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基于plc交通灯论文
前言
随着我国社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，交通问题成为制约我国社会经济发展的一个大问题，我国的人口众多，现在大多数城市都经常会出现交通拥堵现象，人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
随着社会的发展，一个城市的交通是否便捷是衡量其是否具有发展潜力的重要指标，目前，我国大中小城市都出现了交通拥堵的现象，特别是那些大城市，随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速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高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。
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城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
可见改善城市交通灯控制系统是多么的重要。
近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
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。
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。
在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用。
以PLC为信号处理和控制装置，具有系统结构简单、投资成本较小、现场适应能力强、时间调节范围广等特点，因而在实际的交通信号控制领域有良好的应用前景。
本系统采用PLC是基于以下六个原因：
（1）PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；
（2）编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；
（3）抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
（4）PLC通用性和适应性强且维护性好；
（5）PLC体积小能耗低、响应速度快、硬件系统配置灵活；
（6）近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。
中文摘要
传统的交通灯控制系统大多是由数字电路来实现的，交通灯控制系统稳定性可靠性与抗干扰能力较差，随着社会经济的发展，数字电路交通灯越来越不能满足日益增长的交通压力，因此必须寻求一种新的方法来取代这种复杂而工作不稳定的控制系统。
随着科技的发展，可编程控制器（PLC）的功能日益完善，可编程控制器已作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，已被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源等各种行业。
它可靠性高、功能完善、抗干扰能力强，具有结构简单、重量轻等优点，是一种用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统。
采用PLC控制交通信号灯，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，特别是方便地实现多岔路口的控制。
由于PLC本身具有通信联网功能，可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。
在实际应用中，采用PLC控制城市交通信号灯，能根据不同的路况要求，随时修改控制程序，以改变各信号灯的工作时间和工作状况。
与继电器或逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更高的可靠性、灵活性和经济实用性。
本论文就是运用PLC原理来实现对十字路口的交通灯的控制，介绍了基于PLC在交通系统的运用，系统介绍了PLC的基本原理。
关键词：
交通灯控制系统；可编程控制器（PLC）；十字路口；科学化管理；稳定性；可靠性
ABSTRACT
Thetraditionaltrafficcontrolsystemismostlybydigitalcircuit,trafficcontrolsystemstabilityreliabilityandanti-interferenceabilityisbad,Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,anddigitalcircuittrafficlightstomeetthegrowingtrafficpressure,therefore,mustseekanewmethodtoreplacethecomplexandworkingstabilityofthecontrolsystem.
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theprogrammablelogiccontroller（PLC）function,theprogrammablecontrollerhas,asakindofmicrocomputertechnologyasthecoreinautomaticcontrolequipment,hasbeenwidelyusedinmechanicalmanufacturing,metallurgy,chemical,energy,etc.Ithashighreliability,completefunctions,stronganti-jammingcapability,withsimplestructure,lightweight,itisakindofprocesscontrolforindustrialenvironmentandthenumberofoperatingsystem.PLCcontroltrafficlights,mainlyisforusewiththeconsiderationofthecharacteristicsofstrongadaptabilitytoenvironment,anditsinternaltimerresourcesareveryrich,butfornowthewidespreaduseof"progressive"lightaccuratelycontrol,particularlyeasilyrealizemorecontrolofthecross-roads.BecauseofPLCnetworkcommunicationfunction,hasthesamepathcanbecomposedofaLANforsignalunifieddispatchingmanagement,canshortenthetimeofwaitingvehicles,scientificmanagement.
InactualapplicationofPLCcontrol,urbantrafficlights,canaccordingtodifferentconditions,modifiedatanytimetochangecontrolprocedures,thesignalofworkingtimeandworkingconditions.Andrelayorlogiccircuitcontrolsystem,PLCcontrolsystemhashigherreliabilityandflexibilityandeconomicandpractical.ThispaperistheapplicationoftheprincipleofPLCtocontrolthetrafficintersection,introducedintrafficsystembasedonPLCisintroduced,andtheapplicationofPLCsystemofbasicprinciple.
Keywords:
Trafficcontrolsystem；Programmablelogiccontroller（PLC）；Crossroads；Scientificmanagemen；Stabilization；reliability
基于PLC交通灯控制系统设计
1.交通灯控制系统设计要求
图1是交通信号灯设置示意图。
东、南、西、北方向各有红、黄、绿信号灯一盏，共12盏信号灯；东、南、西、北方向各有一盏车灯，共4盏车灯；现假定交叉的道路是南北向及东西向。
每个方向各有红绿黄三色信号灯。
信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始正常工作，当停止开关按下时所有信号灯熄灭。
先南北红灯亮，后东西绿灯亮，南北红灯亮并维持30s。
在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，1s后，东西车灯即甲亮。
到25s时，东西绿灯闪亮3s（1s内通0.5s、断0.5s）后东西绿灯熄灭，然后东西黄灯亮，同时甲灭。
黄灯亮2s后熄灭，东西红灯亮。
此同时，南北红灯灭，南北绿灯亮。
1s后，南北车灯即乙亮。
南北绿灯亮了25s后闪亮，3s后熄灭，同时乙熄灭，黄灯亮2s后熄灭，南北红灯亮，东西绿灯亮，即周期时间为60，循环如此。
南北和东西采取对称接法（有些路口根据流量的不同采用非对称接法，即同一方向的通行时间和停止时间不对称）这些灯点亮的时序图如图2所示。
图1交通灯通行模拟图
2.启动状态下交通灯控制时序图
0.5s
0.5s
图2交通灯控制时序图
3．交通灯控制系统的核心硬件介绍
交通灯控制系统的核心器件为PLC，以下是对PLC的介绍：
3.1可编程控制器的特点及发展趋势：
可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。
与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
其定义是：
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC的特点：
通用性强
使用方便
适应面广
可靠性高
抗干扰能力强
编程简单
可以预料：
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。
用户程序由用户按控制要求设计。
PLC的发展趋势在向微型化、网络化、pc化和开放性方向发展。
3.2PLC的结构及基本配置
一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。
但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。
对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。
无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
PLC的基本结构框图如下：
接受驱动
现场信号受控元件
图3PLC结构框图
3.2.1CPU的构成
PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，
与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。
一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。
箱体式PLC的主箱体也有这些显示。
它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。
CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
3.2.2I/O模块
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
3.2.3电源模块
有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源以其输入类型有：
交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。
3.2.4底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
3.2.5PLC的外部设备
外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类
1编程设备：
有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。
2监控设备：
有数据监视器和图形监视器。
直接监视数据或通过画面监视数据。
3存储设备：
有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。
4输入输出设备：
用于接收信号或输出信号，一般有条码读入器，输入模拟量的电位器，打印机等。
3.2.6PLC的通信联网
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。
了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。
4．本交通灯控制系统硬件设计及选型
本系统设计选用三菱FX2N-48MR系列PLC；该控制系统设一个启动按钮；一个停止按钮；一个可编程控制器自身的运行开关；
可编程序控制器PLC的选型：
4.1PLC的类型选取
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
本系统PLC设计选用的是CPU字长为16位的三菱模块式现场安装类PLC。
4.2输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，输出模块可分为继电器、晶体管、和双向晶闸管3种。
通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
本系统输出模块选用为继电器输出模块。
4.3电源的选择
PLC电源的选择，电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压.电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和,同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素;电源输入电压一般根据现场的实际需要而定.直流输入电源对于输入电压一般都是宽范围:
如5V为4.5-9V,12V为9-18V,24V为18-36V,48V为36-72V,110V为60-160V；交流输入电源一般为AC220V（176-264V）和三相三线（四线）。
本系统PLC的供电电源设计选用为直流24V电源。
4.4 PLC接地
良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件。
PLC的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近PLC。
同时，接地电阻要小于100Ω，接地线的截面应大于２mm。
另外，PLC的CPU单元必须接地，若使用了I/O扩展单元等，则CPU单元应与它们具有共同的接地体，而且从任一单元的保护接地端到地的电阻都不能大于100Ω。
为了抑制干扰，本系统设计要求PLC单独接地，与其它设备分别使用各自的接地装置。
4.5存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。
需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器，本系统存储器设计选为8K容量。
4.6经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。
在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。
5.控制系统的I/O分配及接线
在对其控制程序进行设计之前，必须先对PLC的I/O电路进行设计。
根据十字路口交通信号灯的控制要求，I/O分配表如所示，控制系统共有开关量输入点3个、开关量输出点8个。
系统的I/O端子接线如图所示。
在I/O端子接线图中用一个输出点驱动两个信号灯，如果PLC的输出点的输出电流不够，可以用一个输出点驱动一个信号灯，也可以在PLC输出端增设中间继电器，由中间继电器再去驱动信号灯。
5.1交通灯控制系统PLC部分硬件连接原理图
如下图所示是本交通灯控制系统PLC部分硬件原理图，PLC用直流24V电源供电，整个控制系统用交流220V，且PLC单独接地（本图未画出）。
图4PLC部分硬件连接原理图
5.2交通控制系统I/O设备及I/O点分配
本交通控制系统硬件输入、输出设备及Ｉ／Ｏ分配及要求如下表：
表1I/O设备及I/O点分配表
输入口分配
输出口分配
输入设备
输入继电器
输出设备
输出继电器
起动按钮SB1
X001
南北红灯HL1HL2
Y000
停止按钮SB2
X002
南北黄灯HL3HL4
Y001
PLC运行开关SA
RUN
南北绿灯HL5HL6
Y002
东西红灯HL7HL8
Y003
东西黄灯HL9HL10
Y004
东西绿灯HL11HL12
Y005
南北车灯HL13HL14
Y006
东西车灯HL15HL16
Y007
6．交通灯控制系统的软件设计
6.1系统软件
该系统的梯形图程序可以用基本逻辑指令编程，也可以步进指令或移位寄存器指令编程。
在系统我将利用基本逻辑指令来编写该系统的梯形图程序。
可以看出这是一个时间控制程序，在程序中通过定时器来实现时间控制。
如图5所示的梯形图程序可分为两个环节，一部分是延时环节即时间点的形成的部分，包括各个时间点的定时器以及形成绿灯闪烁的脉冲发生器，脉冲发生器产生周期为1s（通0.5s、断0.5s）的方波脉冲，另一部分是驱动环节即输出控制的部分，信号灯的工作条件都用定时器的触头来表示。
其中绿灯的点亮条件是两个并联支路，一个是绿灯长亮的控制，一个是绿灯闪亮的控制。
6.2交通灯控制系统程序模块图
图5程序模块图
6.3系统梯形图
图5交通灯控制程序梯形图
6.4系统控制输入输出器件功能简介
表2元器件作用表
元器件
作用
X001
起动及循环起点，南北红，东西绿
X002
系统运行及循环停止
Y000
南北红灯输出
Y001
南北黄灯输出
Y002
南北绿灯输出
Y003
东西红灯输出
Y004
东西黄灯输出
Y005
东西绿灯输出
Y006
南北车灯输出
Y007
东西车灯输出
M0
中间继电器，把X001的状态保持。
T0
南北红灯定时
T1
东西红灯定时
T2
东西绿灯平光定时
T3
东西绿灯闪光定时
T4
东西黄灯定时
T5
南北绿灯平光定时
T6
南北绿灯闪光定时
T7
南北黄灯定时
T10
控制东西绿灯的闪烁
T11
控制南北绿灯闪烁
7．PLC系统调试
7.1常规检查
在通电之前要耐心细致地作一系列的常规检查（包括接线检查、绝缘检查、接地电阻检查、保险检查等），避免损坏PLC模块（用STEP7的诊断程序对所有模块进行检查）。
接通电源，检查三菱FX2N-48MR可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。
按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试。
7.2系统调试
系统调试可按离线调试与在线调试两阶段进行。
其中离线调试主要是对程序的编制工作进行检查和调试，采用STEP7能对用户编制程序进行自动诊断处理，用户也可通过各种逻辑关系判断编制程序的正误。
而在线调试是一个综合调试过程，包括程序本身、外围线路、外围设备以及所控设备等的调试。
在线调试过程中，系统在监控状态下运行，可随时发现问题、随时解决问题，从而使系统逐步完善。
因此，一般系统所存在的问题基本上可在此过程中得到解决。
8.结束语
随着城市机动车辆的不断增加，交通运
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