十字交叉道口交通灯控制系统PLC课程设计教材

中北大学
课程设计说明书
学生姓名：学号：
学院：信息商务学院
专业：电气工程及其自动化
题目：十字交叉道口交通灯控制系统PLC设计
指导教师：付巍职称: 讲师
指导教师：常晓丽职称: 讲师
2013年1月6日
中北大学
课程设计任务书
12/13 学年第一学期
学院：信息商务学院
专业：电气工程及其自动化
学生姓名：学号：
课程设计题目十字交叉道口交通灯控制系统PLC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：付巍常晓丽
系主任：王明泉
下达任务书日期: 2013年1月6日
课程设计任务书
课程设计任务书
1 引言
随着经济的发展，车辆急剧增多，城市道路交通堵车现象日益严重。

因此，许多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速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，也决定了其交通状况必然受高速道路与普通道路耦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有待解决的主要问题。

鉴于当前实际中，一般在主干道是行车道而次道是人行横道和一些非机动车通行的十字马路处的交通灯仍然采用固定通行的一般的交通灯系统。

这样的系统，不利于提高道路的利用率，也不利于主要车道的通行，在没有行人需要通过人行横道的时候，主要车道上的行人也必须在停止线以外停车侯本车道绿灯亮[1]。

现在提出了一种全新的思路来解决此类问题，在有行人请求的情况下才会使主要车道的红灯点亮，禁止机动车通行，给行人通过的时间。

而平时则主干道上一直绿灯亮，允许车辆快速通行，这样可以大大提高主干道利用率，缓解日益严重的交通拥堵。

文中采用PLC来实现带有人行横道请求的十字马路交通灯控制系统的设计。

2 课程设计的目的与要求
通过PLC课程设计，进一步掌握PLC的原理和系统设计方法。

培养和锻炼应用PLC的能力。

为今后实际应用和设计PLC系统打下良好的基础。

要求了解
PLC控制系统设计的全过程，熟悉PLC系统设计的相关内容，掌握系统的方法和步骤。

主要包括：系统工艺过程和控制要求；系统分析和方案论证、系统功能图；硬件设计、程序设计；系统的调试步骤和方法。

完成一个小型系统上位机和下位机的设计[2]。

2.1 价值与理论意义
随着社会的发展和进步，上路的车辆越来越多，而道路建设却往往跟不上城市发展的速度。

因此城市交通的问题日益突出，经常在十字路口等交通繁忙的地方发生堵塞情况。

在这个时候，而PLC编程简单、易维护，可以随着不同场合的需要灵活改变程序以实现不同的功能需求，而且可靠性高，性价比较好，最重要的是PLC很适合来控制交通信号灯这类的时序控制系统。

3 控制系统分析
3.1 控制要求和工艺过程
路口南北向亮绿灯（东西向亮红灯）45秒后，南北向绿灯闪烁10秒，南北向黄灯再闪烁3秒（此时东西向仍亮红灯），然后东西向亮绿灯（此时南北向红灯），经过45秒后，东西向绿灯闪烁10秒，东西向黄灯再闪烁3秒（此期间南北向仍为绿灯），然后转为南北向绿灯（东西向红灯），重复以上。

如遇紧急情况，可以通过外部控制将某一方向强制为绿灯闪烁10秒，黄灯闪烁3秒后转为红灯，另一个方向为绿灯，以利于急救车、消防车通行。

如此循环工作。

交通灯控制电路状态表如下表3-1：
表3-1 交通灯控制电路状态表
注：0表示灯灭，1表示灯亮
十字路口交通灯示意图
3.2 方案论证
随着工业自动化水平的不断提高，在自动控制技术扮演重要较色的两个器件单片机与PLC 越来越受到工程设计人员的重视，PLC 与单片机在本质上是一样的，它们的发展都是基于微处理器的技术，PLC在实质上都是计算机。

PLC是建立在单片机上的一种产品，因为很多 PLC内部就是用单片机[3]。

实际上，PLC 内部的单片机芯片都是工业级的，其他的器件也经过了标准化处理，所以 PLC 的稳定性和抗干扰性远远优于普通民用级的单片机，但是成本与价格也相应翻了不止几十倍。

单片机系统体积小，价格低，适用于大批量重复生产的民用消费品，特别是仪器仪表以及小型的控制系统[4]。

在单片机系统与PLC系统都能满足系统要求时若控制系统对安全抗干扰性有较高要求时宜采用PLC设计方案。

我们本次的设计采用的是 PLC，原因首先是我们所学课程的课程设计要求，其次是采用单片机进行设计会增加设计的周期以及设计的难度，而采用PLC进行设计可以缩短设计周期降低设计难度，而且十字路口交通灯控制系统对安全性能抗干扰性要求较高，所以本次设计处理器采用西门子PLC200。

PLC 是专为工业生产自动化控制设计的，可以直接应用于任何无保护措施的工业环境。

随着工业现代化的进一步发展，PLC会有更好的发展产品的品种也将更丰富，规格更齐全，通过完美的人机界面，先进的通信设备，成熟的现场总线通信能力会更好的适应各种工业控制的场合的需求。

4 系统设计
4.1 硬件设计
总体方案图4.1.1硬件电路图
4.1.2 十字路口交通灯控制的实验面板图
4.1.3 外围硬件电路
设计电路连接中控制启动停止按钮接到了I0.0和I0.1上。

PLC外围接线M 接到1M 以及2M是为了使能输入接口，同样1L接到2L再接到上是为了使能输出接口，PLC外部电源已经接好，只需要控制电源开关就可以控制PLC的电源，具体见下表 1：
电路原理图
表1 PLC I/O端口分配表
交通灯PLC I/O接线图
5 程序设计
5.1 十字路口交通灯模拟控制时序图
交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制要求按一定时序进行，如图5-1.
图5-1 控制时序图5.2 程序流程图
图5-2 交通灯时序流程图
5.3 程序梯形图
十字路口交通灯控制系统程序是在西门子专用编程软件Step7 Microwin4.0下编写的，采用梯形图的形式，PLC编程语言有多种如语句表，梯形图，功能块图，顺序功能图。

其中梯形图是编程最常用的，特点是比较简单容易掌握[6]。

程序中主要用到的是定时器控制红绿黄灯的亮灭时间，中间通过输出继电器以及辅助继电器进行连接，通过两个计数器来判断绿灯闪烁的次数，一次进行下一步的命令执行[7]。

6 实验接线
1 输入口。

1M和2M连接，并接到电源+24V的0V端。

2 输出口。

1L和2L、3L端连接，也接至电源+24V的0V端。

3 电源24V接至实验板的24V和COM端。

4 其余按实验设定的输入输出接口接线。

5 PLC的型号设定为CPU224CN。

6将输入输出接口接到相对应的口。

7下载程序，调试，检查正确性。

7 原件清单
8 结论
通过本次课程设计我深深认识到理论联系实践的重要性，将课上学习的理论知识与具体的课题项目结合起来很好的加强了我们对所学知识的掌握程度。

同时更加强了我们的动手能力，使我们懂得了怎么样更好的将所学知识合理运用于实践当中，更让我们懂得了如何解决在实践当中遇到的问题。

在进行本设计之时我们还不会使用组态王，于是我们自己查资料看手册，解决了一个又一个难题，在这个过程中我们带着问题去寻找答案，学习的效率更高，懂得了那些知识是重要的，那些是不重要的，这些重要的知识也掌握的更牢固。

今后工作过程中我们也会遇到我们没学到的知识，我们要加强自己自学的能力这对我们今后的工作很重要。

在设计的过程中我也遇到很多问题，也试图通过各种不同的方法去解决，找到能够解决问题方法的过程是十分枯燥的，可能要花很多时间但是我坚持住了。

这培养了我们的意志力和耐性，只要坚持到底就能取得成功。

参考文献
[1] 廖常初，机械工业出版社，2007。

1 PLC 编程及应用（第三版）
[2] 组态王组态软件使用手册。

[3] 工控组态软件与 PLC 应用技术，吴天明，北航出版社，2007
[4] 陈建明，王亭岭，孙标，北京，电子工业出版社.2010 年
[5] 西门子公司，SIMATIC，S7300 和 S7400 梯形逻辑编程.2005 .9
[6] 文国玮，城市交通与道路系统规划，北京：清华大学出版社，2001
[7] 高钦和，可编程控制器应用技术与设计案例.北京：人民邮电出版社，2004。