基于PLC的红绿灯设计-电气信息工程系课程设计

基于PLC的红绿灯设计-电气信息工程系课程设计
第1章绪论
随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。

马路上经常会看到这种现象：一旦整个路口的交通信号灯出现故障，若没有交警的及时疏导，该路口就会塞得一塌糊涂，甚至造成严重的交通事故。

原交通信号控制大都采用继电器或单片机实现，存在着功能少，可靠性差，维护量大等缺点，越来越不能适应城市道路交通高速发展的要求。

另外，根据人车流量的多少，可能随时增加路口的交通信号，比如增加转弯或人行道交通信号，原有系统的制约性就更加明显了。

为了弥补原交通信号灯系统存在的以上缺点，我们引入了基于PLC控制的交通信号等控制系统。

本文对十字路口交通信号灯控制系统，运用可编程逻辑器件PLC做了软件与硬件的设计，能基本达到控制要求。

系统仅实现了小型PLC系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析，研究和调试工作。

如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多，更深入的研究。

1.1设计主要技术参数及要求：
1.控制按钮：
系统工作状态受开关控制，启动开关ON则系统工作，启动开关OFF则系统停止工作；
2.控制对象：
南北主干道和东西主干道各有六个交通灯，其中左转有红、黄、绿三个；直行有红、黄、绿三个；南北人行道和东西人行道各有红、黄、绿三个交通灯。

3.控制规律：
（1）正常循环按下启动按钮，交通灯开始工作，先亮南北方向绿灯和东西方向红灯，主干道南北方向左转绿灯亮10S，黄灯亮2S后红灯亮；左转绿灯灭的同时直行绿灯亮，持续30S，绿灯闪亮3S,黄灯亮2S后，红灯亮。

当南北主干道红灯全亮时，东西主干道按照南北主干道相同的规律依次点亮左转和直行方向灯。

人行道上的红、黄和绿灯与同方向主干道上的直行灯运行方式相同。

（2）急车强制通过控制急车的强通受强通开关控制。

无急车时，按正常循环运行，有急车来时，打开急车强通开关，不管原来信号灯的状态，一律让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过，断开急车强通开关，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3S,随后按正常时序控制。

1.2设计方案的选择
基于以上设计的要求我选择使用PLC来实现十字路口交通灯的设计。

1.2.1 PLC的选择
PLC发展到了今天，已经形成了大，中，小各种规模的系列产品。

可以用于各种规模的工业监测和控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多还具有完善的数据运算能力，因而可用于各种数字控制领域。

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸几乎小于100mm,重量小于150g,功耗数瓦。

由于体积十分小从而很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

近年来PLC的功能单元大量涌现，这使得PLC渗透到了温度控制，位置控
制和CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的快速发展，使用PLC组成的各种控制系统变得非常容易。

PLC用于存储逻辑代替接线逻辑从而大大减少控制设备外部的接线，这使得控制系统设计及建造的周期大为缩短，与此同时维护也变得更加容易起来。

最重要的是使同一设备经过了改变程序改变使得生产过程成为可能。

这很适合多品种，小批量的生产场合。

目前生产可编程控制器的厂家很多，并且每个厂家本身生产的产品也不尽相同，但就其基本构造和指令都相近，因此只需从中选择一款适合控制系统要求的PLC即可。

本次交通灯设计用的是来自OMRON的SYSMAC CPM2A型小型可编程控制器，它是日本OMRON公司生产的小型可编程控制器，其特点是：体积小：结构紧凑：价格低廉。

1.OMRON的SYSMAC CPM2A输入输出点数
输入点数：36点，分3个通道，每个通道12点。

编号：00通道；0000-0011
01通道；0100-0111
02通道；0200-0211
输出点数：24点，分3个通道，每个通道8个点。

编号：10通道；1000-0011
11通道；1100-1107
12通道；1200-1207
输入点数+输出点数=36+24=60称为输入输出点数60点。

2.CPM2A内部继电器
○1.工作位；（内部辅助继电器）
共有：928个。

编号：02000-04915 20000-22715
○2.计时器/计数器
共有：256个。

编号：TIM/CNT0-TIM/CNT255
○3.暂时继电器
共有：8个。

编号：TR0-TR7 用于母线右移
第2章交通信号灯系统的控制要求
2.1十字路口交通灯布置图
十字路口交通灯示意图如图2-1所示，在十字路口的东、西、南、北方向装有主干道“红绿黄”灯其中主干道的“红绿黄”灯又分为左转“红绿黄”灯和直行“红绿黄”灯。

具体的交通灯的布置如下。

1.南北主干道
南北主干道的交通灯有6个，分别是左转红灯、左转绿灯、左转黄灯、直行红灯、直行绿灯和直行黄灯。

2.东西主干道
东西主干道的交通灯也有6个，分别是左转红灯、左转绿灯、左转黄灯、直行红灯、直行绿灯和直行黄灯。

图2-1 十字路口交通灯示意图
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2.2控制系统的控制要求
交通灯控制系统的要求是能实现“正常循环运行”和“机车强行控制”
两种控制方式。

1.正常循环运行
按下启动按钮后，交通灯控制系统开始工作，先亮南北向左转绿灯，持续亮１０Ｓ，左转黄灯，持续亮２Ｓ，左转红灯，持续亮７８Ｓ；左转绿灯灭的同时直行绿灯亮，持续３０Ｓ，绿灯闪亮３Ｓ，黄灯２Ｓ和红灯亮４５Ｓ。

当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮左转绿灯，直行绿灯，绿灯闪亮和黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮左行绿灯，直行绿灯，绿灯闪亮和黄灯；这样一直循环运行。

2.急车强通控制
（1）急车强通控制受强通开关控制。

无急车时，按正常循环时序控制，有急车来时，打开急车强通开关控制，不管原来信号状态如何，一律强制让急车行车方向的绿灯亮，直到急车能过为止，断开急车强通开关，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮３Ｓ。

随后按正常时序控制。

(2)车强通信号只能响应一条路上的来车，若两条交叉的路（东西或南北）先后都来车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。

第3章交通信号灯系统的ＰＬＣ程序运行
3.1 系统资源分配
1. 数字量输入/输出部分
这个控制系统的输入共有6个输入点：启动按钮、停止按钮、东西方向强通开和关、南北方向强通开和关。

输出有东西方向主干道“红黄绿”交通灯、东西方向左转“红黄绿”交通灯、南北方向主干道“红黄绿”交通灯、南北方向左转“红黄绿”交通灯，共12个交通灯。

具体的输入输出分配表如表3-1所示：
表3-1数字量输入输出地址分配
3.2 源程序设计思想
1. 闪烁计时器程序
闪烁计时器程序用来控制南北方向和东西方向直行绿灯闪烁3S。

具体设定为：1S为一个周期，亮0.5S，暗0.5S，这样持续3S
2. 南北方向运行程序
(1) 南北主干道左转绿灯运行程序
在正常情况下，按下启动按钮或者南北方向左转红灯亮７８Ｓ后亮，１０Ｓ后熄灭；强通情况下，东西方向强通按钮按下时灯亮，南北方向强通按钮按下时灯灭。

(2) 北主干道左转黄灯运行程序
在正常运行情况下，当南北主干道左转绿灯亮１０Ｓ后，南北主干道左转黄灯点亮，亮２Ｓ后熄灭；当南北方向或东西方向强通按钮按下后，南北主干道黄灯不管处在什么状态，都要立即熄灭。

(3) 南北主干道左转红灯运行程序
在以下两种情况下左转红灯亮：正常运行时，当南北主干道左转黄灯亮２Ｓ；东西方向强通按钮按下后。

在以下两种情况下左转红灯灭：正常运行情况时，当左转红灯亮７８Ｓ后熄灭；南北方向强通按钮按下时。

(4) 南北向直行绿灯运行程序
在正常情况下，当南北方向左转绿灯亮１０Ｓ后直行绿灯点亮，亮３０Ｓ后开始闪亮，闪亮３Ｓ后熄灭；强通情况下，当南北按钮按下时，南北方向直行绿灯亮，直至断开急车强通开关，然后闪亮３Ｓ后熄灭；当东西强通按钮按下时，南北向直行绿灯灭。

(5) 南北向直行黄灯运行程序
在正常情况下，当南北方向直行绿灯闪亮３Ｓ后直行黄灯点亮，亮２Ｓ后熄灭；当南北方向或东西方向强通按钮按下后，南北主干道黄灯不管之前处在什么状态，都要立即熄灭。

(6) 南北向直行红灯运行程序
在正常情况下，当南北方向直行黄灯亮２Ｓ后直行红灯点亮，亮４５Ｓ熄灭；强通情况下，当东西强通按钮按下时，南北向直行红灯亮，直至断急车强
通开关；当南北强通按钮按下时，南北向直行红灯灭。

2.东西方向运行程序
（1）东西主干道左转绿灯运行程序
东西主干道左转绿灯运行程序在正常情况下，当南北方向直行黄灯亮２Ｓ后东西向左转绿灯亮，１０Ｓ后熄灭；强通情况下，南北方向强通按钮按下时绿灯亮，东西方向强通按钮按下时绿灯灭。

(2) 东西主干道左转黄灯运行程序
在正常运行情况下，当东西主干道左转绿灯亮１０Ｓ后，东西主干道左转黄灯点亮，亮２Ｓ后熄灭；当东西方向或南北方向强通按钮按下后，东西主干道左转黄灯不管处在什么状态，都要立即熄灭。

(3) 东西主干道左转红灯运行程序
在以下两种情况下左转红灯亮：正常运行时，当东西主干道左转黄灯亮２Ｓ；南北方向强通按钮按下后，在以下两种情况下左转红灯灭：正常运行情况时，当左转红灯亮７８Ｓ后熄灭；东西方向强通按钮按下时。

(4) 东西向直行绿灯运行程序
在正常情况下，当东西方向左转绿灯亮１０Ｓ后直行绿灯点亮，亮３０Ｓ后开始闪亮，闪亮３Ｓ后熄灭；强通情况下，当东西强通按钮按下时，东西向直行绿灯亮，直至断开急车强通开关，然后闪亮３Ｓ后熄灭；当南北强通按钮按下时，东西向直行绿灯灭。

(5) 东西向直行黄灯运行程序
在正常情况下，当东西方向直行绿灯闪烁３Ｓ后直行黄灯点亮，亮２Ｓ后熄灭；当南北方向或东西方向强通按钮按下后，东西主干道直行黄灯不管处在什么状态，都要立即熄灭。

(6) 东西向直行红灯运行程序
在正常情况下，当东西方向直行黄灯亮２Ｓ后直行红灯点亮，亮55S后熄灭；强通情况下，当南北强通按钮按下时，东西向直行红灯亮，直至断开急车强通开关；当东西强通按钮按下时，东西向直行红灯灭。

3.东西方向强通程序
东西方向强通按钮按下时，东西强通辅助继电器得电，十字路口的交通灯按照控制要求亮或灭。

同时，产生一个脉冲使东西向绿灯闪烁辅助继电器得电，闪烁完毕后辅助继电器失电。

4. 南北方向强通程序
南北方向强通程序和东西方向的类似。

5.十字路口交通灯控制流程图如图3-2所示：
图3-2 十字路口交通灯控制流程
第4章编程软件4.1程序的时序图
程序的时序图如图4-1所示：
图4—1 时序图
4.2程序的梯形图
程序的梯形图如图4-2所示：
图4-2 程序的梯形图
4.3程序的PLC连线图
程序的PLC连线图如图4-3所示：
图4-3 PLC连线图
通过本系统的设计，对欧姆龙CPM2A系列ＰＬＣ的特点有了理解。

十字路口交通灯控制系统利用了欧姆龙CPM2A系列PLC的特点，对按钮、开关、交通等输入/出点进行控制，实现了十字路口交通灯控制中的自动化。

欧姆龙CPM2A PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，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。

PLC还具有功能强，适应面广的特点。

今天的PLC已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发展，不仅在交通灯中控制自如，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。

由PLC控制十字路口的指示灯维护方便可按需要随意修改指示灯亮的时间更是体现了城市管理工作的现代化。

我国人口众多交通路道拥挤已严重制约经济快速持续发展，影响人们的日常生活。

本系统作为城市十字路口交通信号的控制系统，为我国“智能交通系统“全面开展提供了有利的支持，具有一定的实践价值。

历时两周的课程设计终于完成。

在这段时间里，我充分的运用大二下学期学的专业知识，来完成本次的课程设计任务。

这次设计是在指导老师柏逢明老师的指导下才顺利的完成。

柏老师给了我无私的帮助，在设计中时时为我答疑解惑，不惜牺牲自己的休息时间对我悉心教导，使我的设计做的很顺利，柏老师渊博的专业知识和平易近人，每一点点都在感动着我，在这里我想真诚的向柏老师说一声谢谢，老师您辛苦了！
同时，我也想感激我的老师程凤芹老师，虽然不是她带我们班做设计，但是他对我们班的同学也是非常的关心，在我们不会的问题方面她也是非常认真的给我们讲解，而且还可以在她百忙之中抽出时间帮我们看设计，在这方面我非常的敬佩程老师，在此我也向程老师说一声谢谢！
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参考文献
1、顾桂梅等著，电气控制与PLC应用项目教程。

[M]北京：机械工业出版社，2010年
2、史国生，电气控制与可编程控制器技术。

[M]北京：化学工业出版社，2003
3、孙振强，可编程控制器原理及应用教程。

[M]北京：清华大学出版社，2006
4、阮友德，电气控制与PLC实训教程。

[M]北京：人民邮电出版社，2006
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[M]北京：电子工业出版社，2010
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