基于PLC的交通信号灯控制系统设计

1、 摘摘 要要就如何应用 PLC 实现十字路口交通信号灯自动控制的设计展开讨论，通过分析对交通信号灯的控制要求，对 PLC 控制系统进行了软、硬设计。同时将 PLC 的逻辑控制、数据运算、数据比较、数据传送通过程序有机的结合起来，既控制交通灯的变化，还有时间显示。关键词关键词：PLC 信号灯 控制系统AbstractApplication of PLC on how to achieve the design of intersection traffic signal control debate and the analysis of the traffic signal control r

2、equirements of a PLC control system software and hardware design. While PLC logic control, data operations, data comparison, data transmission through the process of combining organic and not only control the traffic light changes, as well as the time display.Key Words: PLC a signal lantern control

3、system目目 录录1.1. 引引 言言.11.1 PLC 简介.11.2 交通灯的发展史.22.2.此设计的意义及要求此设计的意义及要求.32.1 PLC 的特点.32.2 交通灯.42.3 主要方法.42.4 重点要解决的问题.52.5 主要研究内容及指标.52.6 资料要求.53.3. 系统单元设计系统单元设计.63.1 I/O 连线图.63.2 程序高峰时期.93.3 指令表.124.4. 设计说明书设计说明书.144.1 顺序功能图.144.2 交通灯示意图.14结结 论论.16参考文献参考文献.1721.1. 引引 言言1.11.1 PLCPLC 简介简介可编程控制器简称PLC

4、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。可编程控制器（PLC）是用来取代控制系统中的继电器的一种设备，它通过检测输入端口，并根据输入端口的状态，按照程序控制输出口，可编程控制器的程序一般要使用一定的软件编写，使用人员通过输入预先编写的程序，使可编程控制器按预定的控制方案执行控制任

5、务。目前大多数城市采用的交通信号灯指挥控制系统，采用电子线路加继电器构成，也有少数采用单片机构成。对信号灯的要求也越来越高，采用电子线路加继电器的控制方式，则需要加入大量的中间继电器，时间继电器，计数器等器件。而且交通控制智能化需要按实际情况而改变参数，如使用继电器控制，则很难实现。如使用单片机控制，则需要引入大量 I/O 接口电路、硬件设计，而且这两种控制方式的抗干扰能力十分有限。采用可编程控制器对交通信号灯进行管理，技能满足控制要求，又具有高的抗干扰和稳定性。PLC 是在继电器控制逻辑基础上，与 3C 技术（Computer,Control,Communication）相结合，不断发展完善

6、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下面就其在公路交通领域的应用做一简单介绍：PLC 型交通灯控制器：将 PLC 用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其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的实现。目前大多品牌的 PLC 内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于 PLC 本身具有通讯联网功能，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

7、等候时间，实现科学化管理。1.21.2 交通灯的发展史交通灯的发展史19 世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868 年 12 月 10 日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德哈特设计、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地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，它的前面有两块红、绿玻璃交替

8、遮挡。不幸的是只面世 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。3 从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到 1914 年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。 随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于 1918 年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。中国最早的马路红绿灯，是于 1928 年出现在上海的英租界。从最早的手牵皮带到20 世纪 50 年代的电气控制，从采用计算机控制到现

9、代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。纵观交通事业的发展历史，以前，人们出门远行或运输东西最常用到的的交通工具是马车，但是随着社会的进步经济的发展，一种新型交通工具汽车随之问世。如1950 年英国陆虎公司推出世界上第一台采用燃气涡轮发动机的汽车，1952 年美国通用公司推出“别克”牌小轿车，1955 年福特“雷鸟”牌两座位汽车问世，1956 年中国第一汽车制造厂成立，“解放”牌汽车问世。特别是近几年汽车产业更是日新月异，2006 年全世界汽车总已产量已超过 6400 万辆。在汽车产业蓬勃发展的背后，随之而来交通问题也越来越多，如交通堵塞和交通事故时常发生，这不

10、但给人们的生命和财产造成了威胁，同时还制约着国民经济的发展，特别是发达国家和发展中国家面临的形势更是严峻。为了缓解交通的负荷量，使车辆运行畅通无阻，交通事业整严有序，国家起用了双车道交通灯控制系统。通过红，绿，黄三色灯进行单一的控制，使其遵守红灯停，绿灯行的原则。但是随着社会的发展，此系统已经远远不能满足交通控制事业的需求，需要一种全新的控制理念，进而引进了与我国国情相符合的国外先进的控制体系，多车道交通灯控制系统，不但解决以往交通控制系统的局限性，同时还加快车了车流辆速度。并制定了第三十八条明确规定：绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行， 黄灯亮时，已越过停

11、止线的车辆可以继续通行，红灯亮时，禁止车辆通行。2.2.此设计的意义此设计的意义及要求及要求2.12.1 PLCPLC 的特点的特点可靠性高，抗干扰能力强： 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PL

12、C 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 配套齐全，功能完善，适用性强： PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，4可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC

13、 组成各种控制系统变得非常容易。 易学易用，深受工程技术人员欢迎：PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造：PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能

14、。这很适合多品种、小批量的生产场合。 体积小，重量轻，能耗低：以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 PLC 的应用领域: 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。 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，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、

15、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 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 转换及 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。 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

16、运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 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。 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、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存

17、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5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。 通信及联网： PLC 通信含 PLC 间的通信及 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。2.22.2 交通灯交通灯交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。交通信号灯

18、分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令使各同时到达的人、车交通流，尽可能的减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口的畅通和安全。2.32.3 主要方法主要方法软件模拟 设计 PLC 端子接线图，并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。2.42.4 重点要解决的问题重点要解决的问题指令的编写PLC 端口接线，完成程序调试提出便于修改程序的可行性方案 2.52.5 主要研究内容及指标主要研究内容及指标主要内容：十字路口交通信号灯 PLC

19、控制系统设计与调试。控制要求：系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。控制对象有 6 个：东西方向红灯两个 南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个 南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个南北方向绿灯两个。控制规律：高峰时段按时序图二（1）运行，东西 信号绿灯亮 25S 绿灯闪亮 3S（先亮后暗）黄灯亮 2S红灯亮 30S南北信号红灯亮 30S 绿灯亮 25S 绿灯闪亮3S（先亮后暗）黄灯亮 2S正常时段按时序图三（2）运行，东西 信号绿灯亮 20S 绿灯闪亮 5S（先两后暗）黄灯亮 5S红灯亮 30S南北信号红灯亮 30S 绿灯亮 20S 绿灯闪亮5S（先亮后

20、暗）黄灯亮 5S晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。高峰时段、 正常时段及晚上时段的时序分配按时序图运行(1.2)。 6课题要求：按题意要求画出 PLC 端子接线图、控制梯形图.指令表。在原程序的基础上，可简单的调整程序以改变信号灯的控制时间。完成 PLC 端子接线工作 并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。完成课程设计说明书 2.62.6 资料要求资料要求信号灯的动作受方式开关控制，当正常时段开关开启，正常时段信号灯系统周而复始地循环动作；当按高峰时段按钮时，高峰时段信号灯系统周而复

21、始地循环动作；当晚上时，东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭；当按停止按钮，所有信号灯都熄灭。信号灯控制的具体要求如所示：高峰时段按时序图二（1）运行，东西 信号绿灯亮 25S 绿灯闪亮 3S（先亮后暗）黄灯亮 2S红灯亮 30S。南北信号红灯亮 30S 绿灯亮 25S 绿灯闪亮3S（先亮后暗）黄灯亮 2S。正常时段按时序图三（2）运行，东西 信号绿灯亮 20S 绿灯闪亮 5S（先两后暗）黄灯亮 5S红灯亮 30S。南北信号红灯亮 30S 绿灯亮 20S 绿灯闪亮5S（先亮后暗）黄灯亮 5S。晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭。黄灯闪

22、亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。分别用定时器实现绿灯闪亮，周期为 1S（开 0.5S、断 0.5S）；东西绿灯和南北绿灯不能同时亮；系统停电后保持停电前的状态，在此状态下继续工作；系统输入用实训台上基本指令编程练习模块上的按钮和开关，输出用 220V 灯泡模拟调试；硬件要有短路、过载保护。同时还要求应有：I/O 连线图、顺序功能图、梯形图、指令表、设计说明书3.3. 系统单元设计系统单元设计3.13.1 I/OI/O 连线图连线图如图 2-1 I/O 分配图72-1 I/O 分配图 2.2 正常时期程序要求：正常时段按时序（2）运行，东西信号绿灯亮 20S 绿灯闪亮 5S（先

23、两后暗）黄灯亮 5S红灯亮 30S。南北信号红灯亮 30S 绿灯亮 20S 绿灯闪亮5S（先亮后暗）黄灯亮 5S 如表 2-1。表 2-1 常时期 启动时按下 X1 开启 S510, 正常时段开始运行，ZRST S500 S505 则将高峰时期的运行停止。S510 开启后，Y1（东西绿）输出，Y10（南北红）输出，辅助继电器 M1 得电，定时器 T6 开始计时，25S 后开启 S511。8S511 开启后，Y1（东西绿）输出，Y10（南北红）输出，辅助继电器 M2 得电，开始闪烁，定时器 T10 控制绿灯闪烁，定时器 T7 开始计时，5S 后开启 S505。S512 开启后，Y2（东西黄）输出

24、，Y10（南北红）输出，定时器 T8 开始计时，5S后开启 S513。S513 开启后，Y0（东西红）输出，Y11（南北绿）输出，定时器 T9 开始计时，25S后开启 S514。9S514 开启后，Y0（东西红）输出，Y11（南北绿）输出，辅助继电器 M3 得电，开始闪烁，定时器 T10 控制绿灯闪烁，定时器 T14 开始计时，5S 后开启 S515。S515 开启后，Y0（东西红）输出，Y12（南北黄）输出，T5 计时开始，5S 后开启S500，即回到正常时期的第一步输出，RET 循环，一直循环下去，直到选择其他状态或者停止。3.23.2 程序高峰时期程序高峰时期要求：高峰时段按时序（1）运

25、行，东西信号绿灯亮 25S 绿灯闪亮 3S（先亮后暗）黄灯亮 2S红灯亮 30S。南北信号红灯亮 30S 绿灯亮 25S 绿灯闪亮3S（先亮后暗）黄灯亮 2S 如表 2-3。表 2-3 高峰时期启动10当按下按钮 X0 时，SET S500 是开启步进 S500，且 ZRST S510 S515 是将正常时期的程序停止掉。S500 开启后，Y1（东西绿）输出，Y10（南北红）输出，T0 计时开始，25S 后开启S501。501 开启后，Y10（南北红）输出，Y1（东西绿）闪烁，辅助继电器 M0 得电，开始闪烁的定时器，Y1 闪烁由定时器 T10 控制灯输出，T1 计时开始，5S 后开启 S50

26、2。11S502 开启后，Y2（东西黄）输出，Y10（南北红）输出，T2 计时开始，5S 后开启S503。S503 开启后，Y11（南北绿）输出，Y0（东西红）输出，T3 计时开始，25S 后开启S504。S504 开启后，Y0（东西红）输出，Y11（南北绿）输出，辅助继电器 M1 得电，开始闪烁，定时器 T10 控制绿灯闪烁，定时器 T4 开始计时，5S 后开启 S505。12S505 开启后，Y0（东西红）输出，Y12（南北黄）输出，T5 计时开始，5S 后开启S500，即回到高峰期的第一步输出，RET 循环，一直循环下去，直到选择其他状态或者停止。3.33.3 指令表指令表如图表 2-4

27、表 2-4 指令表0LDX003118OUTY0111ZRSTM0M10119MPP6ZRSTT0T15120OUTT4K5011ZRSTS500S515123ANDT416LDM0124SETS50517ORM1126STLS50518ORM2127OUTY00019ORM3128OUTY01220ANIT11129OUTT5K5021OUTT10K5132ANDT524LDT10133SETS50025OUT11K5135RET13T28LDX002136LDX00129ORM10137SETS51030ANIX000139LDX00131ANIX001140ZRSTS500S50532O

28、UTM10145STLS51033LDM10146OUTY01034ZRSTS500S505147OUTY00139ZRSTS510S515148OUTT6K25044ANIT13151ANDT645OUTT12K4152SETS51148LDT12154NOP49OUTT13K6155NOP52OUTY002156NOP53OUTY012157NOP54LDX000158NOP55SETS500159NOP57ZRSTS510S515160STLS51162STLS500161OUTM263OUTY010163MPS64OUTY001164ANDT1065OUTT0K250165OUTY00

29、168ANT0166MP14DP69SETS501167OUTT7K5071NOP170ANDT772NOP171SETS51273NOP173STLS51274NOP174OUTY01075NOP175OUTY00276MOP176OUTK5077STLS501179ANDT878OUTY010180SETS51379OUTM0182STLS51380MPS183OUTY00081ANDT10184OUTY01182OUTY001185OUTT9K2083MPP188ANDT984OUTT1K50189SETS51487ANDTI191STLS51488SETS502192OUTT00090

30、STLS502193OUTM391OUTY010194MPS92OUTY002195ANDT1093OUTT2K50196OUTY01196ANT2197MP15DP97SETS503198OUTT14K5099STLS503201ANDT4100OUTY000202SETS515101OUTY011204STLS515102OUTT3K250205OUTT5S515105ANDT3208OUTY000106SETS504209OUTY012108NOP210ANDT15109NOP211SETS510110NOP213NOP111NOP214NOP112NOP215NOP113STLS504216NOP114OUTY000217NOP115OUTM1218NOP116MP219RET117ANDT10220END2214.4. 设计说明书设计说明书4.14.1 顺序功能图顺序功能图正常时如图 3-1 高峰时如图 3-216图 3-1 正常时期 图 3-2 高峰时期4.24.2 交通灯示意图交通灯示意图 如图 3-3图 3-3 通灯示意图17 结结 论论通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面