停车场交通信号灯控制系统设计.docx

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停车场交通信号灯控制系统设计

摘要

自从交通灯诞生以来,其内部的电路控制系统就不断的被改进。

设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。

可编程控制器（PLC）以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编程的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活，而且结构简单，抗干扰能力强。

西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合交通灯控制系统的要求与特点，能够方便联网通信。

本文选择西门子可编程控制器S7-200为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现停车场十字路交通灯控制系统的自动化。

关键词：

PLC、交通控制、自动化

Abstract

Sincethebirthoftrafficlights,isconstantlybeingimproveditsinternalcircuitcontrolsystem.Designbegantodiversity,sothatthetrafficlightsappearmoreintelligent.

Programmablelogiccontroller（PLC）tothemicroprocessorasthecore,usuallyusedtoprogramdesign,onthebasisofrelaycontactorcontrolsystemelectricalschematicdiagramprogrammingladderdiagramprogrammingeasy,convenient,flexibleexpansionfunctionchanges,andhastheadvantagesofsimplestructure,stronganti-interferenceability.SiemensPLCinstructionrich,youcantakeavarietyofoutput,inputexpansionequipment,hasawealthofspecialextensionequipment,includinganaloginputdevicesandcommunicationsequipmentisinlinewiththetrafficlightcontrolsystemrequirementsandcharacteristics,tofacilitatethenetworkcommunication.

ThischoiceofSiemensprogrammablecontrollerS7-200asthecorecomponent,focusonthehardwareinterfacedesign,programmingtheladderdiagramandinstructionlist,realizetheautomationofparkingthecrossroadtrafficlightcontrol.

Keywords:

PLC,trafficcontrol,automation

.

目录

第一章绪论1

第一节课题设计的目的及意义1

第二节设计的主要内容及安排1

第二章交通信号灯的介绍2

第一节交通信号灯的概述2

第二节交通信号灯的分类2

第三节交通信号灯的分类功能2

第三章可编程控制器（PLC）4

第一节概述4

第二节PLC的发展方向4

第三节PLC的应用4

第四节PLC的硬件结构5

第五节PLC的工作原理6

第四章停车场交通信号灯控制系统要求8

第一节技术要求8

第二节设计规律8

第三节设计流程图9

第四节设计线路连接9

第五节信号灯控制编程元件表10

第六节十字路口交通灯模拟控制时序图11

第七节程序梯形图12

第八节监控组态图16

结束语17

致谢18

参考文献19

第一章绪论

第一节课题设计的目的及意义

随着我国经济的高速发展，微电子技术，计算机技术和自动控制技术也得到了迅速发展，交流变频调速技术已经进入个崭新的时代，其应用越来越广。

而随着我国城市化进程的加快和人口大量集聚，随之而来的私家车等各种车辆不断增多，对停车场的要求也不断提高，也就会存在一些大型停车场，涉及到停车高峰期的车辆进出停车场的问题，所以为了这类停车场能有序的进出车辆，我设计了这种类似于十字路交通灯的控制系统。

第二节设计的主要内容及安排

本文根据生活当中出现的一些情况，以交通信号灯为研究对象，结合了大量资料及文献，研究交通信号灯的控制问题，整理出一套可行性较高的交通灯控制系统。

本系统的研究内容主要包括了信号交通灯的发展情况；PLC控制系统的组成；交通信号灯的控制任务和要求；交通信号灯控制系统的硬件配置以及软件的设计，再通过仿真软件来实现。

第二章交通信号灯的介绍

第一节交通信号灯的概述

道路交通信号灯是交通安全产品中的一种类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。

适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。

第二节交通信号灯的分类

交通信号灯是交通信号指挥中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。

交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。

分为：

机动车道信号灯，人行横道信号灯，非机动车道信号灯，方向指示信号灯，移动式交通信号灯，太阳能闪光警告信号灯，收费站天棚信号灯，道路与铁路平面交叉道口信号灯等。

第三节交通信号灯的分类功能

一、绿灯信号

绿灯信号是准许通行信号。

按《交通安全法实施条例》规定：

绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍被放行的直行车辆和行人通行。

二、红灯信号

红灯信号是绝对禁止通行信号。

红灯亮时，禁止车辆通行。

右转弯车辆在不妨碍被放行的车辆和行人通行情况下，可以通行。

红灯信号是带有强制意义的禁行信号，遇此信号时，被禁行的车辆须停在停止线以外，被禁行的行人须在人行道边等候放行；机动车等候放行时，不准熄火，不准开车门，各种车辆驾驶员不准离开车辆；自行车左转弯不准推车从路口外边绕行，直行不准用右转弯方法绕行。

三、黄灯信号

黄灯亮时，已越过停止线的车辆，可以继续通行。

黄灯信号的含义介于绿灯信号和红灯信号之间，既有不准通行的一面，又有准许通行的一面。

黄灯亮时，警告驾驶人和行人通行时间已经结束，马上就要转换为红灯，应将车停在停止线后面，行人也不要进入人行横道。

但车辆如因距离过近不便停车而越过停止线时，可以继续通行。

已在人行横道内的行人要视来车情况，或尽快通过，或原地不动，或退回原处。

四、闪光警告信号灯

为持续闪烁的黄灯，提示车辆、行人通行时注意瞭望，确认安全后通过。

这种灯没有控制交通先行和让行的作用，有的悬于路口的上空，有的在交通信号灯夜间停止使用后仅用其中的黄灯加上闪光，以提醒车辆、行人注意前方是交叉路口，要谨慎行驶，认真观望，安全通过。

在闪光警告信号灯闪烁的路口，车辆、行人通行时，即要遵守确保安全的原则，同时还应遵守没有交通信号灯或交通标志控制路口的通行规定。

五、人行横道灯信号

人行横道灯由红、绿两色灯组成。

在红灯镜面上有一个站立的人形象，在绿灯面上有一个行走的人形象。

人行横道灯设在人流较多的重要交叉路口的人行横道两端。

灯头面向车行道，与道路中心垂直。

人行横道灯信号有绿灯亮、红灯亮两种信号，其含义与路口信号灯信号的含义相似，即绿灯亮时，准许行人通过人行横刀；红灯亮时，禁止行人进入人行横道，但是已经进入人行横道的，可以继续通过或者在道路中心线处停留等候。

第三章可编程控制器（PLC）

第一节概述

可编程控制器（ProgrammableController）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（ProgrammableLogicController），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（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

第二节PLC的发展方向

其实PLC自诞生以来也是在不断发展改进创新的。

采用新的、先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间。

小型的、低成本的PLC，可以代替4到10个继电器，获得更大的发展动力。

高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口。

基于微处理器的智能I/O接口，扩展了分布式控制能力。

典型的接口如：

PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和支持高级语言编程的模块（如BASIC，PASCAL）。

包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成。

特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等。

由于工控机，DCS等控制系统的出现，将迫使PLC向着功能更多，开放性兼容性更强的方向发展。

第三节PLC的应用

一、PLC的应用领域

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。

但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：

一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。

目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。

PLC的应用范围通常可分成以下5种类型：

（1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。

它用来取代传统的继电器顺序控制。

PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。

例如：

注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。

（2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。

每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加速度，确保运动平滑。

（3）过程控制PLC还能控制大量的过程参数，例如：

温度、流量、压力、液位和速度。

PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。

当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。

（4）数据处理在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。

（5）通信网络PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。

PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

二、PLC在我国的应用

虽然我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广。

在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：

微型：

32I/O

小型：

256I/O

中型：

1024I/O

大型：

4096I/O

巨型：

8192I/O

在我国应用的PLC系统中，I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。

第四节PLC的硬件结构

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从结构上分，PLC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。

其结构如图3-1所示。

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。

图3-1PLC的结构图

第五节PLC的工作原理

PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。

这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

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。

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。

PLC的扫描工作过程如图3-2、图3-3所示

图3-2PLC的扫描工作过程图

图3-3PLC的扫描周期图

第四章停车场交通信号灯控制系统要求

第一节技术要求

停车场十字路口东西方向和南北方向各装有直行（包括右转弯）控制红、黄、绿交通信号灯和左转弯控制红、绿交通信号灯，另外还有倒计时显示器，显示器用于显示相应方向直行控制当前点亮信号灯还要持续的时间（剩余时间），由另外的单片机系统构成。

PLC通过串口以自由口方式输出八位二进制数据，最高位为0表示东西方向数据。

1表示南北方向数据，单位为秒。

系统中有两个控制开关，东西控制开关SEW和南北控制开关SSN。

SEW接通SSN关断则东西方向绿灯全亮，南北红灯全亮，其他全灭。

接通南北方向绿灯全亮，东西方向红灯全亮，其他全灭。

SEW和SSN都关断停止工作SEW和SSN都接通则进入正常工作状态，按照以下规律控制：

（参考中华路与人民路交叉路口信号灯）

第二节设计规律

（1）系统启动后，南北红灯全亮35秒：

与此同时东西直行绿灯亮20秒，东西左转弯红灯亮。

（2）东西灯亮20秒后开始闪烁，周期为1秒（灭0.5秒，亮0.5秒），闪亮3秒。

（3）东西直行绿灯闪亮3秒后变成黄灯亮，维持2秒。

（4）东西直行黄灯亮2秒后变成红灯亮，同时东西左转弯绿灯亮，维持10秒。

（5）东西左转弯绿灯亮10秒后变成红灯亮（至此东西方向全是红灯亮，维持40秒），同时南北方向直行控制红灯灭，绿灯亮，维持20秒，南北左转弯继续红灯亮。

（6）南北直行绿亮20秒后开始闪烁，周期为1秒（灭0.5秒，亮0.5秒），闪亮3秒。

（7）南北直行绿灯闪亮3秒后变成黄灯亮，维持2秒。

（8）南北直行黄灯亮2秒后变成红灯亮，同时南北左转弯绿灯亮，维持10秒。

（9）南北左转弯绿灯亮10秒后变成红灯亮（至此东西方向全是红灯亮，同时东西方向直行控制红灯灭，绿灯亮，东西左转弯继续红灯亮。

（10）循环执行上诉1到9步，实现对交通信号灯的控制。

第三节设计流程图

图4-1设计流程图

第四节设计线路连接

图4-2设计线路连接图

第五节信号灯控制编程元件表

表4-1信号灯控制编程元件表

输入

输出

元器件

交通灯控制开关：

I0.0

南北红：

Q0.1

南北红灯工作30S：

T33

南北黄：

Q0.6

南北绿灯工作25S：

T34

南北绿：

Q0.5

南北绿灯闪烁3S：

T35

东西红：

Q0.4

南北黄灯工作2S：

T36

东西黄：

Q0.3

东西红灯工作30S：

T97

东西绿：

Q0.2

东西绿灯工作25S：

T99

南北左转弯红：

Q1.3

东西绿灯闪烁3S：

T100

南北左转弯绿：

Q1.2

东西黄灯工作2S：

T98

东西左转弯红：

Q1.0

东西左转弯绿灯工作10S：

T101

东西左转弯绿：

Q1.1

南北左转弯绿灯工作10S：

T37

第六节十字路口交通灯模拟控制时序图

图4-3十字路口交通灯模拟控制时序图

第七节程序梯形图

第八节监控组态图

图4-3监控组态图

结束语

当我知道我的课题是：

交通信号灯控制系统的设计,我想这个课题是很容易的，这样我更应该做的更好。

当真正做起来的时候，还是觉得有点困难的，有些东西以前学了，但现在用起来可能又有点疑问。

就如画电气原理图吧，整体的构造脑海里都有一个整体的概念。

而你要画出来的话，你可能会遇到细节上的问题，比如说按钮开关的方向是怎样，以及怎么划分区域等。

遇到这些问题的时候都能让你主动去翻书，复习这些陌生的知识。

我认为这是一种最好的学习方法——通过实践去检验自己的知识。

这个只有你自己投入进去你才能发现自己知识点的欠缺。

做为一名电气专业的学生对电器原理图的了解更应该有深刻的认识，知道它的重要性。

要能看的懂，给你一张电气原理图，你要能够写出梯形图。

谢辞

本论文从1月份开题以来，到目前为止已经有快4个月的时间了，这次毕业设计中，虽然都没太多的经验，但是在段老师的指导下，同学鼓励、帮助下，最终圆满的完成了设计任务。

在整个过程当中，有许多人给了我启发和帮助，在毕业论文完成之际，我要在此表达对他们最诚挚的感谢。

首先，最需要感谢的人是我的指导老师段莉老师。

老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，方案可行的确定和论文纲领细节的修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。

每一次的批评和教育，使我受益非浅，值此论文完成之际,谨向老师再一次向他致以衷心的谢意，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围,以及学习上的耐心细致帮助!

最后我还要感谢我的同学与朋友，他们也给我很大的帮助，给我提供了不少的建议，让我少走了许多的弯路。

参考文献

1.邓则名,电器与可编程控制器应用技术，北京：

机械工业出版社，2004。

2.王曙光，S7-200PLC应用基础与实例，北京：

人民邮电出版社，2007。

3.严盈富，西门子S7-200PLC入门，北京：

人民邮电出版社，2007。

4.龙志文，SIMATIC子S7-200PLC原理及应用，北京：

机械工业出版社，2007。

5.刘永华，电气控制与PLC，北京：

北京航空航天大学出版社，2007。