课程设计报告
课程名称： 电气可编程控制原理与应用
报告题目： 带倒计时显示的交通灯控制器 学生姓名： 所在学院： 信息科学与工程学院 专业班级： 电子信息工程1102班 学生学号： 指导教师：
二0一四年6月6日
摘 要
城市交通信号控制是通过对交通流的调节警告和诱导以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好地利用现有运输能力，提高交通流的安全性、快速性和舒适性。目前，就我国大多数城市而言，已经建立了多种交通信号控制系统，与此同时，其中利用定时控制的比例较大。20世纪20年代，人们把各种继电器、定时器、接触器以及触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械设备，这是传统的继电器控制系统。随着工业的发展，设备和生产过程越来越复杂。对于复杂的系统继电器控制系统存在两个缺点：一个是可靠性差，另一个是灵活性差。因此在实现十字路口交通灯控制的时候我们将目光转向了更为有效的控制装置——PLC。可编程控制器简称——PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一。将PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的信号灯进行精确控制。目前大多品牌PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。
关键词：交通灯控制；继电器；定时器；接触器；PLC；可编程控制器
目 录
一、PLC的特点及应用 .................................................................................................................... 1
1.1概述 .................................................................................................................................... 1 1.2 PLC的特点 .......................................................................................................................... 1 1.3 PLC的应用 .......................................................................................................................... 1 二、PLC的工作原理 ........................................................................................................................ 2 三、交通灯软件设计及要求 ........................................................................................................... 2 四、程序设计 ................................................................................................................................... 3
4.1设计思想............................................................................................................................. 3 4.2 调试错误与修改方法 ........................................................................................................ 6 五、心得体会 ................................................................................................................................... 7 六、参考文献 ................................................................................................................................... 8
一、PLC的特点及应用
1.1 概述
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。 1.2 PLC的特点
1、可靠性高，抗干扰能力强； 2、通用性高，使用方便； 3、程序设计简单，易学，易懂；
4、采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便； 5、系统设计周期短；
6、安装简便，调试方便，维护工作量小； 7、对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产； 1.3 PLC的应用
目前，PLC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，使用情况大致可归纳6为如下几类。
1、开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3、运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制
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计算机PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金。
6、通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
PLC实质上是一种工业控制计算机，它是专门为工业电气控制而设计的，它的设计思想也是来自于常规的继电器、开关控制电路。所以，尽管PLC的控制原理与计算机密切相关。
二、PLC的工作原理
PLC的工作方式
1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。
2）程序执行阶段：PLC对用户程序扫描。
3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器， 电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。
三、交通灯软件设计及要求
⑴ 在十字路口，要求东西方向和南北方向通行35s，并周而复始。
⑵ 在南北方向通行时，东西方向的红灯亮35s，而南北方向的绿灯先亮30s后
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再闪3s（0.5s暗，0.5s亮），之后黄灯亮2s，反之亦然(答辩调试时通行时间可以改为一位数，但按两位显示设计)。
⑶ 在东西方向和南北方向各设一组通行时间显示器，按倒计时方式显示通行和 停止时间，通行时显示绿色数字，禁止时显示红色数字。
I/O分配表
功能 东西红灯 东西绿灯 东西黄灯 南北红灯 南北绿灯 南北黄灯 数码管显示个位 数码管显示个位 数码管显示个位 数码管显示个位 数码管显示个位 数码管显示个位 数码管显示个位
符号 R G Y R G Y A B C D E F G I/O Y27 Y4 Y5 Y17 Y6 Y7 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24 Y25 Y26 四、程序设计
4.1设计思想
如图所示，它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置1表示信号灯点亮。按启动按钮SB1后，南北向红灯亮，东西向绿灯亮，30s后东西向绿灯闪烁3s（每次亮、暗0.5s），然后熄灭。在绿灯熄灭的同时，东西向黄灯亮2s，然后熄灭。在该灯熄灭的同时，东西向红灯亮及南北向绿灯亮，以下的变化规律与上述相同。到南北向绿灯亮，东西向红灯亮开始第二个循环，以后周而复始地循环动作。按停止按钮SB2，所有信号灯熄灭。
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图1 十字路口交通灯正常工作时序
启动开关 东西主干道 东西绿灯亮 30S 东西绿灯闪 35 3S 东西黄灯亮 2S 东西红灯亮 南北红灯亮 35S 南北主干道 南北绿灯亮 10S 南北绿灯闪 2S 南北黄灯亮 35结束 图2 交通灯模拟控制系统流程图
红灯Y27 绿灯Y4 绿灯Y6 绿闪黄灯红灯Y17 Y6 Y7
绿灯Y4 黄灯Y5 30s 33s 4 30s 33s
35s 35s (a)
图3 十字路口的交通灯布置示意图及其工作状态图
图4 十字路口交通灯接线图
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图5 交通灯控制梯形图
4.2 调试错误与修改方法
经过设计，想一次性把程序完成是非常难的，在调试中就出现了不少的错误。 刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来而且在完成了一个周期后就循环不起来了。那时真的不知道从哪里入手，只好一条一条地检查才发现了一条指令把常闭写成了输出真正的输出口就没有收到信号了。灯虽然是亮了但仍然循环不起来。从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出来。突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控，于是发现了在程序的第一周期一切都运行正常但再运行下去的时候第二周期就再没有反应了，包括里面的辅助继电器，最后发现原来是程序前面没有并上完成这个循环的继电器号。后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了。虽然找错误是一个枯燥无味的工作，但只要你耐心的去做的话，你肯定能学到有用的东西。
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五、心得体会
和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的是机械手臂的PLC控制系统。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。
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。
通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。
通过此次课设，让我了解了PLC梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。
虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题
在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。
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六、参考文献
[1]. 王阿根.电气可编程控制原理与应用（第二版）.北京:清华大学出版社，2010 [2]．三菱电机.FX3U,FX3UC微型可编程控制器编程手册.2005. [3]. 三菱电机.FX1S,FX1N,FX2N,FX2NC编程手册.2002.
[4]. 廖常初主编.PLC基础及应用.北京：机械工业出版社,2004 [5]. 朱献清编著.物业供用电.北京.机械工业出版社.2003
[6]. 钟肇新，范建东编.可编程控制器基础及应用.广州：华东理工大学,2002
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