基于PLC交通信号灯控制系统设计.doc
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基于PLC交通信号灯控制系统的设计
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摘要
我国是一个人口大国，许多城市都存在交通拥堵现象。
特别是近十几年，随着我国经济的发展，城市人口与机动车辆的增多，城市交通问题越来越受到人们的关注。
特别是那些大城市，情况尤为严重，如上海、北京、南京、武汉等出现了交通超负荷运行的情况。
因此，如何改善与人们密切相关的交通问题也成为政府交通部门工作中的一个重要部分。
交通拥堵问题的原因在道路的交叉口，堵车先堵交叉口，如何能够控制好十字路口车辆的通行，可以有效地解决交通拥堵问题。
所以交通灯设计的合理与否，就显得尤为重要，对解决交通拥堵问题具有重要意义。
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：
可编程控制；交通灯；梯形图
目录
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第一章绪论 1
1.1可编程控制器PLC的概况 1
1.1.1PLC的产生及其定义 1
1.1.2PLC的发展趋势 1
1.1.3PLC的应用...............................................................................................2
1.2PLC的特点及其分类 3
1.2.1PLC的特点 3
1.2.2PLC的分类 4
第二章PLC的硬件介绍及选取 6
2.1PLC硬件的组成................................................................................................6
2.1.1PLC的组成…….........................................................................................6
2.1.2PLC的硬件选取.........................................................................................7
第三章PLC的软件介绍及组成……....................................................10
3.1PLC的软件介绍…….....................................................................................10
3.2PLC软件的组成.............................................................................................11
第四章PLC交通信号灯的控制 12
4.1交通灯控制系统的设计要求和工作过程 13
4.1.1PLC交通灯控制要求…..........................................................................13
第五章PLC交通灯的设计与控制…….........................................................14
5.1PLC交通灯的设计图.....................................................................................14
5.1.1初始顺序图…..........................................................................................14
5.1.2I/O分配及其接口电路............................................................................15
5.1.3时序..........................................................................................................17
5.1.3梯形图.....................................................................................................19
5.1.4编制程序.................................................................................................20
第六章结论 21
1论文总结 21
2感想............................................................................................................21
致谢 22
参考文献 23
附录A：
英文资料
附录B：
英文资料翻译
附录C：
硬件设计原理图与PCB图
附录D：
其它资料（根据各课题具体）
附件：
毕业论文光盘资料
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第一章绪论
1.1可编程控制器PLC的概况
1.1.1PLC的产生及其定义
早期的可编程控制器是为了取代继电器控制线路，采用存储指令完成顺序控制而设计的。
它仅有逻辑运算、定时、计数等功能，采用开关量控制，实现只能进行逻辑运算，所以称为可编程控制器，简称PLC（ProgrammableLogicController）。
进入20世纪80年代后，采用了16位和少数的32位微处理器构成PLC，使得可编程逻辑控制在概念、设计、性能上都有了新的突破。
采用微处理器之后，这种控制功能不在局限于当初的逻辑运算，增加了数值运算、模拟量处理、通信功能，90年代以来，由于大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，同时为了适应计算机集成制造系统（CIMS）和现代网络技术，PLC由单CPU转向多CPU，16位和32位微处理器被大量应用与PLC中，时期运算速度、通行联网、图像显示和数据处理功能都大大增强.可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算数运算等操作指令，并且通过数字式，模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。
，成为真正意义上可编程控制器（ProgrammableController），简称为PC。
1.1.2PLC的发展趋势
美国数字设备公司（DEC）根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。
其后，日本，德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。
PLC总的发展趋势:
（1）向高速、大容量方向发展为了提高PLC处理性能，要求PLC有更好的响应速度和更大的存储容量。
（2）向超大型和超小型发展，为了适应不同的控制需要。
（3）开发新的智能模块。
（4）加强联网和通信能力。
（5）增加外部故障的检测与处理能力。
（6）编程语音多样化和标准化。
1.1.3PLC的应用
PLC的应用范围大致归结为：
（1）开关量逻辑控制：
PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现简单和复杂的逻辑逻辑控制。
（2）模拟量控制：
PLC配有A/D和D/A转化模块
（3）过程控制：
现代大型的PLC一般配备了PID控制模块，可以进行闭环过程控制。
（4）定时和计数控制：
PLC具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供十几种甚至上百种，上千种定时器和计数器。
（5）顺序控制：
在工业控制中，可采用PLC步进指令编程或移位寄存器编程来实现顺序控制。
（6）运动控制：
PLC可用于圆周控制和直线控制。
从控制配置上来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在可以用专门的运动模块。
广泛应用与机床，机械，机器人，电器等。
（7）过程控制:
这是对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
PLC能编制各种控制算法程序，完成闭环控制。
PID控制时一般控制系统中常用的控制方法。
PID处理一般是用运动专门的PID子程序。
过程控制冶金、化工、热处理、锅炉等控制场合非常有广泛的应用。
（8）数据处理：
现代PLC不仅能进行算术运算，数据传送，排序，查表等，而且还能进行数据比较，数据转换，数据通信，数据显示和打印等，它具有很强的数据处理能力。
（9）通信和联网：
现代PLC一般都有通信功能，它可以对远程的I/O借口进行控制，而且还可以实现PLC和PLC，PLC和计算机的数据通信，这样PLC可以方便进行分布式控制。
1.2PLC的特点及其分类
1.2.1PLC的特点
1）可靠性高，抗干扰能力强（硬件、软件）
工业生产对控制设备的可靠性要求：
1平均故障间隔时间长2故障修复时间（平均修复时间）长短，任何电子设备产生的故障，通常为两种：
（1）偶发性故障。
由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、振动等引起的故障。
这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。
但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。
（2）永久性故障。
由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。
如果能在限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样能提高平均故障间隔时间;如果能在PLC上增加一些诊断措施和社党的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查处故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。
为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给处处错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有很强的抗干扰能力。
2）编程简单，易于掌握
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。
梯形图语言的编程原件符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术很快就能学会梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语言表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言后执行（PLC内部增加了解释程序）。
与真正执行汇编语言编程的用户程序相比，执行梯形图程序的时间长一些，但对于大多数由控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
3）设计、安装容易，维护工作量少
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件、控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时，PLC的on过户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。
并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。
4）体积小，重量轻，功耗低
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
以三菱公司的F1-40M型PLC为例，外形尺寸近卫305x110x110mm，重量2.3KG，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应坏境温。
湿度变化的能力。
现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比；面积为47%，体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24~128点。
5）功能强，适应面广
4）现在PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产线，又可控制一个生产过程。
1.2.2PLC的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。
对于PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
1按结构形式分类。
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
（1）整体式PLC：
整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有机构紧凑、体积小、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
整体式PLC由于不同I/O点数基本单元和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等，美欧CPU。
基本单元或扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
（2）模块式PLC：
模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块以及各种功能模块。
模块式PLC由于PLC内框架或基板和各种模块组成。
模拟装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自地理的模块，但他们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。
这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
2按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为抵挡、中档、高档三类。
（1）抵挡PLC：
具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少数模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档PLC:
除具有抵挡PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数据转移、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制体统。
（3）高档PLC：
除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或机构成分布式网络控制系统，实现共产自动化。
3按I/O点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可讲PLC分为小型、中型和大型三类。
（1）小型PLC——I/O点数<256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。
（2）中型PLC——I/O点数256~2048点；双CPU，用户存储器容量2~8K
（3）大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8~16k
第二章PLC的硬件和软件的介绍和组成
2.1PLC的硬件介绍
PLC的基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、I/O接口（接入口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）,编程器和电源
2.1.1PLC的组成
1）中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。
CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。
小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。
CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。
存储器
PLC的内部存储器主要用于存放系统程序、用户程序。
系统程序存储器是有PLC制造厂家编写并固化在系统系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。
用户存程序存储器
用户程序存储器用于存放用于载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需要修改与调试，所以成为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
3）I/O接口
输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。
PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。
晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。
4）编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。
编程器有简易编程器和图形编程器两种。
简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。
图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。
5.）电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。
PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。
2.2PLC的软件介绍
PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机。
PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
其软件主要有以下几个逻辑部件：
（1）继电器逻辑：
为适应电气控制的需要，PLC为用户提供继电器逻辑，用逻辑与或非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。
PLC内部有存储单元有“1”和“0”两种状态，对应于“ON”或“OFF”两种状态。
因此PLC中所说的继电器是一种逻辑概念的，而不是真正的继电器，有时也称为“软继电器”与通常的继电器相比有以下特点：
1.体积小，功耗低
2.无触点、速度快、寿命长
3.有无数个触点，使用中不必考虑借点的容量
PLC一般为用户提供以下集中继电器：
1.输入继电器（x）：
把现场输入PLC；同时提供无限多个常开、常闭出点供用户编程使用。
在程序中只有触点没有线圈，信号由外部信号驱动。
编号采用八进制，分别为X000~X007，X010~X017等。
2.输出继电器（Y）:
具备一对物理机电，可以串接在负载回路中，对用物理原件有继电器、晶闸管和晶体管。
外部信号只能直接驱动，只能在程序中用指令驱动。
摆好采用八进制，分别为Y000~Y017等。
3.内部继电器（M）：
与外界美欧直接联系，仅作运算的中间结果适用。
有时也成为辅助继电器或中间继电器。
和输出继电器一样，只能由程序驱动。
每个辅助继电器有无限多对常开、常闭触点，供编程适用。
地址号按十进制分配，通用型辅助继电器有M0~M499供500点，保持型辅助机电其有M500~M1023共524点，特殊型辅助继电器有M8000~M8255供157点。
4.定时器逻辑：
PLC一般采用硬件定时中断，软件计数的方法来实现定时逻辑功能，定时器一般包括:
1）定时条件：
控制定时器操作
2）定时语句：
指定所适用的定时器，给出定时设定值
3）定时器的当前值：
记录定时时间
4）定时继电器：
定时器达到设定的时为“1”（ON）状态，未开始定时或定时为达到设定值时为“0”（OFF）状态。
（2）计数器逻辑PLC为用户提供了若干计数器：
计数器复位信号R、计数器的计数信号（CP单位脉冲）、计数器设定值的记忆单元、计数器当前计数值单元、计数器当前计数值单元，计数继电器，计数器计数达到设定值时为ON，复位或未计数设定值时为OFF
2.2.1PLC的软件组成
PLC的软件由系统程序和用户程序组成。
系统程序有PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。
系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。
PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。
在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。
由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是官大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言
PLC编程语言多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不同，但基本上可归纳两种类型，一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达使编程语言，如梯形图等。
以下简要介绍集中常见的PLC编程语言
1梯形图语言梯形图语言在传统电器控制系统中长的接触器、继电器等图形表达符的基础上演变而来的。
它与电器控制线路图相似，继承了传统电气控制逻辑适用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、适用的特点。
因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的汇编语言，是PLC的第一编程语言。
2语句表语言这种编程语言是一种汇编语言类似的助符编程表达方式。
在PLC应用中，经常采用建议编程器，而这种编程器中没有CRT屏幕显示，或没有较大的惊天屏幕显示。
因此，就用一系列PLC操作命令组成的表达将梯形图来描述出来，在通过简易编程输入到PLC中。
虽然各个PLC生产厂家的语句表达形式不尽相同，但基本功能相差无几。
第三章PLC的汇编语言和基本指令
3.1PLC的软件介绍
PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机。
PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
其软件主要有以下几个逻辑部件：
（2）继电器逻辑：
为适应电气控制的需要，PLC为用户提供继电器逻辑，用逻辑与或非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。
PLC内部有存储单元有“1”和“0”两种状态，对应于“ON
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