十字路口交通灯控制系统的plc程序设计教材

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湖北轻工职业技术学院机电工程系毕业设计
2011级
题目：十字路口交通灯控制系统的PLC程序设计
专业：机电一体化
班级：机电4班
姓名：
学号：
指导教师：
设计题目﹕十字路口交通灯控制系统的PLC程序设计
指导教师姓名﹕
职务或职称﹕教师
毕业设计的任务﹕
1、交通灯的相关知识，包括产生、发展等；
2﹑控制电路、PLC的选型和接线图等；、本课题的研究目的与意义；
3、硬件的设计，系统软件设计。

4、主要是程序的编写；
5、仿真、实验结果和总结。

毕业设计具体要求﹕
查阅资料（要求书籍五本以上，文献资料十篇以上），独立按时完成毕业设计；能够选定自己需要的单片机型号，设计出系统原理图，并写出符合要求的论文（论文一万字以上）。

毕业设计评分表
专业班级技师电气091 学号097110128 姓名张军革课题名称十字路口交通灯控制系统的PLC程序设计指导老师评分（50分）答辩小组评分（50分）
工作量(5分)
文
献
阅
读
(5分)
学术
水平
与实
际能
力
(10分)
综合
应用
知识
的能
力
(15分)
文
字
图
表
(5分)
学
习
态
度
(10分)
工
作
量
(5分)
文
献
阅
读
(5分)
学术水
平与实
际能力
(15分)
综合应
用知识
的能力
(10分)
文
字
图
表
(5分)
答
辩
意
见
(10分)
小计
答辩小组评议答辩组长签名：
年月日
企业专家评议企业专家签名：
年月日
目录
前言 (8)
一. 交通灯的发展概述 (9)
二. 课题背景及意义 (10)
三. 课题任务级要实现的主要功能 (11)
第一章PLC的特点及应用 (12)
1.1 概述 (12)
1.2 PLC的特点 (13)
1.3 PLC的应用 (13)
第二章PLC的结构及原理 (15)
2.1 PLC的分类 (15)
2.2 PLC的结构 (15)
2.3 PLC的工作原理 (16)
2.4 PLC汇编语言 (16)
2.5 PLC的基本指令 (18)
2.6 PLC交通灯毕业设计编程器件 (22)
第三章梯形图的设计与编程方法 (22)
3.1 控制要求 (22)
3.2 控制时序 (22)
3.3 PLC交通灯毕业设计硬件及外围元器件 (23)
第四章程序设计 (25)
4.1 PLC交通灯毕业设计梯形图 (26)
4.2 PLC交通灯毕业设计指令图 (28)
4.3 软件设计 (31)
第五章PLC交通灯毕业论文设计总结 (31)
谢辞 (32)
参考文献 (32)
前言
当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。

社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。

人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。

所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。

PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率.
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。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

由于PLC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“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。

因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。

同时，PLC本身还具有通讯联网功能，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。

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。

PLC 可编程序控制器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。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。

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,PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

由于PLC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“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便地实现。

因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。

同时,PLC本身还具有通讯联网功能,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.
一. 交通灯的发展概述
道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。

适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。

交通信号灯的种类有:机动车道信号灯,人行横道信号灯,非机动车道信号灯,方向指示信号灯,移动式交通信号灯,太阳能闪光警告信号灯,收费站天棚信号灯. 交通信号灯是交通信号指挥中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。

交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。

分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。

广泛用于公路交叉路口，弯道、桥梁等存有安全隐患的危险路段，指挥司机或行人交通，促进交通畅通，避免交通事故和意外事故发生。

红绿灯的历史其实并不复杂。

从最初发明时的手牵皮带转动灯箱，到20世纪开始的电气控制，从采用计算机控制到电子监控感应，其发展不超过150年1859年10月，英国一位纺纱工人想出一个用灯光颜色控制交通的办法，他制造了一盏有活动遮沿设备的油灯带到伦敦，可惜这个发明并未引起政府重视，后来由于英国议会大厦前时常出现马车撞人事故，人们才再次重拾这项发明。

世界上第一盏正式投入使用的交通信号灯出现在1868年12月10日，这盏身高 7米，由德?哈特设计的红绿两色煤气灯出现在议会大厦前的十字路口。

一位警察手持长杆牵动皮带转换红绿两色：红灯停，绿灯行。

据说，英国人之所以选择这样的颜色，是因为在当时的英国，妇女着红装代表已婚，绿装代表未婚。

可惜的是，这盏灯的历史只有23天，中断的原因是煤气灯突然爆炸使一位警察殉职。

交通信号灯便在美国人的系统性实验中不断进化，1914年，克里夫兰市率先在街道中恢复交通信号灯，随后纽约、芝加哥等城市也开始出现。

这时的交通信号灯已从煤气进化为电气，这与现代的交通信号灯已经没有多少差距，除了信号灯本身，美国人还完善了信号控制系统，1917年，美国盐湖市开始使用联动式信号系统，他们把六个交叉路口作为一个系统，以人工方式加以集中控制。

美国还最早使用车辆感应式控制器，20世纪30年代，他们已经开始根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，到了50年代，美国人已经运用计算机系统调节红绿灯，并逐渐完善为今天的智能交通系统。

除了1926年英国人发明自动化控制器管理红绿灯外，20世纪早期的主要技术进步都是美国人带来的，美国专利商标局专利数据库显示，从1910年11月29日到1913年11月20日之间，共有60项与交通信号灯有关的发明获得专利。

而还有很多由警察等公共部门创造的技术，没有申请专利
1961年，心理学家卡尔?佩格劳为东德交通部设计了一种新的行人信号灯，与现在我们使用的人型信号灯不同的是，卡尔?佩格劳的设计中，原本单调的图案，不但变成了一个站立的和一个行走的行人形象，而且两人体型肥胖，带着
帽子，动作略显夸张。

比起呆板木讷的西德红绿灯小人，东德的小人面积更大，手臂和腿部更为突出，传递的视觉信号更为明显，形象也更可爱。

这个信号灯于1969年首次出现在东柏林的弗里德里希大街和菩提树下大街的十字路口，受到政府的认可和民众的喜爱，并很快推广到全东德，不但出现在街头，还出现在学生的教材中。

二. 课题背景及意义
交通信号灯发展至今在灯光表示上已经基本能完全能适应道路的所有的状况，绿灯信号是准许通行信号。

按《交通安全法实施条例》规定：绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍被放行的直行车辆和行人通行。

红灯信号是绝对禁止通行信号。

红灯亮时，禁止车辆通行。

右转弯车辆在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下，可以通行。

红灯信号是带有强制意义的禁行信号，遇此信号时，被禁行车辆须停在停止线以外，被禁行的行人须在人行道边等候放行；机动车等候放行时，不准熄火，不准开车门，各种车辆驾驶员不准离开车辆；自行车左转弯不准推车从路口外边绕行，直行不准用右转弯方法绕行。

黄灯亮时，已越过停止线的车辆，可以继续通行。

黄灯信号的含义介于绿灯信号和红灯信号之间，既有不准通行的一面，又有准许通行的一面。

黄灯亮时，警告驾驶人和行人通行时间已经结束，马上就要转换为红灯，应将车停在停止线后面，行人也不要进入人行横道。

但车辆如因距离过近不便停车而越过停止线时，可以继续通行。

已在人行横道内的行人要视来车情况，或尽快通过，或原地不动，或退回原处。

为持续闪烁的黄灯，提示车辆、行人通行时注意瞭望，确认安全后通过。

这种灯没有控制交通先行和让行的作用，有的悬于路口上空，有的在交通信号灯夜间停止使用后仅用其中的黄灯加上闪光，以提醒车辆、行人注意前方是交叉路口，要谨慎行驶，认真观望，安全通过。

在闪光警告信号灯闪烁的路口，车辆、行人通行时，即要遵守确保安全的原则，同时还应遵守没有交通信号或交通标志控制路口的通行规定。

方向信号灯是指挥机动车行驶方向的专用指示信号灯，通过不同的箭头指向，表示机动车直行、左转或者右转。

它由红色、黄色、绿色箭头图案组成。

车道灯由绿色箭头灯和红色×形灯组成，设在可变车道上，只对本车道起作用。

绿色箭头灯亮时，准许本车道车辆按指示方向通行；红色叉形灯或者箭头灯亮时，禁止本车道车辆通行。

人行横道灯由红、绿两色灯组成。

在红灯镜面上有一个站立的人形象，在绿灯面上有一个行走的人形象。

人行横道灯设在人流较多的重要交叉路口的人行横道两端。

灯头面向车行道，与道路中心垂直。

人行横道灯信号有绿灯亮、红灯亮两种信号，其含义与路口信号灯信号的含义相似，即绿灯亮时，准许行人通过人行横道；红灯亮时，禁止行人进入人行横道，但是已经进入人行横道的，可以继续通过或者在道路中心线处停留等候。

三. 课题任务级要实现的主要功能
信号灯主要实现的功能是：当信号机通电开始运行时信号机应先进行自检，然后相位先进入黄闪信号，持续时间至少10s，时间可设；在黄闪信号结束后应进入全红状态，持续时间至少5s，时间可设；然后，信号机按预设置的方式运行。

机动车、非机动车、行人过街信号基本转换序是：红→绿→绿闪（可设）→黄（可设，人行灯无）→红；在控制方式转换、配时方案变化时，信号显示状态应实现平滑过渡。

信号机可通过操作面板或中心控制软件进行控制方式的设置和信号参数的调整，并按设置的控制方案正常运行。

在进行协调控制时，协调控制式信号机可以通过通信接口接受并执行上位机的各项控制指令。

信号灯应具有故障检测功能即：信号机具备完备的故障监测功能，故障发生后应采取适当措施，并发出故障警示信号。

信号机无法正常工作时，可通过独立的黄闪控制装置将信号输出切换为黄闪状态，保证路口通行安全。

比如发生以下严重故障（绿冲突故障、信号组所有红灯均熄灭、信号灯组红绿同亮等），信号机应立即进入黄闪或关灯状态；发生以下故障（黄灯故障、通信故障、检测器故障等），信号机应能够在功能降级的情况下继续运行。

信号机能对所有在运行期间采集的故障信息进行存储记录。

在发现故障时，应能能上传故障信息。

信号机采用循环覆盖的方式记录故障信息，能对故障记录信息进行人工清除。

所存储的信息应能在信号机查看，也可在指挥中心上显示、查阅。

除此之外还应具备时间设置、紧急情况处理、即具体情况手动控制等功能。

在紧急情况下，设置交通灯状态为：
全红：东南西北所有方向禁止通行。

南北红、东西绿：南北方向禁行;东西方向通行。

南北绿、东西红：南北方向通行；东西方向禁行。

第一章 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。

长期以来，PLC始终处于电气自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎力之势，同时，PLC也承受着来自其他技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。

目前，全世界PLC 生产厂家约200家，生产300多种产品。

国内PLC市场仍以国外产品为主，如三菱，GE，A-B，OMRON的产品。

经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规范的生产能力和品牌产品，可以说PLC在我国尚未形成制造生产业化。

在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广，专家估计，2000年PLC的国内市场销量为15-20万套，约25—35亿元人民币，年增长率约为20%。

预计到2005年全国PLC需求量将达到25万套左右，约35—45亿元人民币。

PLC市场反映了全世界制造业的状况，2000后大幅度下滑。

但是，按照Automation Research Corp的预测，尽管全球经济下滑，PLC市场将会复苏，估计全球PLC市场在2000年为76亿美元，到2005年底将回到76亿美元，并继续略微增长。

微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。

在基于PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂贵。

但是最近几年，微型PLC已经出现，价格只有几百欧元，随着软PLC控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软PLC组态软件和PC-based控制的市场份额将逐步达到增长。

当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展，PLC 也不例外。

现在越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口。

可以相信，PLC 将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。

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
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。

PID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、食品工业中的一些大型控制系统。

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。

第二章 PLC 的结构及原理
2.1 PLC 的分类 1 按plc 的结构形式分类：1）整体式；2）模块式。

2 按plc 的I/O 点数分类：1）小型256点以下；2）中型256点以上，2048
点以下；3）大型2048点以上。

3按plc 功能分类：抵挡型，中挡型，高档型。

2.2 PLC 的结构
PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算
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。

PLC 的基本结构框图如下： 接受 驱动 现场信号 受控元件 2.3 PLC 的工作原理
1.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 输入接口部件 中央处理单元 CPU 板
电 源 部 件
接
口部
件
输
出
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。

2.4 PLC 汇编语言 采用面向控制过程，面向问题，简单直观的plc 编写横语言，常用的有：梯
形图，语句表，功能图等。

1. 梯形图：由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但
梯形图编程语言功能更强更方便。

主要特点：
1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。

每一逻辑
行，起使左母线。

2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电
器”
3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。

4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入
接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。

2.语句表：又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编
程。

例：下图是三菱公司的FX2N 系列产品的最简单的梯形图例：
X000 X001 Y000
X010
END
它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。

第二组仅一个END指令，用以结束程序。

梯形图与助记符的对应关系：助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。

一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。

有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。

上图的助记符程序为：
地址指令变量
0000 LD X000
0001 OR X010
0002 AND X001
0003 OUT Y000
0004 END
反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图
2.5 PLC的基本指令
1 输入输出指令（LD/LDI/OUT）
下面把LD/LDI/OUT三条指令的功能、梯形图表示形式、操作元件
以列表的形式加以说明：
符号功能梯形图表示操作元件
LD（取）常开触点与母线相连 X，Y，M，T，C,S
LDI（取反）常闭触点与母线相连 X，Y，M，T，C,S OUT（输出）线圈驱动 Y，M，T，C，S,F LD与LDI指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。

OUT 指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、
计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。

输出指令用于并行输
出，能连续使用多次。

X000 Y000 地址指令数据
0000 LD X000
0001 OUT Y000
2 触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI）
符号（名称）功能梯形图表示操作元件
AND（与）常开触点串联连接 X，Y，M，T，C,S
ANDI（与非）常闭触点串联连接 X，Y，M，T，C,S
OR（或）常开触点并联连接 X，Y，M，T，C，
S
ORI（或非）常闭触点并联连接 X，Y，M，T，C，S
AND、ANDI指令用于一个触点的串联，但串联触点的数量不限，这两
个指令可连续使用。

OR、ORI是用于一个触点的并联连接指令。

X001 X002 Y001 地址指令数据
0002 LD X001 X003 0003 ANDI X002
0004 OR X003
0005 OUT Y001
3 电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）
符号（名称）功能梯形图表示操作元件
ORB（块或）电路块并联连接无
ANB（块与）电路块串联连接无
含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连
接时，支路的起点以LD或LDNOT指令开始，而支路的终点要用ORB指令。

ORB指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，ORB指令不表示触
点，可以看成电路块之间的一段连接线。

如需要将多个电路块并联连接，
应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令，用这种方法编程时并联电路
块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电
路块的末尾集中写出ORB的指令，但这时ORB指令最多使用7次。

将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用ANB指令，
各并联电路块的起点，使用LD或LDNOT指令；与ORB指令一样，ANB指令
也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之
后使用一个ANB指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中使用ANB指令，最多使用7次。

ANB
X000 X002 X003 Y006。