基于PLC控制的交通灯设计文档格式.doc
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2.2控制要求分析 11
2.3设计步骤 12
2.3.1现场图 12
2.3.2交通灯运行阶段图 13
2.3.3PLCI/O分配图 16
2.3.4流程图 16
2.3.5时序图 18
2.3.6程序 19
2.4编程注意事项 20
2.4.1定时器的使用 20
2.4.2闪烁程序的编制 21
2.5实验仿真 21
2.6系统可行性阐述 25
设计小结 26
致谢 27
参考文献 28
附录 29
附录:
完整程序图 29
第1章绪论
1.1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。
其中着红妆的女人代表我已经结婚了，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扎人的事故，于是人们受到红绿装的启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在英国伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师师德.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的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。
不幸的是只面试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，城市的交通灯被取缔了。
知道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气公司任职员。
一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一声冷汗。
回到宿舍，他反复琢磨，终于想到了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。
1.2交通灯的概述与研究意义
随着生活的质量越来越高，车辆也越来越多，随之而来的交通事故也发生的更加频繁。
十字路口更是拥挤不堪,基于交通灯控制要求也就越来越高，交通灯的设计有很多实现的方法，从交通灯的重要性看来,交通灯工作一定要稳定可靠。
据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控（不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况），这样必然产生如下弊端:
当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。
智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。
出于便捷和效果的综合考虑，我们也可以采用这种方案来控制交通路况:
制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。
具体如下:
在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。
比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。
再者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。
通过分析现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况，阐述交通灯控制系统的工作原理，从而给出一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。
1.3PLC的概述
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制成功第一台PLC，将其应用于美国通用汽车白动装配生产线上，取得了极大的成功。
人们根据这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻辑控制的情况，称这种新的工业控制装置为可编程序控制器（ProgrammableLogicController），简称为PLC。
白1969年第一台可编程序逻辑控制器面世以来，目前可编程序控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。
早期PLC是为取代继电逻辑控制而设计，是用于开关控制，具有逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能。
进入20世纪70年代之后，出现了微处理器。
它的体积小、功能强、价格便宜，很快被用于可编程序控制器，使PLC的功能增强、工作速度加快、体积减小、可靠性提高、成本下降。
现代可编程序控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数据处理、运动控制等功能，模控制器的功能已不限于逻辑运算，还具有连续模拟量处理、高速计数、远程I／O和网络通信等功能，因而用PLC是不能描述其多功能的特点的。
1980年，美国电气制造商协会（NEMA）给它一个新的专业名称为“ProgrammableControl—let”，简称PC。
1982年国际电工协会IEC专门为PC下了严格的定义。
然而PC这一缩写在我国早已成为个人计算机的代名词，为避免造成名词术语混乱，在我国仍沿用PLC来表示可编程序控制器。
1.4PLC的发展
可编程序控制器（PLC）是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置，是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。
进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制中。
我国在七十年代末期开始对PLC进行研究、生产和应用。
在近十年来，取得了非常好的成绩。
特别是在应用方面，随着国力的增强和生产力的提高，PLC已经渗透到了各个领域。
在生产方面，为了提高生产效率和工业的自动化，我们引进了许多在世界上都处于领先技术的成套设备，如上海宝钢集团上马的第一期工程中，就采用了250台PLC，二期工程中有采用了180台。
再如，总部坐落在北京的神华集团，其下属神东公司，其优质煤的日产量在世界首屈一指，所使用的采煤设备是当前世界最好的三家公司的最新产品，因而大量地使用PLC等先进技术。
还有三峡工程、秦川电站、天津开发区的康师傅方便面生产线等都用了PLC控制。
现在PLC不但应用于冶金、矿业、机械、轻工等工业自动控制中，在其他领域它也有着广泛地应用。
例如，市政建设中的水处理，沥青、混凝土的拌和；
日常生活中的电梯、车库的自动化管理等、货物存取等；
商业中的自动售货机，啤酒罐装及酿酒等；
另外还在环保、娱乐业中也有应用。
早期的可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC），主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。
目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。
国外著名的ＰＬＣ生产厂家有:
施耐德公司，Quantum、Premium、Momentum等；
罗克韦尔（A-B公司），SLC、MicroLogix、ControlLogix；
西门子公司，SIMATICS7-400/300/200系列；
GE公司；
日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。
1.5可编程序控制器的结构及工作原理
可编程序控制器是以中央处理器为核心的数字式电子、电气自动控制装置，其实质是一种工业控制专用计算机。
目前可编程序控制器的品种很多，各种不同型号的产品结构也各不相同。
但其基本组成原理却基本相同，即均以中央处理器为核心，并辅以外围电路和I／O单元等硬件所组成。
1.PLC的基本组成
PLC实质上是一种工业控制计算机，PLC与计算机的组成十分相似。
只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口，以及更直接的适应于控制要求的编程语言。
从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入／输出（I／O）接口、电源等组成，可编程序控制器的基本组成如图2—1所示。
2.PLC各部分的作用
（1）中央处理器（CPU）
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心部件，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。
它解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能。
具体地说，CPU主要完成下列工作。
①接收，存储用户通过编程器等输入设备输入的程序和数据。
②用扫描的方式通过I／O部件接收现场的状态或数据，并存入输人映像存储器或数据存储器中。
③诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。
④PLC进入运行状态后，执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和存储相应的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。
⑤响应各种外围没备（如编程器、打印机等）的请求。
不同型号PLC的CPU芯片是不同的，现代PLC使用的CPU主要有：
通用中央处理器（如8080、6800、Z80A、8086等），它价格便宜，通用性强，还可以借用计算机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源；
单片机（如8031等），单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能I／O模块；
位片式中央处理（如AMD2900系列等），它主要追求运算速度快，它以4位为一片，用几个位级联，可以组成任意字长的中央处理器，改变程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统，位片式结构可以使用多个位中央处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个中央处理器同时进行处理。
目前，小型PLC为单CPU系统，而中型及大型PLC则为双CPU或多CPU系统。
（2）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
a.系统存储区
系统存储区包括系统程序存储区和内部工作状态区两部分。
系统程序存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改（常用EPROM）。
它能够完成PLC设计者规定的各项工作。
系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分：
第一部分为系统管理程序，它主管控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作；
第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令；
第三部分为标准程序模块与系统凋用，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等子程序。
PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。
内部工作状态区是为CPU提供的临时存储区，用于存放相对少量的供内部计算用的数据。
一般将快速访问的数据不放在主存中，而放在这一区域里，以节省访问时间。
b.用户存储区
用户存储区包括用户程序存储区（程序区）和用户功能存储器（数据区）两部分。
用户程序存储区用来存放用户用规定的PLC编程语言编写输入的指令、控制程序，其内容可以由用户任意修改或增删。
用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（有掉电保护）、EPROM或EZPROM存储器。
用户数据存储器存储区用来存放与控制用户程序中使用的相关数据，它构成PLC的各种内部器件，也称“软元件”。
在PLC中使用的两种类型存储器：
一种是只读类型的存储器，如ROM、PROM、EPROM和E2PROM等；
另一种是可读写的随机存储器RAM。
1.6PLC的选择
1.6.1扩展模块的选用
对于小的系统，如80点以内的系统．一般不需要扩展；
当系统较大时，就要扩展。
不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；
同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。
当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请看相关的技术手册。
各公司的扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、输入输出模块、温度模块、高速输入模块等。
PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。
1.6.2确定所选PLC
在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体应考虑以下几点。
（1）性能与任务相适应
（2）PLC的处理速度应满足实时控制的要求
（3）PLC应用系统结构合理、机型系列应统一
（4）在线编程和离线编程的选择
1.PLC容量估算
PLC容量包括两个方面：
一是I/O的点数，二是用户存储器的容量。
（1）I/O点数的估算
根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。
应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加10％～15％的裕量。
选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30％左右的裕量。
（2）存储器容量估算
用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。
因此在程序设计之前只能粗略的估算。
根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下：
所需存储器容量（KB）＝（1～1.25）×
（DI×
10＋DO×
8＋AI/O×
100＋CP×
300）/1024
其中：
DI为数字量输入总点数；
DO为数字量输出总点数；
AI/AO为模拟量I/O通道总数；
CP为通信接口总数。
2.I/O模块的选择
（1）开关量输入模块的选择
PLC的输入模块用来检测来自现场（如按钮、行程开关、温控开关、压力开关等）电平信号，并将其转换为PLC内部的低电平信号。
开关量输入模块按输入点数分，常用的有8点、12点、16点、32点等；
按工作电压分，常用的有直流5V、12V、24V，交流110V、220V等；
按外部接线方式又可分为汇点输入、分隔输入等。
（2）开关量输出模块的选择
输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号，驱动外部负载。
输出模块有三种输出方式：
继电器输出、双向可控硅输出和晶体管输出。
（3）输出方式的选择
继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。
但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。
当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。
晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。
感性负载在断开瞬间会产生较高的反压，必须采取抑制措施。
（4）输出电流的选择
模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动，则应增加中间放大环节。
对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，故要留有足够的裕量。
3.分配输入/输出点
一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的；
在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线（如两个触点先串联或并联），然后再接到输入点。
（1）明确I/O通道范围
不同型号的PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号，弄清相应的I/O点地址的分配。
（2）内部辅助继电器
内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器、计数器时作数据存储或数据处理用。
根据程序设计的需要，应合理安排PLC的内部辅助继电器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途，避免重复使用。
（3）分配定时器/计数器
对用到定时器和计数器的控制系统，注意定时器和计数器的编号不能相同。
若扫描时间较长，则要使用高速定时器以保证计时准确。
从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点5个，开关量输出点16个，如果选用CPU222的PLC，也需要扩展单元PLC，参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU224（14输入/24继电器输出）。
根据我们的实际情况，这里我们设计选用CPU226。
第2章系统的方案设计
2.1方案研究与选择
2.1.1方案比较
对于十字路口交通灯的设计，我最初选择了两种方案：
一种方案是选用单片机作为控制器来进行控制处理工作，另一种方案是选用可编程控制器（PLC）作为控制器来进行控制处理工作。
在第一种方案中，由于要使用单片机，而且必须单独设计电源，所以接线要相对复杂一些；
就编程来说，采用汇编语言编程要更复杂一些。
单片机的价格虽然便宜，只有一般可编程控制器的千分之一左右，它的体积也很小，只需要在电路板上设计一个很小的空间就可以安装,但是它的性能比起PLC不是很稳定。
在第二种方案中，由于使用可编程控制器，而且可编程控制器有自带电源，它的接线要相对简单一些，就编程来说，由于是采用梯形图的编程方法，所以是非常直观的，当然也就要相对简单一些；
而且，可编程控制器的稳定性相当的好，抗干扰能力也非常高，一般情况下可以安全运行达三十年以上。
这正是交通灯设计中最需要的。
对于两种方案来说，主要体现在控制器所选择的不同上。
由于这一不同点而产生了编程方式、电源方式、成本高低、成品体积、使用稳定度等一系列的方面都有所区别。
2.1.2方案选择
对于以上两种方案，综合各方面的因素考虑，主要从性价比、安装使用方便等方面来分析，使用PLC来设计交通灯，不但性能稳定，而且一次安装可以使用长达30年之久，在市场上有强的竞争力，而且从编程上来分析，PLC编程简单易学，容易看懂，不象单片机编程那么复杂。
再次从安装上来分析，PLC安装简单，维修方便同时更能保证系统的稳定运行，或许有些地方要复杂一些，但解决起来也不是太困难，所以最终我选择了设计基于PLC交通灯设计。
2.2控制要求分析
1.交通红绿灯控制系统
（1）启停控制
信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，交通信号灯系统，行人信号灯系统，电子警察记录违章闯红灯系统开始工作，且先南北交通红灯亮，东西交通绿灯亮;
东西行人交通绿灯，南北行人交通红灯亮;
按规律循环控制。
当启动开关断开时，交通信号系统，行人信号灯系统，电子警察记录违章闯红灯系统停止工作。
（2）南北向交通红灯亮维持60秒，东西向交通红灯亮60秒。
进入下一个循环。
（3）在南北向交通红灯亮的同时，东西向交通绿灯亮25秒，熄灭。
然后东西向交通黄灯闪烁5秒后熄灭。
随后东西向交通红灯亮，同时南北向转向绿灯亮24秒，闪烁6秒后熄灭。
（4）在东西向交通红灯亮的同时，南北向交通绿灯亮25秒，熄灭;
然后南北向交通黄灯闪烁5秒后熄灭。
随后南北向交通红灯亮，同时东西向转向绿灯亮24秒，闪烁6秒后熄灭。
（5）在任意时刻按下停止按钮，所有信号灯熄灭。
2.行人红绿灯控制
（1）与交通红绿灯系统同时控制，南北向交通绿灯持续亮时，南北向行人红灯启动，东西向交通绿灯亮时，东西向行人绿灯亮。
如此往复循环，直到进入下一个循环。
（2）在东西向行人红灯亮的同时，南北向行人绿灯亮25秒，然后闪烁5秒后熄灭，提醒行人赶快通过马路。
（3）在南北向行人红灯亮的同时，东西向行人绿灯亮25秒，然后闪烁5秒后熄灭，提醒人赶快通过马路。
3.电子警察记录违章闯红灯系统控制
（1）在南北向交通红灯亮的同时，如果有车辆违章闯红灯（南北向各用开关或用光栅来模拟），蜂鸣器响;
绿灯时接通开关不起作用。
（2）在东西向交通红灯亮的同时，如果有车辆违章闯红灯（南北向各用开关或用光栅来模拟），蜂鸣器响;
2.3设计步骤
2.3.1现场图
其设计现场布局模式见图2-1所示
图2-1交通灯现场图
十字路口交通信号灯共有20个，同一方向的两个红、黄、绿灯的变化规律相同。
所以，十字路口的交通灯的控制就是一双向（两组）红、黄、绿灯控制，为南北红灯、南北绿灯、南北黄灯、南北右转绿、南北左转绿、东西绿灯、东西黄灯、东西红灯、东西右转绿、东西左转绿。
2.3.2交通灯运行阶段图
根据交通灯设计思路和其控制要求，我们可以将交通灯运行的情况分为四个阶段，分别为第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段，其交通灯的具体运行情况如图2-2和图2-3所示。
图2-2交通灯运行图
图2-2为十字路口交通灯运行的第一、二两个阶段图。
第一阶段：
为南北向交通红灯、东西交通绿灯、南北右转绿灯亮、东西行人绿灯、南北行人红灯、同时，如果有车辆违
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