人行道和车道指示灯PLC控制系统设计

1摘要：本设计主要介绍三菱FX系列可编程控制器，对人行道指示灯的控制，阐述控制方案。实现人行道交通灯的方法这有多种方法，可以采用早期的模拟数字电路技术，或是模拟电路与数字电路的混合电路，随着科技发展，现在也采用可编程控制器来控制。本设计主要采FXN2-16MR-001型PLC作为核心控制器对人行道交通灯的控制设计.采用顺序功能图设计法,设计出顺序功能图,梯形图指令,指令表程序,并进行程序调试.第1章可编程控制器概述1.1PLC的定义特点.1.1.1PLC的定义可编程控制器是在传统顺序控制器的基础上引入微电子技术.计算机技术,自动控制技术和通信技术而形成的新型工业控制装置.早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制,因此称它为可编程逻辑控制器(CprogrammableLogiccontroller.PLC)随着技术的发展国外一些厂家采用微处理器(Microprocessor)作为中央处理单元,使其功能大大增强,现已经广泛应用于工业控制的各个领域.1980年美国电器制造商协会(NEMA)将它命名为可编程控制器(Programmable.Controller.PC)由于个人计算机简称PC为避免混淆可编程控制器仍简称PLC.国际电工委员会(IEC)曾于1987年2月对可编程控制器的定义是:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计.它采用了可编程的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和计数操作等面向用户的指令,并通过数字式或模拟式的输入/输出,控制各种类型的机械或生产过程”1.12PLC的特点1可靠性高，抗干扰能力强PLC是为工业控制而设计的，可靠性高，抗干扰能力强是它重要的特点之一。PLC的平均无故障间隔时间可达几十万小时。2PLC在硬件和软件上均采用了提高可靠性的措施。2编程简单、使用方便。PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言。近年来又发展了面向对象的顺序功能图语言，使编程更简单方便。3通用性好，组合灵活。PLC是通过软件来实现控制目的，同一台PLC可用于不同的控制对象，只需改变软件就可以实现不同的控制要求，充分体现了灵活性和通用性。4、功能完善，适应面广。PLC不仅可以完成逻辑运算、计数、定时和算术运算功能。配合特殊功能模块还可实现定位控制、过程控制和数字控制等功能。5、体积小，功耗低。PLC是采用半导体集成电路制成的，因此具有体积小，重量轻，功耗低的特点。6、设计施工周期短。1．2PLC的分类1．2．1按结构形式分类根据PLC的结构形式可将PLC分为整体式和模块式两类。1、整体PLC是将电源、CPU、存储器及I/O等各个功能集成在一个机壳内，其特点是结构紧凑，体积小、价格低。小型PLC一般多采用这种结构。2、模块式PLC是将电源模块、CPU模块、I/O接口模块作为单独的模块安装在同一底版或框架上的PLC。其特点是配置灵活、装配维护方便。大、中型PLC多采用这种结构。1．2．2按I/O点数和存储容量可将PLC分为大型、中型、小型三类。1、I/O点数在256点以下存储容量为2K步的为小型PLC。2、I/O点数在256~2048点之间，存储容量为2K~8K步之间的为中型PLC。33、I/O点书在2048以上。存储容量为8K步以上的为大型PLC。1.3PLC的应用领域随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断降低，而功能却不断增强，目前，在先进工业国家PLC已成为工业控制中的标准设备，应用领域已覆盖整个工业企业，概括起来主要应用在以下几个方面：1逻辑控制2过程控制3运动控制4通信联网5数据处理第2章PLC指令系统2.1FX系列PLC的基本逻辑指令2.1.1LD、LDI、OUT指令LD：取指令，是从左母线取常开触点指令，表示常开触点与母线相连。操作对象有:X、Y、M、S、T、CLDI：取反指令，是从左母线上去常闭触点指令，表示常闭触点与母线相连。操作对象有：X、Y、M、S、T、COUT：输出指令，表示对输出继电器Y、辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、计数器C的线圈进行驱动的指令，但不能用于输入继电器。2.1.2触电的串并联指令1AND、ANI指令AND：与指令，用于单个常开触点的串联，操作对象有：X、Y、M、S、T、CANI：与非指令，用于单个常闭触点的串联，操作对象有：X、Y、M、S、T、CAND和ANI串联的触点数量无限制，并且可以多次使用。2OR、ORI指令OR：或指令，用于单个常开触点的并联，操作对象有：X、Y、M、S、T、CORI：或非指令，用于单个常开触点的并联，操作对象有：X、Y、M、S、T、COR、ORI指令紧接在LD、LDI指令后使用，亦即对LD、LDI指令规定的触点再并联一个触点，并联次数无限制。2.1.3电路块的串并联指令1．串联电路的并联指令ORB：多触点电路块的并联连接指令。ORB指令是不带操作元件的指令。2.并联电路的串联指令4ANB：多触点电路块的串联连接指令。ANB指令是不带操作元件的指令。2.1.4置位与复位指令1.SET：置位指令，使操作保持ON的指令。2.RST：复位指令，使操作保持OFF的指令。2.1.5取反指令INV：取反指令，表示将INV指令电路之前的运算结果取反。在梯形图上用一条短斜线表示，它不带操作元件，不能直接与母线连接也不能像OR、ORI、ORP、ORF一样单独使用。2.1.6空操作指令NOP：空操作指令，使该步进行空操作。2.1.7程序结束指令END：为程序结束指令，将输入输出处理到零。2.2编程元件2.2．1输入继电器和输出继电器1.输入继电器（X）PLC的输入端子是从外部接收信号的窗口，PLC内部与输入端子连接的输入继电器（X）是光电隔离的电子继电器，线圈的吸合与释放只取决于PLC外部触点的状态。2.输出继电器（Y）PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口，输出继电器的线圈由程序控制，且外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用。输出继电器常开/常闭触电的使用次数不限。2.2.2辅助继电器（M）PLC内部有很多辅助继电器，启动作原理与输出继电器一样，只能由程序驱动。辅助继电器也称中间继电器，主要包含以下三类：1．通用辅助继电器2．锁存(断电保护)辅助继电器3.特殊辅助继电器2.2.3状态继电器（S）状态继电器是用于编制顺序控制程序的一种编程元件（状态标志），常与STL指令（步进梯形指令）配合使用，主要用于编程过程中顺控状态的描述和初始化，FX2n系列PLC的状态继电器通常分为以下几类：初始化使用：S0~S9（10点）返回原点状态器：S10~S19（10点）5通用型：S20~S499（480点）断电保持型：S500~S899（400点）报警型：S900~S999（100点）2.2.4定时器（T）与计数器(C)定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器。定时器的元件号及其设定值如下：1.100ms定时器T0~T199，共200点，计时范围:0.1~3276.7s；2.10ms定时器T200~T245，共46点，计时范围:0.01~327.67s;3.1ms积算定时器T246~T249，共4点，计时范围：0.001~32.767s;4.100ms积算定时器T250~T255，共6点，计时范围：0.1~3276.7s.计数器是在执行扫描操作时对内部元件X、Y、M、S、T、C的触点通断次数进行积算式定时方式计数。当计数次数达到计数器的设定值时，计数器触点动作，是控制系统完成相应的控制作用。计数器可按其计数方式、计数范围以及计数开关量的频率，计数器的元件号及设定值等分为如下5类：1.16位通用计数器2.16位锁存计数器3.32位通用加、减双向计数器4.32位加、减双向高速计数器2.2.5数据寄存器（D）数据寄存器主要用来存储参数及工作数据，包括模拟量控制、位置控制和数据输入、输出等工作中所用到的数据。数据寄存器分为4种类型：1通用数据寄存器2锁存数据寄存器3文件寄存器4特殊数据寄存器第3章PLC控制系统设计控制要求：X1或X0人行道和车道指示灯按下图所示的示意图点亮。63.1分析按钮式人行横道指示灯的控制要求按下人行道按钮X0或X1，车道绿灯Y3亮人行道Y5亮，30S以后车道黄灯Y2亮，10S以后车道红灯Y1亮，5S以后人行道绿灯Y6亮，15S以后人行道绿灯Y6开始闪烁，每隔1S7闪一次，闪烁五次后，人行道红灯Y5亮，5S以后返回到初始状态。3.2分析并进行PLC选型PLC选型的基本原则是：所选的PLC应能够满足控制系统的功能需要。一般从系统功能、PLC的物理结构、指令和编程方式、PLC的存储容量和响应时间、通信联网功能等方面进行综合考虑。3.2.1PLC结构的选型在相同功能和相同I、O点数的情况下，整体式PLC比模块式PLC价格低。模块式具有功能扩展灵活、维修方便、容易判断故障等优点。3.2.2PLC输出方式的选择不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。继电器输出型的PLC工作电压范围广，触电的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是动作速度较慢，触点寿命有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器输出型的PLC。晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。它们的可靠性高，反应速度快,不受动作次数的限制，但是过载能力稍差。3.2.3PLC电源的选择电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高PLC控制系统的可靠型。3.2.4存储容量的选择PLC程序存储器的容量通常以字或步为单位，用户程序存储器的容量可以作粗略的估计算。一般情况下可按照如下经验公式计算：存储容量=K×总输入点数÷总输出点数在选择内存容量时同样应留有裕量，一般是运行程序的25%，不应单纯的追求大容量，在大多数情况下，满足I、O点数的PLC，内存容量也能满足。8综上所述，本设计人行横道指示灯的控制选择FX2N-16MR-001型PLC。3.3控制电路的I、O端子的分配输入输出外部设备内部设备说明外部设备内部设备说明SB1X0启动信号L1Y1车道红灯SB2X1L2Y2车道黄灯L3Y3车道绿灯L5Y5人行道红灯L6Y6人行道绿灯93.4根据I、O分配画PLC外接线图103.5程序设计3.5．1根据控制要求进行顺序功能图设计1步的分配如下所示：初始状态为ON：S0车道绿灯亮：S20车道黄灯亮：S21车道红灯亮：S22人行道红灯亮：S30人行道绿灯亮：S31计时：S32人行道闪绿：S33人行道红灯亮：S34以上工作过程的分解可以看出，该控制系统一共9步。2对应于每一步的动作S0：Y3、Y5为ON，车道绿灯Y3亮与人行道红灯Y5亮。S20：驱动Y3为ON，车道绿灯Y3亮，同时启动定时器T0定时30s。S21：驱动Y2为ON，车道黄灯Y2亮，同时启动定时器T1定时10s。S22：驱动Y1为ON，车道红灯Y1亮，同时启动定时器T2定时5s。S30：驱动Y5为ON，人行道红灯Y5亮。S31：驱动Y6为ON，人行道绿灯Y6亮，同时启动定时器T3定时15s。11S32：启动定时器T4定时0.5s。S33：启动定时器T5定时0.5s，同时计数器开始计数，设定5次。S34：驱动Y5为ON，人行道红灯Y5亮,同时启动定时器T6定时5s，同时计数器复位。3找出每个步的转移条件由工作过程可知，每一步的转移条件为：S0：PLC上电之初由初始化脉冲M8002对其置位为ON，当PLC由STOP转入RUN，初始状态为ONS20：按钮X0或X1，即X0+X1.S21：T0的常开触点。S22：T1的常开触点。S30：按钮X0或X1，即X0+X1S31：T2的常开触点。S32：T3的常开触点。S33：T4的常开触点。S34:C0·T54程序运行过程的分析人行道交通灯的顺序功能图既有并行分支，又有选择分支。当PLC由STOP转入RUN时，初始状态S0为ON。这时车道绿灯Y3亮，人行道红灯Y5亮。按人行道按钮X0或X1时，进入到并行序列，S21和S30同时为ON，此时车道绿灯Y3亮，人行道红灯Y5亮，红绿