毕业设计（论文）PLC在交通灯控制中应用

1、毕业（设计）论文系（部） 专 业 班 级 指导教师 姓 名 学号 plc在交通灯控制中应用摘 要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指挥系统中最重要的组成部分。 因此，改进交通灯的控制，提高其工作效率，对促进国民经济的发展，具有非常重大的意义1。实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器plc、单片机等方案来实现。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，因此现在越来越多地将plc应用于交通灯系统中。（1）绪论：介绍了交通灯控制的现状，plc的特点及国内外的研究现状，提出

2、了本设计的研究内容。（2）介绍plc的基本知识：对plc有了大概了解；然后介绍了plc的特点及应用；并介绍了plc的工作原理及编程方法。（3）用plc控制交通灯：梯形图是各种plc通用的编程语言，熟悉梯形图的编程规则；根据给定的交通灯控制要求，画出交通灯控制的时序图和顺序功能图，根据设计要求并安排分配plc的i/o编号，选择合适的plc主机和i/o模块，并引用cad画出plc的外部接线图；选用合适的编程方法设计梯形图，并写出指令表。（4）plc的抗干扰措施：介绍plc控制系统的安装和使用环境；plc的电源与抗干扰措施以及plc的输入、输出设备。（5）总结与展望：本文用plc来实现对交通灯的简单

3、控制，还有许多值得探讨和更深入研究的问题，例如智能控制交通系统。关键词：plc控制 交通灯 程序设计 梯形图 目 录1绪 论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状11.3 课题意义21.4 论文主要内容22 plc的基础知识42.1 概述42.2 plc的特点及应用42.3 plc的分类及结构42.4 plc的工作原理及编程53 plc在交通灯中的应用103.1确定各元件的编号，分配i/o地址103.2梯形图的编程规则103.3 plc 交通灯设计的步骤及原理124 plc的抗干扰措施184.1 plc控制系统的安装和使用环境184.2 plc的电源与接地184.3 plc的输入、输出

4、设备185 总结和展望20参考文献21致 谢22 1 绪 论 1.1 课题研究背景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指挥系统中最重要的组成部分。 随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等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道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耦合处交通

5、状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，我们进行了深入的研究，本文就城乡交通灯模拟控制系统的原理、设计等问题来进行具体分析讨论。 本课题利用plc本身的特点，来解决交通灯控制的问题。我们根据控制要求和所学知识画出时序图、顺序功能图，应用梯形图进行编程，并列出指令表。旨在研究plc在控制中的应用，为推plc技术研究和应用提供一定的技术支持1。1.2 国内外研究现状近年来,随着我国经济的发展,城市的交通拥挤问题日趋严重,因此提高城市路网的通行能力

6、、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。plc可编程控制器是以微处理机为基础发展起来的新型工业控制装置。它以体积小、功能强、可靠性高、以及应用安装方便的优点,很快在我国的工业控制中占据了主导地位,并且还在不断地发展。根据这一发展形势,全国各地高校、各类职业技术学校都将plc教学纳入教学任务,作为电子、电气、以及工业自动化类专业的一门必修课。基于plc的以下优势,在十字路口交通系统中得到了广泛的应用：1、plc具有很高的可靠性,通常的平均无故障时间都在30万小时以上；2、编程能力强,可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；3、抗干扰能力强,目前空中各种电磁干扰日益严重,为了保证交通控制的

7、可靠稳定,我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的plc；4、近年来plc的性能价格比有较大幅度的提高,使得实际应用成为可能。最终选择了用可编程的控制器plc来实现系统功能的设计，完成本次课设的题目。目前,有多种对十字路口交通灯的改良设计,十字路口交通灯控制的设计还存在非常广阔的前景。目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类2。 （1） 开关量的逻辑控制 （2） 模拟量控制 （3） 运动控制 （4） 过程控制 （5） 数据处理 （6） 通信及联网 1.3 课题意义本课题利用plc本

8、身的特点，来解决交通灯控制的问题。我们根据控制要求和所学知识画出时序图、顺序功能图，应用梯形图进行编程，并列出指令表。旨在研究plc在控制中的应用，为推plc技术研究和应用提供一定的技术支持1。 plc技术在交通等中的应用不仅提高了道路的工作效率，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，将来更现实一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。1.4 论文主要内容本论文主要内容：（1）绪论：介绍了交通灯控制的现状，plc的特点及国内外的研究现状，提出了本设计的研究内容。（2）介绍plc的基本知识：对plc有了大

9、概了解；然后介绍了plc的特点及应用；并介绍了plc的工作原理及编程方法。（3）用plc控制交通灯：梯形图是各种plc通用的编程语言，熟悉梯形图的编程规则；根据给定的交通灯控制要求，画出交通灯控制的时序图和顺序功能图，根据设计要求并安排分配plc的i/o编号，选择合适的plc主机和i/o模块，并引用cad画出plc的外部接线图；选用合适的编程方法设计梯形图，并写出指令表。（4）plc的抗干扰措施：介绍plc控制系统的安装和使用环境；plc的电源与抗干扰措施以及plc的输入、输出设备。（5）总结与展望：总结本设计的工作并展望未来研究重点和方向。 2 plc的基础知识2.1 概述 可编程控制器（p

10、rogrammable controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（programmable logic controller），简称plc，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称pc。但是为了避免与个人计算机（personal computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称plc。2.2 plc的特点及应用 1、plc 的特点：(1) 可靠性高，抗干扰能力强；(2) 通用性高，使用方便；(3) 程序设计简单，易学，易懂；(

11、4) 采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；(5) 系统设计周期短；(6) 安装简便，调试方便，维护工作量小；(7) 对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产；2.3 plc的分类及结构1、plc的分类(1) 按plc的结构形式分类：1）整体式；2）模块式。(2) 按plc的i/o点数分类：1）小型256点以下；2）中型256点以上，2048点以下；3）大型2048点以上。(3)按plc功能分类：抵挡型，中挡型，高档型。2、plc的结构plc 实质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

12、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3。plc的基本结构框图如下：接口部件输出输入接口部件 中央处理单元 cpu板 接受 驱动 现场信号 受控元件 电 源 部 件图 2-1 plc的基本结构框图2.4 plc的工作原理及编程1、plc的工作方式 1）输入采样阶段:在此阶段，顺序读入所有输入端子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。 2）程序执行阶段:p

13、lc对用户程序扫描。 3）输出刷新阶段:当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。2、 plc汇编语言简单直观的plc编程语言，常用的有：梯形图，语句表，功能图等。1. 梯形图：由继电器控制逻辑演变而来，但梯形图编程语言功能更强更方便。主要特点：1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使左母线。2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。 2.

14、语句表：又叫指令表，用指令的助记符编程。例：下图是三菱公司的fx2n系列产品的最简单的梯形图例： x000 x001 y000 x010 end它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个end指令，用以结束程序。l 梯形图与助记符的对应关系： 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为： 地址 指令 变量 0000 ld x000 0001 or x010 0002 ani x001 0003 out y0000004 e

15、nd 反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图3、 plc的基本指令1）输入输出指令（ld/ldi/out）ld：电路开始的常开触电对应的指令，可以用于x，y，m，t，c和s操作元件。ldi：电路开始的常闭触电对应的指令，可以用于x，y，m，t，c和s操作元件。out：驱动线圈的输出指令，可以用于y，m，t，c和s操作元件。ld与ldi指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。out 指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。 地址指令 数据 0000 ldx000 0001outy

16、0002）触点串连指令（and/ani）、并联指令（or/ori） 符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件 and（与） 常开触点串联连接 x，y，m，t，c,s ani（与非） 常闭触点串联连接 x，y，m，t，c,s or（或） 常开触点并联连接 x，y，m，t，c，s ori （ 或非）常闭触点并联连接 x，y，m，t，c，s and、ani指令用于一个触点的串联，但串联触点的数量不限，这两个指令可连续使用。 or、ori是用于一个触点的并联连接指令。 x001 x002 y001 地址 指令 数据 0002 ld x001 x003 0003 ani x002 0004 or x0

17、03 0005 out y001 3）电路块的并联和串联指令（orb、anb）。orb(块或)：多触点电路块的并联连接指令，无操作元件。anb(块与)；多触点电路块的串联连接指令，无操作元件。含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连接时，支路的起点以ld或ldnot指令开始，而支路的终点要用orb指令。orb指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，orb指令不表示触点，可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接，应在每个并联电路块之后使用一个orb指令，用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电路块的

18、末尾集中写出orb的指令，但这时orb指令最多使用7次4。将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用anb指令，各并联电路块的起点，使用ld或ldnot指令；与orb指令一样，anb指令也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之后使用一个anb指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中使用anb指令，最多使用7次。 4） 程序结束指令（end）符号（名称）功能梯形图表示操作元件end（结束）程序结束结束无 在程序结束处写上end指令，plc只执行第一步至end之间的程序，并立即输出处理。若不写end指令，plc将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此

19、，使用end指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时，可以将end指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的end指令。 其他的一些指令，如置位复位、脉冲输出、清除、移位、主控触点、空操作、跳转指令等，同学们可以参考一些课外书，在这里我们不详细介绍了。3、编程器件一般情况下，x代表输入继电器，y代表输出继电器，m代表辅助继电器，spm代表专用辅助继电器，t代表定时器，c代表计数器，s代表状态继电器，d代表数据寄存器，mov代表传输等。3 plc在交通灯中的应用3.1 确定各元件的编号，分配i/o地址利用梯形图编程，首先必须确定所使用的编程元件编号，plc是按编号来

20、区别操作元件的 。我们选用的fx2n型号的plc，其内部元件的地址编号如下表所示，使用时一定要明确，每个元件在同一时刻决不能担任几个角色。一般讲，配置好的plc，其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故i/o的分配实际上是把plc的入、出点号分给实际的i/o电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号进行接线。fx2n系列的i/o地址分配及一些其他的内存分配前面都已介绍过了，我们也可以参考fx系列的编程手册。3.2 梯形图的编程规则梯形图是各种plc通用的编程语言，尽管各厂家的plc所使用的指令符

21、号等不太一致，但梯形图的设计与编程方法基本上大同小异5。 1、每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。2、梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接触点），如图(a)错，图(b)正确。 图 （a） 图 （b）3、线圈不能直接接在左边母线上。4、在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应尽量避免。5、在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析plc的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。 (1)编程实例首

22、先介绍一个常用的点动计时器，其功能为每次输入x000时，接通时，y000输出一个脉宽为定长的脉冲，脉宽由定时器t000设定值设定。它的时序图如下图所示： 图c(2)根据时序图我们就可画出相应的梯形图： m000 t0 m000 x000 m000 t0 m000 t0 y000 end 图d(3) 定时器还可构成振荡电路，如根据下面的时序图，我们可用两个定时器t001、t002构成振荡电路，其梯形图如下： 图e(4)根据时序图我们就可画出相应的梯形图图f3.3、plc 交通灯设计的步骤及原理1、设计目的：plc模拟路口交通灯控制。2、设计要求：信号灯受启动开关控制。当启动开关接通时，信号灯系统

23、开始工作，先南北红灯亮，再东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。(1) 南北方向绿灯和东西向方绿灯不能同时亮。(2) 南北方向红灯亮15s，在南北方向红灯亮的同时东西方向绿灯也亮，并维持10s,到10s时，东西方向绿灯闪亮，闪亮3s 后熄灭。在东西方向绿灯熄灭时，东西方向黄灯亮，并维持2s。到2s时，东西方向黄灯熄灭 ，东西方向红灯亮。同时，南北方向红灯熄灭，绿灯亮。(3) 东西方向红灯亮20s，南北方向绿灯亮15s，然后闪亮3s后熄灭，同时南北方向黄灯亮，维持2s后熄灭，这时南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮。(4) 上述动作循环进行。3、设计步骤及原理： (1) 根据控制要求，画出交

24、通灯的状态图。如图3-1 所示： 图3-1 交通灯控制系统时序图(2) 交通灯的闪动是用周期为1s的时钟脉冲m8013的触点实现。根据要求车道交通灯可以用并行序列来表示它们的工作情况。顺序功能图如下：图3-2 交通灯控制系统顺序功能图(3) 根据任务要求，可以算出i/o点数，根据i/o点数及功能要求，选择fx2-48mr型pc机6。 i/o输出如下：输入地址： 启动 x000 输出地址： 南北 绿灯 y000 南北 黄灯 y001 南北 红灯 y002 东西 绿灯 y004 东西 黄灯 y005 东西 红灯 y006i/o地址分配采用自动分配的方式，输入地址分配和输出地址分配如下表所示：输入模

25、块地址分配如下图所示：输入地址 对应的输入模块00000-00002 输入模块输出模块地址分配如下图所示：输出地址对应的输出模块10000-10006输出模块(4) 这个控制系统的输入共有2个输入点：启动按钮、停止按钮。具体的输入地址分配如下表所示：输入地址地址号对应的外部设备00000x0启动按钮00001x1关闭按钮00002(5) 这个控制系统的输出有东西方向“红黄绿”交通灯、南北方向“红黄绿”交通灯，共有6个输出点。具体的输出地址分配如下表所示： 输出地址地址号对应外部设备10000y0南北向绿灯10001y1南北向黄灯10002y2南北向红灯10003y4东西向绿灯10004y5东西

26、向黄灯10005y6东西向红灯10006(6) 交通灯的面板示意图如下： 图3-3 交通灯的面板示意图(7) 该模拟交通信号灯分为南北和东西两个方向，分别由绿、黄、红三种颜色，其标号分别为mg、my、mr和sg 、sy、sr。其中，其中，交通灯选用220v交流电，com端为交通灯的公共端。plc的外部接线图如下7： 图3-4 交通灯控制系统外部接线图 (8) 从上图可看出，程控器的公共端h和灯的公共端接220v电源，灯的另一端接到程控器的输出端，如y0，y1 等。 梯形图如图3-5所示：图3-5 交通灯控制系统梯形图(9) 通过以下指令表可以实现plc对交通灯的控制。指令 变量 指令 变量 地

27、址 变量ldm9ldm3 ldm7anim10andt4andt1orm8002 orm4ldm8orm0anim5ani m9anim1outm4outm8outm0outy1outy6ldm9ld m9ldm4andm10andm10andm8ldm0ldmoandt5 andx0 andx0or m9orborboutm8orm1orm5outy6anim2anim6 ldm4outm1outm5 andm8outy2outt0 andt5ldm1 ldm5 or m9andt2 andt0animoorm2orm6 anim1anim3 anim7 outm9outm2outm6ld

28、m3outt3outt1 andm8013 k150k30 orm2ldm2ldm0 outy0andt3andt1 ldm6orm3orm7andm8013anim4 anim8 orm5outm3out m7out y4outt4outy5endk30outt2 k20 4 plc的抗干扰措施4.1、plc控制系统的安装和使用环境plc是专为工业控制设计的，一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但是在plc控制系统中，如果环境过于恶劣，或安装使用不当，会降低系统的可靠性。安装位置应远离发热量大的器件，同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，

29、需将plc封闭安装。此外，如果plc安装位置有强烈的振动源，系统的可靠性也会降低，所以应采取相应的减振措施9。4.2.plc的电源与接地plc本身的抗干扰能力一般都很强。通常，只能将plc的电源与系统的动力设备电源分开配线，对于电源线来的干扰，一般都有足够强的抑制能力。但是，如果遇上特殊情况，电源干扰特别严重，可加接一个带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰，提高系统的可靠性。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是plc控制系统抗干扰的重要措施之一。这里的接地是指决定系统电位的地，而不是信号系统归路的接地。在plc控制系统中有许多悬浮的金属架，它们是惧空

30、中干扰的空中线，需要有决定电位的地线。交流地是plc控制系统供电所必需的，它通过变压器中心点构成供电两条回路之一。这条回路上的电流、各种谐波电流等是个严重的干扰源。因此交流地线、直流地线、模拟地和数字地等必须分开。4.3.plc的输入、输出设备 输入电路是plc接受开关量、模拟量等输入信号的端口，其元器件质量的优劣、接线方式及是否牢靠也是影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量输入为例，按钮、行程开关的触点接触要保持在良好状态，接线要牢固可靠。机械限位开关是容易产生故障的元件，设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮触点的选择也影响到系统的可靠性。在设计电路时，应尽量选用

31、可靠性高的元器件，对于模拟量输入信号来说，常用的有420ma、020ma直流电流信号；05v、010v直流电压信号，电源为直流24v。 对于开关量输出来说，plc的输出有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式，具体选择哪种形式的输出应根据负载要求来决定，选择不当会使系统可靠性降低，严重时导致系统不能正常工作。自动化系统中所使用的各种类型plc，其工作环境、工作场合都是不同的，要提高plc控制系统的可靠性，就要从多方面提高系统的抗干扰能力。5 总结和展望 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。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。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。本设计首先介绍了交通灯控制的