基于FX2N系列PLC的交通信号灯设计.docx
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基于FX2N系列PLC的交通信号灯设计
基于FX2N系列PLC的交通信号灯设计
摘要
近年来随着科技的飞速发展,PLC的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益更新。
目前,我国许多大中城市的交通压力都非常大。
部分交通路口的信号灯工作时间不合理,交通违章或肇事记录不确切。
所以,改善与提高现有的交通系统的工作效率,加强交通路口的信号灯控制和安全状况的监控是非常重要的。
伴随着城市的发展,科学技术也在不断的更新换代。
科学技术在工业生产生活中的应用,人们的水平得到很大的提高。
就拿PLC来说,PLC就发明以来现在已经发展到第三代。
PLC的体积越来越趁于小型化,这样既节省空间,又降低了成本,使安装更加灵活。
并且PLC运算速度高速化,使控制更具实时性。
目前PLC在国内外已到了广泛的应用。
因此本设计主要设计利用PLC来实现十字路口交通灯的控制。
我们选用了三菱公司推出的FX2N-48MR-001型PLC,该型号具有可靠性高、体积小、扩展方便,使用灵活等特点。
关键词:
PLC,交通灯,控制
DesignoftrafficsignallampbasedonPLCMitsubishiFX2Nseries
ABSTRACT
Withthedevelopmentatfullspeedofscienceandtechnologyinrecentyears,theapplicationofthePLCismovingtowardsdeepeningconstantly,drivetraditionisitmeasurecrescentbenefittoupgradedaytocontrolatthesametime..Atpresent,trafficpressureinmanylargeandmedium-sizedcitiesinChinaisverygreat.Sometrafficlights’workinghoursisunreasonable,violationandrecordsoftheincidentisinaccuratetoo.Therefore,toimproveandenhancetheexistingtransportsystem'sefficiencyandstrengthenthecontroloftrafficlightsandmonitoringthesecuritysituationisveryimportant.
ThemainideaofdesignistoachievethecontroloftrafficlightsatcrossroadsbyPLC.WewilluseOMRON,CPM1A-40CDR-A-VtypePLC,highreliability,smallsize,easytoexpandtheuseofflexiblefeatures.
KEYWORDS:
PLC,Trafficlight,control
目 录
前 言
随着社会经济的发展,城市交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者关系的协调,已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统,它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
不同的城市有不同城市的问题,但共性就是混合交通流问题。
在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响,就是解决问题的关键!
随着我国城市化建设的发展,越来越多的新兴城市的出现,使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。
同时随着我国经济的稳步发展,随着城市机动车量的不断增加,人民的生活水平日渐提高,越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭。
伴随着城市的发展,科学技术也在不断的更新换代。
科学技术在工业生产生活中的应用,人们的水平得到很大的提高。
就拿PLC来说,PLC就发明以来现在已经发展到第三代。
21世纪PLC更是得到了长足的发展,它适应市场需要,加强PLC通信联网的信息处理能力;开放性方面已有实质性突破,采用国际性标准不同的PLC之间都能够很好的兼容。
而且PLC的体积趁于小型化,PLC小型化的好处是节省空间、降低成本、安装灵活。
并且PLC运算速度高速化,使控制更具实时性。
如今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、交通输、环保及文化娱乐等各个行业。
许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况,再加上政府大力发展的道交、出租车,使得车辆越来越多,这不仅要求道路要越来越宽阔,而且要求有新的交通管理模式和交通规则的出台。
因此,自80年代后期,很多城市纷纷扩建城市道路,在道路建设完成的初期,它们也曾有效地改善了交通状况。
然而,随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制,加宽道路并没有充分发挥出预期的作用。
而城市道路多十字路口、多交叉的特点,也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。
于是,旧的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾,使原来不太突出的交通问题被提上了日程。
所以,如何采用合适的控制方法,最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路,缓解城区的交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
由于交通路口的形状和规模不一,所采用的信号灯的数量、控制要求不一,控制的复杂程度也就不一样,为此、有关部门愈来愈多的注重在交通管理中引进自动化、智能化技术,比如“电子警察”、自动适应交通信号灯以及耗资巨大的交通指挥控制系统等。
随着经济的发展和社会的进步,道路交通已愈来愈成为社会活动的重要组成部分。
对交通的管控能力,也就从一个侧面体现了这个国家对整个社会的管理控制能力,因此各国都很重视用各种高科技手段来强化对交通的管控能力。
因此本设计将选用三菱公司推出的FX2N-48MR-001型PLC来实现对十字交通灯的控制。
在以下的内容当中将详细介绍该方案的设计思想、设计流程图以及程序模块,同时也会介绍一些关于三菱FX2N系列PLC的资料,如FX2N系列可编控制器的辅助继电器功能、基本指令及三菱FX2N系列PLC可变程序控制器步进梯形指令等,而且还会详细分析三菱FX2N系列的PLC与西门子PLC的共同特点与区别,也会介绍一下三菱GX-Developer编程软件的使用方法。
在该项目的设计中如有不足之处还请给予指导。
第1章可编程逻辑控制器概述
1.1概述
可编程控制器[1],简称PLC(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.2PLC的硬件结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构[1]基本上与微型计算机从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。
概括来说可分为七个部分:
中央处理单元(CPU)、存储器、电源、I/O模块、PLC系统的其它设备、PLC的通信联网、外部设备等。
PLC硬件结构如图1-1所示:
图1-1PLC硬件结构
1.3PLC的软件结构
在可编程控制器中,PLC的软件分为两大部分:
1.系统监控程序:
用于控制可编程控制器本身的运行。
主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块,系统调用。
2.用户程序:
它是由可编程控制器的使用者编制,用于控制被控装置的行。
1.4PLC的工作原理
1.PLC的工作方式:
采用循环扫描[2]方式。
在PLC处于运行状态时,从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出,一直循环扫描工作。
由于PLC是扫描工作过程,在程序执行阶段即使输入发生了变化,输入状态映像寄存器的内容也不会变化,要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。
循环扫描过程如图1-2所示:
图1-2循环扫描过程
2.工作过程主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段:
①内部处理阶段
在此阶段,PLC检查CPU模块的硬件是否正常,复位监视定时器,以及完成一些其它内部工作。
②通信服务阶段
在此阶段,PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容等,当PLC处于停止状态时,只进行内容处理和通信操作等内容。
③输入处理
输入处理也叫输入采样。
在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态,并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。
在此输入映像寄存器被刷新,接着进入程序的执行阶段。
4程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则,按先左后右,先上后下的步序,逐句扫描,执行程序。
但遇到程序跳转指令,则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
若用户程序涉及到输入输出状态时,PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态,从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态。
根据用户程序进行逻辑运算,运算结果再存入有关器件寄存器中。
5输出处理
程序执行完毕后,将输出映像寄存器,即元件映像寄存器中的Y寄存器的状态,在输出处理阶段转存到输出锁存器,通过隔离电路,驱动功率放大电路,使输出端子向外界输出控制信号,驱动外部负载。
1.5PLC的运行方式
1.运行工作模式
当处于运行工作模式时,PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理,然后按上述过程循环扫描工作。
在运行模式下,PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能,为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是不断地重复执行,直至PLC停机或切换到STOP工作模式。
(注:
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
)
2.停止模式
当处于停止工作模式时,PLC只进行内部处理和通信服务等内容。
第2章三菱FX2N系列PLC
2.1三菱FX2N系列可编程序控制器的基本组成
FX2N系列PLC[3]有基本指令27条;步进指令2条;应用指令128种,298条。
常用指令包括LD、LDI、OUT;AND、ANI;OR、ORI;ORB、ANB;LDP、LDF、ANDP、ANDF、ORP、ORF;STL、RET指令等。
其中ORB、ANB指令都是不带软元件的独立指令。
由两个以上触点串联连接的回路称为串联回路块,将串联回路块英烈连接时,分支开始用LD或LDI指令,分支结束用ORB指令。
LDP、ANDP、ORP指令是进行上升沿检出的触点指令,仅在制定位元件的上升沿是接通一个扫描周期,LDF、ANDF、ORF指令是进行下降沿检出的触点指令,仅在制定位元件的下降沿是接通一个扫描周期。
STL、RET指令为三菱FX2N系列PLC可变程序控制器步进梯形指令。
FX2N系列PLC的步进指令时采用步进梯形图编制顺序控制状态转移图程序指令,它包括STL和RET两条指令。
其中步进梯形指令STL是利用内部状态软元件,在顺序程序上进行工序步进控制指令;返回RET指令是表示状态流程结束,用于返回主程序的指令。
三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一。
先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、F2、FX1、FX2、FX2C、FX2N等系列。
FX2系列机型属于该性能叠装式机型,是三菱公司的典型产品。
FX2N系列PLC的主机称为基本单元,包括CPU、存储器、输入输出口及电源。
另外它还有一些特殊功能单元是一些专门用途的装置,如温度控制模块、高速计数器模块、位置控制模块、模拟量控制模块、计算机通信模块等。
2.2三菱FX2N系列可编程序控制器主要变成元件
输入输出继电器、辅助继电器、状态器、定时器、计数器、数据寄存器、指针等。
2.3FX2N系列可编控制器基本指令功能及应用
步进梯形指令的特点:
步进梯形指令仅对状态器S有效,但是对于用作一般辅助继电器的状态器S,则不能采用STL指令,而只能采用基本指令。
在STL指令后,只能采用SET和RET指令作为状态器S的置位或复位输出。
STl指令与指令LD相比较有一定的特点:
转移源自动复位:
采用STL指令,当状态器Sn接通,转移条件接通时,顺序控制转移到状态器Sn相继状态,同时转移源状态器Sn自动复位。
允许双重输出:
由于STL指令具有转移源复位功能,因此STL指令允许双重甚至多种输出,而不会出现前后矛盾的输出驱动。
只控功能:
是用STL指令,取指令(LD、LDI)点移至右边。
使用RET指令后,取指令(LD、LDI)点返回到原来的母线上
步进梯形指令应用注意事项:
1.状态器编号不能重复使用。
2.STL触点断开时,与其相连的线圈不动作,一个扫描周期后,再执行STL指令。
3.状态转移过程中,在一个扫描周期内两种状态同时接通,因此为了避免不能同时接通的一对输出同时接通,除了在PLC外部设置互锁外,在相应的程序上也应设施互锁。
4.定时器线圈与输出线圈一样,也可以在不同状态间对同一定时器软元件编程,但是,响铃状态下对同一定时器编程时,则状态转移时定时器线圈不断开,当前值不能复位,因此需要注意在相邻状态不要对同一定时器编程。
5.STL指令后的母线,一旦写入LD或LDI指令后,对于不需需要的触点的指令,必须采用MPS、MRD、MPP指令编程,或者改变贿赂的驱动顺序。
6.在中断程序与子程序内部能采用STL指令。
第3章GXDeveloper编程软件
3.1软件概述
GXDeveloper[4]是三菱通用性较强的编程软件,它能够完成Q系列、QnA系列、A系列(包括运动控制CPU)、FX系列PLC梯形图、指令表、SFC等的编辑。
该编程软件能够将编辑的程序转换成GPPQ、GPPA格式的文档,当选择FX系列时,还能将程序存储为FXGP(DOS)、FXGP(WIN)格式的文档,以实现与FX-GP/WIN-C软件的文件互换。
该编程软件能够将Excel、Word等软件编辑的说明性文字、数据,通过复制、粘贴等简单操作导入程序中,使软件的使用、程序的编辑更加便捷。
此外,GXDeveloper编程软件还具有以下特点。
(1)操作简便
(3)能够用各种方法和可编程控制器CPU连接
(3)丰富的调试功能
3.2操作界面
图3-1所示为GXDeveloper编程软件的操作界面,该操作界面大致由下拉菜单、工具条、编程区、工程数据列表、状态条等部分组成。
这里需要特别注意的是在FX-GP/WIN-C编程软件里称编辑的程序为文件,而在GXDeveloper编程软件中称之为工程。
图3-1中引出线所示的名称、内容说明如表3-1所示。
图3-1GXDevelop编程软件操作界面图
表3-1软件界面说明
序号
名称
内容
1
下拉菜单
包含工程、编辑、查找/替换、交换、显示、在线、诊断、工具、窗口、帮助,共10个菜单
2
标准工具条
由工程菜单、编辑菜单、查找/替换菜单、在线菜单、工具菜单中常用的功能组成
3
数据切换工具
可在程序菜单、参数、注释、编程元件内存这四个项目中切换
4
梯形图标记工具
包含梯形图编辑所需要使用的常开触点、常闭触点、应用指令等内容
5
程序工具条
可进行梯形图模式,指令表模式,进行读出模式,写入模式,监视模式,监视写入模式转换
6
SFC工具条
可对SFC程序进行块变换、块信息设置、排序、块监视操作
7
工程参数列表
显示程序、编程元件注释、参数、编程元件内存等内容,可实现这些项目的数据的设定
8
状态栏
提示当前的操作:
显示PLC类型以及当前操作状态等
9
操作编辑区
完成程序的编辑、修改、监控等的区域
10
SFC符号工具条
包含SFC程序编辑所需要使用的步、块启动步、选择合并、平行等功能键
11
编程元件内存工具
进行编程元件的内存的设置
12
注释工具条
可进行注释范围设置或对公共/各程序的注释进行设置
1.标号程序
(1)标号编程简介
标号编程是GXDeveloper编程软件中新添的功能。
通过标号编程用宏制作顺控程序能够对程序实行标准化,此外能够与实际的程序同样地进行回路制作和监视的操作。
标号编程与普通的编程方法相比主要有以下几个优点:
1可根据机器的构成方便地改变其编程元件的配置,从而能够简单地被其他程序使用。
2即使不明白机器的构成,通过标号也能够编程,当决定了机器的构成以后,通过合理配置标号和实际的编程元件就能够简单地生成程序。
3只要指定标号分配方法就可以不用在意编程元件/编程元件号码,只用编译操作来自动地分配编程元件。
4因为使用标号名就能够实行程序的监控调试,所以能够高效率地实行监视。
(2)标号程序的编制流程
标号程序的编制只能在QCPU或QnACPU系列PLC中进行,在编制过程中首先需要进行PLC类型指定、标号程序指定、设定变量等操作,具体操作步骤可以参见图3-2。
图3-2标号程序编制流程
2.注释/机器名
在梯形图中引入注释/机器名后,使用户可以更加直观地了解各编程元件在程序中所起的作用。
下面介绍怎样编辑元件的注释以及机器名。
(1)注释/机器名的输入
操作步骤:
1单击显示菜单,选择工程数据列表,并打开工程数据列表。
也可按“Alt+O”键打开、关闭工程数据列表。
2在工程数据列表中单击软件元件注释选项,显示COMMENT(注释)选项,双击该选项。
3显示注释编辑画面。
4在软元件名一栏中输入要编辑的元件名,单击“显示”键,画面就显示编辑对象。
5在注释/机器名栏目中输入欲说明内容,既完成注释/机器名的输入。
图3-3注释/机器名输入操作说明
(2)注释/机器名的显示
用户定义完软件注释和机器名,如果没有将注释/机器名显示功能开启,软件是不显示编辑好的注释和机器名的,进行下面操作可显示注释和机器名。
操作步骤:
1单击显示菜单,选择注释显示(可按Ctrl+F5)、机器名显示(可按Alt+Ctrl+F6)即可显示编辑好的注释、机器名(见图3-4)。
2单击显示菜单,选择注释显示形式,还可定义显示注释、机器名字体的大小。
图3-4注释/机器名显示操作说明
3.3工程创建
若要运行软件依照下列步骤操作即可:
1.打开软件
图3-5GXDevelop编程软件图标
2.创建新工程
图3-6GXDevelop编程软件创建工程
3.选择PLC系列
图3-7GXDevelop编程软件PLC的CPU选择
4.选择PLC型号
图3-8GXDevelop编程软件PLC的型号选择
5.完成创建新工程后确定
图3-9GXDevelop编程软件PLC的型号选择
3.4在线监控与仿真
GXDeveloper软件提供了在线监控和仿真的功能。
1.在线监控
所谓在线监控,主要就是通过GXDeveloper软件对当前各个编程元件的运行状态和当前性质进行监控,GXDeveloper软件的在线监控功能与FX-GP/WIN-C编程软件的功能和操作方式基本相同,但操作界面有所差异,在此不再赘述。
2.仿真
在GXDeveloper7-C软件中增添了PLC程序的离线调试功能,即仿真功能。
通过该软件可以实现在没有PLC的情况下照样运行PLC程序,并实现程序的在线监控和时序图的仿真功能。
操作步骤:
1打开已经编写完成的PLC程序。
2选择工具菜单并单击“梯形图逻辑测试起动”键。
3等几秒后,此时PLC程序进入运行状态,单击菜单起动中的“继电器内存监视”键。
4此时,单击时序图中的“起动”键。
5下一步,单击监视菜单中的“开始/停止”键或直接[F3]键开始时序图监视。
6此时,出现时序图画面,编程元件若为黄颜色,则说明该编程元件当前状态为“I”,此时,可以通过PLC程序的起动信号,则可以起动程序。
最后出现程序运行时的状态,若要停止运行,只要再次按下监视菜单中的“开始/停止”或F3即可。
第4章基于FX2N系列PLC的交通信号灯设计
4.1任务分析
十字路口交通灯控制系统[5]具有以下控制功能
1.自动控制
十字路口的交通灯控制系统具有时间控制功能,在上午6:
00到晚上11:
00为交通控制阶段,我们可以理解为白天。
其余时间内黄灯闪烁,表示系统空闲状态,我们可以理解为晚上。
2.手动控制
遇到紧急情况时,可以手动强制南北或东西方向通行。
4.2输入/输出地址表和符号表
红绿灯控制系统地址表4-1。
在软件中编写符号表,见表4-2。
表4-1红绿灯控制系统地址表
输入
输出
元件代号
作用
输入继电器
元件代号
作用
输出继电器
SA1
手动/自动
选择开关
X0
HL1
东西绿灯
Y0
SA2
强制通行
X1
HL2
东西黄灯
Y1
HL3
东西红灯
Y2
HL4
南北绿灯
Y4
HL5
南北黄灯
Y5
HL6
南北红灯
Y6
表4-2红绿灯控制系统符号表
序号
名称
软元件编号
注释
1
晚上标志继电器
M1
M1为‘1’时为晚上
2
自动标志继电器
M0
M0为‘1’时为自动状态
3
初始状态继电器
S0
上电或改变时间状态为‘1’
4
自动初始步
S1
SA1处于自动位置
5
手动初始步
S2
SA1处于手动位置
6
白天状态初始步
S10
自动状态白天时的初始步
7
晚上状态继电器
S40
Y1、Y6(黄灯闪烁)
8
东西方向强制通行
S50
Y0、Y4(东西绿灯、南北红灯)
9
南北方向强制通行
S60
Y5、Y2(南北绿灯、东西红灯)
4.3程序框图
交通灯控制系统程序框图[5]如图4-1所示。
图4-1交通灯控制系统程序框图框图
4.4流程图
交通灯控制系统流程图如图4-2所示。
图4-2交通灯控制系统流程图
4.5梯形图的组成
1.白天和晚上时间段的判断
利用PLC内部特殊数据寄存器D8015与K6和K23比较,D8015存储为当前PLC的内置时钟的时针值(0~23),当D8015小于K6或大于K23时,M1工作表示系统处于晚上。
时间段判断程序梯形图[7][5]如图4-3所示。
[ 图4-3时间段判断程序梯形图 [>=D8015K23] 2.自动状态标志继电器 自动状态标志继电器程序梯形图如图4-4所示。 S20 [SETM0] X000 [SETM0]
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