机电一体化毕业设计（论文）基于PLC十字路口信号灯控制系统设计

1、郑郑 州州 华华 信信 学学 院院毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目： 基于 plc 十字路口信号灯控制系统设计姓姓 名：名： 班班 级：级： 机机 电电 三三 班班 学学 号：号：专专 业：业： 机机 电电 一一 体体 化化指指 导导 教教 师：师： 完成日期：2011 年 3 月 28郑州华信学院毕业设计（论文）基于 plc 十字路口信号灯控制系统设计摘摘 要要当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。但现在有的交通信号灯控制系统都是单一的固定时序控制，不能够根据实际交通状况进行调节控制。因

2、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。城市交通灯控制采用的可编程控制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本文用欧姆龙 cpm1a 的可编程控制器控制十字路口信号灯来说明可编程控制器硬件、软件的设计。本文中，不但介绍了现有交通灯的工作过程，并增加了一个特殊功能。当某个方向有急车来时，交通灯会强制那个方向的交通灯变为绿灯，使急车放行。急车一过，交通灯又变为正常的工作状态。关键词：关键词： 欧姆龙 cpm1a ；交通灯； 智能控制the present era is an era of automation, traffic light control

3、 equipment for many industries are closely related with the computer. solve the control problem of road traffic lights will ensure that traffic orderly, safe, efficient operation of the important part. but now some traffic signal control system is a single fixed timing control can not be adjusted ac

4、cording to actual traffic control. therefore, a good traffic light control system, will give road congestion, illegal control give technical innovations. urban traffic light control system using programmable devices with high reliability, easy maintenance, use simple, versatile characteristics, the

5、paper cpm1a omron programmable controller with control signal to illustrate the intersection of plc hardware, software design. this article not only describes the working process of the existing traffic lights and adds a special feature. when a direction to emergency vehicles, the traffic in that di

6、rection lantern forced into a green traffic light, so that emergency vehicle clearance. emergency vehicle over, traffic lights has become a normal working condition.郑州华信学院毕业设计（论文）keywordskeywords：omron cpm1a ， traffic light ， intelligent control 目目 录录摘要摘要.1 绪论绪论.11.1 引言.11.2 课题研究背景.11.3 现在城市路口交通灯控制技

7、术现状.21.4 本课题主要研究内容.22 plc 功能简介功能简介.32.1 概述.32.2 plc 的工作原理.52.3 主要功能.73 交通信号控制系统分析.103.1 十字路口交通灯控制实际情况描述.103.2 十字路口交通灯的路况画出模拟图.103.3 结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验.114 交通灯控制系统设计交通灯控制系统设计.134.1 交通灯控制系统硬件设计.134.1.1 plc 选择.134.1.2 可编程控制器 i/o 端口分配.154.1.3 plc 的外部接线图.154.2 交通灯控制系统软件设计.164.2.1 十字路口交通灯模拟控制时序图.164.2.2 流

8、程图.174.2.3 程序梯形图.165 总结总结.1818致谢致谢.2020参考文献参考文献.2121附录附录郑州华信学院毕业设计（论文）11 1 绪论绪论1.11.1 引言引言十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行,实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。可编程序控制器(plc)是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,具有专能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。本文介绍了欧姆龙的 plc 产品来实现交通灯的自动控制。1.21.2 课题研究背景课题研究背景可变成序控

9、制器（plc）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在日常生活中得到了广泛的应用。plc 是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc 具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，plc 的平均无故障运行时间（又称平均故障间隔时间 mtbf）已经高达几十万小时。其次，plc 具有通用性强，使用方便的特点。由于 plc 产品的系列化和模块化，plc 配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不

10、必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定 plc 的硬件配置和 i/o 的外部接线。一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。plc 还具有功能强，适应面广的特点，现代 plc 不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，另外有数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，既可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。plc 还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。用户只需根据控制的规模和要求，适当选择 plc 的型号和硬件配置，就可以组成所需的控制系统。随着交通的不断发展和

11、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，无限制地修建道路难满足日益郑州华信学院毕业设计（论文）2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。早在 1

12、9 世纪，人们就开始研究交通信号，用信号指挥车通行，控制车辆进出交叉口的次序。据文献记述，早在 1868 年，英国伦敦的威斯特明斯特(westminster)街就安装了红、绿色两色的交通信号灯。到 1917 年，美国的盐湖城开始使用由人工控制的红、黄、绿 3 色的信号灯。1925 年，这种由人工控制的 3 色信号灯也首次出现在英国伦敦的皮克路口。次年，英国人研制出了自己的自动控制信号机。道路交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。在这一系统中，道路不仅仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。只有对这

13、一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。1.31.3 现在城市路口交通灯控制技术现状现在城市路口交通灯控制技术现状随着城市机动车量的不断增加，许多大城市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藕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

14、好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。1.41.4 本课题主要研究内容本课题主要研究内容按照城市交通控制的需要，本文讨论了用 plc 实现正常时序、急车强通 2 种控制方式。 正常时序控制时，南北方向红灯时,东西方向绿灯，20 秒后绿灯闪亮 3 秒紧接着黄灯闪亮 2 秒，变红灯。南北方向红灯直接变绿灯，25 秒后绿灯闪亮 3 秒，接着黄灯闪亮 2秒，然后变红灯，东西方向红灯变绿灯。这是一个完整的工作周期。 急车强通时，发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通。 急车强通信号受急车强通开关控制；无急车时

15、，信号灯按正常时序控制；有急车来时，一律强郑州华信学院毕业设计（论文）4制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。郑州华信学院毕业设计（论文）52 2 2 2 plcplc 功能简介功能简介2.12.1 概述概述可编程序控制器（plc）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。因此在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。可编程序控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的

16、程序存放在存储器中利用程序来实现逻辑控制，完成控制任务。在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它的内部存储器可以执行逻辑运算

17、、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。plc 是在继电器控制逻辑基础上，与 3c 技(computer control communication)相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。plc 早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大 . 可编程控制器(programmable logical controller)简称 pc 或 plc，是 60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(dec )为美国通用公司(gm)研制开发并成功应

18、用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，plc 软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代 plc 已经成为真正的工业控制设备。最初，plc主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子(siemens)公司、bbc 公司就开始研制 plc，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70 年代初，日本的 omron 也推出了他们的 plc。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了 plc 制造者的行列。70 年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型plc。由于 plc

19、 是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成郑州华信学院毕业设计（论文）6本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型 plc 开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍:1982 年美国 plc 用户中，有 48%来自自动程序操作部门(如汽车、拖拉机工业、机械工业等)、13%来自石油化工业、9%来自食品

20、饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门“。近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的 plc 己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台 plc，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和德国的 plc。可编程序控制器的分类：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。

21、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

22、 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）按控制规模分类郑州华信学院毕业设计（论文）7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

23、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。低档机：具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。函数、表格、crt 显示、打印机打印等功能。

24、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。2.2 plc 的工作原理的工作原理cpu 连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。cpu 的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行 cpu 自诊断测试及写输出等内容。plc 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，plc 也在扫描，只不

25、过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的 plc 在一个周期中可完成以下 5 个扫描过程。1.自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，plc 都具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器完成。wdt 是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。wdt 的定时可由用户修改，一般在 100200ms 之间。其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。 2.与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的 plc系统才有通信扫描过程，这一过程用于 plc 之间及 plc 与上位计算机或终端设备之间的郑州华信学院毕业设计（论文

26、）8通信。 3.用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短，会影响过程所用的时间. 4.读输入与写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一时间，每个扫描周期内都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。cpu 在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：一个为输入映像寄存器，另一个为输出映像寄存器。用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器中。在输入扫描过程中，cpu 把实际输

27、入点的状态锁入到输入映像寄存器；在输出过程中，cpu把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。为了现场调试方便，plc 具有 i/o 控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放 io。封锁 io 就是关闭 io 扫描过程。在读输入阶段，cpu 对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，cpu 按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器中。在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变输入端子状态变化只能在下一个工作周期的输入阶

28、段才被集中读入。在写输出阶段，将输出映像寄存器的状态集中锁定到输出锁存器，再经输出电路传递到输出端子。由上述分析得出循环扫描有如下特点：(一) 扫描过程周而复始地进行，读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。(二) 输入映像寄存器的内容是设备驱动的，在程序执行过程中的一个工作周期内输入映像寄存器的值保持不变，cpu 采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像积存的值来控制程序的执行。(三) 程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值，而在程序执行阶段，输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件，同时又可以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。此时的修改不会

29、影响输出锁存器的现在输出值，这是与输入映像寄存器完全不同的。(四)对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件，所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与郑州华信学院毕业设计（论文）9编程顺序有关的，即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值，这是编程人员要注意的问题。各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是 plc 的主要缺点。各 plc 厂家为了缩小延迟采取了很多措施，编程人员应对所使用型号的 plc 的延迟时间的长短很清楚，它是进行 plc 选型时的重要指标。2.3 主要功能plc 的外部设备中，最重要的就是编程器，它用

30、来对用户程序进行写入，检查，修改和调试，也可以在线监视 plc 的运行，它经过编程器接口与 cpu 联系，完成人-机对话。目前，有很多 plc 都可以利用 微型计算机作为编程工具，这时应配上相应的编程软件及接口，由于微机的强大功能，使 plc 的编程和调试更为方便。另外，plc 的外部设备中还包括打印机：在用户程序编制阶段用来打印带注解的梯形图或指令语句表程序，以利于维修和系统的改造 ；外存储器：存储部分程序或改变生产工艺流程时需要调用的程序，它所存的程序也可重新装入内存，有利于 plc 的内存程序的恢复；eprom 写入器：用语将用户程序写入到 eprom 中去，它提供了一个非易失性的用户程

31、序保存方法。plc 是一种微机控制系统，工作原理也与微机相同，但它在应用时一般将其等效成输入，输出和内部控制电路三部分。输入部分用于接受被控设备的信息或操作命令等外部信息或操作命令等外部输入信息。输入接线端是 plc 与外部的开关，按钮，传感器转换信号等连接的端口，每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个由接到输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由 plc 的电源部件提供，也可由独立的交流电源供给，每个输入继电器可以有无数多个内部触电（动合，动断的形式均可） ，供用户设计 plc 的内部控制电路时使用。内部控制电路是是用户根据控制要求编制的程序，作用是运算和处理由输入部分得

32、到的信息并判断应产生哪些输出。plc 的程序一般用梯形图表示，而梯形图是以继电器控制的电气原理图演变而来的，plc 中的动合、动断触点、线圈等概念与继电器控制电路相同，在 plc 内部还有定时器、技术器、移位器、内部辅助继电器等。继电器控制系统中没有器件，他们的线圈自动合，动断触点只能在 plc 内部控制电路中使用，如要与外部电路相连，则必须通过输出部分。输出部分作用是驱动外部负载，在 plc 内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器（有继电器形、双向硅形，晶体管形等三种形式） ，它也有无限多个软件实现的动郑州华信学院毕业设计（论文）10合，动断触点，可在 plc 内部控制电路中使用，但对

33、应每个输出只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载，外部复杂的驱动电源接在输出公共端（com）上。总之，在使用 plc 时，可以把输入端为一个继电器线圈，其相应的继电器结点可以在内部控制电路中使用，而输出端又可以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。plc 一般采用循环扫描方式工作，在 plc 加电后，先进行初始化处理、开始运行之后，串行的执行器存储器中的程序。plc 的内部工作过程用图表示为如本章末之图：用 plc 设计一个控制系统时，必须知道有一个输入信号后 plc 要经过多长时间才能有一个对应的输出信号，这样才能精确的解决系统各个不见之间配合问题。从 plc

34、 受到一个输入信号到 plc 向输出端输出一个控制信号所需的 plc i/o 响应时间，一般在设计系统时都要对此进行一定的考虑。顺序控制是 plc 最基本、应用最广泛的领域。由于它具有编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、便于维护等优点，所以在实现单机控制、多机群控制、生产流程控制中可以完全取代传统的继电器接触器控制系统。如：有色冶金行业的冶炼厂和选矿厂的物料输送及配料、井下采矿皮带输送系统、选矿厂球磨机及各润滑站系统、冶炼厂余热锅炉振打系统、电收尘输灰系统、冶炼厂转炉本体联锁和加料系统等，其它行业如汽车生产线、印刷机械、加工机床、包装机以及日常生活的电梯控制等。 用于顺序控制的 plc 编

35、程语言既不同于高级语言，也不同于汇编语言，它是面向现场、面向问题、面向用户的简单直观的程序控制语言。它可分为逻辑型和动作型两大类。前者可由传统的继电器电路变换而来，如梯形图；后者由机械设备动作变换而来，如流程图。梯型图同继电器电路相似，易于掌握，便于维修。在顺序控制中应用的较为广泛。即使不经过特殊的培训，一般工程技术人员也能很快掌握。对于过程控制的模拟量均采用硬件电路构成的 pid 模拟调节器来实现开、闭环控制。而现在完全可以采用 plc 控制系统，选用模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法，可以同时控制多个控制

36、回路和多个控制参数。例如生产过程中的温度、流量、压力、速度等。功能说明：（1） 逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是 plc 的最基本功能之一。plc 设置有“与”郑州华信学院毕业设计（论文）11（and） 、 “或”（or） 、 “非”（not）等逻辑指令，根据外部现场（开关、按钮或其它传感器）的状态，根据指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、电机等） 。因此，plc 可代替继电器进行开关控制，完成接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。另外，在 plc 中一个逻辑位的状态可以无限次的使用，逻辑关系的修改和变更也十分方便。（2） 定时控制功能定时控制功

37、能是 plc 的最基本功能之一。plc 中有许多可供用户使用的定时器，其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执行时，plc 将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或延时控制，以满足生产工艺的要求。（3） 计数控制功能计数控制功能是 plc 的基本功能之一。plc 为用户提供了许多计数器，计数器记到某一个数时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中进行修改。程序执行时，plc 将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个

38、控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个计数过程的计数控制。（4）步进控制功能plc 为用户提供了若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进行下一道工序。有些 plc 还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用都极为方便。（5）数据处理功能plc 大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型 plc 数据处理功能更加齐全，可完成开方、pid 运算、浮点运算等操作，还可以和 crt、打印机相联、实现程序、数据的显示的打印。（

39、6）回路控制功能有些 plc 具有 a/d、d/a 转换功能，可以方便的完成对模拟量的控制和调节。（7）通讯联网功能郑州华信学院毕业设计（论文）12有些 plc 采用通讯技术，实现远程 i/o 控制、多台 plc 之间的同位链接、plc 与计算机之间的通讯等。（8）监控功能plc 设置了较强的监控功能，利用编程器或监视器，操作人员对 plc 有关部分的运行状态进行监视。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变 plc 内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调试和维护提供了极大的方便。（9）停电记忆功能plc 内部的部分存储器所使用的 ram 设置了停电保持器件（如

40、备用电池等） ，以保证存储器中信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持plc 断电后的数据内容不变。plc 电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。（10）故障诊断功能plc 可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。plc 的故障自诊断功能大大提高了 plc 控制系统的安全性和可维护性。3 3 交通信号控制系统分析交通信号控制系统分析3.13.1 十字路口交通灯控制实际情况描述十字路口交通灯控制实际情况描述（1）南北方向绿灯和东西方向的绿灯不能同时亮；如果同时亮，则应自动立即关闭信号灯系

41、统，并立即发出报警信号。 （2）系统工作后，首先南北红灯亮并维持 25s；与此同时，东西绿灯亮，并维持 20s时间，到 20s 时，东西绿灯闪亮，闪亮 3s 后熄灭。（3）在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持 2s，然后东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。 （4）东西红灯亮并维持 30s；与此同时，南北绿灯亮并维持 25s；然后，南北绿灯闪亮 3s 后熄灭。 （5）南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持 2s 后熄灭；同时南北红灯亮，东西绿灯亮。至此，结束一个工作循环。3.2 十字路口交通灯的路况画出模拟图十字路口交通灯的路况画出模拟图郑州华信学院毕业设计（论文）133-1 交通灯示

42、意图3.33.3 结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验在plc交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有3个控制灯，分别为：禁止通行灯 （亮时为红色）准备禁止通行灯 （亮时为黄色）直通灯 （亮时为绿色）另外行人道东西南北每面都有2个控制灯,分别为：禁止通行灯 （亮时为红色）直通灯 （亮时为绿色） 结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统如下：当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。南北向和东西向行人道均设为通行绿灯和禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南北主干道绿

43、灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。东西行人道通行绿灯于东西主干道绿灯点亮是点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。除此之外还可以拥有其它功能，如西北东南郑州华信学院毕业设计（论文）20使用 10 个脉冲开关，实现让盲人可以方便通过十字路口和手动控制车流量。其中 8 个安装在人行道的两边。当东西方向行走的盲人要过马路的时候，按下脉冲开关东西向行人道绿灯亮起，南北向主干道红灯闪亮，延迟 10 秒恢复原来的控制系统。南北向脉冲开关对应东西向功能相同，另外两个脉冲开可以控制车流量，当东西向主干道等待车量较

44、多的时候，按下东西向控制脉冲开关，东西向主干道延长绿灯点亮时间到 15 秒。东西向行人道绿灯也要对应延长。南北向脉冲开关对应东西向功能相同。本系统增加了急车强通的功能。急车强通信号受急车强通开关的控制。有急车来时，将该方向急车强通开关接通，无论原来信号灯的状态如何，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。急车一过，将急车强通开关断开，信号灯的状态立即转为急车放行方向上的绿灯闪 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急车，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。郑州华信学院毕业设计（论文）144 4 交通灯控制系统设计交通灯控制系统设计4.

45、14.1 交通灯控制系统硬件设计交通灯控制系统硬件设计4.1.14.1.1 p plclc 选择选择 一、plc 机型和容量的选择步骤与原则随着 plc 技术的发展，plc 产品的种类也越来越多。不同型号的 plc，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用 plc，对于提高 plc 控制系统的技术经济指标有着重要意义。plc 的选择主要应从 plc 的机型、容量、i/o 模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 plc 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要

46、考虑以下几点： 1、合理的结构型式 plc 主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式 plc 的每一个 io 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式 plc 的功能扩展灵活方便在 io 点数、输入点数与输出点数的比例、io 模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。 2、安装方式的选择 plc 系统的安装方式分为集中式、远程 io 式以及多台 plc 联网的分布式。 集中式不需要设置驱动远程 io 硬件，系统反应快、成本低；远程 io 式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程 io 可以分散安装在现场装置附

47、近，连线短，但需要增设驱动器和远程 io 电源；多台 plc 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型 plc，但必须要附加通讯模块。 3、相应的功能要求 一般小型(低档)plc 具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带 ad 和 da 转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档 plc。 对于控制较复杂，要求实现 pid 运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档 plc。但是中、高档 plc 价格较贵，一般用于大规模郑州华信学院毕业

48、设计（论文）15过程控制和集散控制系统等场合。 4、响应速度要求 plc 是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次 plc 的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用 plc，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑 plc 的响应速度，可选用具有高速 io 处理功能的 plc，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的 plc 等。 5、系统可靠性的要求 对于一般系统 plc 的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。 6、机型尽量统一 主要考虑到以下三方面问题： 1)机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。 2)机型

49、统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。 3)机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。 二、plc 容量的选择步骤与原则 plc 的容量包括 io 点数和用户存储容量两个方面。 1、io 点数的选择 plc 平均的 io 点的价格还比较高，因此应该合理选用 plc 的 io 点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的 io 点最少，但必须留有一定的裕量。 通常 io 点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的裕量来确定。 2、存储容量的选择 用户程序所需的存储容量大小不仅与 plc 系统

50、的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。 plc 的 io 点数的多少，在很大程序上反映了 plc 系统的功能要求，因此可在io 点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%30%的裕量。 存储容量(字节)开关量 io 点数10模拟量 io 通道数100三、本系统选择的 plc郑州华信学院毕业设计（论文）16 本次交通灯设计采用的是来自 omron 的 cpm1a-30cdr-a 可编程控制器。 产品规格：cpm1a cpu 单元在编程环境等方面，它

51、不仅具备了以往的小型 plc 所具有的功能，尽可能使安装空间最小化，并实现了具有 10 点-100 点输入输出点数的弹性构成。而且还可连接可编程控制终端，创造了尚无前例的灵活运用。它不仅可以替代继电器控制柜，就是作为小型控制器或在传感器应用中，亦能适应生产现场不同的需求，ac 电源输入，继电器输出，能加扩展单元。4.1.2 可编程控制器可编程控制器 i/o 端口分配端口分配根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启、停止按钮信号和强通车按钮信号；输出有东西方向、南北方向各两组指示信号和故障指示驱动信号。由于每一个方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为了

52、节省输出点数，可采用并联输出方法。由此可知，该系统所需的输入点数为 4，输出点数为 7，全部是开关量，则可将 i/o 分配用表 4-1 表示。表 4-1 交通指挥灯的 i/o 分配表输入元件输入地址输出元件输出地址开启按钮 sb10.00南北绿灯 f01.05停止按钮 sb20.01南北黄灯 f11.06东西急车强通开关sb30.02南北红灯 f21.01南北急车强通开关sb40.03警灯（故障指示）f31.07东西绿灯 f41.02东西黄灯 f51.03东西红灯 f61.044.1.3 plc 的外部接线图的外部接线图根据上述 i/o 表可知，i/o 所需点数只有 11 点，故选用 cpm1

53、a 微型 plc 即可。plc外部输入输出的信号接线如图 4-2 所示。其中，每一方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯并联，用 plc 的同一个输出点。郑州华信学院毕业设计（论文）17启动 停止东西急车 南北急车 sb3sb40.020.03 com com 10.00 10.01 10.02 10.03 10.04 10.05 10.06 000000m 0.01 北绿 南绿 北黄 南黄 南红 北红 警灯 东绿 西绿 东黄 西黄 西红 东红 图 6-19 系统的 i/o 接线图 电源 sb1 sb2 f1 f0 f2 f3 f4 f5 f6 sb1sb20.000.01comcom1.051

54、.061.011.071.021.031.04f0f1f2f3f4f5f6南绿北绿南黄北黄南红北红警灯东绿西绿东黄西黄东红西红电源4-2 外部输入输出的信号接线图4.2 交通灯控制系统软件设计交通灯控制系统软件设计4.2.1 十字路口交通灯模拟控制时序图十字路口交通灯模拟控制时序图 交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制要求按一定时序进行， （见附录十字路口交通灯模拟控制时序图 4-3 所示） 。4.2.2 流程图流程图（见附录十字路口交通灯模拟控制流程图）4.2.3 程序梯形图程序梯形图4.2.3.1 正常时序梯形图根据对交通信号灯的控制要求及 plc 控制系统的 i/o 分配的定义，

55、可对 plc 进行控制程序的设计，其梯形图如图 6-5 所示。下面对所设计的梯形图作说明如下：供信号灯闪光控制用的方波发生器有定时器 tim001 和 ir 继电器 1.00 组成，方波发生器产生周期为 1s(接通 0.5s，断开 0.5s)的方波脉冲。当启动开关和上时，0.00 接通，使 1.01 和 1.02 接通，南北红灯亮、东西绿灯亮，tim002 开始计时（计时时间为 20s） 。计时时间到，tim002 的动合触点闭合，其动断触点断开，通过 1.00、tim003 使 1.02 按照 1.00 的通断周期通断，东西绿灯闪光，tim003郑州华信学院毕业设计（论文）18开始计时。当东

56、西绿灯闪亮 3 次（时间为 3 秒）时，tim003 计时到，其动断触点断开，使 1.02 断开，东西绿灯闪光熄灭。tim002 的动合触点闭合使 1.03 接通，东西黄灯亮，tim004 开始计时（计时时间为 2s） 。计时时间到时 tim004 的动断触点断开，使1.01、1.03 断开，南北红灯熄灭、东西黄灯熄灭。tim004 的动断触点闭合，使1.04、1.05 接通，东西红灯亮、南北绿灯亮，tim005 开始计时（计时时间为 25s） 。计时时间到时 tim005 的动合触点闭合，其动断触点断开，通过 1.00 和 tim006 的动断触点使1.05 按照 1.00 的通断周期通断，

57、南北绿灯闪光，tim006 开始计时。计时 3s 到时 tim006的动断触点断开，使 1.05 断开，南北绿灯闪光熄灭。tim006 的动合触点闭合，使 1.06接通，南北黄灯亮，tim007 开始计时（计时时间为 2s） 。计时时间到时 tim007 的动断触点断开，使 1.05 和 1.06 断开，东西红灯和南北黄灯熄灭，同时使tim002、tim003、tim004、tim005、tim006、tim007 计时器全部复位（断开） ，于是tim004 的动断触点及 tim002 的动断触点都闭合，分别使南北红灯亮和东西绿灯亮，开始第二周期的动作，以后周而服饰地进行。当停止开关闭合时，1

58、.01 和 1.02 及全部计时器断开，使全部输出继电器断开，全部信号灯熄灭。当 1.02 和 1.05，也就是东西绿灯和南北绿灯同时点亮时，报警电路接通，系统报警，应立即关闭交通灯，进行故障处理。当系统需要停止时，按下 0.01 即可。交通灯控制的 plc 梯形图（见附录十字路口交通灯模拟控制梯形图 4-5）4.2.3.2 急车强通控制梯形图在 6-14 所示的正常时序控制梯形图的基础上增加急车强通控制，其梯形图如图 6-15所示。图中，用 2.00 和 2.01 实现东西、南北急车强通互锁，以保证是响应一路方向的急车。为了保证在急车强通完时发一信号，是信号灯按照急车强通完后点的时序动作，用

59、2.10、2.02 实现东西强通完（即 0.02 断开）时由 2.02 发一脉冲，用 2.11、2.12 实现在南北强通完（即 0.03 断开）时由 2.12 发一脉冲。为了避免在 plc 刚投入运行时 2.10 和m211 接通，使 2.02 和 2.12 错发脉冲，这里设置了 2.04 和 2.14。当强通信号接通（即0.02 或 0.03 接通）时，2.04 或 2.14 被置位，2.04 的动合触点闭合或 2.14 的动合触点闭合，为急车强通完后发脉冲做准备，急车强通完后，2.02 或 2.11 才发脉冲。为了使 2.02 和2.11 发出的脉冲信号变为持续接通信号，这里设置了 2.0

60、3 和 2.13，它们通过自己的动合触点实现自保。当强通完成后的动过进行完最后一步，即 tim007 计时到时，tim007 的动断触点断开，使 2.03 和 2.13 断开，按正常时序控制从头开始运行。当东西急车强通开关和上时，0.02 接通，2.00 的动断触点断开，使tim001、tim002、tim003、tim004、tim005、tim006、tim007 计时器全部断开。郑州华信学院毕业设计（论文）192.00 的动合触点闭合，使 1.01 和 1.02 接通，南北红灯亮、东西绿灯亮，让东西急车放行。当东西急车强通开关断开时，2.00 断开，2.10 接通，2.02 发出脉冲，使