中北大学十字路口交通信号灯PLC控制系统设计

中北大学
课程设计任务书
12/13 学年第一学期
学院：信息与通信工程学院
专业：电气工程及其自动化
学生姓名：学号：
课程设计题目：十字路口交通信号灯PLC控制系统设计起迄日期：1月7日～1月18日
课程设计地点：电气工程系中心实验室
指导教师：
系主任：
下达任务书日期: 2013年1月6日
目录
1 前言 ..................................................................................... 错误！未定义书签。

2 交通信号灯PLC控制系统的总体设计 (2)
2.1 驱动部分设计 (2)
2.2 总体方案设计 (2)
3 硬件设计 (3)
3.1 I/O分析 (3)
3.3 PLC选型 (3)
4 软件设计 (4)
4.1 现场器件与PLC内部等效继电器地址编号的对照表 (4)
4.2 程序流程图 (5)
4.3 PLC与现场器件的实际连接图 (6)
4.4 程序设计 (6)
4.5 指令程序 (10)
5 结束语 (11)
参考文献 (11)
附录 ........................................................................................... 错误！未定义书签。

1 前言
随着城市经济的发展，城市规模不断扩大，虽然道路增长率、改造率迅猛上升，但由于城市人口和机动车辆的急速增加，市区交通依然显得拥挤，交通秩序混乱，特别是交叉路口经常出现拥堵情况。

城市中道路交叉口的交通信号灯系统对维护城市道路交通的秩序、保证道路交通的通畅起着十分重要的作用。

多年来交通信号灯系统在不断地进行改进，从最早的人工有线控制，到人工遥控，再到半自动控制，交通信号灯系统的自控水平在逐步提高。

但由于我国国情的特殊性，人口多、路况复杂，使得道路口的涌动现象明显，峰、谷间的流量差异大，因而交通状况的变化频繁，过去的十字路口交通灯以往采用电子逻辑线路来实现对信号灯的控制，若选用PLC来控制则是非常简单的。

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单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，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。

俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。

作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应适合社会实际情况，因此选择制作十字路口交通灯。

交通信号灯系统的智能化控制是近年来得到关注的一个课题。

通过引入动态控制系统，描述了该系统的工作原理及控制模式，给出了一种基于PLC的交通信号灯系统的动态控制方法。

该系统以地感线圈为信号采集元件，以PLC为信号处理和控制装置，具有系统结构简单、投资成本较小、现场适应能力强、时间调节范围广等特点，因而在实际的交通信号控制领域有良好的应用前景。

交通信号灯的控制系统，是城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

而PLC的飞速发展，使其在工业控制中得到了广泛应用，但是目前国内利用PLC实现交通信号灯自动控制还不是十分广泛。

本文重点讨论用PLC实现交通灯自动控制的设计方法。

2 交通信号灯PLC控制系统的总体设计
2.1 驱动部分设计
交通信号灯主要工作顺序是东西绿灯工作20s，与此同时南北红灯也工作了20s，此时东西方向黄灯和南北方向红灯同时以5Hz的频率闪烁5s，闪烁之后东西方向红灯和南北方向的绿灯同时工作30s，以上就完成了一个工作循环。

之后重复以上的动作，只到停止才结束工作循环，当再次按下启动按钮后才会工作，重复以上循环。

图2.1 十字路口交通信号灯的设置示意图
2.2 总体方案设计
交通信号灯示意图1.1如下,由于东西方向的车流量较小，南北方向的车流量较大，所以南北方向的放行（绿灯亮）时间为30s，东西方向的放行时间（绿灯亮）为20s。

当在东西（或南北）方向的绿灯灭时，该方向的黄灯与南北（或东西）方向的红灯一起以5Hz的频率闪烁5s，以提醒司机和行人注意；闪烁5s之后，立即开始另一个方向的放行，并且要求只用一个控制开关对系统迸行启停控制。

以往多采用电子逻辑线路实现对交通信号灯的控制，若选用PLC来控制则是非常简便的，从而提高交通控制系统的效率。

根据设计要求，PLC控制交通信号灯的状态波形图设计如下图所示：
t 启动SB1
南北绿灯
南北黄灯
南北红灯东西红灯
图2.2 PLC 控制交通信号灯的状态波形图
3 硬件设计
3.1 I/O 分析
经过对控制过程和要求的详细分析，明确具体的控制任务就是十字路口的交通信号灯共有12个，同一个方向的两个红、黄、绿灯的变化规律相同。

所以十字路口的交通灯的控制就是一双向（两组）红、黄、绿灯控制，每一组中的信号灯分别称为绿灯1、黄灯1、红灯1和绿灯2、黄灯2、红灯2。

输入信号是一个启动信号，而输出信号可以是12个信号或者是6个信号。

这里采用6个输出信号的方案，这就要求同一个方向的两个相同颜色、相同功能的灯并联。

如上所述，由此可以得出所需PLC 的输入点2个，输出点6个。

3.2 PLC 选型
交通信号灯PLC 控制系统是比较简单的顺序控制，则需选择具有逻辑运算、定时器、计数器等基本功能的小型PLC ，再根据其输入输出点数，可选择日本三菱FM —2N 系列的PLC 。

4 软件设计
4.1 现场器件与PLC内部等效继电器地址编号的对照表
根据图5.1先确定所使用的编程元件编号，PLC是按编号来区别操作元件的。

一般讲，配置好的PLC其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O 的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。

表4.1 现场器件与PLC内部继电器对照表
输入信号输出信号
名称代号输入点编号名称代号输出点编号
启动按钮SB1 X0 南北绿灯HL1-1
HL1-2
Y0
停止按钮SB2 X1 南北黄灯HL2-1
HL2-2
Y1
南北红灯HL3-1
HL3-2
Y2
东西绿灯HL4-1
HL4-2
Y3
东西黄灯HL5-1
HL5-2
Y4
东西红灯HL6-1
HL6-2
Y5
4.2 程序流程图
PLC控制的交通信号灯程序流程图如下：
图4-1十字路口交通信号灯的系统流程图
4.3 PLC与现场器件的实际连接图
根据表5.1画出PLC与现场器件的实际连接图。

图4-2 PLC与现场器件的连接
4.4 程序设计
十字路口交通信号灯正常工作时，按如下步骤自动进行：
交通信号灯主要工作顺序是东西绿灯工作20s，与此同时南北红灯也工作了20s，此时东西方向黄灯和南北方向红灯同时以5Hz的频率闪烁5s，闪烁之后东西方向红灯和南北方向的绿灯同时工作30s，以上就完成了一个工作循环。

为实现交通信号灯启动、停止，运用辅助继电器M0进行设计如下：
图4-3交通信号灯启动程序
为实现交通信号灯的时间设定，采用时间继电器进行设计。

东西方向设定。

T0：东西绿灯工作20s设定；T1：东西黄灯闪烁5s设定；T2：东西红灯工作30s设定；T3：东西红灯闪烁5s设定。

南北方向设定。

T4：南北绿灯工作30s设定；T5：南北黄灯闪烁5s设定，
T6：南北红灯工作20s设定；T7：南北红灯闪烁5s设定。

PLC程序设计见附录
为实现交通信号灯以5Hz的频率闪烁5s的功能，通过两个时间继电器T8、T9互锁来实现产生0.2s的时钟脉冲，程序设计如下图。

图4-4 交通信号灯脉冲程序设计
为实现东西绿灯工作20s，通过以下程序来实现要求。

图4-5 东西绿灯工作程序设计
为实现东西黄灯闪烁5s，通过以下程序来实现要求。

图4-6东西黄灯闪烁程序设计
为实现东西红灯工作30s后又闪烁5s，通过以下程序进行设计。

图4-7 东西红灯工作程序设计
为实现南北红灯工作20s后又闪烁5s，通过以下程序进行设计。

图4-8 南北红灯工作程序设计
为实现南北绿灯工作30s,通过以下程序来实现要求。

图4-9南北绿灯工作程序设计
为实现南北黄灯闪烁5s的工作，采用以下程序实现。

图4-10 南北黄灯工作程序设计
4.5 指令程序
结束语
在这不到一周的课程设计中，能学到的东西真的很有限，但是不能说一点收获都没有，我想我知道了一般机电传动系统的设计框架而且我也掌握了设计一个机电传动控制系统的步骤，我想本次课程设计是我们对所学知识运用的一次尝试，是我们在机电知识学习方面的一次有意义的实践。

课程设计是大学学习阶段非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次课程设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合，锻炼了综合运用所学的专业基础知识的能力，提高了查阅文献资料、设计手册的能力，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，使得能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，毅力及耐力也都得到了不同程度的提升。

在本次课程设计中，我独立完成了自己的设计任务，通过这次设计，弄懂了一些以前书本中难以理解的内容，加深了对以前所学知识的巩固。

在设计中，通过老师的指导，使自己在设计思想、设计方法和设计技能等方面都得到了一次良好的训练。

参考文献
陈宏钧.可编程控制器课程设计指导书[M].天津：天津大学出版社.2001
钟肇新，王灏.可编程控制器入门教程[M].广州：华南理工大学出版社.1999
邓星钟.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社.2001
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谭维瑜.电机与电气控制[M].北京：机械工业出版社.1999
许缪.工厂电气控制设备[M].北京：机械工业出版社.1999
石玉珍.电气制图及图形符号国家标准汇编[M].上海：中国标准出版社：1989
姜培刚，盖玉先.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社.2004.
张海根.机电传动控制[M].北京：高等教育出版社.2001.
何存兴，张铁华.液压传动与气压传动[M].武汉：华中科技大学出版社.2000.
附录
交通信号灯的梯形图设计:。