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1、湖南工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)是用PLC來實(shí)現(xiàn)對(duì)十字路口交通信號(hào)燈的控制，其控制方法是采用三菱的FX2N系列PLC編程軟件對(duì)東西南北的紅、黃、綠、左綠燈實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的循環(huán)閃亮，以達(dá)到對(duì)交通信號(hào)燈的控制。控制過程中采用了順序控制設(shè)計(jì)法用了八個(gè)定時(shí)器六個(gè)計(jì)數(shù)器分時(shí)段分頻率自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)八個(gè)控制對(duì)象的控制。控制程序包括有順序功能圖（SFC）、梯形圖(LAD)、指令表(STL)。關(guān)鍵詞：三菱FX2N，交通信號(hào)燈，順序功能圖，梯形圖，調(diào)試，自動(dòng)控制目 錄第1章 緒論11.1 PLC的發(fā)展及現(xiàn)狀11.2 本人的主要工作1第2章 十字路口交通信號(hào)燈的PLC控制線路設(shè)計(jì)22.1

2、十字路口交通信號(hào)燈的工作原理及設(shè)計(jì)要求22.2 十字路口交通信號(hào)燈所選PLC的I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)32.3 PLC的選型及技術(shù)參數(shù)32.3.1 PLC的選型原則42.3.2 十字路口交通信號(hào)燈所選類型PLC的技術(shù)參數(shù)72.4 十字路口交通信號(hào)燈的接線圖和接線電路設(shè)計(jì)72.4.1 十字路口交通信號(hào)燈的I/O分配表72.4.2 十字路口交通信號(hào)燈的外部接線圖設(shè)計(jì)8第3章 十字路口交通信號(hào)燈的PLC系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)93.1 常用梯形圖的設(shè)計(jì)方法93.2 PLC內(nèi)部繼電器的分配103.3 十字路口交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的SFC圖、梯形圖及指令表103.3.1 十字路口交通信號(hào)燈PLC控制的SFC圖103.3.2 十

3、字路口交通信號(hào)燈梯形圖設(shè)計(jì)143.3.3 十字路口交通信號(hào)燈分離指令表143.4 在實(shí)驗(yàn)室的調(diào)試和仿真14結(jié)束語15參考文獻(xiàn)16附錄117 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）湖南工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1 PLC的發(fā)展及現(xiàn)狀在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控

4、制器，稱ProgrammableController（PC）。 PLC的定義有許多種。國際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 從技術(shù)上看，計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果會(huì)更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計(jì)和制造上，會(huì)有運(yùn)算速度更快、存儲(chǔ)容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會(huì)進(jìn)一步

5、向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì)隨著國際競爭的加劇而打破，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)品牌壟斷國際市場的局面，會(huì)出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。1.2 本人的主要工作根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，進(jìn)行十字路口交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)閱讀看

6、懂了交通信號(hào)燈的時(shí)序圖，確定程序的設(shè)計(jì)方法，編譯程序，觀察仿真結(jié)果是否正確，假使運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤，則檢查進(jìn)行糾正。第2章 十字路口交通信號(hào)燈的PLC控制線路設(shè)計(jì)2.1十字路口交通信號(hào)燈的工作原理及設(shè)計(jì)要求2.1.1 十字路口交通信號(hào)燈的工作原理2.1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1系統(tǒng)工作受開關(guān)控制，起動(dòng)開關(guān) ON 則系統(tǒng)工作；起動(dòng)開關(guān) OFF 則系統(tǒng)停止工作。2控制對(duì)象有八個(gè)：東西方向紅燈兩個(gè) , 南北方向紅燈兩個(gè)，東西方向黃燈兩個(gè) , 南北方向黃燈兩個(gè)，東西方向綠燈兩個(gè) , 南北方向綠燈兩個(gè)，東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個(gè)，南北方向左轉(zhuǎn)彎綠燈兩個(gè)。3控制規(guī)律：1） 高峰時(shí)段、正常時(shí)段及晚上時(shí)段的時(shí)序分配按圖2.

7、1運(yùn)行。圖2.1 各時(shí)段運(yùn)行分配時(shí)序圖2） 高峰時(shí)段按圖2.2運(yùn)行圖2.2 高峰時(shí)段運(yùn)行時(shí)序圖3） 正常時(shí)段按圖2.3運(yùn)行圖2.3 正常時(shí)段運(yùn)行時(shí)序圖4） 晚上時(shí)段按提示警告方式運(yùn)行，規(guī)律為： 東、南、西、北四個(gè)黃燈全部閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的規(guī)律反復(fù)循環(huán)。2.2 十字路口交通信號(hào)燈所選PLC的I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是三菱FX2N系列32MR的PLC控制系統(tǒng)，總共有32個(gè)I/O點(diǎn)。2.3 PLC的選型及技術(shù)參數(shù)2.3.1 PLC的選型原則1.規(guī)模要適當(dāng)輸入.輸出點(diǎn)數(shù)以及軟件對(duì)PLC功能及指令的要求是選擇PLC機(jī)型規(guī)模大小的重要依據(jù)。首先要確保有足夠的輸

8、入.輸出點(diǎn)數(shù)，并留有一定的余地（要有10%的備用量）。如果只是為了實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化，或機(jī)電一體化產(chǎn)品，可選用小型PLC。如果控制系統(tǒng)較大，輸入.輸出點(diǎn)數(shù)較多，被控設(shè)備較分散，可以選用中型或大型PLC。還應(yīng)確定用戶程序存儲(chǔ)器的容量。一般粗略的估計(jì)方法：（輸入+輸出）*（10-12）=指令步數(shù)。特別要注意因控制較復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量較大，可能出現(xiàn)存儲(chǔ)器容量不夠的問題。2.功能要相當(dāng)，結(jié)構(gòu)要合理對(duì)于以開關(guān)量進(jìn)行控制的系統(tǒng)，一般的低檔機(jī)就能滿足要求。對(duì)于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，應(yīng)選用帶A/D.D/A轉(zhuǎn)換，加減運(yùn)算.數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī)。對(duì)于控制比較復(fù)雜，控制性能要求較高的系統(tǒng)，例如要求實(shí)現(xiàn)

9、PID運(yùn)算.閉環(huán)控制.通信聯(lián)網(wǎng)等，可視控制規(guī)模及復(fù)雜的程度，選用中檔或高檔機(jī)。其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過程控制.全PLC的分布式控制系統(tǒng)以及整個(gè)工廠的自動(dòng)化。對(duì)于工藝過程比較固定.環(huán)境條件較好（維修量較小）的場合，選用整體式結(jié)構(gòu)PLC。其他情況則選用模塊式結(jié)構(gòu)PLC。3.輸入.輸出功能及負(fù)載能力的選擇選擇哪一種功能的輸入.輸出形式或模塊，取決于控制系統(tǒng)中輸入和輸出信號(hào)的種類.參數(shù)要求和技術(shù)要求，選用具有相應(yīng)功能的模塊。為了提高抗干擾能力，輸入.輸出均應(yīng)選用具有光電隔離的模塊。對(duì)于輸出形式，分為無觸點(diǎn)和有觸點(diǎn)兩種形式。無觸點(diǎn)輸出大多使用大功率三極管（直流輸出）或雙向可控硅（交流輸出）電路，其優(yōu)點(diǎn)

10、是可靠性高.響應(yīng)速度快.壽命長，缺點(diǎn)是價(jià)格高.過載能力差。有觸電輸出是使用繼電器觸點(diǎn)輸出，其優(yōu)點(diǎn)是適用電壓范圍寬.導(dǎo)通壓降損失小.價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是壽命短.響應(yīng)速度慢。此外，還應(yīng)考慮輸入.輸出的負(fù)載能力，要注意承受的電壓值和電流值。應(yīng)該指出的是，輸出電流值和導(dǎo)通負(fù)載電流值是不同的概念。輸出電流值是指每一個(gè)輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力。導(dǎo)通負(fù)載電流值是指整個(gè)輸出模塊驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)所允許的最大電流值，即整個(gè)輸出模塊的滿負(fù)荷能力。4.使用環(huán)境條件在選擇PLC時(shí)，要考慮使用現(xiàn)場的環(huán)境條件是否符合它的規(guī)定。一般考慮的環(huán)境條件有：環(huán)境溫度.相對(duì)濕度.電源允許波動(dòng)范圍和抗干擾等指標(biāo)。2.3.2 所選類型PLC的技術(shù)參數(shù)根據(jù)以

11、上PLC的選型原則，再結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)要求。本次設(shè)計(jì)PLC選用的是三菱FX2N系列的PLC，F(xiàn)X2N系列PLC是FX系列中最高級(jí)的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級(jí)的功能、邏輯選件以及定位控制等特點(diǎn)，F(xiàn)X2N是從16到256路輸入/輸出的多種應(yīng)用的選擇方案。說明: I/O范圍，16-256點(diǎn)（基本單元：16/32/48/64/80/128點(diǎn)）。高速演算：基本命令：0.8us/命令。應(yīng)用命令：1.52-數(shù)100us/命令。寬裕的記憶體容量：內(nèi)藏8K EEPROM，最大可擴(kuò)充至16K。2.4 十字路口交通信號(hào)燈PLC的接線圖和接線電路設(shè)計(jì)2.4.1 十字路口交通信號(hào)燈PLC的I/O分配表表2.1 I/O

12、分配表2.4.2 十字路口交通信號(hào)燈的外部接線圖設(shè)計(jì)十字路口交通信號(hào)燈接線圖如圖2.4所示：圖2.4 十字路口交通信號(hào)燈接線圖第3章 十字路口交通信號(hào)燈PLC系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)3.1 常用梯形圖的設(shè)計(jì)方法常見的設(shè)計(jì)方法包括翻譯法，啟-保-停，邏輯代數(shù)法，時(shí)序圖，SFC圖，模塊法。在系統(tǒng)設(shè) 計(jì)中對(duì)不同的環(huán)節(jié)，可根據(jù)具體情況，采用不同的設(shè)計(jì)方法。通常在全局上采用程序框圖及功能模塊方法設(shè)計(jì)；在舊設(shè)備改造中，采用替代法設(shè)計(jì)；在局部或具體功能的程序設(shè)計(jì)上，采用邏輯代數(shù)法和經(jīng)驗(yàn)法。3.2 PLC內(nèi)部繼電器的分配PLC內(nèi)部繼電器包括內(nèi)部輔助繼電器(M)和內(nèi)部狀態(tài)繼電器。（1）PLC內(nèi)部有很多輔助繼電器。輔助繼電

13、器的線圈與輸出繼電器一樣，由PLC內(nèi)各軟元件的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)。輔助繼電器的動(dòng)合和動(dòng)斷觸點(diǎn)使用次數(shù)不限，在PLC內(nèi)可以自由使用。但是，這些觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，外部負(fù)載的驅(qū)動(dòng)必須由輸出繼電器執(zhí)行。在邏輯運(yùn)算中經(jīng)常需要一些中間繼電器作為輔助運(yùn)算用。這些元件不直接對(duì)外輸入、輸出，但經(jīng)常用作狀態(tài)暫存、移位運(yùn)算等。它的數(shù)量比軟元件X、Y多。內(nèi)部輔助繼電器中還有一類特殊輔助繼電器，它有各種特殊功能，如定時(shí)時(shí)鐘、進(jìn)/借位標(biāo)志、啟動(dòng)/停止、單步運(yùn)行、通信狀態(tài)、出錯(cuò)標(biāo)志等。FX2N系列PLC的輔助繼電器按照其功能分成以下三類。a.通用輔助繼電器M0M499（500點(diǎn)） 通用輔助繼電器元件是按十進(jìn)制進(jìn)行編號(hào)的，F(xiàn)X

14、2N系列PLC有500點(diǎn)，其編號(hào)為M0M499。b.斷電保持輔助繼電器M500M1023（524點(diǎn)） PLC在運(yùn)行中發(fā)生停電，輸出繼電器和通用輔助繼電器全部成斷開狀態(tài)。再運(yùn)行時(shí)，除去PLC運(yùn)行時(shí)就接通的以外，其它都斷開。但是，根據(jù)不同控制對(duì)象要求，有些控制對(duì)象需要保持停電前的狀態(tài)，并能在再運(yùn)行時(shí)再現(xiàn)停電前的狀態(tài)情形。斷電保持輔助繼電器完成此功能，停電保持由PLC內(nèi)裝的后備電池支持。c.特殊輔助繼電器M8000M8255（256點(diǎn)） 這些特殊輔助繼電器各自具有特殊的功能，一般分成兩大類。一類是只能利用其觸點(diǎn)，其線圈由PLC自動(dòng)驅(qū)動(dòng)。例如：M8000（運(yùn)行監(jiān)視）、M8002（初始脈沖）、M8013

15、（1s時(shí)鐘脈沖）。另一類是可驅(qū)動(dòng)線圈型的特殊輔助繼電器，用戶驅(qū)動(dòng)其線圈后，PLC做特定的動(dòng)作。例如，M8033指PLC停止時(shí)輸出保持，M8034是指禁止全部輸出，M8039是指定時(shí)掃描。（2）內(nèi)部狀態(tài)繼電器是PLC在順序控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)控制的重要內(nèi)部元件。它與后面介紹的步進(jìn)順序控制指令STL組合使用，運(yùn)用順序功能圖編制高效易懂的程序。狀態(tài)繼電器與輔助繼電器一樣，有無數(shù)的動(dòng)合觸點(diǎn)和動(dòng)斷觸點(diǎn)，在順控程序內(nèi)可任意使用。狀態(tài)繼電器分成四類，其編號(hào)及點(diǎn)數(shù)如下：初始狀態(tài)：S0S9（10點(diǎn)）；回零：S10S19（10點(diǎn)）；通用：S20S499（480點(diǎn)）；保持：S500S899（400點(diǎn)）；報(bào)警：S900S9

16、99（100點(diǎn)）。有關(guān)狀態(tài)繼電器的應(yīng)用，參考項(xiàng)目十STL指令的內(nèi)容。3.3 十字路口交通信號(hào)燈PLC系統(tǒng)的SFC圖、梯形圖及指令表3.3.1 十字路口交通信號(hào)燈PLC控制的SFC圖SFC圖如圖3.1所示：圖3.1 交通信號(hào)燈SFC圖3.3.2 十字路口交通信號(hào)燈梯形圖設(shè)計(jì)梯形圖如附錄1所示3.3.3 十字路口交通信號(hào)燈指令表指令表如附錄2所示3.4 在實(shí)驗(yàn)室的調(diào)試和仿真3.4.1 調(diào)試中遇到的問題及解決方法1.在開始階段按下起動(dòng)按鈕后無法實(shí)現(xiàn)黃燈閃爍。措施：用計(jì)時(shí)器的常閉觸點(diǎn)放在前面，實(shí)現(xiàn)當(dāng)計(jì)時(shí)完后常閉觸點(diǎn)自動(dòng)斷開，實(shí)現(xiàn)復(fù)位，這樣就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)置位、復(fù)位，達(dá)到循環(huán)計(jì)時(shí)的目的。2.程序進(jìn)入正常時(shí)

17、段后，停留在正常時(shí)段循環(huán)中，即使計(jì)數(shù)完畢，但下面的計(jì)數(shù)器無法計(jì)數(shù)，程序無法前進(jìn)。要使計(jì)數(shù)器導(dǎo)通，就要在計(jì)數(shù)完畢后使其有個(gè)通斷過程，產(chǎn)生脈沖使其計(jì)數(shù)。3.4.2 仿真結(jié)束語經(jīng)過本次課程設(shè)計(jì)，讓我更加深刻的學(xué)習(xí)和鞏固了電氣控制及PLC這門課程，不僅從理論上掌握了課堂上沒有學(xué)懂的知識(shí)，還從實(shí)踐中拓寬了我的知識(shí)面，讓我對(duì)我們專業(yè)的知識(shí)有了更加全面的認(rèn)識(shí)，更加清晰的認(rèn)識(shí)到我們專業(yè)知識(shí)的實(shí)用性是如此的強(qiáng)，可以通過平時(shí)學(xué)的知識(shí)自己設(shè)計(jì)很多有意思的電子產(chǎn)品，不僅能培養(yǎng)我們的興趣愛好，更對(duì)我們今后的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。在這次課程設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，也獲得了很多意想不到的知識(shí)。在每次突破一個(gè)問題后都有種久違

18、的滿足感，甚至對(duì)每發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題都有種莫名的興奮。雖然這次的課程設(shè)計(jì)整整花了我一個(gè)星期的時(shí)間，每天從早到晚，頭腦中就只有這個(gè)設(shè)計(jì)，甚至屢次因?yàn)槊τ谛薷姆桨福{(diào)試程序，想解決問題的方法而忘記吃飯、休息，這種感覺不像高中時(shí)段那樣被人追著學(xué)習(xí)，而這是自主的去思考突破，是自身的能動(dòng)力起了作用。因此，這次的課程設(shè)計(jì)很有意義，感謝我們?cè)荷系念I(lǐng)導(dǎo)為我們精心安排了這次課程設(shè)計(jì)，讓我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)掌握了很多知識(shí)，以及知識(shí)以外的許多東西，比如吃苦耐勞的精神、鉆研問題的韌勁等等，在此特別感謝我們PLC課程的陸秀令老師每天來到教室為我們傳授他豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，感謝陸老師的悉心教導(dǎo)才有了我們的設(shè)計(jì)取得突破性進(jìn)展。參考文獻(xiàn)1

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20、泉可編程控制器技術(shù)教程北京：高等教育出版社，2001（介紹西門子S7系列PLC）7胡學(xué)林可編程控制器應(yīng)用技術(shù)北京：高等教育出版社，2001（介紹日本立石公司OMRON（又稱歐姆龍）SYSMAC-C系列PLC）8郁漢琪機(jī)床電氣及可編程序控制器實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書北京：高等教育出版社，2001 9 鄭忠等編.新編工廠電氣設(shè)備手冊(cè). 北京：兵器工業(yè)出版社，199410 刑郁甫、楊天民、趙積善編.新編實(shí)用電工手冊(cè), 北京：地質(zhì)出版社，1997 11工廠常用高低壓電氣設(shè)備手冊(cè)增補(bǔ)本12工廠常用高低壓電氣設(shè)備手冊(cè)上下冊(cè)附 錄 1十字路口交通信號(hào)燈的程序梯圖湖南工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）附 錄 2- 6 -湖南工學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）I/O指令表- 2 -