基于PLC的交通灯控制设计文档格式.docx

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五、调试设计的程序，提高系统运行的可靠性与稳定性。

重点研究问题

研究PLC的可靠控制与稳定性控制

主要技术指标

一、本系统采用FX2N-48MRPLC，共使用了6个输入点，10个输出点。

二、PLC外接220V交流电源，面板接24V直流电源。

其它要说明的问题

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题目基于PLC的交通灯控制设计

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摘 要：

PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。

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。

专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。

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。

同时，PLC本身还具有通讯联网功能，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。

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

本文选择三菱可编程控制器FX2N为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图进行编程，实现了十字路口交通灯控制系统的自动化。

关键词:

PLC；

交通控制；

自动化

TrafficLightControlDesignBasedOnPLC

Abstract:

TheprogrammableprefaceinPLCcontrollerisakindofnewindustrycontrolsthedevice,itregardmicroprocessorasthefoundation,synthesizingthecalculatortechnique,automaticcontroltechniquetodevelopwiththecommunicationtechnique.Ithastheconstructionsimple,theplaitdistanceisconvenient,highetc.independableadvantage,alreadyextensiveusedfortheindustryprocesswiththeautomaticcontrolofthepositioninside.Theexpertthinks,theprogrammablecontrollerwillbecomethemainmeansthataftertimeindustrycontrolwiththeoneoftheimportantfoundationequipments,thePLC,robot,CAD/CAMwillbecomethreemajorofpillarthatindustryproduce.BecausethePLChastothestrongcharacteristicinadaptabilityinenvironmentinusage,itsinnerpartsettlesatthesametimethemachineresourcesisabundantvery,cantocurrentwidespreadusageof"

enterthetypegradually"

thesignalbeaconproceedstheprecisioncontrols,specialtheocularcontrolinamanybranchroadscanrealizesexpediently.SothatisappliedthePLCmoreandmorenowintransportationlightsysteminside.Atthesametime,PLCstillhavethecommunicationinternetfunction,constitutethesameofthesignalbeaconontheroadofbureauareanetproceedstounifytoadjustamanagement,canshortenthevehiclegothroughwaitingtime,realizingscientificmanagement.

ThispaperchoosesMitsubishiPLCFX2Nasthemaincomponents,focusonthehardwareinterfacedesign,makeuseoftheladderdiagramformtocarryoutaprogram,therealizationofthetrafficlightsatthecrossroadsautomationcontrolsystem.

KeyWords:

PLC;

TrafficControl;

Automation

目 录

1绪论 1

1.1交通灯的发展史 1

1.2课题研究背景 1

2PLC的简介 2

2.1PLC的产生与发展 2

2.2PLC的主要产品及发展趋势 2

2.3PLC的特点 3

2.4PLC的分类 4

2.5PLC的基本结构和工作原理 5

2.5.1PLC的基本结构 5

2.5.2PLC的工作原理 6

3交通灯系统设计 8

3.1控制系统的控制要求 8

3.2系统设计方案分析 9

3.2.1系统设计时序图 9

3.2.2系统设计流程图 10

3.3硬件设计 11

3.3.1交通信号灯PLC的I/O的分配表 11

3.3.2十字路口交通灯示意图 11

3.3.3交通信号灯PLC控制硬件接线图 13

3.4软件设计 14

3.4.1交通信号灯PLC状态转移图设计 14

3.4.2交通信号灯PLC梯形图设计 14

4系统检测与调试 20

4.1调试分析 20

4.2程序调试中遇到的问题及解决方法 20

5总结 21

参考文献 22

致 谢 23

1绪论

1.1交通灯的发展史

红绿灯（交通信号灯）是以规定时间交互更迭的光色讯号，设置于交岔路口或其它特殊地点，用以将道路通行权指定给车辆驾驶人与行人，管制其行止及转向的交通管制设施。

以红、黄、绿三色灯号或辅以音响，指示车辆及行人停止、注意与行进。

红绿灯的起源可追溯到19世纪初的英国。

1868年英国机械工程师德.哈特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上设计安装了世界上最早的煤气红绿灯。

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，它由红绿两个旋转式方形玻璃提灯组成红色表示“停止”绿色表示

“注意”。

1869年1月2日只面世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，遂被取消。

1914年，克里夫兰市率先在街道中恢复交通信号灯，随后纽约、芝加哥等城市也开始出现。

这时的交通信号灯已从煤气进化为电气，这与现代的交通信号灯已经没有多少差距，除了信号灯本身，美国人还完善了信号控制系统。

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。

关于黄色信号灯的发明有不同说法。

一种说法称黄灯的发明者是中国人胡汝鼎，时间是1927年。

据《解放日报》报道，这种说法并不可靠。

1899年，美国铁路系统就使用了三色灯，其中黄色代表“谨慎”。

公路方面，1920年10月，美国就已经安装了三色的信号灯。

另一种说法是美国警察威廉.波茨发明了第一盏红黄绿三色、四方向的交通信号灯，并在1920年10月投入使用，其三色灯光的含义与今天基本一致。

中国最早的红绿灯出现在上海的英租界。

有资料显示，早在1923年，上海公共租界开始在部分十字路口使用机械装置指示车辆停止和前进，该年4月13日，南京路两个重要十字路口，最先安装红绿灯交通信号装置。

1.2课题研究背景

在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。

因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。

随着社会的不断发展，城市交通问题也越来越引起人们的关注，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。

交通信号灯常用与交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。

有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。

城市交通控制系统是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重要的组成部分。

传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结构复杂，可靠性低，故

障率高,较难实现功能的变更。

而可编程控制器（PLC）以微处理器为核心，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活方便等优点。

特别是由PLC实现的控制系统，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，可方便地设置定时时间，编程容易，功能扩展方便，修改灵活等，并且有完善的自诊断和显示功能，维修工作极为简单。

由于PLC内部均配有实时时钟，因此通过PLC控制可对交通灯实施全天无人化管理。

另外因为PLC具有通信联网功能，所以可以将同一条道路上的交通灯组成局域网进行统一调度管理，可以缩短车辆等候时间，实现科学化管理。

2PLC的简介

2.1PLC的产生与发展

20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是传统的继电接触器控制系统。

由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定范围内能满足控制要求。

因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。

但是继电接触器控制系统有明显的缺点：

设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制。

特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。

1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应生产工艺不断更新的需要，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，并要求把计算机的功能完善、通用、灵活等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，采用面向控制过程、面向对象的语言编程。

使不熟悉计算机的人也能方便地使用。

第二年美国数字设备公司DEC（DIGTAL）根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。

2.2PLC的主要产品及发展趋势

（1）PLC的主要产品

我国有不少的厂家研制和生产过PLC，但是还没有出现有影响力和较大市场占有率的产品。

目前我国使用的PLC几乎都是国外品牌的产品，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。

大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。

欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。

在全世界上百个PLC制造厂中，有几家举足轻重的公司。

它们是美国Rockwell自

动化公司所属的A．B（Allen＆Bradly）公司、GE-Fanuc公司，德国的西门子（Siemens）公司和法国的施耐德（Schneider）自动化公司，日本的三菱公司和欧姆龙（OMRON）公司。

这几家公司控制着全世界80%以上的PLC市场，它们的系列产品有其技术广度和深度，从微型PLC到有上万个I/O（输入，输出）点的大型PLC应有尽有。

（2）PLC的发展趋势

1）向高速度、大容量方向发展。

2）向超大型、超小型两个方向发展。

3）PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力。

4）增强外部故障的检测与处理能力。

5）编程语言多样化。

2.3PLC的特点

（1）可靠性极高、抗干扰能力极强

体现在两个方面，硬件方面体现在微处理器I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，同时还可以防止外部高电压进入模版；

软件方面体现在设置故障检测与诊断程序。

（2）编程简单、易于掌握

PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，

PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。

（3）控制系统结构简单、使用方便

在PLC控制系统中，只需在PLC的输入/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要连接继电器之类的低压电气和大量复杂的硬件接线电路，大大简化了控制系统的结构。

PLC体积小，质量轻，安装与维护也极为方便。

另外，PLC的编程大多采用类似于继电器控制控制线路的梯形图形式，这种编程语言形象直观、容易掌握，编程非常方便。

（4）功能强大、通用性好

PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。

在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。

由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。

同一台PLC可适用于不同的控制对象的不同控制要求。

同一档次、不同机型的功能也能方便地相互转换。

（5）开发周期短，成功率高

只需要正确合理的选用各种模块组成系统而无需大量硬件配置和管理软件的二次开发。

PLC采用软件控制方式，控制系统一旦构成便可在机械装置研制之前根据技术要求独立进行应用程序开发。

2.4PLC的分类

PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。

因此，PLC的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、控制规模、实现的功能进行大致的分类。

（1）按结构形式分类

PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。

整体式PLC外观上是一个长方形箱体，又称为箱式PLC。

组合式PLC在硬件构成上具有一定的灵活性，其规模可以像拼积木一样的进行组合，构成具有不同控制规模和功能的PLC，因此这种PLC又称为积木式PLC。

整体式PLC：

整体式PLC的CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内，这种结构的特点是：

结构简单，体积小，价格低；

输入输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。

组合式PLC：

组合式PLC为总线结构。

其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。

PLC的CPU、存储器和电源等做成一个模块，该模块在总线版上的安装位置一般来说是固定的，而且该模块也是构成组合式PLC所必需的。

其他的模块根据PLC的控制规模、实现的功能选取，安装在总线版的其他任一总线槽上。

组合式PLC安装完成后，需进行登记，使PLC对安装在个总线上的模块进行确认。

组合式PLC的总线板又称为基版。

组合式PLC的特点是系统构成灵活性高，可构成具有不同控制规模和功能的PLC；

价格较高。

（2）按控制规模分类

输入/输出的总线数，又称I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。

因此，按控制规模对PLC分类时，可根据I/O点数的不同大致分为小型、中型和大型PLC。

小型PLC：

I/O点数较少，在256点以下的PLC。

中型PLC：

I/O点数较多，在256点以上、2048以下的PLC。

大型PLC：

I/O点数较多，在2048点以下的PLC。

（3）按实现的功能分类

按照PLC所能实现的功能的不同，可以把PLC大致的分为低档、中档、和高档机三类。

一般地，低档机多为小型PLC，采用整体式机构；

中档机可为大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整体式结构，中型和大型PLC多采用组合式结构；

高档机多为大型PLC，采用组合式结构。

目前，在国内工业控制中应用最广泛的是中、低档机。

2.5PLC的基本结构和工作原理

2.5.1PLC的基本结构

总线

存储器

CPU

电源

各类输出

输出接口

输入接口

各类输入

各种PLC的组成结构基本相同。

PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，由硬件和软件两部分组成。

硬件配置主要由CPU、电源、存储器、和输入/输出接口电路等组成。

PLC的基本结构如图2-1所示。

扩展单元

扩展接口

通信接口

通信设备

图2-1PLC的基本结构图

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。

PLC的中央处理器与一般的计算机控制系统一样，是整个系统的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊的进行工作。

主要用于接受并存储从编程器输入的用户程序，检查编程是否出错，进行系统诊断，解释并执行用户程序，完成通信及外设的某些功能。

目前，PLC采用的微处理器有通用微处理器、单片微处理器

（即单片机）、位片式微处理器。

电源：

PLC可直接采用普通单相交流电，允许电源电压在额定电压的-15%～+10%范围内波动，也可用直流24V供电。

内部的开关电源为PLC的中央处理器，存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常地工作。

存储器：

在PLC主机内部配有三种不同类型的存储器，系统存储器ROM、用户程序存储器RAM和工作数据存储器。

输入/输出单元（I/O单元）：

I/O单元又称为I/O接口电路。

输入接口电路的输入方式有直流输入（直流12V或24V）和交流输入（交流100-120V或200-240V）。

输出接口电路为适应不同负载需要，有三种方式，即继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。

继

电器输出方式最常用，适用于交、直流负载，其特点是带负载能力强，但动作频率与响应速度慢；

晶体管输出适用于直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力小；

晶闸管输出适用于交流负载，响应速度快，带负载能力不大。

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。

2.5.2PLC的工作原理

PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式--

-扫描技术。

这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

当PLC投入运行后其工作过程一般分为三个阶段即输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应得单元内。

输入采样结束后转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线