PLC交通灯控制系统设计.docx
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PLC交通灯控制系统设计
绪论
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起
们的关注。
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。
城市交通控制系统
用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
（一）PLC设计的意义
随着交通越来越发达所出现的问题也越来越多,路面狭窄,车辆拥挤。
尤其是到了上下班的时候,许多车辆在路口浪费了很多的时间,不仅给车主带了很多的麻烦也给交通部门带了不少麻烦。
为了解决这些问题,国家政府也花了不少的心思和精力去研究,探讨。
为了能有效地解决交通问题,政府对城市进行了有规模的城市规划和道路扩建与维修。
还有就是对交通灯进行了研究和改善,调整交通灯的时间控制和变换频率以及工作时间的控制,从而使交通更为畅通和安全,提高了交通灯的自身作用和价值。
（二）PLC设计的内容与目标
内容：
PLC交通灯控制系统设计
目标：
更好地解决人，车，路三者之间的协调
PLC的结构和工作原理
1.1.1PLC的基本结构
在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。
PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成[2]。
1.中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）一般由控制器运算器和寄存器组成。
它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不序地进行工作。
用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务如下：
（1）按PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。
（2）用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。
（3）诊断电源或PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。
（4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。
完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。
根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。
2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。
（1）系统存储器
系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。
它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。
它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
其主要内容包括3个部分：
系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。
（2）用户存储器
用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。
PLC使用的存储器有3种类型：
随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和可擦除可编程只读存储器（EEPRO）。
3.输入/输出接口单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：
一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
4.扩展接口和通信接口
PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：
（1）扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。
（2）通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。
5.电源部分
PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位PLC的中央处理器、存储器等。
电路提供5V、+-12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。
6.编程设备
编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
7.其他部件
有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。
1.1.2PLC的工作原理
PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面做了特别的考虑[2]。
1.PLC的3个工作阶段
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段完成。
上述3个阶段即为一个周期。
在整个运行期间PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。
（1）输入采样阶段PLC。
在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。
此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。
在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。
（2）用户程序执行阶段。
根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。
当指令中涉及输入/输出时，PLC从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。
对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。
（3）输出刷新阶段。
在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。
对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
2.PLC对输入/输出的处理规则
PLC对输入/输出的处理规则如下：
输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上有个刷新期间的通/断状。
2交通灯控制系统的PLC设计
交通信号灯工作原理
1.信号灯由一个按钮控制其启动，一个按钮控制其停止。
2.信号灯分为南北绿灯，南被黄灯，南北红灯和东西绿灯，东西黄灯，东西红灯及报警灯。
3.南北红灯亮，并维持25S。
当南北红灯亮时，东西绿灯也亮，维持20S后，东西绿灯闪烁3S后熄灭，然后东西黄灯亮2S后熄灭，接着东西红灯亮，南北绿灯亮。
4.东西红灯亮，并维持30S。
当东西红灯亮时，南北绿灯也亮，维持25S后，南北绿灯闪烁3S后熄灭，然后南北黄灯亮2S后熄灭，接着南北红灯亮，东西绿灯亮。
按以上方式周而复始地工作。
如表2：
表1交通灯亮闪表
东西
信号
绿灯亮
绿灯闪
黄灯亮
红灯亮
时间
20S
3S
2S
30S
南北
信号
红灯亮
绿灯亮
绿灯闪
黄灯亮
时间
25S
25S
3S
2S
图1交通灯的放置
PLC硬件设计
2.1.1交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表
表2交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表
输入信号
输出信号
名称代号输入点编号
启动按钮SB1I0.0
停止按钮SB2I0.1
名称代号输入点编号
南北绿灯HL1-1HL1-2Q0.0
南北黄灯HL2-1HL2-2Q0.1
南北红灯HL3-1HL3-2Q0.2
报警灯HL4Q0.3
东西绿灯HL5-1HL5-2Q0.4
东西黄灯HL6-1HL6-2Q0.5
东西红灯HL7-1HL7-2Q0.6
2.1.2交通信号灯PLC控制硬件接线图
图2交通信号灯PLC控制硬件接线图
其中,S7-200CPU222系统有8个输入信号和6个输出信号.1个模拟量电位器，最多可扩展10AI/AO点。
4KB用户程序区和2KB数据存储区。
有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。
可以进行一定模拟量的控制和2个模块的扩展，对于比较适合小型的控制系统。
所以在这个设计中选用了S7-200CPU222[4]。
在硬件接线图中，输入口I0.0接收启动按钮SB1的输入，输入口I0.1接收停止按钮SB2的输入；输出口Q0.0接收南绿灯（HL1-1）和北绿灯（HL1-2），输出口Q0.1接收南黄灯（HL2-1）和北黄灯（HL2-2），输出口Q0.2接收南红灯（HL3-1）和北红灯（HL3-2），输出口Q0.3接收报警灯（HL4），输出口Q0.4接收东绿灯（HL5-1）和西绿灯（HL5-2），输出口Q0.5接收东黄灯（HL6-1）和西黄灯（HL6-2），输出口Q0.6接收东红灯（HL7-1）和西红灯（HL7-2）。
PLC软件设计
设计交通信号灯PLC控制梯形图和指令语句。
2.1.3交通信号灯PLC控制梯形图
2.1.4交通信号灯PLC控制的指令表
LDI0.0I0.0闭合
OM0.0
ANI0.1
=M0.0M0接通闭合并自锁
LDM0.0
LPS
ANQ0.3
ANT41
TONT37,+250
LRD
AT37
TONT38,+250
LRD
AT38
TONT39,+30
LRD
AT39
TONT40,+20
LRD
AT37
TONT41,+300
LRD
AT44
TONT42,+20
LRD
ANQ0.3
ANT37
TONT43,+200
LRD
AT43
TONT44,+30
LRD
ANT46
TONT45,+5
LRD
AT45
TONT46,+5
LRD
ANT37
ANQ0.3
=Q0.2
LRD
LDQ0.6
ANT38
LDT38
ANT39
AT45
OLD
ALD
=Q0.0（南北绿灯工作）
LRD
ANT38
ANT40
=Q0.1（南北黄灯停止工作）
LRD
LDQ0.2
ANT43
LDT43
ANT44
AT45（南、北向红灯工作）
OLD
ALD
=Q0.4（南北绿灯闪烁）
LPP
LPS
AT44
ANT42
=Q0.5（东、西黄灯停止工作）
LRD
AT37
=Q0.6
LPP
AQ0.0
AQ0.4（东西向绿灯亮）
=Q0.3
2.1.5程序说明
（1）按下启动按钮SB1，I0.0闭合，M0接通闭合并自锁。
第3逻辑行中的M0.0常开触点闭合，计时器T37接通并计时；第9逻辑行中的T43接通并计时，第11、12逻辑行中的T45，T46T组成1S的时钟脉冲；第13逻辑行中的Q0.2接通，南、北向红灯工作；由于Q0.2的接通，第17逻辑行中Q0.4接通，东、西向绿灯亮[5]。
（2）经过20S后，第9逻辑行行中的T43动作，第17逻辑行中的计时器T43的常闭触点断开，Q0.4断电；第18逻辑行中的T43的常开触点闭合，使得当T45常开触点闭合是Q0.4接通，T45的常开触点断开时Q0.4断开，此时东、西绿灯闪烁。
（3）由于第9逻辑行中的T43动作，第10逻辑行中的T43的常开触点闭合，同而计时器T44接通，经过3S后，T44动作；T44在第18逻辑行中的常闭触点断开，东、西绿灯闪烁结束；同时第19逻辑行中的T44的常开触点闭合，Q0.5接通，东、西黄灯工作；第8逻辑行中的T44的常开触点闭合，计时器T43接通并计时；经过2S后，T43动作，第19逻辑行中的T43的常闭触点断开，Q0.5失电，东、西黄灯停止工作。
（4）当东、西黄灯停止工作时，第3逻辑中的计时器T37正好经过25S计时动作，第13逻辑行中的T37的常闭触点断开，南、北红灯熄灭；第20逻辑行中的T37的常开触点闭合，Q0.6接通，东、西红灯工作；由于Q0.6的接通，因而第14逻辑行中的Q0.0的常开触点闭合，南、北绿灯工作。
（5）T37动作后，第4逻辑行中的T37的常开触点闭合，T38接通并计时，第7逻辑行中的T37的常开触点闭合，T41接通并计时。
（6）经过25S后，第4逻辑行中的T38动作，第14逻辑行中的计时器T38的常闭触点断开，Q0.0断电；第15逻辑行中的T38的常开触点闭合，使得当T45的常开触点闭合时Q0.0接通，T45常开触点断开时Q0.4断开，此时南、北绿灯闪烁。
（7）由于第4逻辑行中的T38动作，因而第5逻辑行中的T38的常开触点闭合，计时器T39接通，经过3S后，T39动作；T39在第15逻辑行中的常闭触点断开，南、北绿灯闪烁结束；同时第16逻辑行中的T39的常开触点闭合，Q0.1接通，南、北黄灯工作第6逻辑行中的T39的常开触点闭合，计时器T40接通并计时；经过2S后，T40动作，第16逻辑行中的T40的常闭触点断开，Q0.1失电，南、北黄灯停止工作。
（8）当南、北向黄灯停止工作时，正好东、西向红灯工作了30S，即第7逻辑行中的T41计时30S，此时T41动作，第3逻辑行中的T37复位，且使得第4、7、13、20逻辑行中的常开触点复位，进入下一次循环。
2.1.6交通信号灯的状态波形图
图3交通信号灯的状态波形图
参考文献
[1]廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用.[M]重庆大学出版社，30—55页（2001）
[2]钟肇新,彭侃.可编程序控制器原理及应用.[M]华南理工大学出版社，60—75页（2002）
[3]戴仙金.西门子S7-200系列PLC应用与开发.[M]中国水利水电出版社，45—120页（2007）
[4]罗宇航.流行PLC实用程序及设计.[M]西安电子科技大学出版社，55—65页（2006）
[5]张立科.PLC应用开发技术与工程实践.[M]人民邮电出版社，73—80页（2005）
致谢
经过近一个学期的努力，PLC在交通信号灯中的应用的设计顺利完成了。
这主要感谢指导老师的帮助和提点。
在本次论文写作过程中，一直给与关心和帮助的领导和老师表示深深的谢意，特别是谢婷老师，她高度负责的指导和安排了论文的写作，再次向她表示谢意。
同时也要感谢在我大学期间的学习生活中，培育及关心过我的所有老师及领导们，正是他们的辛苦工作和无私奉献，帮助我顺利的完成了学业。
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