十字路口交通信号灯PLC课程设计

2010～2011学年第1学期
课程设计任务书
一、课程设计目的
本设计的目的是通过课程设计的实践，使学生巩固和深化对相关专业理论知识的理解；培养学生运用所学知识和技能，配合相关技术资料的查询，独立分析和解决生产实际中有关工业控制实际问题的能力；进一步提高学生对PLC控制系统分析、设计的能力。

二、课程设计内容（含技术指标）
（一）课题一十字路口交通信号灯PLC控制系统设计
A．控制要求：
1．系统工作受开关控制：
起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。

2．控制对象有八个：
东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个；
东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个；
东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个；
东西方向左转弯绿灯两个；
南北方向左转弯绿灯两个；
正常时段控制按纽1个；
高峰时段控制按纽1个；
晚上时段控制按纽1个。

3．控制规律：
1）正常时段按时序图1（见附图1）运行；
2）高峰时段按时序图2（见附图2）运行；
3）晚上时段按提示警告方式运行，规律为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.5 秒，暗 0.5 秒的规律反复循环。

图1 正常时段时序图
图2 高峰时段时序图
B、课题要求：
1．按题意要求,画出 PLC 端子接线图、控制梯形图。

2．完成 PLC 端子接线工作, 并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。

3. 完成课程设计说明书。

C、思考问题：
1．讲述程序设计思路、顺序功能图及工作流程。

2．交通信号灯的闪烁是如何实现的?
3．初始状态应该注意什么，需完成哪些动作？
4．顺序功能图中选择单序列还是并行序列，为什么?
5．若需将黄灯闪烁规律由亮0.5秒、暗0.5秒改为亮0.6秒、暗0.4秒，程序将如何改动？
6．如果要求：当系统故障使东南西北绿灯同时亮时，系统除自动报警外，自动关闭全部信号灯，梯形图应如何修改？
三、进度安排
1．明确设计任务和控制要求 1天
2．查阅资料，系统设计方案论证 1天
3．系统硬件选型及外部连线设计 1天
4．控制系统控制程序设计调试 2天
5．设计资料软硬件联机调试 2天
6. 设计资料汇总、撰写设计报告 2天
7. 答辩 1天
四、基本要求
通过本课程设计的实验教学有计划的培养和训练，应达到以下诸方面的要求。

1.了解可编程控制器的原理、硬件结构；
2.掌握基本的编程语言；
3.掌握系统硬件配置的方法与步骤；
4.掌握PLC软件编程与调试的操作方法与步骤。

机械电子系
2011年9月
目录
摘要 (2)
第一章绪论 (3)
第二章 PLC的基础知识
2.1 PLC的基本概念 (5)
2.2 PLC的主要特点 (5)
2.3 PLC的结构及其工作原理 (6)
第三章交通灯控制系统的设计任务、设计思路及实现方案
3.1交通灯控制系统的设计任务 (8)
3.2交通灯控制系统的设计思路 (10)
3.3交通灯控制系统的实现方案 (11)
第四章十字路口交通灯程序设计内容
4.1 十字路口交通灯模拟顺序功能图 (12)
4.2 程序设计的梯形图及语句表 (13)
4.3 可编程控制器I/O端口分配 (18)
4.4 程序运行过程和实验操作过程 (18)
第五章总结
5.1程序调试 (20)
5.2 收获与体会 (20)
致谢. (21)
参考文献. (21)
摘要
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。

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。

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，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。

十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。

关键字：PLC交通灯设计
第一章绪论
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。

但这一技术在19世纪就已出现了。

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦安装了世界上最早的煤气红绿灯。

电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。

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。

但随着社会的发展，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。

为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。

通过分析现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，我们给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。

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。

第二章 PLC的基础知识
2.1 PLC的基本概念
可编程控制器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。

PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。

国际电工委员会（IEC）先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年 2 月通过了对它的定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一种可编程的存储器，用于存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时以及计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式I/O控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。

2.2 PLC的主要特点
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

2.控制系统结构简单，通用性强
在PLC控制系统中，只需要在PLC输入/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路，大大简化了控制系统的结构。

3.编程方便，易于使用
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

4.体积小，维护操作方便
PLC体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

2.3 PLC的结构及其工作原理
2.3.1 PLC的基本结构
PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。

1.中央处理器(CPU)
中央处理器(CPU)一般由控制器运算器和寄存器组成。

它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。

用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。

2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。

(1)系统存储器
系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器，它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。

(2)用户存储器
用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。

3.输入/输出接口单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。

4. 扩展接口和通信接口
PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：
(1)扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。

(2)通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC 或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。

5.电源部分
PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位于PLC的中央处理器、存储器等中。

电路提供5V、12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。

6.编程设备
编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

7.其他部件
有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC 的存储容量和扩展功能。

2.3.2 PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2.用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控
制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

3.输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时才是PLC的真正输出。

第三章交通灯控制系统的设计任务、设计思路及实现方案
3.1交通灯控制系统的设计任务
一、课程设计目的
本设计的目的是通过课程设计的实践，使学生巩固和深化对相关专业理论知识的理解；培养学生运用所学知识和技能，配合相关技术资料的查询，独立分析和解决生产实际中有关工业控制实际问题的能力；进一步提高学生对PLC控制系统分析、设计的能力。

二、课程设计内容（含技术指标）
（一）课题一十字路口交通信号灯PLC控制系统设计
A．控制要求：
1．系统工作受开关控制：
起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。

2．控制对象有八个：
东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个；
东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个；
东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个；
东西方向左转弯绿灯两个；
南北方向左转弯绿灯两个；
正常时段控制按纽1个；
高峰时段控制按纽1个；
晚上时段控制按纽1个。

3．控制规律：
1）正常时段按时序图1（见附图1）运行；
2）高峰时段按时序图2（见附图2）运行；
3）晚上时段按提示警告方式运行，规律为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.5 秒，暗 0.5 秒的规律反复循环。

图1 正常时段时序图
图2 高峰时段时序图
B、课题要求：
1．按题意要求,画出 PLC 端子接线图、控制梯形图。

2．完成 PLC 端子接线工作, 并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。

3. 完成课程设计说明书。

3.2交通灯控制系统的设计思路
实际上由于直接用梯形图来编程比较繁琐，而且可读性较差。

我们设计先用状态转移图来编写，之后再写梯形图。

根据设计任务书上的要求，十字路口交通
灯在白天分正常时段和高峰时段。

如果把它们分别来编程的话，程序长度过长，影响PLC扫描的周期。

由任务书上的正常和高峰时段的时序图可知，它们的形状大体上相同。

如正常时段南北向的绿灯只是比高峰时段中的绿灯多亮了5秒，而黄灯还是在绿灯闪烁5次后才亮，而红灯和左拐弯灯还是在黄灯熄灭后才亮，并且是亮5秒后闪烁5次。

而东西向和上面情况一样，只是正常时段中的绿灯亮的时间和红灯灭的时间比高峰时段少5秒。

因此我们设计把正常和高峰时段和在一起来编程，用不同的开关（X1 X2）来控制。

从而简化了程序，缩短了程序的长度。

同时在编程中我们用到了选择性流程来实现白天和晚上的选择关系，用并行性流程来实现了南北向和东西向的同时运行。

3.3交通灯控制系统的实现方案
3.3.1 PLC的选择
本次设计中我们用到的是三菱工商FX系列超小型PLC FX1N-40MR,其属于
FX1N系列，是具有40个I/O点的基本单元，继电器输出型，使用的电源是DC24V。

FX1N系列PLC是三菱公司FX系列中性能优越的小型PLC，除了输入/输出独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接、运动控制、闭环控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的、性价比较高的PLC。

3.3.2定时器的选择
PLC提供的定时器相当于继电器控制系统中的时间继电器，是累计时间增量的编程元件，定时值由程序设置。

由于本次设计中用到的定时器精度不是要求的很高，故选用定时器的精度为100ms，其地址范围是T0-T199。

3.3.3计数器的选择
计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数，其设定计数值由程序设置。

本设计中用到的计数器只是用于普通的计数功能，故选用普通加计数器，其地址范围为C0—C99。

3.3.4 正常和高峰时段的合并
由于状态指令的可读性较好，易理解。

我们用状态指令来编写程序。

为了实现正常时段和高峰时段的合并，并且正确的实现目的，我们设计了如图示所示的状态图。

如图示可知，当状态S20开始时，此时如果是X1闭合X2断开的话，5秒后T0得电，而T1不会得电，状态有S20转到S21。

当S20开始时如果是X2闭合X1断开的话，5秒后T1得电，状态有S20转到S21。

由此可实现正常时段和高峰时段的合并。

同时在程序的开头通过X1和X2之间的互锁来实现正常和高峰的区分。

第四章十字路口交通灯程序设计内容4.1 十字路口交通灯模拟流程图
东西红灯亮-Y0 南北红灯亮-Y4
东西绿灯亮-Y1 南北绿灯亮-Y5
东西黄灯亮-Y2 南北黄灯亮-Y6
东西左转灯亮-Y3 南北左转灯亮-Y7
4.2程序梯形图及语句表
指令表
4.3可编程控制器I/O端口分配
根据控制要求，其I/O分配为X0:启动按钮，X1：白天正常时段控制按钮，X2：白天高峰时段控制按钮，X3：晚上控制按钮。

Y1:南北向绿灯，Y2:南北向黄灯，Y3:南北向左拐弯灯，Y4:南北向红灯，Y5:东西向红灯，Y6:东西向绿灯，Y7:东西向黄灯，Y10:东西向左拐弯灯。

4.4程序运行过程和实验操作过程
按启动按钮X0
白天
南北方向:
正常时段启动按钮X1，动作状态从S0向S20转换，绿灯Y1亮，保持接通状态，25秒后，定时器T0动作，动作状态从S20向S21，绿灯熄，0.5秒后，T2动作，动作状态从S21向S22转换，绿灯亮，计数器C0开始工作，0.5秒后，绿灯熄，闪烁中，S21 S22 的动作反复进行，计数器C0（设定值为5次），触点一接通，状态向S23转移，黄灯Y2亮，5秒后，T4触点接通，状态向S24和S27转移，左转弯Y3亮，同时红灯Y4亮。

5秒后，T5触点接通，状态转向S25，0.5秒后，T6触点接通，状态转向S26，左转弯绿灯Y3亮，同时计数器C1开始工作，0.5秒后，T7触点接通，左转弯绿灯熄，闪烁中，S25 S26 的动作反复进
行，计数器C1（设定值为5次），触点一接通，状态向S50转移。

55秒后，T8触点接通，状态转向S51，南北方向一个周期工作时间结束。

东西方向:
正常时段启动按钮X1，动作状态从S0向S30转换，红灯Y5亮，保持接通状态，45秒后，定时器T10动作，动作状态从S30向S31，绿灯亮，25秒后，T12触点接通，状态从S31向S33转换，0.5秒后，T14触点接通，状态转向S34，绿灯Y6亮，计数器C2开始工作，0.5秒后，T15触点接通，绿灯熄，闪烁中，S33 S34的动作反复进行，计数器C2（设定值为5次）触点一接通，状态向S35转移，黄灯Y7亮，5秒后，T16触点接通，状态向S36和S37转移，红灯Y5亮，同时左转弯绿灯Y10亮。

5秒后，T17触点接通，左转弯绿灯熄，状态转向S38，0.5秒后，T18触点接通，状态转向S39，左转弯绿灯Y10亮，同时计数器C3开始工作，0.5秒后，T19触点接通，左转弯绿灯熄，闪烁中，S38 S39 的动作反复进行，计数器C3（设定值为5次）触点一接通，状态向S53转移。

10秒后，T20触点接通，状态转向S53，东西方向一个周期工作时间结束。

状态指令S50 S51 S52 S53接通，状态转向S0，程序进入下一个循环。

高峰时段启动按钮X2，其动作状态与正常时段相似。

黑夜
启动按钮X3,状态从S0向S40转移，黄灯Y2 Y7亮，0.5秒后，T21触点接通，状态转向S41,黄灯Y2 Y7灭，0.5秒后，T22触点接通，状态转向S0,程序进入下一个循环。

第五章总结
5.1程序调试
调试中出现了许多的问题，刚开始时不知道是什么原因，程序总是不能按正常的要求来运行。

首先是程序不运行，检查了好久才发现只是开头有问题，应该是把状态S1放到ZRST S0 S60指令的后面，要不然的话，状态转移到S1，然后就是S0-S60的清零复位，这样的话不能够转移到下一个状态。

还有就是不循环，在一个周期内运行完全正确，而就是不循环。

光找原因就花费了有半天，到最后在大家的努力下才找到病因。

在并行汇合是要由状态来汇合，然后再返回S0，如程序中的状态S50、S51、S52、S53最后并行汇合后在转移到S0.,从而实现了循环。

由实验我们得到了我们设计的认证，通过正常时段控制按钮X1和高峰时段控制按钮X2之间的切换，从而实现了正常和高峰时段的切换。

5.2 收获与体会
在设计刚开始时，我们认为十字路口交通灯的设计是很简单的，就很兴奋的去做，刚发完任务书我们就围在一起去编程。

但我们好好看完后才发现要是把正常和高峰时段分开来编程的话，程序长度有380步左右。

我们就想把它简化，把正常和高峰时段合并在一起来编程。

但真正要把它们合并又不知道怎么动手编写，而且不知道最后能不能运行。

我们每编一步就在PLC上运用一下看程序是不是能按我们预想的那样来运行，不能运行的话还要调试、修正，不行的话还要从头来编写。

每次我们都奋战到最后关门。

不过最终我们终于完成了我们的设计，并且通过实验调试达到了预期的目的。

通过这次课程设计，我掌握了PLC的基本原理、PLC应用系统开发过程，以及常用编程设计思路技巧，并且运用自己的专业知识，通过自己的创新设计，让自己的知识运用到了实际的交通灯中。

同时我们也加强了团队之间的结合力，共同完成了我们的设计，为日后成为合格的应用型人才打下了良好的基础。

致谢
通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。

使我在PLC的基本原理、PLC应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。

在我的课程设计过程中,特别是在程序的调试过程中，徐老师、黄老师和鄢老师的悉心指导，言传身教，才让自己在困顿中不言放弃，在迷茫中毅然前进，最终完成课程设计。

在PLC课程设计的这两周时间内，每一天我们小组每个人都认真的对待。

在设计期间，我们每个人都有自己的分工，虽然在最终的设计编程过程中，每个人有自己的想法，有分歧，但是我们都能够通过交流解决。

有时通过交流解决不了的，我们就是共同来把每个人的想法编程实验。

不管怎样，特别感谢同组同学的帮助。

同时，在此期间也感谢班上的同学能够提供好的建议和帮忙。

参考文献
［1］廖常初《可编程序控制器的编程方法与工程应用》重庆大学出版社［2］钟肇新彭侃《可编程序控制器原理及应用》华南理工大学出版社［3］戴仙金《西门子S7-200系列PLC应用与开发》中国水利水电出版社［4］罗宇航《流行PLC实用程序及设计》西安电子科技大学出版社［5］张立科《PLC应用开发技术与工程实践》人民邮电出版社［6］夏辛明《可编程控制器技术及应用》北京理工大学出版社［7］石建华《PLC应用技术》电子工业出版社 [8] 瞿大中《可编程控制器应用与实验》华中科技大学出版社。