基于plc的交通信号灯设计

物理与电子工程学院PLC 原理与应用课程设计报告书设计题目： 基于 PLC 的交通信号灯设计 专 业： 自动化 班 级： 10 级 1 班 学生姓名: XX 学 号: XXXX 指导教师： XX 2013 年 12 月 20 日物理与电子工程学院 课程设计任务书专业： 自动化 班级： 1 班 学生姓名 XX 学号 XX课程名称 PLC 原理与应用 设计题目 基于 PLC 的交通信号灯设计设计目的、主要内容（参数、方法）及要求设计目的：1、掌握 PLC 功能指令的应用2、掌握 PLC 控制系统的设计流程设计主要内容及要求：1、 设计一个基于 PLC 的十字路口交通信号灯的控制程序。具体要求如下：（1）南北黄灯闪烁 5 秒。南北红灯亮一段时间，同时东西红灯闪烁 5 秒，东西绿灯亮与南北方向相同时间。（2）南北红灯亮维持一段时间后南北红灯闪烁 5 秒，熄灭。同时东西绿灯维持相同时间后，东西黄灯闪烁 5 秒，熄灭。（3）重复（1）和（2） ，并不断循环反复。2、画出实现程序流程图。3、列出输入、输出端口。4、写出梯形图程序。5、调试程序，直至符合设计要求。工作量 2 周时间，每天 3 学时，共计 42 学时进度安排第 1 天：明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料第 2-3 天：学习课程设计中用到的 PLC 相关知识第 4-5 天：根据课程设计的要求画出程序流程图第 6 天：列出 I/O 分配表第 7-8 天：写出梯形图程序，并对程序进行注释第 9-10 天：学习西门子 S7-200 的编程软件 STEP 7 MicroWIN SP6，并在该软件中编写梯形图程序第 11 天：学习西门子 S7-200 仿真软件，并进行程序仿真和调试。第 12 天：将课程设计中用到的程序在 PLC 试验箱上进行运行和调试。第 13-14 天：撰写课程设计报告。主要参考资料1宋建成.编程序控制器原理与应用M. 科学出版社,1998 2杨公源.可编程控制器(PLC)原理与应用M. 电子工业出版社 ,20043袁任光.可编程序控制器应用技术与实例M. 华南理工大学出版社 ,2003指导教师签字 教研室主任签字摘 要为了解决十字路口的交通拥挤状况，本文提出了一种基于PLC、车流量检测系统和数值比较器的十字路口交通灯实时控制方案。该设计系统地介绍了交通灯控制系统的组成和设计方案，并进行了程序设计。通过车流量检测系统实现了对十字路口车流量的智能检测，并根据车流量的变化，实时地对红绿灯时间进行合理调配，从而提高了十字路口的通行能力。关键词：实时控制；PLC；车流量；检测目 录1 绪论 12 PLC 的结构及原理 .12.1 PLC 的结构 .12.2 PLC 的工作原理 .23 系统的方案设计 33.1 十字路口交通灯布置图 33.2 系统的控制要求 44 系统器件选型和资源配置 54.1 系统器件的选型 54.2 I/O 地址分配 .64.3 交通灯系统的接线形式 65 系统程序设计 75.1 系统的程序思想 75.2 系统的程序设计 85.3 系统程序分析 126 心得体会 13参 考 文 献 .1411 绪论随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。交通问题不仅在发展中国家，就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。因此，不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。在本设计中，采用的是调节交通信号灯的红绿灯时间来改善交通通行率。 交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色，又叫红绿灯。红灯表示停止或禁止通行，绿灯表示通行，黄灯表示马上要出现红灯。车辆不能越过停车线，如果车辆已十分接近停车线而不能安全停车时，可以进入交叉路口。 在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。2 PLC 的结构及原理2.1 PLC 的结构PLC 实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包2括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。PLC 的基本结构框图如图 2-1-1 所示：图 2-1-1 PLC 的基本结构框图2.2 PLC 的工作原理 PLC 的 CPU 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。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、用户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 映象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 映象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用户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，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。3PLC 的扫描工作过程如图 2-2-1、图 2-2-2 所示 ：图 2-2-1 PLC 的扫描工作过程图图 2-2-3 PLC 的扫描周期图3 系统的方案设计目前的智能交通灯控制系统有以红外感应车流量的、有按预定时间段改变通行时间的，有以电视监控信息来干预的等多种方法与手段，各有特点。本设计是一个以车流量为核心的智能交通灯自动控制系统，通过使用一种车流量检测系统检测车量，实现了十字路口交通灯的智能控制。 该车流量检测系统利用图像处理与识别技术，通过视频信号检测道路交通流量。具体地讲是利用摄像头作为视频探头，由图像处理设备将视频信号转换成数字图像，计算机对数字图像进行处理，识别车辆，当车辆通过“ 虚拟线圈” 时统计车流量及相关车辆信息，并将数据传输到控制中心，也可存储在硬盘上。根据车流量检测系统测出的车流量，利用数值比较器进行比较，将南北和东西两个方向车流量的比较结果送入PLC进行控制，从而调节两个方向红绿灯时间的长短。3.1 十字路口交通灯布置图根据系统的方案设计可分析得出，本系统需要合理配置车流量线圈检测系统、数值4比较器、PLC 和红绿灯。其布置如图 3-1-1 所示：图 3-1-1 十字路口布置图3.2 系统的控制要求如果十字路口实行交通灯智能控制系统，则相当于一个有经验的交警对各方向的车辆进行统计，根据车流量的不同分配以不同的绿灯时间，从而进行合理的调配，防止车辆的堵塞，较好地解决了上述问题，这是代替模拟控制的有效办法。智能交通灯控制系统由车流量检测系统、数字比较器、控制器PLC、红黄绿交通信号灯、输入输出接口电路和电源等组成。其实现的控制流程图如图3-3-2所示：图 3-3-2 控制流程图交通灯控制系统的控制要求如下：（1）信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，检测系统检测到的信号经数值比较器，将结果送给 PLC。系统开始工作，且先南北绿灯亮，东西红灯亮。（2）南北绿灯亮维持一段时间后南北黄灯闪烁，同时东西红灯亮相同时间后红灯闪烁。5（3）南北黄灯闪烁 5 秒。南北红灯亮一段时间，同时东西红灯闪烁 5 秒，东西绿灯亮与南北方向相同时间。（4）南北红灯亮维持一段时间后南北红灯闪烁 5 秒，熄灭。同时东西绿灯维持相同时间后，东西黄灯闪烁 5 秒，熄灭。（5）周而复始。 4 系统器件选型和资源配置4.1 系统器件的选型从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点 4 个，开关量输出点 6 个，参照西门子 S7-200 系列特性（见附录），选用主机为 CPU222（8 输入/6 继电器输出）。其外形图如图 4-1-1 所示： 图 4-1-1 CPU222 外形图1M、2M 为输入端子的公共端。1L、2L 为输出公共端。CPU222 24V DC 电源 ，24V DC 输入，24V DC 输出。100230V AC 电源，24V DC 输入继电器输出。本系统采用的是 4 位数值比较器 CC14585。其管脚图如图 4-1-2 所示：图 4-1-2 CC14585 管脚图6CC14585 4 位数值比较器的功能列表如表 4-1-1 所示：表 4-1-1 数值比较器的功能表输入 输出A BA3A2A1A0 B3B2B1B0 I(AB) Y(AB)AB X X 1 0 0 1A BA BYNYN图 5-1-1 主程序流程图 图 5-1-2 状态 S1 流程图8M 0 . 1 闭合南北绿灯亮 2 0 s ， 东西红灯亮 2 0 s南北红灯闪 5 s ， 东西黄灯闪 5 s南北红灯亮 3 0 s ， 东西绿灯亮 3 0 s南北黄灯闪 5 s ， 东西红灯闪 5 s结束M 0 . 2 闭合南北绿灯亮 2 5 s ， 东西红灯亮 2 5 s南北红灯闪 5 s ， 东西黄灯闪 5 s南北红灯亮 2 5 s ， 东西绿灯亮 2 5 s南北黄灯闪 5 s ， 东西红灯闪 5 s结束图 5-1-3 状态 S2 流程图 图 5-1-4 状态 S3 流程图5.2 系统的程序设计网络 1网络 3：I0.1、I0.2、I0.3 由数字比较器的结果控制，当南北方向车流量比东西方向大时，I0.1 为 1，I0.2、I0.3 为 0，线圈 M0.0 通电，当南北方向车流量比东西方向小时。I0.2 为 1，I0.1 、I0.3 为 0，线圈 M0.1 通电当两个方向车流量相等时， I0.3 为1，I0.1 、I0.2 为 0，线圈 M0.2 通电。网络 4：当线圈 M0.0 通电时，计时器 T37、T38、 T39、T40 开始计时，30 秒后 T37通电，35 秒后 T38 通电，55 秒后 T38 通电，60 秒后计时器 T37、T38 、T39、T40 均断电。网络 5：当线圈 M0.1 通电时，计时器 T41、T42、 T43、T44 开始计时，20 秒后 T41通电，25 秒后 T42 通电，55 秒后 T43 通电，60 秒后计时器 T41、T42 、T43、T44 均断电。网络 6：当线圈 M0.2 通电时，计时器 T45、T46、 T47、T48 开始计时，20 秒后 T45通电，25 秒后 T46 通电，55 秒后 T47 通电，60 秒后计时器 T45、T46 、T47、T48 均断电。网络 7：启动开关 I0.0 闭合，当线圈 M0.0 通电时，南北绿灯亮 30 秒；当线圈 M0.1通电时，南北绿灯亮 20 秒；当线圈 M0.2 通电时，南北绿灯亮 25 秒。网络 8：当 T37 通电时南北黄灯闪烁，5 秒后 T38 通电，常闭开关动作，闪烁结束。其余同理；网络 9：当 T38 通电时，南北红灯亮，维持到 T39 通电，T39 常闭开关动作；接着南北红灯闪烁 5 秒，其余同理。: 网络 10：当 T38 通电时，东西红灯亮，20 秒后 T39 通电，T39 常闭开关动作，红灯熄灭；当 T42 通电时，东西红灯亮，30 秒后 T43 通电，T43 常闭开关动作，红灯熄灭；当 T46 通电时，东西红灯亮，25 秒后 T47 通电，T47 常闭开关动作，红灯熄灭。9网络 11：当 T39 通电时，南北黄灯开始闪烁，5 秒后 T40 通电，T40 常闭开关动作，东西黄灯熄灭；当 T43 通电时，南北黄灯开始闪烁， 5 秒后 T44 通电，T44 常闭开关动作，东西黄灯熄灭；当 T47 通电时，南北黄灯开始闪烁， 5 秒后 T48 通电，T48 常闭开关动作，东西黄灯熄灭。按下启动按钮 I0.0 时，当线圈 M0.0 得电时，东西红灯开始亮， 30 秒后 T37 通电， T37 常闭开关动作，南北红灯开始闪烁，5 秒后 T38 得电，T38 常闭开关动作，南北红灯熄灭；当线圈 M0.1 得电时，东西红灯开始亮，20 秒后 T41 通电，T41 常闭开关动作，南北红灯开始闪烁，5 秒后 T42 得电，T42 常闭开关动作，南北红灯熄灭；当线圈 M0.2 得电时，东西红灯开始亮，25 秒后 T45 通电，T45 常闭开关动作，南北红灯开始闪烁，5 秒后 T46 得电，T46 常闭开关动作，南北红灯熄灭。系统的主梯形图如下所示：101112135.3 系统程序分析当开关 SB1 合上时，根据车流量检测系统的测量结果，相应线圈得电。即当南北车流量比东西方向大时，线圈 M0.0 得电；比东西方向小时，线圈 M0.1 得电；一样多时，线圈 M0.2 得电。当线圈 M0.0 得电时，T37 通电待 30 秒后动作（南北绿灯熄灭） ，南北黄灯闪烁 5 秒，与此同时，东西方向红灯亮 30 秒后熄灭，接着红灯闪烁 5 秒。南北黄灯闪烁 5 秒后红灯亮 20 秒，接着红灯闪烁 5 秒，与此同时，东西方向绿灯亮 20 秒后，黄灯闪烁 5 秒。当线圈 M0.1 得电时，T37 通电待 20 秒后动作（南北绿灯熄灭） ，南北黄灯闪烁 5 秒，与此同时，东西方向红灯亮 20 秒后熄灭，接着红灯闪烁 5 秒。南北黄灯闪烁 5 秒后红灯亮 30 秒，接着红灯闪烁 5 秒，与此同时，东西方向绿灯亮 30 秒后，黄灯闪烁 5 秒。当线圈 M0.2 得电时，T37 通电待 25 秒后动作（南北绿灯熄灭） ，南北黄灯闪烁 5 秒，与此同时，东西方向红灯亮 25 秒后熄灭，接着红灯闪烁 5 秒。南北黄灯闪烁 5 秒后红灯亮 25 秒，接着红灯闪烁 5 秒，与此同时，东西方向绿灯亮 25 秒后，黄灯闪烁 5 秒。自南北红灯闪灭及东西黄灯闪亮时间达到相应时间后，T40、T45 、T48 的动断触点断开，T37 、T41、T45 动断触点复位，线圈 M0.0、M0.1 、0.2 重新得电,只要没有断开按钮 SB1，系统继续循环下去。6 心得体会和学别的学科一样，在学完 PLC 理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有两个题目。我们做的是花式喷水池和全自动洗衣机。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了 PLC 设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。通过这次设计实践。我学会了 PLC 的基本编程方法，对 PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到 PLC 中的时