XXXX 大學 課 程 設 計 說 明 書 學生姓名： 學 號： 學 院： 專 業： 題 目： 基于 PLC 的十字路口紅綠燈控制系統設計 指導教師： 職稱 : 職稱 : 20*年 *月 5 日 摘要 近年來隨著科技的飛速發展， PLC 的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統控制檢測日新月益更新。它具有結構簡單、編程方便、可靠性高等優點，已廣泛用于工業過程和位置的自動控制中。據統計，可編程控制器是工業自動化裝置中應用最多的一種設備。專家認為，可編程控制器將成為今后工業控制的主要手段和重要的基礎設備之一， PLC、機器人、 CAD/CAM將成為工業生產的三大支柱。由于 PLC 具有對使用環境適應性強的特性，同時其內部定時器資源十分豐富，可對目前普遍使用的“漸進式”信號燈進行 精確控制，特別對多岔路口的控制可方便地實現。因此現在越來越多地將 PLC 應用于交通燈系統中。 同時， PLC 本身還具有通訊聯網功能，將同一條道路上的信號燈組成一局域網進行統一調度管理，可縮短車輛通行等候時間，實現科學化管理。在實時檢測和自動控制的 PLC 應用系統中， PLC 往往是作為一個核心部件來使用，僅 PLC 方面知識是不夠的，還應根據具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，加以完善。十分形象地顯示出了 PLC 在交通燈系統中的實際應用。 本次 課程 設計用三菱 FX2N 的可編程控制器控制十字路口信號燈來說明可編程 控制器硬件、軟件的設計。為十字路口交通燈控制提供可靠的保障，使交通有序、安全、快捷運行的重要環節。 關鍵詞： 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、 交通燈簡介 . 1 1.1 plc 交通燈的作用 . 1 2.2 plc 交通燈的發展前景 . 1 二、 PLC 簡介 . 2 1.1 PLC 發展過程 . 2 2.2 PLC 的構成 . 3 1. 輸入寄存器 . 3 圖 2-1 PLC 的組成 . 3 2. 輸出寄存器 . 3 3. 存儲器 . 3 4. CPU 單元 . 3 5. 其它接口單元 . 4 2.3 PLC 的運用領域 . 4 三、 交通燈 plc 程序設計 . 5 3.1 交通燈程序設計任務 . 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 程序的現場調試 . 31 四、 總結 . 32 1 一、 交通燈簡介 1.1 plc 交通燈的作用 隨著交通的不斷發展和汽車化進程的加快，交通擁擠加劇，交通事故頻發，交通環境惡化，已經成為引人注目的城市問題之一。交通問題不僅的發展中國家，就在發達國家也是一個令人困擾的嚴重問題。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的通信能力。但無論哪個國家的大城市，不可能無限制地修建道路，不論是資金因素還是土地因素，都限制了道路的無節制增長。因此，不可能通過無限制地修建道路難滿足日益增長的交通需求。與此同時，通過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法取得滿意的結果。 交通信號 燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實現交通道路的管理，力求交通管理先進性、科學化。用可編程控制器實現交通燈管制的控制系統，以及該系統軟、硬件設計方法，實驗證明該系統實現簡單、經濟，能夠有效地疏導交通，提高交通路口的通行能力。分析了現代城市交通控制與管理問題的現狀，結合交通的實際情況闡述了交通燈控制系統的工作原理，給出了一種簡單實用的城市交通燈控制系統的 PLC 設計方案。可編程序控制器在工業自動化中的地位極為重要，廣泛的應用于各個行業。隨著科技的發展， 可編程控制器的功能日益完善，加上小型化、價格低、可靠性高，在現代工業中的作用更加突出。 2.2 plc 交通燈的發展前景 隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市出現了交通超負荷運行的情況，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和缺乏對高澎路的系統研究和控制，高速道路沒有充分發揮出預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，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，越來越成為交通運輸管理和城市規劃部門待解決的主要問題。 所以采用有效的方法控制交通燈是勢在必行的。 PLC 的智能控制原則是控制系統的核心，采用 PLC 把東西方向或南北方向的車輛按數量規模進行分檔，相應給定的東西方向與南北方向的綠燈時長也按一定的規律分檔 . 這樣就可以實現按車流量規模給定綠燈時長，達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、實現最優控制，從而提高了交通控制系統的效率 . 二、 PLC 簡介 1.1 PLC 發展過程 PLC 是由摸仿原繼電器控制原理發展起來的，二十世紀七十年代的 PLC 只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入 PLC 的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。 PLC的 CPU 內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加 1，程序從起始步（步序號為零）起依次執行到最 終步（通常為 END 指令），然后再返回起始步循環運算。 PLC 每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的 PLC，循環掃描周期在 1 微秒到幾十微秒之間。 PLC 用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算 1K 邏輯程序不到 1 毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理， 16 位（也有 32 位的）為一個模擬量。大型 PLC 使用另外一個 CPU 來完成模擬量的運算。把計算結果送給 PLC 的控制器。 在工業自動化領域，可編程控制器 (PLC)作為自動控制的三大技術支柱（ PLC、機器人、CAD/CAM）之一，成為 大多數自動化系統的設備基礎。由于綜合了計算機和自動化技術，使它發展日新月異，大大超過其出現時的技術水平。它不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時、計數、數字運算、數據處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產機械數字量和模擬量的聯系，從而實現生產過程的自動控制。特別是超大規模集成電路的迅速發展以及信息、網絡時代的到來，擴展了 PLC 的功能，使它具有很強的聯網通訊能力，從而更廣泛地應用于眾多行業 3 2.2PLC 的構成 如圖所示， PLC 與通用計算機沒有什么區別，只是一臺增強了 I/O 功能的可與控制對象方便連接的 計算機。其完成控制的實質是按一定算法進行 I O 變換，并將這個變換物理實現，應用于工業現場。 1. 輸入寄存器 輸入寄存器可按位進行尋址，每一位對應一個開關量，其值反映了開關量的狀態，其值的改變由輸入開關量驅動，并保持一個掃描周期。 CPU 可以讀其值，但不可以寫或進行修改。 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 在下一個時間段的輸出值 ,而程序循環執行開始時的輸出寄存器的值 ,表明的是上一時間段的真實輸出值。在程序執行過程中 ,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。只有程序執行到一個循環的尾部時值才影響下一時間段的輸出，即只有最后的修改才對輸出接點的真實值產生影響。 3. 存儲器 存儲器分為系統存儲器和用戶存儲器。系統存儲器存儲的是系統程序，它是由廠家開發固化好了的，用戶不能更改， PLC 要在系統程序的管理下運行。用戶存儲器中存放的是用戶程序和運行所需要的資源， I/O 寄存器的值作為條件決定著存儲器中的程序如何被執行，從而完成復雜的控制功能。 4. CPU 單元 CPU 單元控制著 I O 寄存器的讀、寫時序，以及對存儲器單元中程序的解釋執行工 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 與其它設備和模塊進行連接通信的物理條件。 2.3 PLC 的運用領域 近年來 PLC 的應用越來越廣泛，廣泛應用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機械制造、造紙、紡織、等行業。 PLC的應用通常可分為五種類型。 順序控制這是 PLC應用最廣泛的領域，用以取代傳統的繼電器順序控制。 PLC可應用于單機控制、多機群控、生產自動線控制等。如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產線及電梯控制等。 運動控制 PLC制造商目 前已提供了拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模版。在多數情況下， PLC把掃描目標位置的數據送給模版塊，其輸出移動一軸或數軸到目標位置。 閉環過程控制 PLC能控制大量的物理參數，如溫度、速度和流量等。一個具有 PID控制能力的 PLC可用于過程控制。當過程控制中某一個變量出現偏差時， PID控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設定值上。 數據處理在機械加工中，出現了把支持順序控制的 PLC和計算機數值控制（ CNC）設備緊密結合的趨向。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。為了實現 PLC和 CNC設備之間內部數據自由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過窗口軟件，用戶可以獨自編程，由 PLC送至 CNC設備使用。 通信和聯網為了適應國外近幾年來興起的工廠自動化（ FA）系統、柔性制造系統（ FMS）及集散控制系統（ DCS）等發展的需要，必須發展 PLC 之間， PLC 和上級計算機之間的通信功能。作為實時控制系統，不僅 PLC 數據通信速率要求高，而且要考慮出現停電故障時的對策。 5 三、 交通燈 plc 程序設計 3.1 交通燈程序設計任務 本次課程設計任務是實現 十字路口的紅路燈設計。十字路口為雙向三車道的一個十字路口，每一個路口有各有 9 個燈，三個紅燈，三個黃燈，三個綠燈，分別控制直行，左轉，右轉的行駛和停止。據觀察得出器南北車流量明顯大于東西方向的車流量。所以在設計交通燈時，南北方向的綠燈要比東西方向的綠燈要久。交通燈中當綠燈變換時會有相應的閃爍，且有綠燈變為黃燈在變為紅燈，此舉也是為了方便司機判斷。根據車流量的大小設計出一個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 由于本次設計的交通燈 控制數目共有三十六個，所以需要三十六個輸出口。所以本文選用三菱系列的 FX2N-128。 FX2N 系列擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點， FX2N 是從 16 到 256 路輸入 /輸出的多種應用的選擇方案。價格便宜，功能齊全，比起其他 PLC 有著速度、邏輯、定位等優越之處。安裝簡單，維修方便。 FX2N-128 的I/O 總數 64，輸入 /輸出各 64 個，輸入類型為漏型，輸出類型為繼電器或晶體管。 FX2N 通過儲存的程序周期運轉。 PLC 作為控制器件是因為可編程控制器核心是一臺計算機，它是專為工業環境應用而設計制 造的計算機。它具有高可靠性豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強的驅動能力 ；它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算 ,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產過程 ；它采用模塊化結構，編程簡單，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燈數目共為 36 個，成東西南北，每一個方向有九盞燈。每一排有三盞燈，控制著左轉，直行，右轉的行駛車輛。每個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。 本文中選用的 plc 為 FX2N-128，共有 64 個輸出接口，也符合我們本次設計。 7 PLC X0 啟動開關 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 本次課程設計的交通燈程序