十字路口交通灯PLC控制程序的研究与设计

题目：十字路口交通灯控制程序的研究与设计
摘要
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。

随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的应用更加突出。

城市交通灯控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本文用三菱FX2N的可编程控制器控制十字路口信号灯来说明可编程控制器硬件、软件的设计。

解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。

但现在有的交通信号灯控制系统都是单一的固定时序控制，不能够根据实际交通状况进行调节控制。

三菱系列的可编程序控制器和传感技术来实现对交通灯的智能信号控制。

可用如下方案来控制交通路况:制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。

具体如下:在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。

关键词：PLC（可编程序控制器）; 三菱FX2N;传感器探测;交通灯。

Abstract
The variable procedure controller is in industry automate the position is extremely important, extensive application in each profession. Along with the development of science and technology, the function of the programmable controller is increasingly perfect, plus smallscaled turn, the price is low, the credibility is high, the application that is in modern industry is more out standing. The city transportation light control adopts programmable to make the tool contain high credibility, the maintenance convenience, the method of using is simple, the in general use strong etc. characteristics, this text uses the design that the programmable controller of the Mitsubishi FX2N control intersections conveyance light explains the programmable controller hardware software. Resolve the good highway transportation light control problem will is guarantee the transportation contain preface, safety, fast movement of important link. But the transportation signal beacon control systems have now are all the single and fixed cycle times controls, can't carry on regulating the control according to the actual transportation condition enough. The programmable preface controller of the Mitsubishi series and spread the feeling technique to carry out the inte lligence signal control toward the transportation light. Can use as follows the project controls the transportation situation on road: the creation spreads the feeling machine to probe into the vehicle quantity the hour of control the transportation light is long. In a specific way and as follows: The at go the into the underground of the each the direction neighborhood the of the street corner the to lay the to respond the coil the according to the trequest, the be the automobile to the pass by the will produce the to flow the to exhaust, the wreath the form insulates the electricity the feeling of the electric the wire to start reduce, can immediately examine pass of an automobile, and convert this signal control importation that is the programmable controller for the standard pulse signal, counteract the PLC to count, long by the hour that the certain control regulation regulates the traffic lights automatically. Keywords：PLC( Programmable Logical Controller); Trapezoid; diagram; Instruction In proper order function diagram Transportation light
目录
摘要 (I)
Abstract ............................................................................................................................. I I 第 1 章绪论 . (2)
1.1引言 (2)
1.2课题研究背景 (2)
1.3现在城市路口交通灯控制技术现状 (3)
1.4本课题主要研究内容 (3)
第 2 章PLC功能简介 (4)
2.1概述 (4)
2.2可编程控制器的发展 (5)
2.3主要用途 (7)
2.4可编程控制器特点 (7)
2.5可编程控制器的组成 (9)
2.6PLC的工作原理 (9)
2.7主要功能 (11)
2.8可编程控制技术的发展趋势 (13)
第 3 章交通灯控制电路的设计 (15)
3.1PLC正常时序 (15)
3.2I/O地址分配 (15)
3.3主程序流程图 (16)
3.4正常时序情况 (16)
3.5急车强通情况 (21)
3.6车流滞留情况红绿灯时间长度控制 (24)
3.7车流量的计算 (28)
3.8运行程序语句表 (29)
3.9运行效果 (30)
第 4 章总结 (31)
参考文献 (32)
致谢 ............................................................................................ 错误！未定义书签。

第 1 章绪论
1.1 引言
十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行,实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。

可编程序控制器(PLC) 是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,是专能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。

因此,本文介绍了三菱公司的PLC 产品来实现交通灯的自动控制。

1.2 课题研究背景
可变成序控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在日常生活中得到了广泛的应用。

PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，PLC的平均无故障运行时间（又称平均故障间隔时间MTBF）已经高达几十万小时。

其次，PLC具有通用性强，使用方便的特点。

由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。

用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线。

一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

PLC还具有功能强，适应面广的特点，现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，数值运算和数据处理等功能。

因此，它既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，既可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。

PLC 还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。

用户只需根据控制的规模和要求，适当选择PLC的型号和硬件配置，就可以组成所需的控制系统。

随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。

交通问题不仅的发展中国家，就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。

众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。

但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。

因此，不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。

与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。

事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。

早在19世纪，人们就开始研究交通信号，用信号指挥车通行，控制车辆进出交叉口的次序。

据文献记述，早在1868年，英国伦敦的威斯特明斯特(Westminster)街就安装了红、绿色两色的交通信号灯。

到1917年，美国的盐湖城开始使用由人工控制的红、黄、绿3色的信号灯。

1925年，这种由人工控制的3色信号灯也首次出现在英国伦敦的皮克的时路口。

次年，英国人研制出了自己的自动控制信号机。

道路通交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。

在这一系统中，道路不仅仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。

只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。

1.3 现在城市路口交通灯控制技术现状
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速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高澎路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。

而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。

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城市高速道路，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。

1.4 本课题主要研究内容
按照城市交通控制的需要，本文讨论了用PLC实现正常时序、急车强通2种控制方式，通过传感器与PLC完成对交通异常状况（滞留或堵车）的判别及处理。

正常时序控制对路面进行控制.南北方向红灯时,东西方向绿灯.绿灯闪3秒紧接着黄灯闪2秒,变红灯.南北方向红灯直接变绿灯.东西方向红灯时同理.
急车强通时,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通. 急车强通信号受急车强通开关控制；无急车时，信号灯接正常时序控制；有急车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。

交通滞留的异常情况，在路口与路尾设置两个传感器进行检测车流量.交通路段车流量繁忙时，传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。

当一方车流量过大的时候,PLC 要对控制这一路段的信号灯进行调控,让滞留或堵车的一方绿灯时间加长,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不必要的麻烦与事故,就、控制进行很方便,很便捷。

第 2 章PLC功能简介
2.1 概述
可编程控制器（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通用的工业自动控制装置。

它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。

特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。

因此在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。

可编程控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的程序存放在存储器中利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。

在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。

系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。

根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。

可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。

它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它的内部存储器可以执行逻辑运算、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或输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技(Computer Control Communication)相结合，不断发展完善的。

目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。

PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大. 可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC )为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。

随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。

现代PLC已经成为真正的工业控制设备。

最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。

但不久，西德的西门子(SIEMENS)公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。

70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。

三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。

70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。

由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。

小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。

据国外资料介绍:1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门(如汽车、拖拉机工业、机械工业等)、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门‘“。

近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。

如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。

可编程序控制器的分类：
PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。

因此，PLC的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、控制规模、实
现的功能进行大致的分类。

（1）按结构形式分类
PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。

整体式PLC外观上是一个长方形箱体，又称为箱式PLC。

组合式PLC在硬件构成上具有一定的灵活性，其规模可以像拼积木一样的进行组合，构成具有不同控制规模和功能的PLC，因此这种PLC又称为积木式PLC。

整体式PLC：整体式PLC的CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内，这种结构的特点是：结构简单，体积小，价格低；输入输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。

组合式PLC：组合式PLC为总线结构。

其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。

PLC的CPU、存储器和电源等做成一个模块，该模块在总线版上的安装位置一般来说是固定的，而且该模块也是构成组合式PLC所必需的。

其他的模块根据PLC的控制规模、实现的功能选取，安装在总线版的其他任一总线槽上。

组合式PLC安装完成后，需进行登记，使PLC对安装在个总线上的模块进行确认。

组合式PLC的总线板又称为基版。

组合式PLC的特点是系统构成灵活性高，可构成具有不同控制规模和功能的PLC；价格较高。

（2）按控制规模分类
输入输出的总线数，又称I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。

因此，按控制规模对PLC分类时，可根据I/O点数的不同大致分为小型、中型和大型PLC。

小型PLC：I/O点数较少，在256点以下的PLC。

中型PLC：I/O点数较多，在256点以上、2048以下的PLC。

大型PLC：I/O点数较多，在2048点以下的PLC。

（3）按实现的功能分类
按照PLC所能实现的功能的不同，可以把PLC大致的分为低档、中档、和高档机三类。

低档机：具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。

中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。

高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。

函数、表格、CRT显示、打印机打印等功能。

一般地，低档机多为小型PLC，采用整体式机构；中档机可为大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整体式结构，中型和大型PLC多采用组合式结构；高档机多为大型PLC，采用组合式结构。

目前，在国内工业控制中应用最广泛的是中、低档机。

2.2 可编程控制器的发展
20世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期。

PLC发展至今，已有30多年的历史。

伴随着半导体技术、计算机技术、通讯技术的发展，工业控制领域已有了翻天覆地的变化，PLC亦再不断发展变化中，PLC正朝着新的技术发展。

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。

在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用，仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体
应用对象特点的软件结合，加以完善。

交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。

PLC在世界各地得到了广泛应用，同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。

随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。

但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。

综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。

PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。

PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。

它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。

大型PLC使用另外一个CPU 来完成模拟量的运算。

把计算结果送给PLC的控制器。

相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。

PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。

一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。

如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。

PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。

随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。

通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。

实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器
(在工业自动化领域，可编程控制器(PLC)作为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为大多数自动化系统的设备基础。

由于综合了计算机和自动化技术，使它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。

它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。

特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。

1. 向高性能、高速度、大容量发展
大型PLC大多采用CPU结构，不断向高性能、高速度、大容量发展。

ANA系列PLC
使用了世界上第一个在一块芯片上实现PLC全部功能的32位微处理器、即顺序控制芯片，其扫描时间为每条基本指令0.15us。

2. 增强小型PLC的功能
小型PLC一般指I/O点数小于256的PLC，大多数采用整体结构，小型PLC价格便宜，性价比不断提高，很使用单机自动化，或组成分布式系统。

近年来，PLC厂商不断推出功能更强的小型PLC，更新换代的周期越来越短。

除了开关量逻辑控制功能以外，现代小型PLC还具有中断功能、脉冲捕获功能、内置的实时钟、用EEPROM代替RAM和锂电池，使PLC成为完成完全免维护的设备，将过去许多需要特殊功能模块完成的功能软件化，如用PID指令实现PID控制，用定位控制实现位置控制。

各PLC厂家近年来推出一些价格便宜的专用人机接口装置，用来监视PLC的内部变量和修改参数。

与西门子S7-200配套的TD200文本显器可显示两行中文，每行10或20个字符，可用S7-200编程软件设置TD200的显示内容。

3. 不断提高编程软件的功能
（1）编程软件日益普及
（2）编程软件功能不断完善
（3）编程语言的标准化
（4）编程软件配备仿真功能，如西门子S7-200与STEP7编程软件配套使用的S7-PLCSIM仿真软件。

（5）通讯功能的增强和标准化
（6）PLC的软件化与PC
2.3 主要用途
PLC编程一般采用易于理解和掌握的梯形图语言及面向工业控制的简单指令编制程序，非常形象直观，在了解了PLC简单工作原理和它的编程技术后，就可以结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用语实际控制系统中，此外，PLC还具有使用和编程方便，抗干扰能力强，运行稳定可靠，在实际运用中设施施工周期短等特点，是一种用于工业自动化控制的理想工具。

PLC诞生后，受到工业界的普遍欢迎，并得到迅速发展，目前，它的应用几乎覆盖了所有工业企业，而且随着PLC技术的推广和应用，PLC将向着标准化，小型化，模块化及低成本，高功能的方向发展。

3-2PLC与一般的计算机的结构相似，由中央处理单元（CPU），存储器（MEMERY），输入/输出（INPUT/OUTPUT）接口，电源部件外部设备接口等，但由于PLC专为工业环境下设计的，为了便于接线，扩充功能，操作及维护，它的结构与组成又与一般的计算机系统有所区别。

2.4 可编程控制器特点
中央处理单元（CPU）是PLC控制部件，一般由控制电路，运算器，寄存器等组成，通过地址及数据总线与存储器，I/O接口电路连接，它主要完成从存储器中读取指令并执行，然后再取下一条指令，处理中断等任务。

存储器是具有记忆功能的半导体电路，PLC的存储器包括系统程序存储器和用户程序存储器。

其中，系统程序是PLC制造厂家编写的控制和完成各种功能的程序，他们一般被固化到只读存储器（RAM）中，允许修改，并用户启动运行。

输入/输出借口电路用来连接PLC主机与外部设备。

为了提高抗干扰能力，一般的输入，输出接口均有光电隔离装置，最常用的是由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。

我们所用的OMRON CPM1A系列PLC的输入/输出借口电路图如下图所示：。