中北大学机械电子工程专业课程设计_交通灯PLC控制

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1、 中北大学中北大学 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 学生姓名： 学 号： 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 机械电子工程 题 目： 交通灯 PLC 控制系统设计 指导教师：指导教师： 职称职称: : 2016 年 1 月 22 日 中北大学 课程设计任务书 2015/2016 学年第 一 学期 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 机械电子工程 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 交通灯 PLC 控制系统设计 起 迄 日 期： 2016 年 1 月 11 日1 月 22 日 课程设计地点： 指 导 教 师： 专 业负责 人： 下达任务书日期: 2016 年 1 月 1

2、0 日 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 1设计目的： 培养学生可编程控制器应用能力， 同时通过课程设计与实践加深对理论的理解和 认识，学会查阅有关专业资料及设计手册。 2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等） ： 十字路口交通信号灯设置红、绿和黄色三种，但有的路口仅设置红色和绿色，这样 可以少用两个输出点。现有一个十字路口，东西和南北方向每个路口都设有红色和 绿色交通指挥信号灯，其控制要求如下： 1接通起动开关后，信号灯系统开始工作，且以南北方向红灯先亮、东西方向绿 灯才亮作为初始状态。当断开起动开关时，全部信号灯熄灭； 2南北绿灯和东西绿灯不能同事亮，否则系统自

3、动熄灭信号灯并报警； 3南北红灯亮持续 25S，与此同时绿灯亮维持 20S，然后闪 5S 后熄灭。接着东西 红灯亮，南北绿灯亮； 4东西红灯亮持续 30S，与此同时绿灯亮维持 25S，然后闪 5S 后熄灭。接着南北 红灯亮，东西绿灯亮，东西和南北的信号灯，就这样按控制要求周而复始的进行工 作。 试设计 PLC 控制系统 3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、 实物样品等 ： 1. 完成 PLC 电气控制原理设计（原理图） ； 2. 完成现场器件与 PLC 内部等效继电器地址编号对照表； 3. 完成 PLC 梯形图； 4. 完成 PLC 指令程序编写； 5. 完成设计

4、说明书等其它资料。 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 4主要参考文献： 1赵俊生. 电机与电气控制与 PLC.北京：电子工业出版社，2009. 2禹翔. 城市交叉路口交通灯控制系统的设计研究D.长安大学,2011. 3秦伟. 交通灯顺序控制系统的程序设计与实现D.长安大学,2012. 4骆智. 可编程控制器(PLC)运行系统设计与实现D.北方工业大学,2004. 5金秀慧. 基于 PLC 控制的十字路口交通灯信号系统J. 农业装备与车辆工 程,2009,05:31-33. 5设计成果形式及要求： 课程设计说明书（附程序及相关图表） 6工作计划及进度： 2016 年 1 月 11 日1

5、月 12 日 查阅相关书籍资料； 1 月 13 日1 月 14 日 理论分析与验证； 1 月 15 日1 月 28 日 编制相应程序； 1 月 19 日1 月 21 日 分析设计结果，撰写设计说明书； 1 月 22 日 答辩成绩考核。 专业负责人审查意见： 签字： 年 月 日 目录目录 1、PLC 简介简介 . 1 2、控制要求、控制要求 2 2.1 十字路口交通灯概述 . 2 2.2 控制方案要求 . 2 3、控制分析、控制分析 4 3.1 输入输出控制口分析 . 4 3.2 PLC I/O 分配表 4 4、控制系统硬件设计控制系统硬件设计 5 4.1 系统时序图 . 5 4.2 定时继电器

6、选择 . 6 4.3 PLC 电气控制原理设计 6 5、PLC 程序设计程序设计 . 8 5.1 程序编译原理叙述 . 8 5.2 梯形图设计 . 8 5.3 PLC 指令程序编写 11 6、设计、设计总结总结 13 7、参考文献参考文献 14 1 1 1、PLCPLC 简介简介 PLC 控制系统（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器，是 一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编 程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算 术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械 或

7、生产过程。是工业控制的核心部分。 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器取代传统继电器控制装置 以来，PLC 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC 的功能也 不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用 户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等 功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着 十分重要的作用。 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 相同。 图 1 就比较直观的表示出了 PLC 各组成部分的关系。 图 1 PLC 的组成 目前，PLC

8、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。本文即采用 PLC 对交 通灯进行顺序时间控制。 2 2 2、控制控制要求要求 2.1 十字路口交通灯概述 一般在十字路口交通信号灯有红绿黄三种， 部分比较交通情况比较复杂的路 口还会有时间显示，但如果交通情况并不复杂，不需要黄灯调节交通，则只会有 红灯和绿灯，这样能减少两个输出控制点，简化系统设计，没有黄灯的十字路口 的信号灯指挥示意图如图 2 所示。图 2 按照地理学中“上北下南，左西右东”进 行方向分布。 图 2 十字路口交通灯示意图 2.2 控制方案要求 交通灯控制必须准确且可

9、循环工作，直线线路上的控制灯必须相同，而垂线 线路上的控制灯必须相反，其具体 PLC 控制要求如下。 1、接通起动开关后，信号灯系统开始工作，且以南北方向红灯先亮、东西 方向绿灯才亮作为初始状态。当断开起动开关时，全部信号灯熄灭； 2、南北绿灯和东西绿灯不能同事亮，否则系统自动熄灭信号灯并报警； 北 3 图 3 控制流程图 4 3、南北红灯亮持续 25s，与此同时绿灯亮维持 20s，然后闪 5s 后熄灭。接 着东西红灯亮，南北绿灯亮； 4、东西红灯亮持续 30s，与此同时绿灯亮维持 25s，然后闪 5s 后熄灭。接 着南北红灯亮，东西绿灯亮，东西和南北的信号灯，就这样按控制要求周而复始 的进行

10、工作。 为了更为直观地展示控制方案要求， 用上述4个步骤做成流程图如图3所示。 如果南北方向和东西方向上的绿灯同时亮，则会造成交通混乱，易出现交通 事故，降低运输效率，因此两个方向上的绿灯不能同时处于启动状态，所以在设 计控制方案时需要特别注意该情况。在图 3 中，充分考虑该情况，每当信号灯转 换一次都需要判断是否两条路上的绿灯同时亮，即一次循环要判断两次，一旦出 现意外情况将立刻关闭信号灯和停止信号灯计时，并且要发出警报。 3 3、控制分析、控制分析 3.1 输入输出控制口分析 信号灯共 8 个，其中 4 个红灯和 4 个绿灯，且南北方向和东西方向的信号灯 控制输出点相同，即信号灯共 4 个

11、输出控制点，此外还有一个报警器，则加 1 个输出控制点，综上所述该系统共有 5 个输出控制点。输入控制点共两个，分别 是启动输入控制点和断开输入控制点。 输出控制点中的报警器必须对其他输出产 生影响，当报警器工作时其他信号灯必须停止工作，但系统不能停止工作。报警 器连续工作，直到故障排查，重新启动系统。 3.2 PLC I/O 分配表 根据设计控制要求可以确定 I/O 地址分配表如下所示。 5 表 1 I/O 分配表 输入 输出 启动 I0.0 南北红灯 Q0.1 东西绿灯 Q0.2 断开 I0.1 南北绿灯 Q0.3 东西红灯 Q0.4 警报 Q0.0 4 4、控制系统、控制系统硬件硬件设计

12、设计 4.1 系统时序图 按照交通灯控制的设计要求，并结合控制流程图，根据信号灯的闪亮时间可 绘制时序图。 图 4 信号灯时序图 由图 4 可知，当 I0.0 处于高电平（启动）时其他各输出控制点才能工作。 5s I0.0 I0.1 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 25s 30s 5s 6 当 I0.1 处于高电平（断开）时，其他所有控制点均停止工作。该系统一个周期 为 55s， 前半个周期是 Q0.1 （南北红灯） 和 Q0.2 （东西绿灯） 工作， 时间是 25s； 后半个周期是 Q0.3（南北绿灯）和 Q0.4（东西红灯）工作，时间是 30s。此外 Q0.2 和 Q0.4 出现

13、5s 脉冲，即当绿灯转化成红灯时都会出现脉冲，脉冲持续时 间为 5s。 4.2 定时继电器选择 为了完成上述时序功能，必须结合一定数量的定时继电器，地址编号如下。 表 2 定时继电器地址编号 定时继电器 控制范围 T31 南北红灯亮 25s T32 东西绿灯亮 20s T33 东西绿灯闪烁 5s T34 南北绿灯亮 25s T35 南北绿灯闪烁 5s T36 东西红灯亮 30s T41 闪亮脉冲 T42 闪亮脉冲 4.3 PLC 电气控制原理设计 为了简化设计工作， 可将该控制电路设计成主电路与辅助控制电路两个部分， 示意图如下图所示。 7 图 5 主电路原理示意图 辅助控制电路接在主电路图的

14、 AB 两点，原理图设计如下所示。 图 6 辅助控制电路原理示意图 在主电路的警报装置中采用一个警报灯和一个电磁线圈， 警报灯主要是为了 提醒工作人员信号灯出现混乱，而电磁线圈是为了断开其他信号灯的电路，使其 KT2 A Q0.4 KM Q0.3 KM Q0.0 KT3 Q0.2 KT2 KM KT1 Q0.1 KM FU2 FU1 QS KM KT3 KT4 B A B SB1 SB2 I0.0 I0.1 Q0.1 Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5 KT1 KT2 KT3KT4 KM 8 停止工作。 5 5、PLCPLC 程序设计程序设计 5.1 程序编译原理叙述 系统以时间为顺序进行工作，

15、T31 到 T42 为系统工作顺序定时器，其中 T41 和 T42 构成 0.5 秒亮 0.5 秒灭的闪亮脉冲；Q0.1 和 Q0.3 分别是南北方向上的红 色信号灯和绿色信号灯输出控制线圈，Q0.2 和 Q0.4 分别是东西方向上的红色信 号灯和绿色信号灯输出控制线圈，Q0.0 为警报装置的输出控制线圈；所有定时 器和输出线圈都是受内部继电器控制，M0.0 得电系统工作，M0.0 失电系统停止 工作。 当按下启动按钮 SB1 时 I0.0 接通，M0.0 得电并自锁，系统开工作。T31 的 常闭触头闭合，Q0.1 得电，南北红灯亮，同时 Q0.0 的常开触头闭合与 T36 的常 闭触头串联使得 Q0.2 得电，东西绿灯亮。20 秒后 T36 的常闭触头延时断开、常 开触头延时闭合，在 T34 的控制下，Q0.2 间歇通电，东西绿灯开始闪烁。闪亮 5 秒后 T32 常闭触头延时断开，Q0.2 失电，东西绿灯熄灭。同时 T31 延时 25 秒时 间到，常闭触头断开，Q0.1 失电，南北红灯熄灭；T31 常开触头闭合使 Q0.4 得 电，东西红灯亮。Q0.4 的常开触头闭合，Q0.3 得电，南北绿灯亮。南北绿灯工 作 25 秒后系统工作情况与上述情况类似，循环进行。当按下停止按钮 SB2 时， I0.1 断开，M0.0