PLC交通信号灯课程设计 姚丽.docx

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PLC交通信号灯课程设计姚丽

PLC结课论文

设计题目：

PLC交通灯

学生姓名：

姚丽

学号：

5011213313

所属学院：

信息工程学院

专业：

计算机科学与技术

班级：

17—3班

指导老师：

从申

一、绪论

当今，红绿灯（红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”）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。

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。

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。

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。

二、课程设计要求

2.1十字路口交通灯控制实际情况描述

（1）南北方向绿灯和东西方向的绿灯不能同时亮；如果同时亮，则应自动立即关闭信号灯系统，并立即发出报警信号。

（2）系统工作后，首先南北红灯亮并维持25s；与此同时，东西绿灯亮，并维持20s时间，到20s时，东西绿灯闪亮，闪亮3s后熄灭。

（3）在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持2s，然后东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。

（4）东西红灯亮并维持30s；与此同时，南北绿灯亮并维持25s；然后，南北绿灯闪亮3s后熄灭。

（5）南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持2s后熄灭；同时南北红灯亮，东西绿灯亮。

至此，结束一个工作循环。

2.2十字路口交通灯的路况模拟图

2.3交通灯的路况模拟控制实验

在PLC交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有3个控制灯，分别为：

禁止通行灯（亮时为红色）

准备禁止通行灯（亮时为黄色）

直通灯（亮时为绿色）

另外行人道东西南北每面都有2个控制灯,分别为：

禁止通行灯（亮时为红色）

直通灯（亮时为绿色）

结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统如下：

当交通灯系统启动开关接通时，南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯10S，绿灯闪亮2S（亮0.1灭0.1）,黄灯2S和红灯14S。

当南北主干道红灯点亮时，东西住干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。

南北向和东西向行人道均设为通行绿灯和禁行红灯。

南北人行道通行绿灯应在南北主干道绿灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。

东西行人道通行绿灯于东西主干道绿灯点亮是点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。

除此之外另设两个功能，使用10个脉冲开关。

实现让盲人可以方便通过十字路口和手动控制车流量。

其中8个安装在人行道的两边当东西方向行走的盲人要过马路的时候，按下脉冲开关东西向行人道绿灯亮起，南北向主干道红灯闪亮，延迟10秒恢复原来的控制系统。

南北向脉冲开关对应东西向功能相同，另外两个脉冲开可以控制车流量，当东西向主干道等待车量较多的时候，按下东西向控制脉冲开关，东西向主干道延长绿灯点亮时间到15秒。

东西向行人道绿灯也要对应延长。

南北向脉冲开关对应东西向功能相同

三、交通信号灯控制系统设计

3.1交通灯控制系统硬件设计

3.1.1PLC智能化控制交通灯的方法

传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。

然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。

即使是经过长期运行、适用的方案，仍然会发生这样的现象：

绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。

这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。

而模糊控制恰恰具有这方面的优势。

此系统就是应用可编程序控制器（PLC）对十字路口交通控制灯实现模糊控制传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。

然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。

即使是经过长期运行、适用的方案，仍然会发生这样的现象：

绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。

这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。

而模糊控制恰恰具有这方面的优势。

此系统就是应用可编程序控制器（PLC）对十字路口交通控制灯实现模糊控制此控制系统的输入量是指十字路口各方向上车辆数的动态变化量。

具体由传感器采集后送入可编程序控制器。

在十字路口的四个方向（E、S、W、N）的近端J（斑马线附近）和远端Y（距斑马线约100米处）各设置一个传感器，分别统计通过该处的车辆数。

为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两部分：

其一是固定的10秒作为路口车辆状态参数的采集时间t1；其二是根据两个方向车辆流量变化进行模糊决策的延时t2。

然后通过传感器采集后的排队等候的车辆数送往PLC进行模糊推理运算得出延迟时t2，最后由t1和t2来实现对十字路口车流量的灵活控制。

3.1.2PLC选择

一、PLC机型和容量的选择步骤与原则

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、相应的功能要求

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。

4、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。

5、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。

6、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。

二、PLC容量的选择步骤与原则

PLC的容量包括I／O点数和用户存储容量两个方面。

1、I／O点数的选择

PLC平均的I／O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I／O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少，但必须留有一定的裕量。

通常I／O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%~15%的裕量来确定。

2、存储容量的选择

用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。

一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。

PLC的I／O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I／O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%~30%的裕量。

存储容量（字节）＝开关量I／O点数×10＋模拟量I／O通道数×100

三、本系统选择的PLC

本次交通灯设计用的是来自OMRON的CPM1A-30CDR-A可编程控制器。

产品规格：

CPM1ACPU单元CPM1A在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型PLC所具有的功能，尽可能使安装空间最小化，并实现了具有10点-100点输入输出点数的弹性构成。

而且还可连接可编程控制终端，创造了尚无前例的灵活运用。

它不仅可以替代继电器控制柜，就是作为小型控制器或在传感器应用中，亦能适应生产现场不同的需求，AC电源输入，继电器输出，能加扩展单元。

3.1.3可编程控制器I/O端口分配

根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启与停止按钮信号；输出有东西方向、南北方向各两组指示信号和故障指示驱动信号。

由于每一个方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为了节省输出点数，可采用并联输出方法。

由此可知，该系统所需的输入点数为2，输出点数为7，全部是开关量，则可将I//O分配用表3-1表示。

表3-1通指挥灯的I/O分配表

输入元件

输入地址

输出元件

输出地址

开启按钮SB1

0.00

南北绿灯F0

10.00

停止按钮SB2

0.01

南北黄灯F1

10.01

南北红灯F2

10.02

警灯（故障指示）F3

10.03

东西绿灯F4

10.04

东西黄灯F5

10.05

东西红灯F6

10.06

3.1.4PLC的外部接线图

根据上述I/O表可知，I/O所需点数只有9点，故选用CPM2AH微型PLC即可。

但本书还是以CS1为例，则PLC外部输入输出的信号接线如图3-1所示。

其中，每一方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯并联，用PLC的同一个输出点。

3.2交通灯控制系统软件件设计

3.2.1十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3-2所示。

3.2.2流程图

根据交通灯的实际控制情况，可得出其流程图如下：

4.2.3程序梯形图

根据对交通信号灯的控制要求及PLC控制系统的I/O分配的定义，可对PLC进行控制程序的设计，其梯形图如图6-20所示。

下面对所设计的梯形图作几点说明：

（1）当按下启动按钮，0.00接通，中间继电器200.00接通，10.02线圈得电，南北红灯亮，与此同时，10.02的常开触点闭合，10.04线圈得电，东西绿灯亮。

（2）延时20秒后，TIM006的常闭触点接通，与该接点串联的TIM008的常开接点共同控制产生0.5秒的钟脉冲信号，使东西绿灯闪烁3s（闪烁6次）。

（3）经过3秒后，TIM007的常闭接点断开，10.04线圈失电，东西绿灯熄灭。

此时TIM007的常开接点闭合，10.05线圈接通，东西黄灯亮2s。

（4）经过2秒后，TIM005的常闭接点断开，10.05线圈失电，东西黄灯灭，这是启动TIM000进入延时。

（5）延时25s后，TIM000的常闭接点断开，10.02线圈失电，南北红灯灭；同时，TIM000的常开接点闭合，10.06接通，东西红灯亮；由于10.06的常开接点闭合，10.00线圈得电，南北绿灯亮。

南北绿灯工作25s后，系统的工作情况与上述类同。

如果发生南北、东西绿灯同时亮，则系统出现故障，应立即报警处理。

当系统需要停止工作时，只要按下停止按钮即可。

交通灯控制的PLC梯形图如下

3.2.4梯形图对应的语句表

步序指令注解

0LD0.00

1OR200.00

2AND-NOT0.01

3OUT200.00启动停止

4LD-NOT10.03

5AND200.00

6AND-NOTTIM004

7OUTTIM000

8#0250南北红灯工作延时

9LDTIM000

10OUTTIM004

11#0250东西红灯工作延时

12LD-NOT10.03

13AND200.00

14AND-NOTTIM000

15OUTTIM006

16#0200东西绿灯工作延时

17LDTIM006

18OUTTIM007

19#0030东西绿灯闪烁延时

20LDTIM007

21OUTTIM005

22#0020东西黄灯工作延时

23LDTIM000

24OUTTIM001

25#0200南北绿灯工作延时

26LDTIM001

27OUTTIM002

28#0030南北绿灯闪烁延时

29LDTIM002

30OUTTIM003

31#0020南北黄灯工作延时

32LD-NOT10.03

33AND-NOTTIM000

34AND200.00

35OUT10.02南北红灯工作

36LDTIM000

37OUT10.06东西红灯工作

38LDTIM006

39AND-NOTTIM007

40ANDTIM008

41LD10.02

42AND-NOTTIM006

43OR-LD

44OUT10.04东西绿灯工作及闪烁

45LDTIM007

46AND-NOTTIM005

47OUT10.05东西黄灯工作

48LDTIM001

49AND-NOTTIM002

50ANDTIM008

51LD10.06

52AND-NOTTIM001

53OR-LD

54OUT10.00南北绿灯工作及闪烁

55LDTIM002

56AND-NOTTIM003

57OUT10.01南北黄灯工作

58LD200.00

59AND-NOTTIM009

60OUTTIM008振荡电路

61#0005

62LDTIM008

63OUTTIM009振荡电路

64#0005

65LD10.00

66AND10.04

67OUT10.03事故报警

68END

四、小结

4.1程序调试

经过设计，想一次性把程序完成是非常难的，在调试中就出现了不少的错误。

刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来而且在完成了一个周期后就循环不起来了。

那时真的不知道从哪里入手，只好一条一条地检查才发现了一条指令把常闭写成了输出真正的输出口就没有收到信号了。

灯虽然是亮了但仍然循环不起来。

从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出来。

突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控，于是发现了在程序的第一周期一切都运行正常但再运行下去的时候第二周期就再没有反应了，包括里面的辅助继电器，最后发现原来是程序前面没有并上完成这个循环的继电器号。

后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了。

虽然找错误是一个枯燥无味的工作，但只要你耐心的去做的话，你肯定能学到有用的动西。

4.2难点分析

其实现场实况车辆的流量是变化的，本设计只是对其路灯起到一个开关的作用，即开关量控制系统。

由于所学知识及设备有限，无法对其路灯进行智能化控制，所以在编程时就没把智能控制这一块加上去，再加上编程软件无法下载，在画梯形图方面受到一点阻碍。

下面我就对智能化控制路灯作一些原理上的介绍。

本程序在设计过程遇到了一些难点我把它整理了一下发现有以下几个问题。

（1）行人道红绿灯和主干道红绿灯的对应关系

因为实际的红绿灯控制中行人道的红绿灯和主干道的红绿灯是有这一定的对应关系的，所以在编程前一定要理清它们，这样有利于在编程时简化程序、减少PLC不必要的运算。

（2）盲人脉冲按键按下时要实现功能的同时不影响和它没关系的主干道

盲人在东西南北的行人道同时通过十字路口的情况不会经常出现，可以说是非少的，如果我们要把盲人脉冲分开东西控制和南北控制使他不影响和它没关系的主干道就可以使车辆行走更加通顺减少车辆堵塞的情况。

要实现这样的功能就要在脉冲按键按下时不影响他们的计时程序只在对应的主干道红绿灯输出程序上进行插入常闭继电器以此把输出程序断开

（3）手动车流控制按键的控制方式

手动车流控制按键是对相应的主干道绿灯延长的进行控制，但不能使它在按下时使改变当时的红绿灯显示情况，如现在是南北红灯东西绿灯时按下南北绿灯延长按键就不能使它变成南北绿灯东西红灯。

这就涉及到了一个请求和响应的关系。

（4）交通灯的闪亮

交通灯绿灯在实际运行中是要经过闪烁的，所以在设计程序中也要加入这个功能，参考了一些PLC的交通灯程序介绍时发现PLC中有一些继电器可以实现闪烁这些继电器也就是PLC内部的功能继电器，这是一种硬件实现功能的方法，虽然程序可以减少但比较死板闪烁频率不能控制。

由于对PLC内部的功能继电器不太熟悉（不同型号的PLC内部功能继电器编号也不一样）我想了一个用程序实现的方法（程序段在第86条~第94条指令之间），此方法可以说是软件实现功能的方法，虽然程序加长了但闪烁频率可以控制比较灵活。

4.3感言和体会

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（特别是汇编语言）的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。