1、现代控制技术及 PLC 控制课程设计姓 名 学 号 班 级 机 电 101 院 别 机械工程学院 专 业 机械电子工程 指导教师 2013 年 7 月 5 日- 0 -目 录一 引言11.1 设计目的11.2 设计要求11.3 设计任务11.4 要实现的目标2二 系统总体方案设计32.1 系统硬件配置及组成原理42.2 系统变量定义及分配表42.3 系统接线图设计52.4 系统可靠性设计6三 控制系统设计73.1 正常情况下的启动/停止控制 73.2 白天/夜间切换控制 93.3 紧急模式控制93.4 LED 倒计时显示控制10四 程序调试及结果分析 11 4.1 系统调试与运行情况观察114
2、.2 结果分析12结束语12参考文献12附录一 梯形图附录二 语句表- 1 -一、引 言随着城市车辆数目的急剧增加，交通道口管制变得日益重要，解决好公路车道交通信号灯控制问题将是保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。通过本课设学习设计一个简单合理实用的城市交通灯控制系统的电路设计方案。通过这些设备来完成这些智能的交通指挥提高交通的通行力抑制交通事故的发生。通过对实际的 PLC 控制的系统的编程训练，提高分析问题、解决问题的能力；熟悉工业生产中 PLC 的应用和系统构成，了解 PLC 控制电路的设计方法。通过本课程设计增进实际动手能力的培养。用 PLC 实现简单的任务的程序设计，掌握编程的一般
3、方法和技巧，结合自动控制原理用 PLC 进行开关量和模拟量的控制。关键词： 交通； 智能控制； PLC1.1 设计目的课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解
4、决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。1.2 设计要求在课程设计中，学生是主体，应充分发挥他们的主动性和创造性。教师的主导作用是引导其掌握完成设计内容的方法。为保证顺利完成设计任务还应做到以下几点：1) 在接受设计任务后，应根据设计要求和应完成的设计内容进度计划，确定各阶段应完成的工作量，妥善安排时间。2) 在方案确定过程中应主动提出问题，以取得指导数师的帮助，同时要广泛讨论，依据充分。在具体设计过程中要多思考，尤其是主要参数，要经过计算论证。3) 所有电气图样的绘制必须符合国家有关规定的标准，包括线条、图型符号、
5、项目代号、回路标号、技术要求、标题栏、元器件明细表以及图样的折叠和装订。4) 说明书要求文字通顺、简练。5) 应在规定的时间内完成所有的设计任务。6) 如果条件允许，应对自己的设计线路进行试验论证，考虑进一步改进的可能性。1.3 设计任务课程设计要求是以设计任务书的形式表达，设计任务书应包括以下内容：1) 设备的名称、用途、基本结构、动作原理以及工艺过程的简要介绍。2) 拖动方式、运动部件的动作顺序、各动作要求和控制要求。3) 联锁、保护要求。4) 照明、指示、报警等辅助要求。5) 应绘制的图样。6) 说明书要求。原理设计的中心任务是绘制电气原理图和选用电器元件。工艺设计的目的是为了得到- 2
6、 -电气设备制造过程中需要的施工图样。图样的类型、数量较多，设计中主要以电气设备总体配置图、电器板元器件布置图、控制面板布置图、接线图、电气箱以及主要加工零件（电器安装底板、控制面板等）为练习对象。对于每位设计者只需完成其中一部分。原理图及工艺图样均应按要求绘制，元器件布置图应标注总体尺寸、安装尺寸和相对位置尺寸。接线图的编号应与原理图一致，要标注组件所有进出线编号、配线规格、进出线的连接方式（采用端子板或接插板） 。1.4 要实现的目标课程设计的目标是根据课程设计任务书完成指定的设计任务并进一步了解所学课程的内容，会利用所学知识解决现实生活中的实际问题。本课设需要实现的目标是：1、了解一般电
7、气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。2、通过设计复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。3、电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。4、课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。二、系统总体方案设计2.1 课程设计要求1、系统框图2、控制要求:1
8、）南北方向为主干道，绿灯亮的时间比东西方向次干道绿灯亮的时间多一倍，黄灯间隔 0.5s 闪烁 3 s 后切换到红灯，信号灯工作时序图如下，一次循环共需 96s。2）主干道的数码显示应该与红、黄及绿灯同步，且两条主、次干道应该一样显示。比如：南北方向绿灯亮时，东西方向和南北方向均应显示数字 63（绿灯亮 60s，黄灯亮 3s） ，然后隔秒减 1，当减到 0 时，换成东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，此时，数码管应显示 33，然后隔秒减 1，当减到 0 时，再进行切换，完成一次工作循环。3）有白天/夜间操作转换开关、运行/停止开关、紧急操作开关 1#、2#，其功能如下： 白天/夜间操作转换开关在“白
9、天”位置时，按上述时序正常工作，在“夜间”位置时，两边均只有黄灯闪烁 运行开关在接通电源时，方可切换白天/夜间开关 开关在“运行”位置时，系统启动，在“停止”位置时，系统关闭东 西 方 向 EWYGR 南 北 方 向 NSYGRPLC控 制 系 统启 动 /停 止EW显 示 NS显 示- 3 - 当有特殊情况（如事故）需某一方向的绿灯一直亮，则应用紧急操作开关实现次功能。比如：1#开关=“1” ，则南北方向绿灯一直亮，东西方向红灯一直亮，2#开关=“1” ，则东西方向绿灯一直亮，南北方向红灯一直亮，关闭紧急开关，则系统恢复正常。2.2 系统硬件配置及组成原理 根据设计要求，本设计需要用到的硬件
10、主要有：PLC 及扩展模块、译码器、LED 显示部分、导线若干等。各模块主要功能：PLC 及扩展模块：西门子 S7/200 系列系统控制的主体部分，用于整个交通灯系统的各种情况下的控制，扩展模块主要用于 PLC 的输出部分接口的扩展；译码器：用于接收 PLC 传出的倒计时信号，并将其译为 BCD 码，传送至 LED 显示部分，使其显示倒计时的时间；LED 显示部分：用于显示倒计时时间；导 线：用于各个硬件设备的连接。2.3 系统变量定义及其分配表1、根据设计要求，可以分析出系统需要 8 输入，16 输出，因此定义各个输入输出变量的内容及分配情况如下图所示：输出内容及其分配 输入内容及其分配输
11、出 内 容 分配地址LED 个位 Q0.0Q0.3LED 十位 Q0.4Q0.7LED 红色选择 Q2.0LED 绿色选择 Q2.1东西红灯 Q2.2南北红灯 Q2.3南北黄灯 Q2.4南北绿灯 Q2.5东西黄灯 Q2.6东西绿灯 Q2.72、PLC 及其扩展模块的选择本系统需要 8 输入、16 输出，因此 PLC 可选用 CPU224(14 输入/10 输出),扩展模块可选择 EM222（8 输入） 。模块连接形式 输 入 内 容 分配地址系统运行 I0.0系统停止 I0.1白天操作 I0.2夜间操作 I0.3紧急操作 1#开 I0.4紧急操作 1#关 I0.5紧急操作 2#开 I0.6紧急
12、操作 2#关 I0.7模块 1EM222D08DC24V主 机CPU224- 4 -模块编址2.4 系统总体接线图设计电源转换图 2.5 系统可靠性设计PLC 使用 24v 直流电源，因此需要将 220V 交流电源转换成符合要求的电源。转换如听图所示。室外安装一定要采用合理的支架一提高高压部分的绝缘性能。变压器安装一定按照使用说明进行，以很好的保护灯管及变压器本身。高压线路必须按照标准进行，注意防水、防漏电的处理。低压线路尽量避开高压部分，一面发生高压放电产生明火。线路要按照标准进行，尽量避免中途接口。注意高压冲突时的解决方法。规范化施工、电源线自身质量、接口规范。主机 I/O 模块 1I/O
13、I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q2.0Q2.1Q2.2Q2.3Q2.4Q2.5Q2.6Q2.7- 5 -S7-200 既可以安装在控制柜挡板背板，也可以在标准导轨上固定；既可以水平安装，也可以垂直安装。在安装时，尽量将 S7-200 及其相关设备的所有接地点在一点接地。这个单独的接地点应该直接连接到系统的地上。所有接地线应该尽量短并且用较粗的线径。当选择地点，应当考虑接地要求和对隔离器件适当保护。在设计 S7-200 接线时，应当提供一个单独开关，能够同时切断 S7-200，输入电路输出电路的所有
14、供电。提供断路器或熔断器等过流保护装置来限制供电路的所有供电。提供断路器或熔断器等过流保护装置来限制电路中的电流。导线尽量短且保证线粗能够满足电流要求。三、控制系统设计根据题目要求，将控制系统划分为四个模块，分别为正常情况下的启动/停止控制模块、夜间/白天模式切换控制模块、紧急情况控制模块、LED 倒计时显示控制模块。流程图3、1 正常情况下的启动/停止控制 - 6 -时序图定时器互控梯形图经分析可知，本模块需要使用四个定时器，分别定时 60 秒、3 秒、30 秒、3 秒。定时器之间相互控制，依次动作，控制相应的交通灯亮灭。当信号传出时，T38 开始计时，60 秒后 T38 动作，T39 开始
15、计时，3 秒后 T39 动作，T40 开始计时，30 秒后，T40 动作，T41 开始计时，3 秒后，T41 动作，致使所以定时器关闭，T41 重新动作，T38 重新计时，实现循环。交通灯的亮灭情况由定时器控制：系统启动时，南北绿灯亮，同时东西红灯亮；60 秒后南北绿灯灭，同时黄灯闪烁；3 秒后，南北黄灯灭，红灯亮，同时东西红灯灭，绿灯亮；30 秒后，东西绿灯灭，同时黄灯闪烁；3 秒后，东西黄灯灭，红灯亮，同时南北红灯灭，绿灯亮。在定时器的控制下循环工作。NS.GS.YNS.REW.GE.YEW.R60s 30s3s3s- 7 -交通灯亮灭情况梯形图3、2 白天/夜间切换控制白天/夜间的切换控
16、制主要是将正常情况下的工作模式转换成夜间黄灯闪烁的工作模式，夜间模式主要由定时器控制。夜间模式梯形图3、3 紧急模式控制紧急模式共分两种情况。一是南北方向绿灯一直亮，东西方向红灯一直亮（1#） ；二是东西方向绿灯一直亮，南北方向红灯一直亮（2#） 。当紧急模式开时，系统进入紧急模式；当紧急模式关时，系统重新进入原来的工作状态。两种紧急模式的开关分别由手动开关控制。控制梯形图分别如下：1#紧急模式梯形图 此种情况下，紧急开关 1#I0.4 开通，南北方向绿灯一直亮，东西方向红灯一直亮。- 8 -2#紧急模式梯形图此种情况下，紧急开关 2#I0.6 开通，东西方向绿灯一直亮，南北方向红灯一直亮。3
17、、4 LED 倒计时显示控制此部分用到 PLC 的倒计数器，并将十进制数转换为 BCD 码，再将 BCD 码传送到译码器，使 LED 显示数字，并根据倒计时脉冲显示倒计时数字。倒计时共有 33 秒和 63 秒两部分控制模块，倒计时时 LED 数码管也应该和对应的交通灯颜色一致。各部分的梯形图如下:63 秒倒计时显示控制梯形图33 秒倒计时显示控制梯形图- 9 -LED 数码管颜色选择控制梯形图在此模块中，PLC 中的转换指令将倒计数器的当前值转换成 BCD 码存放到 VW0 中，VW0 的低 8 位 VB1 为倒计数器当前值的十位数和个位数，将 VB1 的两位 BCD 码传送到 QB0 中，在
18、PLC 的 Q0.0Q0.3 输出、显示个位数，Q0.4Q0.7 输出显示十位数。同时 PLC 根据倒计数器的通断情况由 Q2.0、Q2.1 输出选择数码管的颜色，使之一直与交通灯相一致。四、程序调试及结果分析4.1 系统调试与运行情况观察在 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP3 中输入最终梯形图。接着编译看是否有错误。无错误就下载到 PLC 中。再给 I0.0 强制提高电频观察期循环是否正确。Q2.2 和 Q2.5 在闪烁，观察完成再进入下一步。进行紧急开关 1#和 2#的观察：先关掉强制的 I0.1 同时强制 I0.4观察其 1#是否正确；再关掉 I0.5 的强制同时强制 I0
19、.6 观察其 2#是否正确4.2 结果分析用 PLC 西门子 S7-200 在对设计程序进行调试中程序并无错误并达到预想效果。交通系统通过模糊控制无需数学建模，就模仿了有经验的交警指挥时的思路，达到很好的控制效果。只能控制系统模仿有经验的交警指挥交通时的思路指挥交通，达到了很好的控制效果。根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用 PLC 实现单个十字路口交通信号灯模糊控方法，以单个十字路口 4 相位交通灯为例，把 PLC 作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不
20、均衡、不稳定带来的问题。最终结算调试。结束语本次课程设计让我感觉收获颇丰，是上大学以来感觉最有收获的一个课程设计！这次课设不同以往分小组进行，而是每人一个课题，不能和上几次课设一样轻松，是需要独立完成的！确实通过本次课设不仅让我再次的巩固了本学期所学习的专业知识，还对西门子 S7-200PLC- 10 -控制系统原理有了进一步的了解，对十字路口的交通信号灯的 PLC 控制分析中产生了浓厚的兴趣。在提高了自己对 PLC 的分析运用能力的同时，从感性认识上升到理性认识的角度！在刚开始的时候困惑迷茫，感觉根本无从下手，尤其是设计题目中的某些要求让人陌生的害怕，望而却步。在自己独立分析设计完成课设中，
21、每一个突破都是收获，每一个收获都是成功，每一个成功都是汗水的积累！这次课设可以说是与自己的耐力和毅力战斗，在困惑与惆怅中前行，在折磨打击中成长！在看着图纸从打印机出来的瞬间突然感觉这一周的摸爬滚打都是那么的值得，那种幸福和成就感是无法言喻的，这是一种只有在经历过之后才能明白的幸福，来之不易的幸福！在此要非常感谢李老师的耐心讲解以及他不辞劳苦的陪伴我们整整一周，不得不说这次课设中李老师在用他丰富的专业知识征服了我们同时他认真负责的教学态度给我们留下了深刻的映像！参考文献【1】现代电气控制及 PLC 应用技术（第 2 版） 王永华 北京航空航天大学出版社【2】PLC 应用技术 徐国林 机械工业出版
22、社【3】PLC 应用开发技术与工程实践 求是科技 人民邮电出版社【4】电气控制与可编程序控制器的原理及应用 陈立定 机械工业出版社 语句表：Network 1 / 系统开启LD I0.0O M0.0AN I0.1= M0.0Network 2 / 63 秒倒计时LD SM0.5A M0.0LD C1CTD C0, 63Network 3 / 将十进制数转换为 BCD 码并送至 Q2.0LD SM0.0MOVW C0, VW0IBCD VW0MOVB VB1, QB0Network 4 / 33 秒倒计时- 11 -LD SM0.5A C0LD C0CTD C1, 33Network 5 / 将
23、十进制数转换为 BCD 码并送至 Q2.1LD SM0.0MOVW C1, VW0IBCD VW0MOVB VB1, QB0Network 6 / LED 数码管颜色选择LD C0A Q2.0LDN C1A Q2.0OLD= Q2.0NOT= Q2.1Network 7 / 60 秒定时LD M0.0AN T41AN I0.2AN I0.4AN I0.6AN M0.1AN M0.2AN M0.3TON T38, 600Network 8 / 3 秒定时LD T38TON T39, 30Network 9 / 30 秒定时LD T39TON T40, 300Network 10 / 3 秒定时L
24、D T40TON T41, 30Network 11 / 南北绿灯控制- 12 -LD M0.0AN T38= Q0.5Network 12 / 东西红灯控制LD M0.0AN T38= Q0.2Network 13 / 南北黄灯控制LD SM0.5A T38AN T39= Q0.4Network 14 / 东西绿灯控制LD T39AN T40= Q0.7Network 15 / 东西黄灯控制LD SM0.5A T40AN T41= Q0.6Network 16 / 南北红灯控制LD T39AN T41= Q0.3Network 17 / 夜间转换与 0.5 秒定时LD SM0.0AN I0.2A M0.1O I0.3= M0.1AN T34TON T42, 5Network 18 / 0.5 秒定时LD T42TON T43, 5Network 19 / 夜间模式黄灯闪烁- 13 -LD T42= Q2.4= Q2.6Network 20 / 紧急情况 1#控制LD M0.2AN I0.5O I0.4AN M0.3= M0.2= Q2.2= Q2.5Network 21 / 紧急情况 2#控制LD M0.3AN I0.7O I0.0AN M0.2= M0.3= Q2.7= Q2.3
