课程设计罗珂.docx
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课程设计罗珂
西安文理学院物理与机械电子工程学院
课程设计报告
专业班级
11级自动化一班
课程
过程控制系统
题目
十字路口红绿灯控制设计
学号
0803110118
学生姓名
罗珂
指导教师
雷俊红
2014年12月
西安文理学院物理与机械电子工程学院
课程设计任务书
学生姓名
罗珂
专业班级
11级自动化一班
学号
0803110118
指导教师
雷俊红
职称
讲师
教研室
自动化
课程
过程控制系统
题目
十字路口红绿灯控制设计
任务与要求
设计任务：
利用PLC实验室的PLC实验柜，设计一个十字路口的红绿灯控制系统。
设计要求：
1．按照标准十字路口红绿灯的控制要求进行功能设计；
2．用组态软件WinCC设计红绿灯的监控画面，两个方向均有红、绿、黄及左转灯；
3．编制PLC的控制程序并调试直至满足控制要求为止；
4．对控制系统设计的过程进行总结，认真书写课程设计报告并按时上交。
开始日期2014.11.24完成日期2014.12.18
年月日
摘要
可编程控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业，随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的应用更加突出。
十字路口红绿灯控制采用的可编程控制器具有可靠性高、维护方便、用法简单、通用性强等特点，本文采用西门子的可编程控制器控制十字路口红绿灯来说明可编程控制器硬件、软件的设计。
解决好交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。
一、设计目的
利用PLC实验室的PLC实验柜，设计一个十字路口的红绿灯控制系统
二、设计要求和任务
1．按照标准十字路口红绿灯的控制要求进行功能设计；
2．用组态软件WinCC设计红绿灯的监控画面，两个方向均有红、绿、黄及左转灯；
3．编制PLC的控制程序并调试直至满足控制要求为止；
4．对控制系统设计的过程进行总结，认真书写课程设计报告并按时上交。
三、总体设计方案
交通信号灯控制方式很多，可以用电子电路来实现，可以用单片机编程控制来实现，也可以用PLC来实现十字路口交通灯的控制。
这次我们主要采用了PLC来实现交通十字灯的控制，PLC可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。
它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
本设计是用PLC来实现对十字路口交通信号灯的控制，其控制方法是采用西门子的S7-300PLC对东西南北的红、黄、绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。
交通灯控制系统的控制要求如下：
1:
信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。
当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
2:
南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。
3:
南北红灯亮维持40S。
在南北红灯亮的同时东西左转绿灯也亮，并维持10S；东西左转绿灯亮后东西绿灯再亮，并维持25S，到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭，在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。
到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。
同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。
4:
东西红灯亮维持40S。
南北绿灯亮维持25S。
然后闪烁3S，熄灭。
同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
如下图：
图一系统原理框图
5、十字路口交通灯状态的分析：
表一
交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制要求按一定时序进行，如图二：
图二交通信号灯时序状态示意图
四、功能模块设计与分析
1、系统硬件设计（设计原则）
（1）满足被控设备或生产过程的控制要求；
（2）在满足控制要求的前提下，力求简单、经济，操作方便；
（3）保证控制系统工作安全可靠；
（4）考虑到今后的发展改进，应适当留有进一步扩展的余地。
2、PLC外部连接设计
交通灯的硬件设计包括输入/输出PLC地址编号、输入/输出分配。
根据交通灯的控制要求，该系统要求有一个启动开关，1个停止开关，共两个输入点，8盏灯，东西方向、南北方向的同一类灯可以共用1个点，故用8个输出就可以。
交通输入/输出信号与PLC地址编号对照表如2所示，输入/输出分配线图如图3：
输入信号
输出信号
名称
编号
东西绿灯
Q0.0
启动
I0.0
东西黄灯
Q0.1
停止
I0.1
东西红灯
Q0.2
东西左转绿灯
Q0.3
南北绿灯
Q1.0
南北黄灯
Q1.1
南北红灯
Q1.2
南北左转绿灯
Q1.3
表2：
输入/输出信号与PLC地址编号对照表
图三交通灯输入/输出接线图
3、设计的注意事项
（1）PLC输出电路中没有保护，因此在外部电路中应设置串联熔断器等保护装置，以防止负载短路造成PLC损坏。
熔断器容量一般为0.5A。
（2）PLC存在I/O响应延迟问题，因此在快速响应设备中应加以注意。
MPI通信协议虽简单易行，但响应速度较慢。
（3）编制控制程序时，最好用模块式结构程序。
这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作；又能使数据库结构统一，方便WinCC组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一显示。
（4）硬件资源。
要合理配置硬件资源，以提高系统可靠性。
如PLC电源配电系统要配备冗余的UPS不间断电源，以排除停电对全线运行的不利影响。
又如对电机的控制回路要进行继电器隔离，以消除外部负载对I/O模块的可能损坏。
另外，系统设备要采用独立的接地系统，以减少杂波干扰。
4、软件设计
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（或地址号）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（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
图四、正常时序流程图
五、电路的安装与调试
1、组态软件的介绍
组态软件是数据采集监控系统SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。
它具有丰富的设置项日，使用方式灵活，功能强大。
组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。
随着组态软件自身以及控制系统的发展，监控组态软件部分地与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。
OPC（OLEforProcessControl）的出现，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间互连，降低了开发I/O设备驱动软件的工作量。
I/O驱动软件也逐渐向标准化的方向发展。
实时数据库的作用进一步加强。
实时数据库是SCADA系统的核心技术。
从软件技术上讲，SCADA系统的实时数据库，实质上就是一个可统一管理酌、支持变结构的、支持实时计算的数据结构模型。
在实时数据库技术中，还有对工业标准的支持（如OPC规范等），对分布式计算的支持和对实时数据库系统冗余的支持，等等。
组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；处理数据报警及系统报警；提供多种数据驱动程序；各类报表的生成和打印输出；使用脚本语言提供二次开发的功能；存储历史数据并支持历史数据的查询，等等。
西门子视窗控制中心SIMATICWinCC（WindowsControlCenter）是HMI／SCADA软件中的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国ControlEngnieering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统；而在欧洲，它无可争议地成为第一。
在设计思想上，SIMATICWinCC秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的HMI/SCADA软件是WinCC开发者的追求。
Wincc是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上各主要制造商生产的控制系统，如A—B，Modicon，GE等，并且通讯驱动程序的种类还在不断地增加。
通过OPE的方式，WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通讯。
WinCCV6．O采用标准MicrosoftSQLServer2000（WinCCV6.0以前版本采用Sybase）数据库进行生产数据的归档，同时具有web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是工业企业中MES和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。
作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成都分，WinCC确保与SIMATICS5，S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。
此外，WinCC还有对SIMATICPLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。
2、组态画面的建立
系统的调试是采用组态进行仿真的，首先打开组态软件，建立以下画面。
图五、建立交通灯画面
图六、组态逻辑画面
2、仿真并调试
打开s7-300PLCSIM软件，选中stop方框，如图7所示，下载编写梯形图程序，如图7所示
图七s7-300plc仿真stop状态
3、调试要点及注意事项
（1）常规检查。
在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查（包括接线检查、绝缘检查、接地电阻检查、保险检查等），避免损坏PLC模块（用STEP7的诊断程序对所有模块进行检查）。
（2）系统调试。
系统调试可按离线调试与在线调试两阶段进行。
其中离线调试主要是对程序的编制工作进行检查和调试，采用STEP7能对用户编制程序进行自动诊断处理，用户也可通过各种逻辑关系判断编制程序的正误。
而在线调试是一个综合调试过程，包括程序本身、外围线路、外围设备以及所控设备等的调试。
在线调试过程中，系统在监控状态下运行，可随时发现问题、随时解决问题，从而使系统逐步完善。
因此，一般系统所存在的问题基本上可在此过程中得到解决。
（3）在线调试设备开停时，必须先调试空开关的运行情况；如果设备设有运行监视开关，则可把监视开关强制为"１"（正式运行时，撤销强制）。
调试单台设备时可针对性地建立该设备的变量表，对该设备及其与该设备相关的变量进行实时监视。
这样既可判断逻辑操作是否正确，对模拟量的变化也可一目了然。
比如调试电动执行器时，可建立一变量表，对执行器的位置信号、限位信号、过力矩信号及输出命令信号等进行实时监视，便可非常直观地观测执行器的动作情况。
（4）S7-300PLC模拟量模块可通过变换信号类型卡支持各种类型信号。
当改造老生产工艺线时，不可避免地会遇到多类信号。
因此，设计时最好不把几种信号接到同一模块；同时必须先组态好模块，再接信号线，检查无误后送电。
此外，应避免两线制与四线制信号、电流与电压信号的混接，以免烧坏模块。
六、实验仪器及元器件清单
装有西门子S7-300的电柜一台，PC机一台，导线若根。
七、心得体会
在这次的plc课程设计中，老师总共布置了两个题目：
液压站恒压控制系统设计和十字路口红绿灯控制设计，我们组分到了十字路口红绿灯控制实验。
在日常生活中交通灯随处可见，交通灯控制系统是城市道路管理中极为重要的一个环节，其在加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率等方面具有不可替代的作用。
在设计前我们都觉得他应该很难，但在设计中通过老师的讲解和自己的上网查资料才发现并不是很难，所以在日常生活中我们不能只看一个物体的表面，而是应该深入了解他的本质。
整个设计中我们通过了对软件和硬件上的调试，我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。
在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才会发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。
一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。
对于十字路口红绿灯系统，其程序是相对简单的，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。
很多子程序是可以借鉴书本上的，怎样衔接各个子程序才是问题的关键所在，这需要对系统的结构很熟悉。
因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。
通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。
所以我认为这次的课程设计意义很深，和同学的共同学习﹑配合﹑努力的过程也很愉快，另外还要非常感谢老师的耐心辅导。
在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。
我趁着做课程设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
经过四个星期的设计里，过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。
从开始时的满富激情到后来汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
西安文理学院物理与机械电子工程学院
自动化专业自动化专业课程设计评分表
学生姓名：
罗珂
班级：
1班
学号：
0803110118
题目：
十字路口红绿灯控制设计
序号
项目内容
满分
得分
1
工作量适中，难易度合理
5
2
态度端正，能积极、主动参与课程设计；能很好地与组内成员协同合作完成设计；课程设计期间不缺勤
20
3
具有一定查阅文献及运用文献资料能力和计算机应用能力
5
4
系统电路仿真正确，优化合理
10
5
总体电路运行正常，各项技术指标符合任务书中的要求
20
6
设计报告理论依据充分，数据准确，电路分析正确
10
7
设计报告内容齐全、合理，综述简练、完整，概念清楚，立论正确，技术用语准确，结论严谨合理；分析处理科学，条理分明，语言流畅，结构严谨
20
8
设计报告符号统一、编号齐全；格式、表格、插图等规范准确
5
9
设计报告有一定篇幅，字符数不少于2500
5
总分
100
指导教师评语：
指导教师签名：
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