工业控制网络课设

辽宁工业大学工业控制网络课程设计（论文）题目：基于Ethernet/IP远程交通灯控制

院（系）：电气工程学院

专业班级：自动化123班

学号：

学生姓名：

指导教师：（签字）

起止时间：2015.12.21-2015.12.31

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院教研室：自动化Array

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘要

Ethernet/IP是工业以太网协议的缩写，它是一种开放的工业网络标准。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，应用支持技术成熟以及能够实现远程控制。目前它已经在工业企业综合自动化系统中的信息层与控制层得到了广泛应用。

本设计基于Ethernet/IP，利用罗克韦尔公司的ControlLogix5000系列的可编程控制器来实现交通信号灯的自动控制。采用Rockwell Automation的ControlLogix控制器和软件，对十字路口交通灯控制进行设计实现。设计方法基于网络设计，可对交通灯进行远程监控，能够适应任何环境下的控制、监测。通过分析对交通信号灯的控制要求对PLC控制系统进行了软件、硬件设计，对启动/停止按钮进行控制，用定时器设定交通灯亮灭的时间间隔，循环实现控制要求，从而达到对十字路口交通灯的远程监控目的。

交通灯控制系统主要由以太网模块（ENB），电源模块（1794-P513），适配器模块（1794-AENT），输入模块（1794-IB16），输出模块（1794-OW8），交通灯显示模块组成。

关键词：Ethernet/IP；定时器；远程监控；交通灯

目录

绪论 (1)

课程设计的方案 (3)

1.1概述 (3)

1.2系统方案论证 (3)

硬件设计 (5)

1.3硬件介绍与选型 (5)

3.2器件的选型 (6)

3.3控制器模块的设计 (7)

3.4以太网模块的选择 (8)

3.5输入输出模块的选择 (8)

3.5电源模块的选择 (9)

3.6I/O模块的分配 (9)

软件设计 (11)

1.4系统流程图设计 (11)

1.5系统梯形图设计 (12)

系统测试与分析 (15)

1.6MATLAB软件介绍 (15)

1.7MATLAB中无扰动时仿真模型的搭建与分析 (16)

1.8MATLAB中有扰动时仿真模型的搭建与分析 (19)

课程设计总结 (21)

参考文献 (22)

绪论

交通灯控制系统的发展有着悠久的历史，伴随着人类工业文明的发展，汽车以及其他各种交通工具呈现出一片欣欣向荣的景象。各种交通工具的大量使用使得人们的出行更加方便，但随之而来的是交通的压力越来越大，各个路口对于对于交通指挥系统的需求大量增加。交通问题是我国社会经济发展的一个大问题，我国的人口压力、现代化建设、等都将使这个问题日益突出。交通是否便捷是衡量一个城市生活水平与投资环境的重要指标。目前，我国许多大城市都在考虑建设地铁或轻轨以缓解交通压力。但是，建设地铁或轻轨都需要大量的资金与时间，这对大多数中小城市都不现实。而且随着我国人民生活水平的不断提高，城市化的推进和私家车数量的猛增，道路交通拥挤的问题越来越严重。所以，改善与提高现有的交通系统的效率已成为当务之急，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。现在，我国城市十字路口的交通灯控制系统基本上都采用定时控制方式。这样必然产生如下弊端：当某条道路的车流量很大却要等待红灯，而此时我们另一条空道或车流量相对较少的道路却依然按原定时间亮着绿灯，这种现象是未对道路的实际情况进行实时监控造成的，这样，交通控制系统效率低，容易造成交通拥挤，而且浪费人力、物力。因此，我们有必要在原有的交通控制系统上加以改进，提高效率，尽可能又快又好的解决交通拥挤的问题。根据交通灯控制系统的工作原理，做出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案交通灯的使用大大缓解了交通压力，使得城市的拥堵显现得到了一定程度的缓解，使人们的出行现状得到了改善。但是随着当今经济的飞速发展，汽车的拥有量不断上升，传统的交通灯系统已经越来越不能满足交通压力的需求。所以为了保障城市交通有序、安全、快速运行。另一方面,可编程序控制器(PLC)作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置,已被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源等各种行业。

近几年来，随着互联网技术的普及与推广，以太网也得到了飞速的发展，特别是以太网通信速率的提高、以太网交换技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机。首先，以太网的通信速率一再提高，从10Mpbs到100Mpbs、1000Mpbs甚至10Gpbs，在相同通信质量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和碰撞的减少，也就意味着确定性的提高；其次，以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，连接在同一个交换机上的不同设备不存在资源争夺，这就相当于每个设备独占一个网段；再次，全双工通信技

术为每一个设备与交换机端口之间提供了发送与接收的专用通道，大大降低了（半双工交换式以太网）或完全避免（全双工交换式以太网）了不同以太网设备之间的冲突。因此，以太网成为“确定性”网络，为它应用于工业自动化控制消除了主要障碍。

工业以太网协议有多种，如HSE、PROFINET、Ethernet/IP、MODBUS/TCP 等，他们在本质上仍基于以太网技术。对应ISO/OSI通信参考模型，工业以太网协议在物理层和数据链路层采用了IEEE802.3标准。

Ethernet/IP通信模型是以太网、TCP/IP及CIP的集成，其中应用层使用CIP 是Ethernet/IP和其他工业以太网的主要区别。

由于在应用层使用CIP，Ethernet/IP也具备了CIP网络所共有的一些特点。

（1）可以传输多种不同数据，包括I/O数据、配置和故障诊断、程序上下载等。

（2）面向连接，通信之间必须建立连接。（3）用不同的方式传输不同类型的报文。

（4）基于生产者/消费者模型，提供对多播通信的支持。

（5）支持多种I/O数据触发方式：轮询、选通、周期或状态改变。

（6）用对象模型来描述应用层的协议，方便开发者编程实现。

（7）为各种类型的Ethernet/IP设备提供描述，以保证互操作性和互换性。其中，用不同的方式传输不同类型的报文，具体到Ethernet/IP，用TCP来发送显示报文，用UDP来发送隐式报文。

另外，Ethernet/IP规范规定仅可选择10Mpbs或100Mpbs以太网。为了能够在工业现场恶劣的环境中工作，Ethernet/IP设备选用的物理部件要能够经得起考验。根据具体场合的不同，它们可能要忍受高温或低温、高湿度、强震动、强电磁干扰等恶劣条件。

课程设计的方案

1.1概述

本设计要求，信号灯接收一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始正常工作，南北红灯亮的同时，东西绿灯亮。当按下停止按钮时，所有信号灯熄灭。

通过以太网模块控制，由适配器模块连接输入输出模块，启动和停止按钮接入输入模块，交通灯接入输出模块。通过程序的编写，当按下启动按钮时，交通灯按照设计要求亮灭，并由定时器控制亮灭时间，重复循环，从而达到设计目的。当按下停止按钮后，所有灯全部熄灭。

1.2系统方案论证

方案一：基于Ethernet/IP协议，采用RockwellAutomation的ControlLogix控制器和软件，对十字路口交通灯控制进行设计实现。这种设计方法基于网络设计，可对交通灯进行远程监控，能够适应任何环境下的控制和监测。

方案二：S7-200是一种小型的可编程控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。它具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等

交通灯的设计可采用PLC作为主控制器，从而能提高交通灯控制系统的稳定性、可靠性与抗干扰的能力，采用顺序控制技术的设计方法，能够较好地完成交通灯控制性能要求。但这种设计方法只能进行近距离的控制，不能适应任何环境下的控制。

综合以上两种方案比较，方案一在应用上比较方便、简单，也更能适应现代化社会的需求。因此，选择方案二较好。

根据方案一设计交通灯控制系统主要由以太网模块（ENB），电源模块

（1794-P513），适配器模块（1794-AENT），输入模块（1794-IB16），输出模块（1794-OW8），交通灯显示模块。其系统总体框图如图2.1所示。

Ethernet/IP

硬件设计

1.3硬件介绍与选型

1．RSLogix5000控制器

RSLogix5000控制器具有小型、廉价、快速、高效的特点。它采用固定式控制器，硬件的紧凑设计是RSLogix5000能适应有限的安装空间。有全面的指令，包括简单的位、计时器、和计数器指令，还包括用于序列发生器、高速计数器和转换寄存器的指令。本次的基于罗克韦尔PLC的交通灯控制系统设计就是选用的RSLogix5000控制器，通过对该控制器操作实现设计要求。

2．输入输出模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。

3．电源部件

根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压.电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和,同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素;电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。直流输入电源对于输入电压一般都是宽范围:如5V为 4.5-9V,12V为9-18V,24V为18-36V,48V为36-72V,110V为60-160V。交流输入电源一般为220V AC(176-264V)和三相三线(四线),并带有PFC功率因数校正功能。

4．存储器

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储

器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。选择PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

3.2器件的选型

（1）网桥模块

1756-ENBT为ControlLogix控制器通过Ethernet/IP网络与其他设备通信，或作为Ethernet/IP网络1756I/O模块适配器模块。1788-ENBT为FlexLogix和DriveLogix控制器通过Ethernet/IP网络与其他设备通信。

（2）适配器模块

1794-AENT作为Ethernet/IP网络FLEX I/O模块适配器模块；1734-AENT作为Ethernet/IP网络POINT I/O模块适配器模块。

（3）I/O设备

I/O设备包括传感器、执行机构、数字量输入/输出单元、模拟量输入/输出单元，产品有罗克韦尔自动化公司1791D系列输入/输出模块、1794 Flex I/O系列、900光电开关系列、855-T-D塔灯系列、Point I/O系列；SMC公司的Valve Manifold SIU EX230-SDNI：KD Corporation公司的OPP I/O系列；Ailes Electronics公司的DeviceNet I/O Tetminal Block ADT-TY01、ADT-TY02、ADT-TY03及Daniel Woodhead公司的DeviceNet输入/输出模块TDN系列等。

根据设计要求及实验室条件，选用Rockwell Automation公司ControlLogix系列PLC及相关软件，主要设备有以太网模块（ENB），电源模块（1794-P513），适配器（1756-ENBT），Logix5561控制器(CPU)，Ethernet/IP模块，输入模块1756-IB16 (FlexI/O)，输出模块1756-OW8 (FlexI/O)，接线端子，以及电缆和导线等。如图3.1所示，从左到右依次为电源模块，适配器模块，输入模块，输出模块。

图3.1 系统模块

3.3控制器模块的设计

控制器是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个控制器，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

控制器主要由运算器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，控制器单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

控制器速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。如图3.1是RSLogix 5000控制器的外围电路图。

图3.1 RSLogix 5000外围电路图

3.4以太网模块的选择

ControlLogix系列以太网通讯模块，用于控制输入输出模块，在以太网链路上作为适配器连接分布式输入输出，用消息方式在以太网上和其他设备通讯，作为网桥将消息传输到其他网络。以太网用于工厂管理，在一个单一、高速网络上进行配置、数据采集、控制；对时间要求苛刻的应用，有规律的数据发送，连接Internet/Intranet。本次课设应用的以太网模块为1756-ENBT。

3.5输入输出模块的选择

输入模块和输出模块简称I/O模块，他是联系外部设备和CPU模块的桥梁。PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来送出PLC 运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。PLC 有多重I/O模块。I/O分为数字量输入（DI），数字量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。本课题选用数字量输入输出模块。

输入/输出(I/O)模块种类繁多，其中的数字量模块分为交流、直流两大类，本系统采用16点阵断型数字量直流输入模块1756-IB16D和直流输出模块

1756-OB32D，在面板上对应有4个按键输入，和6个指示灯输出。

3.5电源模块的选择

PLC配有开关式稳压电源，用来将外部供电电源转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC使用AC 220V电源或DC 24V 电源。内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。小型的PLC可以为输电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专门的外部电源部件，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。为防止PLC内部重要数据的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。

3.6I/O模块的分配

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下有，开关量：按电压水平分，有220V AC、110V AC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit 等。

交通灯控制系统共有两个输入点：启动按钮、停止按钮。输出信号有东西方向、南北方向个两组指示灯驱动信号。由于每一个方向的指示灯中，同种颜色的指示灯运行情况相同，为节省输出点数，采用并联输出法。由此确定，系统所需的输入点数为2，输出点数为6，全部为开关量。选用Rockwell公司ControlLogix 系列PLC作为控制器可满足控制要求。如表3.1所示为该系统的I/O分配表。

表3.1 系统的I/O分配表

软件设计

1.4系统流程图设计

PLC的硬件系统和软件系统是相辅相成的，就像一个人的骨骼和血肉一样。骨骼是支撑整个身躯的硬性指标，没有骨骼其他的就无从说起，而血肉也是一个人正常活动所必须的。PLC的软件系统分为系统程序和用户程序。

1.系统程序

系统程序是由PLC生产厂家提供，并且固化在EPROM中，用户不能直接读取。系统程序由管理程序、编译程序、标准程序三个部分组成。管理程序用于对PLC输入、输出、运算等操作的时间顺序的管理，规定数据和程序的存放地址。编译程序则是把程序语言翻译成机器语言的程序。标准模块程序由多个独立的程序模块组成，每个程序模块完成一种独立的功能。根据要完成不同的共组来选择不同的功能模块。

2.用户程序

用户程序是指根据不同的工作要求，用户用PLC程序语言编制的应用程序，以实现各种控制要求。小型的PLC很简单，整个程序不用分段，按顺序编制。但是大型的PLC的用户程序很复杂。为了简化用户编程的难度，可以把用户程序划分为程序模块，通过模块的组合来组成一个大的完整的用户程序。

用户程序的模块：

（1）组织模块。用于控制主程序的运行方式及个组织模块的组织关系。

（2）程序模块。按电气控制的要求，把不同的控制内容划分为程序段。

（3）功能模块。用来描述特定功能的程序模块。它的使用使得PLC超出了传统的顺序逻辑、计时、计数等功能。

（4）步进模块。用于步进顺序操作。

（5）数据模块。可用来存放数据，可以是固定的数据或者是可变的数据，类似于寄存器

本文所设计的交通灯系统是适用于一般的十字路口，

1、北红灯亮维持30秒，在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，并维持25秒，到25 秒时，东西方向绿灯闪，闪亮3秒后，绿灯灭。在东西绿灯熄灭的同时，东西黄灯亮，并维持2秒，到2秒时，东西黄灯灭，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。

2、西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒，再熄灭。同时南北黄灯亮，并维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。到停止按钮被按下为止。系统工艺流程图如图4.1所示。

图4.1 系统程序流程图

1.5系统梯形图设计

在软件设计中，一般采用模块化的程序设计方法，它具有明显的优点。把一个多功能的复杂的程序划分为若干个简单的、功能单一的程序模块，有利于程序的设计和调试，有利于程序的优化和分工，提高了程序的阅读性和可靠性，使程序的结构层次一目了然。先设计东西干道车辆通行的梯形图再编写南北干道车辆通行的梯形图。对于每一个干道，又可分为红灯、绿灯、黄灯。主程序流程图如图4.2示。

图4.2 系统整体梯形图

系统测试与分析

1.6MATLAB软件介绍

MATLAB（矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国The MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。以矩阵为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能，是目前国际上最流行的控制系统计算机辅助设计软件。新版本的推出，使得Matlab的应用范围更加广泛，而且增加了许多工具箱，如信号处理、通信系统、虚拟实现、系统辨识、神经网络、模糊逻辑、实时空间等科学领域的工具箱，以供不同专业的科研技术人员开发利用。

MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。

Simulink是Matlab软件的扩展，它是实现系统建模和仿真的一个软件包，可以用连续采样时间离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。它和Matlab语言的主要区别在于，与用户的交互接口是基于Windows模型化图形输入，使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非编程上。目前mathworks公司已经把Simulink发展成为一个系列的产品。例如MATLAB/Simulink中SimPower Systems 是专为电力电子和电气传动系统仿真设计的，包含有少数开关装置和简单电力电子转换器件。转化器的开关器件是基于由V-R-L支路组成的微模型结构，为使开关器件正常工作，在开关器件两端并接R-C吸收电路。Simulink提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到仿真结果。

1.7 MATLAB 中无扰动时仿真模型的搭建与分析

在工业生产控制中，控制过程往往伴随着扰动的影响。判定一个自动控制系统的好坏往往要看其克服扰动的能力，当加入扰动作用后，自动控制系统是否还能稳定在要求输出值，自动控制系统的超调量是否满足技术指标，自动控制系统的稳态误差是否在允许范围内，这些技术指标都成为了衡量一个自动控制系统的标准。

串级控制系统对干扰串级控制系统的副回路的存在，能够迅速克服进入副回路的干扰，从而极大的减小副回路干扰对住被控参数的影响；副回路的存在提高了系统调节器对进入主回路干扰控制的快速性；由于副回路的存在，总放大系数提高了，抗干扰能力和控制性能都比单回路控制系统有明显提高，经过试验得到下列近似传递函数及系数。

（1）已知副对象传递函数： G(s)=)

1)(110(1++s s （5-1） （2）主控制对象的传递函数： G(s)=

)13)(130(1++s s （5-2） 我们采用临界比例度法来整定控制器参数。临界比例度法又称稳定边界条件法，它是先让控制器在纯比例作用下，通过现场试验找到等幅振荡的过渡过程，记下此时的比例度和等幅振荡周期T k ，再通过简单的计算，求出衰减振荡时控制器的参数,本次课程设计使用Matlab 仿真软件对所设计的控制方案进行仿真，在Simulink 下搭建的无扰动时仿真图形如图5.1所示。

图5.1 无扰动时系统仿真模型