基于PLC的交通信号灯控制系统1.docx
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基于PLC的交通信号灯控制系统1
毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的交通信号灯控制系统设计
系部：
机电工程系
专业：
机电一体化专业
学生姓名：
刘红珍
指导教师姓名：
齐俊平
二○一○年九月十二日
摘要
就如何使用PLC实现十字路口交通信号灯自动控制的设计展开讨论，通过分析对交通信号灯的控制要求，对PLC控制系统进行了软、硬设计。
同时将PLC的逻辑控制、数据运算、数据比较、数据传送通过程序有机的结合起来，既控制交通灯的变化，还有时间显示。
ApplicationofPLConhowtoachievethedesignofintersectiontrafficsignalcontroldebateandtheanalysisofthetrafficsignalcontrolrequirementsofaPLCcontrolsystemsoftwareandhardwaredesign.WhilePLClogiccontrol,dataoperations,datacomparison,datatransmissionthroughtheprocessofcombiningorganicandnotonlycontrolthetrafficlightchanges,aswellasthetimedisplay.
关键词：
PLC信号灯控制系统
KeyWords:
PLCasignallanterncontrolsystem
第一章引言
1.1选题背景
1.1.1PLC简介
可编程控制器简称——PLC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使用最多的一种设备。
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。
可编程控制器（PLC）是用来取代控制系统中的继电器的一种设备，它通过检测输入端口，并根据输入端口的状态，按照程序控制输出口，可编程控制器的程序一般要使用一定的软件编写，使用人员通过输入预先编写的程序，使可编程控制器按预定的控制方案执行控制任务。
目前大多数城市采用的交通信号灯指挥控制系统，采用电子线路加继电器构成，也有少数采用单片机构成。
对信号灯的要求也越来越高，采用电子线路加继电器的控制方式，则需要加入大量的中间继电器，时间继电器，计数器等器件。
而且交通控制智能化需要按实际情况而改变参数，如使用继电器控制，则很难实现。
如使用单片机控制，则需要引入大量I/O接口电路、硬件设计，而且这两种控制方式的抗干扰能力十分有限。
采用可编程控制器对交通信号灯进行管理，技能满足控制要求，又具有高的抗干扰和稳定性。
PLC是在继电器控制逻辑基础上，和3C技术（Computer,Control,Communication）相结合，不断发展完善的。
目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。
PLC早期主要使用于工业控制，但随着技术的发展，其使用领域正在不断扩大下面就其在公路交通领域的使用做一简单介绍：
PLC型交通灯控制器：
将PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其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的实现。
目前大多品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。
由于PLC本身具有通讯联网功能，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。
美国罗克韦尔自动化公司生产的Micrologix1000系列微型可编程控制器具有体积小、使用简单、通用性强、快速高效等特点。
它是一种集成式控制器，集成了电源、输入模块、输出模块和处理器于一身，输入输出状态由LED指示，内装RS-232通讯接口，可连接手持编程器输入指令程序或连接计算机直接编制梯形图程序，并且通过1761-NET-AIC通讯模块可联成DH-485网络，网络长度1200m,波特率为32.5Kbps。
1.1.2PLC的国内外状况及未来展望
随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常老百姓的家庭，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如北京、上海、南京等均出现了道路交通超负荷运行的情况。
因此，自80年代后期以来，很多城市纷纷扩建城市道路，在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道路的系统研究和控制，扩建道路并没有充分发挥出预期的作用。
而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。
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多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门丞待解决的主要问题。
在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段使用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable,是世界上公认的第一台PLC。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛使用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些使用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使使用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的使用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、使用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的使用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了使用。
此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的使用天地。
1.1.3PLC未来展望
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地使用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器使用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
1.1.4交通灯的发展史
19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。
其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。
后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。
在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。
后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。
不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此，城市的交通信号灯被取缔了。
直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。
稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红、黄、绿三种标志）于1918年诞生。
它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。
一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。
回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
纵观交通事业的发展历史，以前，人们出门远行或运输东西最常用到的的交通工具是马车，但是随着社会的进步经济的发展，一种新型交通工具汽车随之问世。
如1950年英国陆虎公司推出世界上第一台采用燃气涡轮发动机的汽车，1952年美国通用公司推出“别克”牌小轿车，1955年福特“雷鸟”牌两座位汽车问世，1956年中国第一汽车制造厂成立，“解放”牌汽车问世。
特别是近几年汽车产业更是日新月异，2006年全世界汽车总已产量已超过6400万辆。
在汽车产业蓬勃发展的背后，随之而来交通问题也越来越多，如交通堵塞和交通事故时常发生，这不但给人们的生命和财产造成了威胁，同时还制约着国民经济的发展，特别是发达国家和发展中国家面临的形势更是严峻。
为了缓解交通的负荷量，使车辆运行畅通无阻，交通事业整严有序，国家起用了双车道交通灯控制系统。
通过红，绿，黄三色灯进行单一的控制，使其遵守红灯停，绿灯行的原则。
但是随着社会的发展，此系统已经远远不能满足交通控制事业的需求，需要一种全新的控制理念，进而引进了和我国国情相符合的国外先进的控制体系，多车道交通灯控制系统，不但解决以往交通控制系统的局限性，同时还加快车了车流辆速度。
并制定了<<道路交通安全法实施条例>>第三十八条明确规定：
绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行，红灯亮时，禁止车辆通行。
1.2意义
1.2.1PLC
PLC是一种专门为在工业环境下使用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于和工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
1.2.2PLC的特点
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。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在使用软件中，使用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
配套齐全，功能完善，适用性强：
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。
易学易用，深受工程技术人员欢迎：
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和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。
系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造：
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。
体积小，重量轻，能耗低：
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。
PLC的使用领域:
目前，PLC在国内外已广泛使用于钢铁、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如下几类。
开关量的逻辑控制：
这是PLC最基本、最广泛的使用领域，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。
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。
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。
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使用。
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。
这些数据可以和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。
通信及联网：
PLC通信含PLC间的通信及PLC和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。
1.2.3交通灯
交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。
红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。
交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路和铁路平面交叉道口信号灯。
交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令使各同时到达的人、车交通流，尽可能的减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口的畅通和安全。
1.3主要方法
软件模拟设计PLC端子接线图，并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。
1.4重点要解决的问题
指令的编写
PLC端口接线，完成程序调试
提出便于修改程序的可行性方案
1.5主要研究内容及指标
主要内容：
十字路口交通信号灯PLC控制系统设计和调试。
控制要求：
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。
控制对象有6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。
控制规律：
高峰时段按时序图二
（1）运行，东西信号绿灯亮25S绿灯闪亮3S（先亮后暗）黄灯亮2S红灯亮30S
南北信号红灯亮30S绿灯亮25S绿灯闪亮3S（先亮后暗）黄灯亮2S
正常时段按时序图三
（2）运行，东西信号绿灯亮20S绿灯闪亮5S（先两后暗）黄灯亮5S红灯亮30S
南北信号红灯亮30S绿灯亮20S绿灯闪亮5S（先亮后暗）黄灯亮5S
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0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。
高峰时段、正常时段及晚上时段的时序分配按时序图运行（1.2）。
课题要求：
按题意要求画出PLC端子接线图、控制梯形图.指令表。
在原程序的基础上，可简单的调整程序以改变信号灯的控制时间。
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。
完成课程设计说明书
1.6原始资料要求
信号灯的动作受方式开关控制，当正常时段开关开启，正常时段信号灯系统周而复始地循环动作；当按高峰时段按钮时，高峰时段信号灯系统周而复始地循环动作；当晚上时，东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭；当按停止按钮，所有信号灯都熄灭。
信号灯控制的具体要求如所示：
高峰时段按时序图二
（1）运行，东西信号绿灯亮25S绿灯闪亮3S（先亮后暗）黄灯亮2S红灯亮30S。
南北信号红灯亮30S绿灯亮25S绿灯闪亮3S（先亮后暗）黄灯亮2S。
正常时段按时序图三
（2）运行，东西信号绿灯亮20S绿灯闪亮5S（先两后暗）黄灯亮5S红灯亮30S。
南北信号红灯亮30S绿灯亮20S绿灯闪亮5S（先亮后暗）黄灯亮5S。
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0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。
分别用定时器实现绿灯闪亮，周期为1S（开0.5S、断0.5S）；
东西绿灯和南北绿灯不能同时亮；
系统停电后保持停电前的状态，在此状态下继续工作；
系统输入用实训台上基本指令编程练习模块上的按钮和开关，输出用220V灯泡模拟调试；
硬件要有短路、过载保护。
1.7具体要求
I/O连线图
顺序功能图
梯形图
指令表
设计说明书
第二章系统单元设计
2.1I/O连线图
如图2-1I/O分配图
2-1I/O分配图
2.2正常时期程序
要求：
正常时段按时序
（2）运行，东西信号绿灯亮20S绿灯闪亮5S（先两后暗）黄灯亮5S红灯亮30S。
南北信号红灯亮30S绿灯亮20S绿灯闪亮5S（先亮后暗）黄灯亮5S如表2-2。
表2-2常时期
启动时
按下X1开启S510,正常时段开始运行，ZRSTS500S505则将高峰时期的运行停止。
S510开启后，Y1（东西绿）输出，Y10（南北红）输出，辅助继电器M1得电，定时器T6开始计时，25S后开启S511。
S511开启后，Y1（东西绿）输出，Y10（南北红）输出，辅助继电器M2得电，开始闪烁，定时器T10控制绿灯闪烁，定时器T7开始计时，5S后开启S505。
S512开启后，Y2（东西黄）输出，Y10（南北红）输出，定时器T8开始计时，5S后开启S513。
S513开启后，Y0（东西红）输出，Y11（南北绿）输出，定时器T9开始计时，25S后开启S514。
S514开启后，Y0（东西红）输出，Y11（南北绿）输出，辅助继电器M3得电，开始闪烁，定时器T10控制绿灯闪烁，定时器T14开始计时，5S后开启S515。
S515开启后，Y0（东西红）输出，Y12（南北黄）输出，T5计时开始，5S后开启S500，即回到正常时期的第一步输出，RET循环，一直循环下去，直到选择其他状态或者停止。
2.3程序高峰时期
要求：
高峰时段按时序
（1）运行，东西信号绿灯亮25S绿灯闪亮3S（先亮后暗）黄灯亮2S红灯亮30S。
南北信号红灯亮30S绿灯亮25S绿灯闪亮3S（先亮后暗）黄灯亮2S如表2-3。
表2-3高峰时期
启动
当按下按钮X0时，SETS500是开启步进S
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