学习到了课本里没有的知识，这些都为以后的专业课及工作提供了宝贵的经验。
本次设计中，老师不仅给我提出宝贵的意见，还帮助我对其加以修改和完善，经过老师的精心指导和帮助，问题迎刃而解，我才顺利的完成本次设计。
本次设计也倾注了老师的心血，在此对老师表示深深的谢意，感谢同学给予我帮助和支持。
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