交通灯自动控制系统设计说明

1、 晋城职业技术学院JINCHENG INSTITUTE OF TECHNOLOGY机械与电子工程系毕业设计Graduation Design设计项目：交通灯自动控制系统设计姓 名：专 业：班 级： 1 学 号：指导教师：职 称：完成时间：2013年6月9日姓名：性别：男出生日期：政治面貌：民族：汉籍贯：手机：E-mail： :实习单位与岗位：班级：同组人交通灯自动控制系统设计指导教师于沁阳行业指导教师学军 本作品使用PLC对交通灯进行控制，很容易实现交通灯对稳定性、可靠性要求。同时采取不同的编程方式，也很容易达到添加新项目的目的，而不需要在软件上增加太大的投资。 本作品所用程序简单，采用比较指

2、令只需一个定时器、三个辅助继电器、三个寄存器就可完成程序。该程序全部使用触点比较指令控制交通灯的变化，设计新颖，编程简单。使用一个定时器T0控制交通灯一个周期的运行时间，让绿灯、黄灯、红灯的一个周期的不同时间段点亮，不用考虑它们之间控制的逻辑关系，只要计算准时间即可。机械与电子工程系毕业设计（创作）开题报告书 机电一体化技术 专业 学生班级学号设计项目交通灯自动控制系统设计设计准备情况基于我们所学plc的相关知识和可编程控制器以与软件的设计，综合在学校的理论基础，并采用三菱FX2N的可编程控制器硬件、软件的设计来制作交通灯自动控制系统设计。思路和方法南北红灯亮时，东西的绿灯也亮，绿灯亮完黄灯亮

3、，绿灯和黄灯亮的时间相加就等于红灯亮的时间。同理另一面也是。用绿、黄、红三色发光二极管作信号灯。循环一次要60秒。循环期间东西方向放行时间可分为3个时间段：东西方向的红灯亮30s和南北方向的绿灯亮25s，然后南北方向的黄灯亮5s；南北方向放行时间也分为3个时间段：南北方向的红灯亮30s与东西方向的绿灯亮25s，最后东西方向黄灯亮5s。一个循环共需要60s。拟重点解决的问题 1、本程序的重点对红绿灯的高低峰切换，必须时间的准确，对路面的畅通。2、各种相应器材的准备，组织相关人员的进行设计的制作。3、制作设计所需要的编程硬件和软件的选择。计划进度2013年5月1号至2013年5月4日 选定毕业设计

4、的题目和指导教师。准备相应的器材和需求。 2013年5月5号至2013年5月19日 查阅相关资料并制定设计题目。 2013年5月20号至2013年5月24日 完成毕业设计初稿，并提交老师进行毕业设计审查。 2013年5月25号至2013年5月27仔细阅读毕业设计初稿，寻找容与格式上的错误与不足。并继续修订、完善毕业设计，并进行预作品展示。 2013年5月28号至2013年6月1日 交毕业设计终稿。 2013年6月2号 返校进行毕业设计展示。参考文献廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用郭纯生.可编程控制器编程实践与提高廖常初.PLC梯形图程序的设计方法与技巧邓则名、邝穗芳.电器与可编程序控

5、制器应用技术戴一平.可编程控制器技术毕业设计（论文）修改说明1、 毕业设计中主要修改的就是对程序的大小进行了修改，和插入图片，并经过指导老师多次审阅和修改，最终得以完善。2、 毕业设计作品最终器材的选择，也和指导老师多次讨论与修正，最终完成作品。3、 设计制作过程中，时间，地点，制作进度等具体事项，也在指导老师的参与修改下逐步完善，最终完成设计作品的制作。4、 毕业设计的格式和版面样式，也经过指导老师多次细心的修改与指正，不断的进行完善，对字体，段落等细节问题进行不断的调整，才使得毕业设计最后定稿。5、 毕业设计的打印细节，也经过和指导教师进行多次咨询才最终装订成册。指导教师意见行业指导教师：

6、 单位： 职称： 联系： 年 月 日 校指导教师： 职称： 年 月 日 目 录摘 要第一章 绪 论11.1交通信号灯的作用和意义11.2本文的研究容1第二章 PLC的概述22.1 概述22.2 PLC的特点22.3 PLC的应用22.3.1开关量的逻辑控制22.3.2 模拟量控制22.3.3 运动控制32.3.4 过程控制32.3.5 数据处理32.3.6 通信与联网3第三章 PLC的结构与原理43.1 PLC的结构43.2PLC的定义43.3 PLC的工作原理43.4 PLC的基本指令53.4.1 输入输出指令（LD/LDI/OUT）53.4.2 触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（

7、OR/ORI）53.4.3 电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）63.4.4 程序结束指令（END）8第四章 交通灯控制系统整体设计94.1系统的控制要求94.2系统I/O分配表94.3 硬件安装104.3.1安装前的准备104.3.2安装时的注意事项104.4软件调试10第五章 软件编程115.1交通灯设计程序115.1.1交通灯梯形图设计115.1.2本设计的控制系统梯形图115.2系统调试135.2.1调试运行135.2.2监控运行14总 结15参 考 文 献16致 17个人简况与联系方式18摘 要自从交通灯诞生以来，其部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样，从而使交

8、通灯显得更加智能化。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的应用更加突出。城市交通灯控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本文用三菱FX2N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。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。三菱系列的可编程序控制器和传感技术来实现对交通灯的智能信号控制。可用如下方案来控制交通路况:制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下:在入路口的各

9、个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。关键词：PLC;交通控制;FX2N;自动化17 / 23第一章 绪 论1.1交通信号灯的作用和意义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。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中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增

10、加，许多大城市如，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公路，在 高速公路建设完成的初期，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和普通道路耦合出交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道，城区与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。1.2本文的研究容根据交通等工艺控制要求和特点，我们采用了日本三

11、菱公司FX2N_48MR。三菱PLC有小型化，高速度，高性能等特点，三菱可编程控制器指令丰富，可以接各种输入，输出扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程控制器（PLC）对十字路口交通控制等实现控制。本系统采用PLC是基于以下四个原因：(1)PLC具有很高的可靠性，抗干扰能力。通常的平均无障碍时间都在30万小时以上；(2)系统设计周期短，维护方便，改造容易，功能完善，实用性强；(3)干扰能力强，具有硬件故障的自我检查功能，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常

12、工作的PLC；(4) 近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，这也让实际应用成为可能。第二章 PLC的概述2.1 概述在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，与大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。但是为了避免与个人计算机（Personal Comp

13、uter）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。2.2 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；(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的应用目前，PLC在国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、环保与文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 2.3.1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用

14、于单台设备的控制，也可用于多机群控与自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.3.2 模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换与D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 2.3.3 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电

15、机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 2.3.4 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 2.3.5 数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表

16、、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析与处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 2.3.6 通信与联网PLC通信含PLC间的通信与PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。第三章 PLC的结构与原理3.1 PLC的结构PLC 实质是一种专用于工

17、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、显示面板、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、I/O模块、存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定模块规则组合配置。输入接口部件 电 源 部 件接口部件输出 中央处理单元 CPU板接受驱动现场信号受控元件图3.1 PLC的基本结构框图3.2PLC的定义可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（Internati

18、onal Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、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和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC与其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。3.3 PLC的工作原理（1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入存，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，存中输入信息也

19、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：plc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。3.4 PLC的基本指令3.4.1 输入输出指令（LD/LDI/OUT）下面把LD/LDI/OUT三条指令的功能、梯形图表示形式、操作元件以列表的形式加以说明： 符号 功 能 梯形图表示 操作元件 LD（取） 常开触点与母线相连 X，Y，M，T，C,S LDI（取反）常闭触点与母线相连 X，Y，M，T，C,SOUT（输出） 线圈驱动 Y，M，T，C，S,F LD与LDI指令用于与母

20、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。 X000 Y000 地址 指令 数据 0000 LD X000 0001 OUT Y0003.4.2 触点串连指令（AND/ANDI）、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 ANDI（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

21、连接 X，Y，M，T，C，S AND、ANDI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 ANDI X002 0004 OR X003 0005 OUT Y001 3.4.3 电路块的并联和串联指令（ORB、ANB） 符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件 ORB（块或） 电路块并联连接 无 ANB（块与） 电路块串联连接 无 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

22、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末尾集中写出ORB的指令，但这时ORB指令最多使用7次。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

23、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。 AMB X000 X002 X003 Y006 X001 X004 X005 ORB X006 X003地 址 指 令 数 据 0000 LD X000 0001 OR X0010002 LD X002 0003 AND X003 0004 LDI X004 0005 AND X005 0006 OR X006 0007 ORB 0008 ANB 0009 OR X003 0010 OUT Y006 3.4.4 程序结束指令（END）符号（名称） 功 能 梯形图表示 操作元件结束 END（结束） 程序结束 无 在程序结束处写上EN

24、D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，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。其他还有一些指令，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。由梯形图写出与之对应的助记符形式的指令。并由后面的GPP软件传输到PLC中，实时运行。第四章 交通灯控制系统整体设计4.1系统的控制要求(1)用绿、黄、红三色发光二极管作信号灯。(2)循环一次要60秒。循环期间东西方向放行时间可分为3个时间

25、段：东西方向的红灯亮30s和南北方向的绿灯亮25s，然后南北方向的黄灯亮5s；南北方向放行时间也分为3个时间段：南北方向的红灯亮30s与东西方向的绿灯亮25s，最后东西方向黄灯亮5s。一个循环共需要60s。在这次程序中我使用的指令是比较指令，用了4个存储器、1个定时器和3个辅助继电器。在这次程序中我还用了传送指令MOV，它的作用是将一些时间传送到定时器里。4.2系统I/O分配表表4-1 交通灯I/O的分配表输入信号输出信号元件信号地址功能元件信号地址功能SB1X0程序启动按钮Y1红灯控制东西红灯SB2X1程序启动停止Y2黄灯控制东西黄灯SB3X2东西高峰Y3绿灯控制东西绿灯SB4X3南北高峰Y

26、4黄灯控制南北黄灯Y5绿灯控制南北绿灯Y6红灯控制南北红灯4.3 硬件安装4.3.1安装前的准备鉴于控制要求，安装前必须准备好所需要的器件，如下表所示：表4-2 器件清单器件数量（单位个）器件数量（单位个）直径为5毫米绿灯 12电烙铁1直径为5毫米黄灯 4焊锡 若干直径为5毫米红灯 12多功能电路板 1直径为3毫米绿灯 8多路接口 1直径为3毫米红灯 85.1K欧姆电阻 18导线 若干4.3.2安装时的注意事项(1)每个控制灯都要用万用表检测它的好坏并判断它的正负极，每个电阻也要用万用表确定它的阻值。(2)如果一次性不能焊接成功要把多功能电路板用密封袋装好，防止氧化。(3)在焊接时，要注意焊接

27、的技巧，防止虚焊，使得电路板不能达到预期的效果。在电路板反面焊接时脑中要先想好每条线路的分布，防止交叉无序。把每个灯的负极用导线连接在一起，可以简化电路的焊接。(4)焊接好后，要用万用表检测每一条电路是否正常。再用24V电压给每条电路通电，确保每条电路上的灯都能亮。4.4软件调试在实验台上向FXGPWIN软件输入本设计的程序，按控制要求把输入输出导线连接好，在整个装置中接上24V电压，通过硬件和软件的结合，得到控制要求的预期效果。第五章 软件编程5.1交通灯设计程序根据红绿灯的控制要求，设计的梯形图见图解2：步0步5是用来控制红绿灯的总开关，同时也是红绿灯的正常运行按下X0线圈M0得电同时自锁

28、M0。步6步11是用来控制东西高峰的开关，按下X1线圈M1得电同时自锁M1。步12步17是用来控制南北高峰的开关，按下X2线圈M2得电同时自锁M2。步18步75是定时器所定的时间60S，=D0东西红灯Y1亮，D1、D0南北的红灯Y6亮，D0、D2东西黄Y2亮。步76步91是M0得电红绿灯正常运行，用传送指令MOV将30s传送到D0里面，25s传送到D1里面,55s传送到D2里面。步92步107是M1得电东西高峰运行，用传送指令MOV将20s传送到D0里面，15s传送到D1里面, 55s传送到D2里面。步108步123是M2得电南北高峰运行，用传送指令MOV将40s传送到D0里面，45s传送到D

29、1里面, 55s传送到D2里面。步124步127是个复位指令RST，当T0时间一到，常开T0闭合同时启动复位指令进行循环。5.1.1交通灯梯形图设计为了明确各存储器的作用，以便于理解各个灯的状态转换的准确时间，表5-1列出了存储器的功能。表5-1 存储器的功能 正常东西高峰南北高峰存储器存储时间存储器存储时间存储器存储时间D030sD020sD040sD125sD115sD145sD255sD255sD255s5.1.2本设计的控制系统梯形图由本文的控制要求可知系统的时序控制图如下：由时序控制图可得梯形图如下：图5-1 控制系统梯形图5.2系统调试用图解二的GX软件编制图的梯形图程序，将编制无

30、误的程序分别下载到PLC中，并将模式选择开关拨至RUN状态。5.2.1调试运行按下启动开关，东西方向红灯亮30，同时南北方向的绿灯亮25，绿灯灭了以后，然后南北方向的黄灯亮5；接着南北方向的红灯亮30，同时东西方向的绿灯亮25，绿灯灭了以后，最后东西方向黄灯亮5。之后自动开始第二周期的循环显示。5.2.2监控运行当PLC运行时，可以使用GX软件中的监视功能监控整个程序的运行过程，以方便调试程序。在GX软件上，单击 “在线”“监视”“监视开始”，可以全画面监控PLC的运行，这时可以观察到定时器的定时值会随着程序的运行而动态变化，通电闭合的触点和线圈会变蓝。借助于GX软件的监控功能可以检查哪些线圈

31、和触点该通电时没通电，从而为进一步修改。总 结经过半个多月的艰苦奋斗，设计成果终于出来了，我通过采集资料、进行实际考察后，做出以上设计的成果。不过调试的时候却发现结果和想的有所不同，通过监控和修改才得出了需要的设计。这次的设计让我们增长了实践技能，还增加了有关交通知识，这些对于我们真是受益匪浅。最后，我们觉得有时候理论和实践还是有些差距的。不过我通过实践也吸收了一些经验，这些经验将更好的和理论相辅相成，最终得出成果。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。本

32、系统结构简单、操作方便，可实现自动控制。对优化城市交通具有一定的意义。本设计将各任务进行细分包装，使各任务保持相对独立；能有效改善程序结构，使程序的可读性、可维护性和可移植性都得到进一步的提高。实验最后成功完成，由于很多客观原因，比如时间上，个人技术上，本设计的应用围不是很广，想想还可以用摄像头测量十字路口的车流量，改变路口的通行时间，实现智能化。经过这次毕业设计，使我觉得不论从理论知识还是从实际操作中都学到了不少知识。通过此次设计，我对PLC设计控制有了深刻的认识，对以前学的PLC又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，我和同学之间互相帮助，请教相关的师傅，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感我的同学和师傅的帮助。参 考