PLC课程设计十字路口交通信号灯.doc

集 美 大 学
机械与能源工程学院

课程设计论文（机电方向）

专 业： 机械设计制造及其自动化
班 级： 机制
姓名、学号：
指导 教 师：
答辩 日 期： 2014年 1 月 15 日

集美大学机制专业（机电方向）课程设计任务书
姓名： 院（系）： 机械与能源工程学院
专业： 机械设计制造及其自动化 班级、学号：1115级 号
任务起至日期：2014年 月 日 至 年 月 日
课程设计题目：
基于FX2N系列十字路口交通灯控制（带倒计时显示）
立题的目的和意义：
现代制造业要求生产设备和自动化生产线的控制系统必须具备极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的。它已经成为当代工业自动化的三大支柱之一。《可编程控制器原理及其应用》课程是培养学生具有机电一体化设计能力的技术基础课，其专业课程设计是本课程的重要实践环节，是本专业方向第一次较全面的设计训练。专业课程设计要达到的如下主要目的：
1） 培养学生综合运用本课程及其它有关先修课程的知识，去分析、解决实际工
程问题的能力，深化、扩展本课程的理论知识；
2） 能够对原有的继电器接触控制系统进行改造和设计新的控制系统；
3） 使学生掌握可编程控制器系统设计的一般方法和步骤，培养学生独立的工程
设计能力，树立正确的设计思想，为今后工作打下良好的本专业工程基础。
通过绘制完整的电器原理图，端子接线图，控制流程图，编制相应程序，进行系统调试等环节，掌握PLC系统软、硬件设计方法，了解这项技术的最新发展动态，熟悉国家标准，培养学生的基本技能，从而为接下来的毕业设计打下良好的基础和知识积累。
技术要求与主要内容：
PLC系统课程设计的一般过程是：从初拟设计方案开始，分析设计电路图，控制流程，并编制相应的指令程序，然后进行必要的实践环节对所设计系统进行调试和正确性检验，最后，编制详细、统一格式的技术文件。
1） 绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；
2） 根据前述控制分析，并绘出过程时序图；
3） 按控制系统设计图接线，并进行系统调试及问题分析；
4）编写技术文件。
进度安排：
1．第一周
周一：开题阶段，动员、布置任务。根据题目查阅相关的资料（包括：图书资料和
网上资料等），初步规划设计内容和步骤。
周四：进入方案设计阶段，初步确定设计方案。
这一阶段针对课题本身答疑，不检查程序。
2．第二周
周一：
1）绘制输入输出端子图，主电路控制图以及程序流程图、控制梯形图、状态转移图等；
2）根据上述控制分析，编制相应指令程序。
周四：内容同上。
这一阶段针对编程中个别问题答疑，不检查程序。
3. 第三周
周一：去电工实验室调试程序。
周四：检查论文电子档，包括内容及格式。
周五：收设计报告，进行答辩。
第一、二周的某一天进行现场实习，以提高感性认识：①到集美大学现代设计与制造技术中心参观、分析柔性制造系统的PLC系统运用。②参观机械工程学院实验室。
答辩前成果检查的教师意见：

年 月 日

目录

1 绪论…………………………………………………………………………………………1
1.1 PLC简介 …………………………………………………………………………………1
1.2 十字路口交通信号灯控制系统简介……………………………………………………2
1.2.1 任务叙述………………………………………………………………………………2
1.2.2 控制要求………………………………………………………………………………2
1.2.3 十字路口交通信号灯现场示意图……………………………………………………3
1.2.4 十字路口交通灯设计…………………………………………………………………3
2 硬件设计……………………………………………………………………………………7
2.1 PLC选择 …………………………………………………………………………………7
2.2 其他硬件选择 …………………………………………………………………………7
2.3硬件连接 …………………………………………………………………………………8
3 软件设计 …………………………………………………………………………………9
3.1 软件的选择 ……………………………………………………………………………9
4 调试过程 …………………………………………………………………………………10
4.1 程序调试说明 …………………………………………………………………………10
4.2 系统设计、调试遇到的难点 …………………………………………………………11
结束语 ………………………………………………………………………………………13
致谢 …………………………………………………………………………………………14
参考文献 ……………………………………………………………………………………15

附录1 指令程序 ……………………………………………………………………………16
附录2 梯形图 ……………………………………………………………………………17

1 绪论

1.1 PLC简介

1985年，国际电工委员会（IEC）的PLC标准草案第三稿对PLC做出了如下 义：“PLC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。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”多年来，人们用电磁继电器控制顺序型的设备和生产过程。系统很复杂，查找 排除故障往往非常困难，有时可能会花费大量的时间。现代社会要求制造业对市场 需求做出迅速的反应，生产出小批量、品种多、规格高、低成本和高质量的产品，老式的继电器控制系统已经成为实现这一目标的巨大障碍。显然，在这种思想下，PLC迅速发展，并在工业上得到广泛的应用。
1968年，美国最大的汽车制造厂家——通用汽车公司（GM）提出了研制PLC 的基本设想，即：能用于工业现场；能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成它的组件和修改内部接线；出现故障时，容易诊断和维修。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC。我国有不少厂家研制和生产过PLC，近年来国产PLC有了很大的发展，但是目前我国使用的PLC 主要还是国外的品牌的产品。
1、PLC的基本结构
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、和编程模块组成(见图1-1)。

图1-1 PLC组成模块示意图

2、PLC 的工作原理
PLC有两种工作模式，即运行模式和停止模式。在运行模式，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时的响应可能随时变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP模式。除了读取外部输入信息，执行用户程序和将程序执行的结果送到输出模块之外，在每次循环过程中， PLC还要完成内部处理，通信服务等工作，一次循环分为5个阶段。PLC的这些周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 五个阶段： 内部处理阶段;通信服务阶段;输入处理阶段;程序执行阶段;输出处理阶段。

1.2系统简介

1.2.1 题目与任务描述
题目：十字路口交通灯控制（带倒计时显示）。
信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮，东西和南北的LED数码管由25秒开始倒计时，当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭，LED管复位显示25。

1.2.2 控制要求
（1）南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒；东西和南北的LED管也开始有25秒开始倒计时，到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮，东西和南北的LED数码管又由25秒开始倒计时。
（2）东西红灯亮维持25秒。南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
（3）依照上述时序，周而复始

1.2.3 十字路口交通信号灯现场示意图

图1-2-1 交通灯现场示意图

1.2.4 十字路口交通灯的设计
（1）整体工作流程图如图2-2所示

图1-2-2 交通信号灯流程图
（2） 十字路口交通灯时序图

图1-2-3 交通灯时序图

（3） 十字路口交通灯I/O分配表（如表1、表2）

表1 I/O分配表
输入
输出
文字符号
信号地址
说明
文字符号
信号地址
说明
SB
X0
交通灯启动开关
H1
Y0
南北红灯亮

H2
Y1
南北黄灯亮

H3
Y2
南北绿灯亮

H4
Y3
东西绿灯亮

H5
Y4
东西黄灯亮

H6
Y5
东西红灯亮

表2 数码管O口分配表
数码管1 A
Y10
数码管1B
Y20
B
Y11
B
Y21
C
Y12
C
Y22
D
Y13
D
Y23
E
Y14
E
Y24
F
Y15
F
Y25
G
Y16
G
Y26

（4） I/O接线图

18

图1-2-4 I/O接线图
2 硬件设计

2.1 PLC选择

本控制系统选用了三菱的FX2N-48MR这一型号的小型PLC. FX2N-64MR是小型化、高速度、高性能装置，有48个输入和输出点，而我们只需要1个输入点和20个输出点，所以相当充足。除此之外，这一型号的PLC还适用于在多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,而且系统配置既固定又灵活是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。因此本系统选择了这一型号的PLC。

2.2 其他硬件选用
型号为DZ47-60 C10的低压断路器和型号为RT14-32 32A-380V的熔断器组合使用来保护电路，并且使用了上海明纬电子有限公司的220VAC~24DC的转换电源给电路供电。因为这些低压电器都是现有的东西，我们当然要充分利用了。
用发光二级管（串接相应电阻保证24V压降）来代替交通信号灯。
二极管在电流约5-30mA都可以正常工作；取电流11mA，计算得出的串联的电阻为2000Ω。

硬件名称
型号
数量
可编程控制器
三菱FX2N-64MR
1台
中间继电器
220V,5A
12个
低压断路器
DZ47-60 C10
1个
熔断器
RT14-32 32A-380
1个
转换电源
220VAC~24DC
1个
电阻
2000Ω
20个
导线
0.5mm
若干
发光二极管
2V
12个

表3 其他硬件选用

2.3 硬件连接

硬件连接需要根据附录中的各图进行相应的连接，首先要根据布置图进行大体的硬件布置规划，将相应的器件安装到相应的地方。然后，根据PLC的输入输出端接线图进行相应的连接，并根据转换电源图把转换电源和PLC相连接，最后再根据控制电路电气原理图把控制电路和其他部分相连接。
同时我们尽量做到线路敷设平直，固定点位置正确，导线剖削规范，线路安装正确，导线压接规范，元件安装整齐、紧固。

3 软件设计

3.1 软件的选择

至于编写程序的软件，本系统的设计使用了三菱电机的SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，它是专为FX系列PLC设计的中文编程软件，可在Windows9x、Windows3.1以上操作系统运行。此软件可用梯形图、指令表、顺序功能图符号来创建PLC的程序，并可将程序储存为文件，用打印机打印出来。可给编程元件、程序块建立注释、设置寄存器数据。
通过串行口，可将用户程序与PLC进行通讯、文件传送，可实现各种监控和测试功能。所以，我们利用里面的梯形图和指令表进行编程。而且，我们一直学的就是这个软件，我们比较熟悉，使用起来也比较方便。至于画图软件本系统当然也选用了我们所熟悉且能够熟练使用的AutoCAD 2004。

4 调试过程

4.1 程序调试

1系统所需的所有定时器设置

2 南北红灯亮25s，东西绿灯亮20s后，闪烁3s，利用M8013产生1s的脉冲信号控制东西绿灯的闪烁。

3 东西绿灯后，东西黄灯亮2s熄灭。

4 东西红灯亮25s，南北绿灯亮20s后，闪烁3s，利用M8013产生1s脉冲信号控制南北绿灯的闪烁。

5 南北绿灯熄灭后，南北黄灯亮2s。

6 通过7段数码管25s倒计时显示，启动开关关闭时数码管25s复位，启动时，数码管25s开始倒计时。

4.2系统设计、调试遇到的难点

1 绿灯闪烁
（1） 利用程序构成一个闪光信号灯，改变输入口的置数开关可以改变闪光频率（即信号灯亮ts，熄ts）。
（2） 利用三菱FX2N PLC中特殊继电器M8013是1s时间脉冲。

2 数码管倒计时显示
当启动开关启动时，将25值给寄存器D0，并将D0除以10，得到的余数给D2,整数给D1,并利用七段码译码指令SEGD功能驱动数码管显示；再利用M8013每秒给一个脉冲对寄存器D0进行减1处理。

结束语

通过对本课题的编程设计，不但进一步巩固和加深我们对自己所学的可编程控制器、电工基础、电子技术、维修电工等基础理论知识、基本技能的掌握，使之更系统化，而且增强我们通过所学的基础理论知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，同时培养自己的自学能力。而另一方面，我们通过对自己的PLC应用能力的训练，使自己能够进行PLC系统设计和实施。并且掌握了一般自动控制系统的工作原理和设计思路。通过对十字路口交通灯的PLC控制系统的设计也使我们对国情和工业生产实际有所认识，并且摆正了自己设计思想，使我们设计出的程序更符合实际生产中的应用（虽然我们只是模拟真正的十字路口交通灯控制系统）。了解了PLC在自动控制中的运用，可编程序控制器（简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动化控制装置，它专门为工业控制而设计，具有功能强，编程简单，使用方便等优点，在现代工业自动控制中使用越来越广泛。
通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
在设计的过程中，对于自己设计参数是一个很让人头疼的问题，所以通过本次论文，我也感到自己在这些方面还有很多的不足，要在这方面加强练习，程序的套路是很多种的，我们要学会在其中找到最优的方案，这样不仅可以提高自己的编程水平，还可以让我们编写的程序达到最佳的运行状态，为程序节约运行时间是非常重要的，这也让我明白了时间的重要性。

致谢

转眼三星期的课程设计结束了，从开题前的期待，到开题时的激动，再到开题后的迷茫。可谓是一波三折，这期间多亏了弓老师、雷老师以及王老师悉心指导和解疑，才让我拨开云层见日月，顺利的完成我的课程设计。这也让我明白了，理论与实际应用中间存在着我们自身的这个桥梁，只有当我们这座桥梁搭好了，实际才能正比于理论。虽然只有仅仅三周的时间，但这是我自己用自己所学所思实践出来的成果；时间看是短暂，所学的东西确是非凡，如果说课堂上学的是基础，那么这段时间的实践那就是提升。大学四年也悄悄地临近结束，如果问我到现在学到什么东西，之前我估计会不知所答，不过这学期结束后，我会毫不犹豫的说PLC课程设计。
感谢弓老师一学期的辛苦教学，引领我们进入PLC的学习；感谢雷老师和王大镇老师在课程设计过程中的悉心指导；同时也感谢同学们热心帮助。

参考文献

[1] 史国生.电气控制与可编程控制器技术,化学工业出版社，2010
[2] 贾德胜．PLC应用开发使用子程序．人民邮电出版社，2006
[3] 余国亮．PLC原理与应用：三菱FX系列．清华大学出版社，2005
[4] 钱锐．PLC应用技术．科学出版社，2006
[5] 李建厚．PLC原理与应用设计．化学工业出版社，2005
[6] 廖常初．PLC基础及应用．机械工业出版社，2003
[7] 高钦和．可编程控制器应用技术与设计实例．人民邮电出版社，2004
[8] 张进秋，陈永利，张中民．可编程控制器原理应用实例．机械工业出版社，2004
[9] 赵家礼．图解维修电工操作技能．机械工业出版社，2006
[10]孙振强．可编程控制器原理及应用教程．清华大学出版社，2005
[11]方承远．工厂电气控制技术．机械工业出版社，2000
[12]吕景泉．可编程序控制器及其应用．机械工业出版社，2005
[13]闫坤．电器与可编程序控制器应用技术．清华大学出版社，2007

附录1 指令程序

程序梯形图如下图

程序指令梯形图

附录2 指令程序

程序指令表