基于PLC的交通灯控制电路设.doc
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Xxxx
本科毕业论文
学号：
0.......
基于PLC的交通灯控制电路设计
专业名称：
电子信息工程
年级班别：
2009级1班
姓名：
xxx
指导教师：
xxx
2013年5月
7
河南师范大学新联学院本科毕业论文
目录
摘要 II
关键词 II
Abstract III
Keywords III
前言 1
1PLC的发展背景及其原理概述 2
1.1PLC概述 2
1.2梯形图工作原理 2
1.3梯形图编辑说明 4
2用PLC实现智能交通灯控制 6
2.1控制系统的组成 6
2.2硬件配置 7
2.3交通灯的控制过程 7
2.4PLC的选型 9
2.5车流量的计量 10
2.6流程分析 11
3模块选择 11
3.1扩展模块的选择 11
3.2EM222的端子连线图 12
3.3扩展模块与主机的连接形式 12
3.4I/O分配 12
结论 14
参考文献 15
致谢 16
Ⅰ
基于PLC的交通灯控制电路设计
摘要交通信号灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全行驶，维持城市道路的顺畅起到了重要的作用，随着车辆的日益增多，交通问题将日趋严重。
日常生活中人们都要经过无数次的十字路口，所以十字利口需要一套交通信号灯的模拟控制来管理人流和车辆疏通，一边防止发生交通事故目前绝大部分的交通灯时间都是设定好的，不管是车流高峰或低谷，红绿灯的时间是不变的，还有一些交通灯能根据简单划分的时间段来调整时间，但控制起来不是很灵活，这使得城市的车流量的调节不能达到最优。
交通信号灯可采用PLC来实现交通灯来控制人流和车辆安全疏通，从而实现了十字路口交通信号灯的自动化控制，更易交通管理和控制。
本设计介绍了PLC的意义，交通灯控制系统硬件结构图，设计思路和各个功能模块的实现细节。
关键词PLC；硬件连接图；交通信号灯系统
PLC-basedtrafficlightcontrolcircuit
AbstractThetrafficlightsareanimportantpartoftheurbantrafficcontrolsystem,playanimportantroletoensuresafedrivingofmotorvehicles,maintenanceofurbanroadssmooth,asleepincreasingnumberofvehicles,trafficproblemswillbecomeincreasinglyserious.Ourdailylivesandgothroughthecrossroadsofnumerouscrossliqueursetoftrafficlightsanalogcontroltomanagetheflowofpeopleandvehiclestoclearthesidetopreventcaraccidents,mostofthetrafficsignaltimingarepredetermined,trafficpeakortrough,thetimeofthetrafficlightisnottobecome,therearesometrafficlightstoadjustthetimeaccordingtoasimpledivisionoftime,butthecontrolisnotveryflexible,whichmakesthecity'strafficregulationcannotachieveoptimal.TrafficlightscanbeusedPLCtoachievethetrafficlightstocontroltheflowofpeopleandthesafetyofvehiclestoclearinordertoachieveautomaticcontrolofthecrossroadstrafficlights,moretrafficmanagementandcontrol.ThisdesignintroducesthesignificanceofthePLC,trafficlightcontrolsystemhardwarestructure,designideasandthevariousfunctionalmodulesimplementationdeta.
KeywordsPLC;hardwareconnectiondiagram;trafficsignalsystem
I
前言
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制（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，我们可用如下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。
1PLC的发展背景及其原理概述
1.1PLC概述
PLC，（ProgrammableLogicController），乃是一种电子装置，早期称为顺序控制器“SequenceController”，1978NEMA（NationalElectricalManufactureAssociation）美国国家电气协会正式命名为ProgrammableLogicController，PLC），其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如：
按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后，依据这些输入信号的状态或数值并根据内部储存预先编写的程序，以微处理机执行逻辑、顺序、定时、计数及算式运算，产生相对应的输出信号到输出装置如：
继电器（Relay）的开关、电磁阀及电机驱动器，控制机械或程序的操作，达到机械控制自动化或加工程序的目的。
并藉由其外围的装置（个人计算机/程序书写器）轻易地编辑/修改程序及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。
而普遍使用于PLC程序设计的语言，即是梯形图（LadderDiagram）程序语言[1]。
而随着电子科技的发展及产业应用的需要，PLC的功能也日益强大，例如位置控制及网络功能等，输出/入信号也包含了DI（DigitalInput）、AI（AnalogInput）、PI（PulseInput）及NI（NumericalInput），DO（DigitalOutput）、AO（AnalogOutput）、PO（PulseOutput）及NO（NumericalOutput），因此PLC在未来的工业控制中，仍将扮演举足轻重的角色。
1.2梯形图工作原理
梯形图为二次世界大战期间所发展出来的自动控制图形语言，是历史最久、使用最广的自动控制语言，最初只有A（常开）接点、B（常闭）接点、输出线圈、定时器、计数器等基本机构装置（今日仍在使用的配电盘即是），直到可控制编程器PLC出现后，梯形图之中可表示的装置，除上述外，另增加了诸如微分接点、保持线圈等装置以及传统配电盘无法达成的应用指令，如加、减、乘及除等数值运算功能。
无论传统梯形图或PLC梯形图其工作原理均相同，只是在符号表示上传统梯形图比较接近实体的符号表示，而PLC则采用较简明且易于计算机或报表上表示的符号表示。
在梯形图逻辑方面可分为组合逻辑和顺序逻辑两种，分述如下：
a.组合逻辑：
分别以传统梯形图及PLC梯形图表示组合逻辑的范例
图1.1传统梯形图
图1.2PLC梯形图
行1：
使用一常开开关X0（NO：
NormallyOpen）亦即一般所谓的〝A〞开关或接点。
其特性是在平常（未按下）时，其接点为开路（Off）状态，故Y0不导通，而在开关动作（按下按钮）时，其接点变为导通（On），故Y0导通[2]。
行2：
使用一常闭开关X1（NC：
NormallyClose）亦即一般所称的〝B〞开关或接点，其特性是在平常时，其接点为导通，故Y1导通，而在开关动作时，其接点反而变成开路，故Y1不导通。
行3：
为一个以上输入装置的组合逻辑输出的应用，其输出Y2只有在X2不动作或X3动作且X4为动作时才会导通。
b.顺序逻辑：
顺序逻辑为具有反馈结构的回路，亦即将回路输出结果送回当输入条件，如此在相同输入条件下，会因前次状态或动作顺序的不同，而得到不同的输出结果[3]。
分别以传统梯形图及PLC梯形图表示顺序逻辑的范例（如下图）
图1.3传统梯形图
图1.4PLC梯形图
在此回路刚接上电源时，虽X6开关为On，但X5开关为Off，故Y3不动作。
在启动开关X5按下后，Y3动作，一旦Y3动作后，即使放开启动开关（X5变成Off）Y3因为自身的接点反馈而仍可继续保持动作（此即为自我保持回路），其动作可以下表表示：
表1.1回路动作
装置状态
动工作顺序
X5开关
X6开关
Y3状态
1
不动作
不动作
Off
2
动作
不动作
On
3
动作
动作
On
4
不动作
动作
Off
5
不动作
不动作
Off
由上表可知在不同顺序下，虽然输入状态完全一致，其输出结果也可能不一样，如表中的动作顺序1和3其X5和X6开关均为不动作，在状态1的条件下Y3为Off，但状态3时Y3却为On，此种Y3输出状态送回当输入（即所谓的反馈）而使回路具有顺序控制效果是梯形图回路的主要特性。
在本节范例中仅列举A、B接点和输出线圈作说明，其它装置的用法和此相同。
1.3梯形图编辑说明
梯形图为广泛应用在自动控制的一种图形语言，这是沿用电气控制电路的符号所组合而成的一种图形，透过梯形图编辑器画好梯形图形后，PLC的程序设计也就完成，以图形表示控制的流程较为直观，易为熟悉电气控制电路的技术人员所接受[4]。
在梯形图形很多基本符号及动作都是根据在传统自动控制配电盘中常见的机电装置如按钮、开关、继电器（Relay）、定时器（Timer）及计数器（Counter）等等。
PLC的内部装置：
PLC内部装置的种类及数量随各厂牌产品而不同。
内部装置虽然沿用了传统电气控制电路中的继电器、线圈及接点等名称，但PLC内部并不存在这些实际物理装置，它对应的只是PLC内部存储器的一个基本单元（一个位，bit），若该位为1表示该线圈得电，该位为0表示线圈不得电，使用常开接点（NormalOpen,NO或A接点）即直接读取该对应位的值，若使用常闭接点（NormalClose,NC或B接点）则取该对应位值的反相[5]。
多个继电器将占有多个位（bit），8个位，组成一个字节（或称为一个字节，byte），二个字节，称为一个字（word），两个字，组合成双字（doubleword）[6]。
当多个继电器一并处理时（如加/减法、移位等）则可使用字节、字或双字，且PLC内部的另两种装置：
定时器及计数器，不仅有线圈，而且还有计时值及计数值，因此还要进行一些数值的处理，这些数值多属于字节、字或双字的形式。
由以上所述，各种内部装置，在PLC内部的数值储存区，各自占有一定数量的储存单元，当使用这些装置，实际上就是对相应的储存内容以位或字节或字的形式进行读取。
PLC的基本内部装置介绍如下
表1.2功能说明
装置种类
功能说明
输入继电器
（InputRelay）
输入继电器是PLC与外部输入点（用来与外部输入开关连接并接受外部输入信号的端子）对应的内部存储器储存基本单元。
它由外部送来的输入信号驱动，使它为0或1。
用程序设计的方法不能改变输入继电器的状态，即不能对输入继电器对应的基本单元改写，亦无法由HPP/WPLSoft作强行On/Off动作（SA/SX/SC/EH/EH2/SV系列主机可仿真输入继电器X作强行On/Off的动作，但此时外部输入点状态更新动作关闭，亦即外部输入信号的状态不会被读入至PLC内部相对的装置内存，只限主机的输入点，扩展的输入点仍依正常模式动作）。
它的接点（A、B接点）可无限制地多次使用。
无输入信号对应的输入继电器只能空着，不能移作它用[7]。
C装置表示：
X0,X1,…X7,X10,X11,…，装置符号以X表示，顺序以8进制编号。
在主机及扩展上均有输入点编号的标示。
输出继电器
（OutputRelay）
输出继电器是PLC与外部输出点（用来与外部负载作连接）对应的内部存储器储存基本单元。
它可以由输入继电器接点、内部其它装置的接点以及它自身的接点驱动。
它使用一个常开接点接通外部负载，其接点也像输入接点一样可无限制地多次使用。
无输出对应的输出继电器，它是空着的，如果需要，它可以当作内部继电器使用[8]。
C装置表示：
Y0,Y1,…Y7,Y10,Y11,…，装置符号以Y表示，顺序以8进制编号。
在主机及扩展上均有输出点编号的标示。
内部辅助继电器
（InternalRelay）
内部辅助继电器与外部没有直接联系，它是PLC内部的一种辅助继电器,其功能与电气控制电路中的辅助（中间）继电器一样,每个辅助继电器也对应着内存的一基本单元，它可由输入继电器接点、输出继电器接点以及其它内部装置的接点驱动，它自己的接点也可以无限制地多次使用。
内部辅助继电器无对外输出，要输出时请通过输出点[9]。
C装置表示：
M0,M1,…,M4095，装置符号以M表示，顺序以10进制编号。
步进点
（Step）
DVPPLC提供一种属于步进动作的控制程序输入方式，利用指令STL控制步进点S的转移，便可很容易写出控制程序。
如果程序中完全没有使用到步进程序时，步进点S亦可被当成内部辅助继电器M来使用，也可当成警报点使用[10]。
C装置表示：
S0,S1,…S1023，装置符号以S表示，顺序以10进制编号。
定时器
（Timer）
定时器用来完成定时的控制。
定时器含有线圈、接点及定时值寄存器，当线圈受电，等到达预定时间，它的接点便动作（A接点闭合，B接点开路），定时器的定时值由设定值给定。
每种定时器都有规定的时钟周期（定时单位：
1ms/10ms/100ms）。
一旦线圈断电，则接点不动作（A接点开路，B接点闭合），原定时值归零[11]。
C装置表示：
T0,T1,…,T255，装置符号以T表示，顺序以10进制编号。
不同的编号范围，对应不同的时钟周期。
计数器
（Counter）
计数器用来实现计数操作。
使用计数器要事先给定计数的设定值（即要计数的脉冲数）。
计数器含有线圈、接点及计数储存器，当线圈由OffàOn，即视为该计数器有一脉冲输入，其计数值加一，有16位及32位及高速用计数器可供使用者选用[12]。
C装置表示：
C0,C1,…,C255，装置符号以C表示，顺序以10进制编号。
数据寄存器
（Dataregister）
PLC在进行各类顺序控制及定时值及计数值有关控制时，常常要作数据处理和数值运算，而数据寄存器就是专门用于储存数据或各类参数。
每个数据寄存器内有16位二进制数值，即存有一个字，处理双字用相邻编号的两个数据寄存器[13]。
C装置表示：
D0,D1,…,D9999，装置符号以D表示，顺序以10进制编号。
文件寄存器
（Fileregister）
PLC数据处理和数值运算所需的数据寄存器不足时，可利用文件寄存器来储存数据或各类参数。
每个文件寄存器内为16位，即存有一个字，处理双字用相邻编号的两个文件寄存器。
文件寄存器SA/SX/SC系列机种一共有1,600个，EH/EH2/SV系列机种一共有10,000个，文件寄存器并没有实际的装置编号，因此需透过指令API148MEMR、API149MEMW或是透过周边装置HPP02及WPLSoft来执行文件寄存器的读写功能[13]。
C装置表示：
K0~K9,999，无装置符号，顺序以10进制编号。
变址寄存器
（Indexregister）
E、F与一般的数据寄存器一样的都是16位的数据寄存器，它可以自由的被写入及读出，可用于字装置、位装置及常量来作间接寻址功能[14]。
C装置表示：
E0~E7、F0~F7，装置符号以E、F表示，顺序以10进制编号。
2用PLC实现智能交通灯控制
2.1控制系统的组成
车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。
当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。
本例选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;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;它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便。
利用PLC，可使系统中的各传感器以及各道口的信号灯与之直接相连，非常方便可靠，如下图所示
图2.1用PLC实现智能交通灯控制原理框图
2.2硬件配置
PLC选用FX2N-64，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。
信号灯的选择:
在本例中选用红、黄、绿发光二极管作为信号灯（箭头方向型）。
系统的组成框图
控制系统结构图如下图所示
图2.2交通灯控制系统
2.3交通灯的控制过程
信号灯受启动及停止按钮的控制，当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环工作，当按下停止按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号灯都熄灭。
控制要求：
南北主干道左转绿10S直行绿30S绿闪3S黄2S红45S右行红10S绿78S
东西人行道绿27S绿闪3S红60S
东西主干道红45S右行红10S绿78S左转绿10S直行绿30S绿闪3S黄2S
南北人行道红60S绿27S绿闪3S
正常循环控制方式：
南北向（列）和东西向（行）主干道均设有左行绿灯10S，直行绿灯30S，绿灯闪亮3S，黄灯2S和红灯45S。
当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮左行绿灯，直行绿灯，绿灯闪亮和黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮左行绿灯，直行绿灯，绿灯闪亮和黄灯。
南北向和东西向人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。
南北人行道通行绿灯应在南北向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮，然后接3S绿闪，其他时间为红灯；同样，东西人行道通行绿灯于东西向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮，然后接3S绿闪，其它时间为红灯。
急车强通控制方式，急车强通信号受急车强通开关控制。
无急车时，按正常循环时序控制，有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止，将急车强通开关断开，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3次。
随后按正常时序控制。
急车强通信号只能响应一路方向的来车，若两个方向先后来急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。
模拟图如下所示
图2.3交通灯示意图
2.4PLC的选型
根据设计要求，本设计共需要I/O点数为4输入/22输出。
具体需要的输入输出点数如表2.1和表2.2所示。
表2.1输入点数分配
序号
输入信号名称
电气符号
1
启动按钮
SB1
2
停止按钮
SB2
3
急车强通按钮1
SB3
4
急车强通按钮2
SB4
表2.2输出点数分配
序号
输出信号名称
电气符号
1
南北左转绿
HL2
2
南北左转黄
HL11
3
南北左转红
HL13
4
东西左转绿
HL16
5
东西左转黄
HL19
6
东西左转红
HL6
7
南北直行绿
HL9
8
南北直行黄
HL14
9
南北直行红
HL3
10
东西直行绿
HL18
11
东西直行黄
HL22
12
东西直行红
HL7
13
南北右行绿
HL10
14
南北右行黄
HL21
15
南北右行红
HL4
16
东西右行绿
HL8
17
东西右行黄
HL15
18
东西右行红
HL17
19
南北人行绿
HL12
20
南北人行红
HL5
21
东西人行绿
HL1
22
东西人行红
HL20
根据表2.1和表2.2可以确定PLC以及扩展模块的选型。
对于这种中小型自动控制中，应用德国西门子公司生产的S7-200系列PLC无疑是十分明智的选择。
在主机模块中，常用的主机有CPU222，CPU224，CPU226三种。
2.5车流量的计量
车流量的计量有多种方式，本文以PLC计量方式统计，每股行车道的车流量通过PLC分别统计。
当车辆进入路口经过第一个传感器1时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量（动态值），可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。
先统计每股车道上车辆的滞留量，然后按大方向原则累加统计。
如，将东西向的左行、直行、右行道上的车辆的滞留量相加，再与其它的3个方向的车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。
统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则（不影响行车安全的多道相向行驶）累加统计。
如，东、西相向的2个左行、直行、右行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据（下面的例子就是按此种方式）。
以上计算判别全部由PLC完成。
可以把以上不同计量判别方式编成不同的子程序，方便调用。
2.6流程分析
当各路口的车辆正常时（没有堵车），红绿灯切换采用现有的常规定时控制方式，而当各路口滞留量达一定值溢满时（相当于比较严重的堵车），系统将自行
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