十字路口交通灯的控制1

成绩 _______
重庆邮电大学移通学院自动化系
可编程逻辑控制器
课程设计报告
题目
系别
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指导教师
重庆邮电大学移通学院自动化系制
二0一二年五月
《可编程逻辑控制器》课程设计任务书——供09级电气工程及其自动化、电气工程与自动化、自动化专业学生用引言：《可编程逻辑控制器》课程设计是该课程的一个重要教学环节，既有别于毕业设计，又不同于课堂教学。

它需要学生统筹运用所学基本理论、基本方法对现实生活中的实际系统进行设计和调试。

一、设计题目四：十字路口交通灯的控制
本设计要求熟练使用西门子公司的S7-200系列产品各基本指令和部分应用指令，根据控制要求进行PLC梯形图编程，解决十字路口交通灯控制的问题。

二、系统工作过程说明
图1是一个十字路口的交通灯模拟示意图，R、Y、G分别代表红灯、黄灯、绿灯。

红灯亮表示相应方向的车停止行进，绿灯亮表示相应方向的车可以通行，绿灯闪烁、黄灯亮表示短暂的时间后相应方向的车将改变行进状态，提醒司机朋友做好准备。

图1 十字路口的交通灯模拟示意图
如图1所示，本设计具体要求完成以下工作过程：
（1）按一下“启动”按钮，信号灯控制系统开始工作，设此时南北向红灯亮，东西绿灯亮，按一下“停止”按钮，所有信号灯都熄灭。

（2）南北红灯亮维持30秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，东西绿灯并维持24秒。

到24秒时，东西绿灯以2Hz的频率闪烁，闪烁3秒后熄灭。

在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持3秒。

东西黄灯亮3秒后熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。

（3）东西红灯亮维持40秒。

南北绿灯亮维持34秒后以以2Hz的频率闪烁，闪烁3秒后熄灭。

在南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮，维持3秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。

（4）完成（2）、（3）的整个过程为一个周期，当“启动”按钮按下时，可以周而复始的工作，直至按下“停止”按钮，整个系统才停止工作。

（5）东西绿灯和南北绿灯不能同时亮，东西红灯和南北红灯不能同时亮，否则则自动关闭系统并发出报警信号。

三、设计步骤：
（1）对系统进行需求分析，确定I/O点数，分配I/O地址；
（2）画出PLC硬件接线图；
（3）绘制PLC梯形图；
（4）绘制时序图；
（5）简述工作过程。

摘要
本设计是用PLC来实现对十字路口交通信号灯的控制，其控制方法是采用西门子的S7-200系列CPU224型号PLC对东西南北的红、黄、绿、左绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。

控制过程中采用了顺序控制设计法用了八个定时器六个计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制。

控制程序包括有顺序功能图（SFC）、梯形图(LAD)、指令表(STL)。

仿真测试用的是S7-200汉化版的仿真软件进行仿真，最终经过多次调试实现了我们所需的全部设计要求。

关键词：PLC S7-200，交通信号灯，顺序功能图，梯形图，仿真调试，自动控制
第一章绪论
1.1 本论文的目的及工作内容
在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。

但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。

如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。

按照城市交通控制的需要，本文讨论了用PLC实现系统24小时循环运行，工作规律按时序图运行（见附图）绿灯闪烁时按0.5秒间隔运行和提示警告方式运行两方式，通过传感器与PLC完成对交通异常状况（滞留或堵车）的判别及处理。

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。

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。

正常时序控制对路面进行控制.南北方向红灯时,东西方向绿灯.绿灯闪3秒紧接着黄灯闪2秒,变红灯.南北方向红灯直接变绿灯.东西方向红灯时同理.
急车强通时,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通. 急车强通信号受急车强通开关控制；无急车时，信号灯接正常时序控制；有急车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。

交通滞留的异常情况，在路口与路尾设置两个传感器进行检测车流量.交通路段车流量繁忙时，传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。

当一方车流量过大的时候,PLC要对控制这一路段的信号灯进行调控,让滞留或堵车的一方绿灯时间加长,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不必要的麻烦与事故,就、控制进行很方便,很便捷。

1.2 课题介绍及研究意
早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。

自60年代问世以来，PLC得到了突飞猛进
的发展，尤其在数据处理、网络通信及与DCS等集散系统融合方面有了很大的进展，可变程序控制器已经成为工业自动化强有力的工具，得到了广泛的普及和推广应用。

城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率来设计的。

但是交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统。

十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。

靠什么来实现这井然秩序呢?靠的是交通信号灯的自动指挥系统。

那么控制系统是如何实现红、绿、黄三种颜色信号灯有条不紊工作的呢?交通信号灯控制方式很多，可以用电子电路来实现，也可以用单片机编程控制来实现。

本文主要介绍如何利用PLC来实现十字路口交通灯的控制。

1.3 相近研究课题的特点及优缺点分析（国内外现状）
城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。

智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。

智能交通系统将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成部分经济损失。

在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。

在北京召开的“第二届国际智能交通系统技术研讨暨技术与产品展览会”上透露。

我国将投资20亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山10个城市进行交通智能化改造，到2010年，这10个城市将全部实现交通的智能化。

目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一点是共同的:智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。

日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用。

从各国的发展来看，智能交通系统能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经济效益。

它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、
道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。

表1-1 美国欧洲日本同我国在智能交通系统发展方面的对比表
1.4现行研究存在的问题及解决办法
俗话说“要想富，先修路”，可见交通是否发达，关系着一个城市的发展速度。

对于一个正在蓬勃发展的城市来说，有了宽敞的马路还是不够的，交通信号灯的存在也不容忽视。

通过调查：
司机：没交通信号灯的地方多，路标与交通信号灯不符。

现场目击：没有信号灯、信号灯设置不合理导致路口混乱。

交警部门：信号灯的设置要看交通流量以及考虑到经济发展。

城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。

近多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。

本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。

(1)静态多段配时控制
静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。

它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。

但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。

因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。

这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢迎。

(2) 准动态多段配时控制
准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。

交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。

被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。

准动态多段配时控制是一闭环控制系统。

由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。

1.5要实现的目标
图1是一个十字路口的交通灯模拟示意图，R、Y、G分别代表红灯、黄灯、绿灯。

红灯亮表示相应方向的车停止行进，绿灯亮表示相应方向的车可以通行，绿灯闪烁、
黄灯亮表示短暂的时间后相应方向的车将改变行进状态，提醒司机朋友做好准备。

图1 十字路口的交通灯模拟示意图
如图1所示，本设计具体要求完成以下工作过程：
（1）按一下“启动”按钮，信号灯控制系统开始工作，设此时南北向红灯亮，东西绿灯亮，按一下“停止”按钮，所有信号灯都熄灭。

（2）南北红灯亮维持30秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，东西绿灯并维持24秒。

到24秒时，东西绿灯以2Hz的频率闪烁，闪烁3秒后熄灭。

在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持3秒。

东西黄灯亮3秒后熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。

（3）东西红灯亮维持40秒。

南北绿灯亮维持34秒后以以2Hz的频率闪烁，闪烁3秒后熄灭。

在南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮，维持3秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。

（4）完成（2）、（3）的整个过程为一个周期，当“启动”按钮按下时，可以周而复始的工作，直至按下“停止”按钮，整个系统才停止工作。

（5）东西绿灯和南北绿灯不能同时亮，东西红灯和南北红灯不能同时亮，否则则自动关闭系统并发出报警信号。

二、系统分析及硬件设计
1、系统工作说明
2. 1.1 功能要求
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。

不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。

因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

选择时主要考虑以下几点：
1、合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个I／O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便在I／O点数、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。

2、安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。

集中式不需要设置驱动远程I／O硬件，系统反应快、成本低；远程I／O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I／O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I／O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。

3、响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。

如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I／O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。

4、系统可靠性的要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。

对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。

5、机型尽量统一
主要考虑到以下三方面问题：
1)机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。

2)机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。

3)机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。

2. 1.2性能要求
一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。

对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A／D和D／A 转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。

但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。

2. 1.3 PLC工作环境
①温度:PLC要求环境温度在0~55oC，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。

②湿度:为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

③震动：应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。

当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。

④空气：避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。

对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。

⑤电源:PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。

在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。

一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。

因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。

2、系统I/O分配
PLC的工作原理：电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。

一. 扫描技术
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。

(一) 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。

(二) 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。

(三) 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。

系统24小时循环运行，工作规律按时序图运行（见附图）。

绿灯闪烁时按0.5秒间隔运行。

提示警告方式运行时，控制规律为:东、南、西、北四个方向黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭。

黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。

图2-1 工作时序图
3、PLC外围接线
①.PLC输入输出分配
表2-1 I/O分配表
输入信号输出信号
名称符号地址名称符号地址
起动开关
停止开关
SQ-ON
SQ-OFF I0.0
东西红灯R-EW Q0.0
东西黄灯Y-EW Q0.1
东西绿灯G-EW Q0.2
东西左绿L-EW Q0.3
南北红灯R-SN Q0.4
南北黄灯Y-SN Q0.5
南北绿灯G-SN Q0.6
南北左绿L-SN Q0.7
②.PLC外部接线图
图2-1是PLC外部接线图，选用的是西门子S7-200系列CPU224的PLC。

四、系统软件设计
3.1、系统流程图
图3-1 顺序功能图
图3-1为本设计的顺序功能图，及控制流程为：
2、系统程序设计
2.2.1 晚间时段：拉上起动开关I0.0,功能图直接进入晚间时段，M0.0置位，触点M0.0通，常闭开关I0.0和常闭触点T38为通，所有黄灯亮，定时器T37开始计时，0.4秒后黄灯灭，同时T38开始计时，0.6秒后经计数器C1计数，循环以上过程达到黄灯亮0.4秒，灭0.6秒循环闪亮
的目的，重复32400次（9小时）后，常闭触点C1断开退出晚间时段，经M0.4进入正常时段（其中左支路实现正常时段运行状况，右支路实现高峰时段运行状况，并且左右支路互锁，运行周期周期均为90秒）。

2.2.2 正常时段：M0.4置位，导通经M0.5东西红灯Q0.0亮维持55秒（T39 +T40 +T41+T42），同时南北左转弯绿灯Q0.7亮，T39开始计时，10秒后，Q0.7灭，常开触点T39闭合导通，南北绿灯Q0.6亮，T40计时30秒后，Q0.6灭，常开触点T40闭合，南北黄灯Q0.5亮，T41计时5秒，黄灯、东西红灯Q0.0灭，触点T41导通，东西左转弯绿灯Q0.3、南北红灯Q0.4亮，T42计时10秒后，Q0.3灭，触点T42导通，Q0.4继续处于亮的状态，同时东西绿灯Q0.2亮，T43开始计时，30秒后Q0.2灭，触点T43导通，东西黄灯亮Q0.1与东西红灯Q0.0亮维持5秒，T44到时，至此正常时段的一个周期工作完毕，经计数器C2计数，循环以上正常时段工作运行过程，期间常闭触头T44对以上定时器进行复位，以达到从新计时的目的，当C2计数达20次（30分钟）时，常闭触头C2断开，常开触头C2闭合，及左支路断开，右支路导通，进入高峰时段。

2.2.3 高峰时段：M1.2置位导通，经M1.3,东西红灯Q0.0亮维持60秒（T45 +T46 +T47+T48），同时南北红灯Q0.4、南北左转弯绿灯Q0.7亮，定时器T45计时，10秒后Q0.4、Q0.7灭，常开触点T46导通，南北黄灯Q0.5亮，T47计时5秒后，Q0.5灭，常开触点T47导通，东西左转弯绿灯Q0.3灭，同时触点T48通，东西绿灯Q0.2亮，T49计时，25秒后，Q0.2灭，触点T49导通，东西黄灯Q0.1亮，计时器T44计时5秒，T44到时，至此高峰时段的一个周期工作完毕，经计数器C3计数返回高峰时段运行状态，直到C3计数达51次（循环50次共1.25小时），这时常闭触点C3断开，常开触点C3导通，高峰时段运行支路断开，又从新进入正常时段运行状态。

2.2.4 交叉循环运行：第二阶段正常时段的运行状况同一阶段正常运行状况，只是它们循环次数从20次变成331次（循环330次共8.25小时），工作到16:30又进入两小时的高峰运行时段，共循环80次，即C5计数80次后常闭触点C5断开，常开触点C5闭合，再次进入正常时段工作状态循环运行C6计数121次（循环120次共3小时）计数完后C6将所有定时器、计数器复位，又从新进入晚间时段重复以上工作过程。

当拉下停止开关I0.0交通信号停止循环，计数器、计时器都复位清零，若再次拉上I0.0，交通灯继续从头开始循环闪亮。

四、系统调试
4.1、硬件调试：
硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。

硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。

4.1.1静态调试
静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。

第一步：目测。

检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。

第二步：用万用表测试。

先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。

第三步：加电检测。

给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值
第四步：是联机检查。

因为只有用可编程控制器开发系统才能完成对用户系统的调试。

4.1.2动态调试
动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。

动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。

由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。

当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。

由分到合的调试既告完成。

由近及远是将信号流经的各器件按照距离可编程控制器的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。

调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。

4.2软件调试：
软件调试是通过对拥护程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。

程序后，编辑，查看程序是否有逻辑的错误。

如果出现故障，应返回编程环境，检查梯形图的错误并修改程序再进行调试，如此反复直。