基于PLC的十字路口交通灯控制系统设计论文
基于PLC的十字路口交通灯控制系统设计
摘要
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。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了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，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。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
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。
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”信号灯进行精确的控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多的将PLC应用于交通灯系统中。同时有些还引入触摸屏模拟十字路口红绿灯闪亮及车辆通行，十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。
关键词：交通灯；PLC；程序；设计
目录
摘要...................................................................... I 引言. (1)
1. 可编程控制器 (2)
1.1概述 (2)
1.2可编程控制器的简介 (2)
1.2.1PLC的特点 (2)
1.2.2 PLC的应用 (3)
1.2.3 PLC的分类 (4)
1.2.4 PLC的结构 (4)
1.2.5 PLC的工作原理 (4)
1.2.6 PLC编程语言 (5)
1.2.7PLC的基本指令 (6)
2. 设计的主要内容 (11)
3. PLC控制系统设计概要.................................. 错误！未定义书签。
3.1设计的基本原则和内容 (12)
3.2设计的步骤和实现过程 (12)
4交通信号灯控制系统的硬件设计 (16)
4.1交通灯毕业设计论文编程器件 (16)
4.2交通信号灯的控制要求 (16)
4.3交通信号灯的控制时序 (17)
4.4PLC硬件控制电路的设计 (18)
4.4.1 PLC的选型 (18)
4.3.2 I/O配置表 (18)
4.3.3 PLC控制电路接线图 (19)
5 交通信号灯控制系统的程序设计 (21)
5.1STEP7编程软件的概述 (21)
5.2交通信号灯程序设计过程 (21)
5.2.1 PLC的状态转移 (21)
5.2.2 交通信号灯程序设计步骤 (22)
5.3交通信号灯的PLC程序 (23)
结论 (26)
致谢 (27)
参考文献 (27)
引言
交通灯控制的改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而更好的疏导交通。本文对PLC控制交通灯的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC控制交通灯的优越性交通信号灯的出现，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。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了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，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。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
1. 可编程控制器
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。
1.2 可编程控制器的简介
1.2.1 PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强；
继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
（2）通用性高，使用方便；
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、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发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）程序设计简单，易学，易懂；
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。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
（5）安装简便，调试方便，维护工作量小，系统设计周期短；
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
1.2.2 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以下几个方面：
（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。
1.2.3PLC 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。
1.2.4 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相似。PLC 按其结构形式可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 的基本结构框图如图1-1所示。
图1-1 PLC 基本结构框
1.2.5 PLC 的工作原理
（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入信息。
（2） 程序执行阶段：plc 对用户程序扫描。
输
入
接
口
部
件 中央处理单元 CPU 板 电源部件
接口部件输出
（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。
1.2.6PLC编程语言
采用面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC进行编程，其编程语言常用的有：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。是使用最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。触点电表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图，并将它下载到PLC。
主要特点：
①图由自上而下、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
语句表又叫指令表，它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，用指令的助记符编程，由多条语句组成一个程序段，可以实现某些不能用梯形图或功能块图表示的功能。
（3）功能块图
功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。即用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。
例：下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例：
X000 X001Y000
X010
END
图1-2 FX2N产品系列梯形图
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：
表1-1FX2N产品系列梯形图助记符
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
1.2.7 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：
表1-2
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。
表1-3
X000 Y000
图1-3
表1-4
（2） 触点串连指令（AND/ANDI ）、并联指令（OR/ORI ）
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。
地址 指令 数据 0000 LD
X000 0001 OUT Y000 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
表1-5 X001 X002 Y001
X003
图1-4
（3） 电路块的并联和串联指令（ORB 、ANB ）
表1-6
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。 地址
指令 数据 0002
LD X001 0003 ANDI X002 0004 OR X003 0005 OUT Y001
ANB X000 X002 X003 Y006
X001 X004 X005
ORB
X006
X003
图1-5
表1-7
（
4） 程序结束指令（END ） 地 址 指 令 数 据
0000 LD X000
0001 OR X001
0002 LD X002
0003 AND X003
000
4 LDI X004
000
5 AND X005
000
6 OR X006
000
7 ORB
0008 ANB
0009 OR X003
001
0 OUT Y006
表1-8
（4） 程序结束指令（END ）
在程序结束处写上END 指令，PLC 只执行第一步至END 之间的程序，并立即输出处理。若不写END 指令，PLC 将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此，使用END 指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时，可以将END 指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的END 指令。 符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件 END （结束） 程序结束 无 结束
2.设计的主要内容
（1）交通信号灯的控制要求（2）交通信号灯的控制时序（3）PLC应将控制电路设计（4）交通信号灯程序设计过程（5）交通信号灯的PLC程序
3.1 设计的基本原则和内容
我们在学习了PLC的大量相关知识后，要能够把其运用在实际设计当中。当然，要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。所以我们首先要了解PLC控制系统的设计原则和内容。
（1）PLC控制系统设计的基本原则
①最大限度地满足被控对象的控制要求；
②保证控制系统的高可靠、安全；
③满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便；
④选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。
（2）PLC控制系统设计的基本内容
①选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象；
②分配I/O，设计电气接线图，考虑安全措施；
③选择适合系统的PLC；
④设计程序；
⑤调试程序，一个是模拟调试，一个是联机调试；
⑥设计控制柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。
⑦验收、交付使用。
3.2 设计的步骤和实现过程
（1）PLC控制系统设计的一般步骤
①对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路；
②设计梯形图；
③程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止；
④现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求；
⑤编写技术文件；
⑥交付使用。
因为没有实际的操作实地及经验，所以只能用以书面形式的理论来表述。但我们在设计流程图时，也要遵循以下过程：
①分析生产工艺过程；
②根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O；
③选择PLC；
④设计PLC接线图以及电气施工图；
⑤程序设计和控制柜接线施工。
具体的设计步骤框图如图3-1所示。
图3-1控制系统设计步骤框图
（2）PLC 控制系统执行程序的过程及特点 分析控制要求
确定I/O 设备
选择PLC
分配I/O 、设计电气图
编写流程图
设计梯形图 编制程序清单
输入程序并检查 调试满足
N
Y
联机调试
满足 N
N
编制技术文件
交付使用
设计控制柜 现场连接