基于PLC的交通信号灯控制系统教材

毕业设计（论文）题目：基于PLC的交通信号灯控制系统系部：信息技术系专业：低压电器的制造与检测学号：120313124学生姓名：饶建飞导师姓名：陈忠海导师职称：二○一四年十二月（填写时间要用中文） 温州科技职业学院毕业设计（论文）第19页【摘要】:针对近年来城市交通的拥挤现象，特别是驾驶员违章严重、交通事故频发、车辆尾气污染等问题，介绍集计算机、信息、电子及通讯等众多高新技术手段于一体的智能交通指挥中心控制系统。该系统的安装及使用，大大缓解了城市道路堵塞现象、提高了道路的通行能力。减少了驾驶员违章的次数，抑制了交通事故的发生、同时能够减轻车辆尾气排放，从而对降低环境污染起到了不可低估的作用。分析现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。【关键词】:交通控制交通灯PLC控制机【Abstract】:Inrecentyears,forurbantrafficcongestion,especiallydriversofseriousviolations,thefrequenttrafficaccidents,vehicleexhaustpollution,introducedthesmall-computer,information,electronicsandcommunicationsandotherhigh-techmeansinoneoftheintelligenttrafficcontrolcenterSystem.Thesystem,andtheuseofandgreatlyeasetheurbanroadcongestion,increasedroadcapacity.Toreducethenumberofillegaldriverstocurbtheoccurrenceoftrafficaccidentsandatthesametimetoreducevehicleemissions,thusreducingenvironmentalpollutionHaveplayedaroleshouldnotbeunderestimated.Analysisofthemodernurbantrafficcontrolandmanagementofthestatusquo,combinedwiththeactualsituationofurbanandruraltransportonthetrafficlightcontrolsystemworkingprinciple,givenasimpleandpracticalurbantrafficlightcontrolsystemhardwaredesign.【Keywords】:trafficcontroltrafficlightsPLCcontrol目录序言 41PLC的概述 51.1PLC的产生和定义 51.2PLC的基本组成 52PLC的硬件与工作原理 72.1PLC的硬件结构 72.2CPU模块中的存储器 82.3PLC的工作原理 83PLC的特点与应用领域 103.1PLC的特点 103.2PLC的应用领域 113.3PLC的前景 114PLC的程序设计基础 114.1PLC中的程序结构 115应用PLC设计十字路口交通灯 135.1十字路口交通灯的原理及示意图 135.2设计系统流程图 145.3IO分配表 145.4模拟控制时序图 155.5梯形图： 155.6指令表 155.7监控组态图 16小结 17致谢 18参考文献 19附录 20序言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系统中最重要的组成部分。不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)。单片机控制系统设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，所以使用可编程控制器，其主要原因是因为PLC具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。1PLC的概述1.1PLC的产生和定义1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国数字设备公司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（programmablelogiccontroller）。80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为PC（programmablecontroller）即可编程控制器。国际电工委员会（IEC）在1985年对PLC做了如下定义：“可编程控制器（ProgrammbleLogicController,PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。”从以上定义中可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能够完成各种各样的控制功能外，还有与其它计算机智能设备通信联网的功能。PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。1.2PLC的基本组成目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的PLC以及同一家生产的不同型号的PLC其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍PLC各组成部分及作用。1.2.1CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于认的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。1.2.2I/O模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC外部的输入、输出电路的电源电压较高，例如DC24V和AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。1.2.3编程器编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程和传送。1.2.4电源PLC使用AC220V电源或DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。2PLC的硬件与工作原理2.1PLC的硬件结构根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。2.1.1整体式PLC整体式又叫做单元式或箱体式，它的体积小、价格低，小型PLC一般采用整体式结构。整体式PLC将CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱型塑料机壳内，S7-200称为CPU模块。其前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。S7-200系列PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块供用户选用。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可以选用全输入型或全输出型的数字量I/O扩展模块来改变输入、输出点的比例。整体式PLC还配备有许多专用的特殊功能模块，例如模拟量输入、输出模块、热电偶模块、位置控制模块和通信模块等，使PLC的功能得到扩展。2.1.2模块式PLC大、中型PLC一般采用模块式结构，它由机架和模块组成。模块插在模块插座上，后者焊在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间接口模块和电缆相连。用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。整体式PLC每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，小型控制系统一般采用整体式PLC。但是模块式PLC的硬件组态方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式PLC。2.2CPU模块中的存储器存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种工作。系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM（只读存储器）中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要求的特定功能。用户程序存储器的容量以字节（B）为单位。PLC使用以下几种物理存储器：2.2.1随机存取存储器（RAM）用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。它是易失性的存储器，它的电源中断后，储存的信息将会丢失。RAM的工作速度高、价格便宜、改写方便。在关断PLC的外部电源后，可以用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可以用1~3年，需要更换锂电池时，由PLC发出信号，通知用户。现在部分PLC仍然用RAM来储存用户程序。2.2.2只读存储器（ROM）ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失性的，它的电源消失后，仍能保存储存的内容。ROM用来存放PLC的系统程序。2.2.3可以电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）EEPROM是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是写入数据所需的时间比RAM长得多。S7-200用EEPROM来存储用户程序和需长期保存的重要数据。2.3PLC的工作原理2.3.1用触点和线圈实现逻辑运算在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，例如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可以用逻辑代数中的1和0来表示，在波形图中，用高电平表示1状态，用低电平表示0状态。用继电器电路或梯形图可以实现“与”、“或”、“非”逻辑运算。用多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算。继电器的线圈通电时，其常开触点接通，常闭触点断开；线圈断电时，其常开触点断开，常闭触点闭合。梯形图中的位元件（例如PLC的输出点Q）的触点和线圈也有类似的关系。2.3.2PLC的操作模式2.3.2.1操作模式PLC由两种操作模式，即RUN（运行）模式与STOP（停止）模式。在RUN模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；而在STOP模式下，CPU不执行用户程序，我们可以使用编程软件来创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC中。如果有致命错误，在消除它之前不允许从STOP模式进入RUN模式。PLC操作系统储存非致命错误供用户检查，但是不会从RUN模式自动进入STOP模式。I/O响应时间:指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢一些，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期。2.3.2.2用模式开关改变操作模式CPU模块上的模式开关在STOP位置时，将停止用户程序的运行；在RUN位置时，将启动用户程序的运行。模式开关在STOP或TERM（Terminal，终端）位置时，电源通电后CPU自动进入STOP模式；在RUN位置时，电源通电后自动进入RUN模式。2.3.2.3用STEP7-Micro/WIN编程软件改变操作模式用编程软件控制CPU的操作模式必须满足下面的两个条件：在编程软件与PLC之间建立起通信连接。将PLC的模式开关放置在RUN模式或TERM模式。在编程软件中单击工具条上的运行按钮，或执行菜单命令“PLC”—“RUN”（运行），将进入RUN模式。单击停止按钮，或执行菜单命令“PLC”—“STOP”（停止），将进入STOP模式。2.3.2.4在程序中改变操作模式在程序中插入STOP指令，可以使CPU由RUN模式进入STOP模式。2.3.3PLC的基本工作原理PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编好程序后，编程器将程序键入PLC的用户存储器中存储。PLC的控制功能就是运用用户程序来实现的。PLC采用循环扫描的方式来进行工作，即在PLC通电并完成了对硬件和软件的初始化之后，用户程序反复不断地执行，以使PLC的输出及时的响应随时可能变换的输入信号，直到PLC停机或者切换到STOP状态为止。这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。PLC在RUN工作模式下，采用周期循环扫描、分时操作的工作方式，不断地采集输入信号、执行用户程序以刷新系统输出；同时，完成内部处理和通信服务等工作。扫描工作当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。3LC的特点与应用领域3.1PLC的特点PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的特点而设计制造和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的优点。（1）编程方法简单易学（2）功能强、性价比高（3）硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强（4）可靠性高，抗干扰能力强系统的设计、安装、调试工作量少（6）维修工作量小，维修方便（7）体积小，能耗低，易于集成3.2PLC的应用领域PLC广泛地应用在很多的部门，随着其性能价格比的不断提高，PLC的应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：数字量逻辑控制这是PLC最基本最广泛的应用。其输入输出均为开关量信号，控制过程与继电器控制系统最为接近，控制成本低廉，可靠性极高。可以用于单台设备，也可用于自动生产线，还可用于民用或家庭场合。运动控制使用专用的运动控制模块，实现直线运动、圆周运动等场合的位置、速度等过程控制，广泛应用于各种机械的加工场合。闭环过程控制通过PLC的模拟量A/D、D/A模块，可以完成模拟量和数字量之间的相互转换，实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID（比例－积分－微分）闭环过程控制。广泛应用于塑料加工、锅炉控制等设备控制。数据处理现代PLC具有数学运算、数据传输、数据转换、排序、查表等功能，可能实现数据采集、分析和处理，大大增强了PLC自动控制系统的功能。通信联网经通讯端口，可以实现PLC之间、PLC与其它智能设备（如计算机、变频器、数控装置等）之间通信，组成功能强大的“分散控制、集中管理”的分布式自动控制系统（DCS系统），为现代工业自动化生产提供强有力的控制支持。3.3PLC的前景为了适应市场的各方面的需求,各生产厂家对PLC不断进行改进,推出功能更加强大、结果更加完美的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方向发展：一个向超小型、专用化和低价格的方向发展，以进行单机控制；另一个是向大型化、高速化、多功能化和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要[6]。4PLC的程序设计基础4.1PLC中的程序结构（1）可编程序控制器是专为工业生产过程的自动控制而开发的通用控制器，编程简单是它的—个突出优点，它没有采用计算机程序语言，而是开发了面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC编程语言。程序由两部分组成：操作系统，由PLC的生产厂家提供，它支持用户程序的运行；用户程序，由用户为了完成特定的控制任务而编写的应用程序。PLC的编程语言标准IEC61131-3规定了下述5钟编程语言：顺序功能图，梯形图，功能块图，指令表和结构文本。其中较为常用的有顺序功能图、梯形图和指令表。顺序功能图，是一种位于其它编程语言之上的图形语言，用来编写顺序控制程序。它为我们提供了一种组织程序的图形方法。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件。梯形图程序是使用的最多的PLC图形编程语言。梯形图程序由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。功能块图用来表示定时器、计数器或者数学运算、数据处理等指令。PLC的梯形图也称之为电路或程序，是一种软件信息，反映PLC的输入输出逻辑控制关系的程序软件。需要注意的是，与传统的继电器控制系统的梯形图电路不同，PLC的梯形图不是真正的物理硬件电路，不能把他们当做硬件电路来对待。指令表程序，指令是程序中的最小独立单位，用户程序是由若干条顺序排列的指令而构成。一条指令一般由一个操作码和一个操作数组成，操作数由标识符和参数组成。操作码定义要执行的功能，它告诉CPU该执行什么操作；操作数为执行该操作所需要的信息，它告诉CPU用什么去做。一般情况下，指令的操作数在PLC的存贮器中。（2）S7-200的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。主程序：是程序的主体，每个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。子程序：子程序是可选的，仅在被其它程序调用时执行。同一个子程序可以在不同地方被多次调用。使用子程序可以简化程序代码和减少扫描时间。中断程序：用来及时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。中断程序不是由用户程序调用，而是在中断事件发生时由操作系统调用。中断程序由用户编写。5应用PLC设计十字路口交通灯5.1十字路口交通灯的原理及示意图在十字路口的东西、南北主干道上装设红灯、绿左转、绿直行和黄灯，控制机动车辆和非机动车辆，人行斑马线上装设红、绿灯控制行人。其控制过程为：(1)系统启动后，南北红灯全亮35秒；与此同时东西直行绿灯亮20秒,东西左转弯红灯亮；(2)东西灯亮20秒后开始闪烁，周期为1秒(灭0.5秒，亮0.5秒)，闪亮3秒。(3)东西直行绿灯闪亮3秒后变成黄灯亮，维持2秒；(4)东西直行黄灯亮2秒后变成红灯亮；同时东西左转弯绿灯亮，维持10秒；(5)东西左转弯绿灯亮10秒后变成红灯亮;(至此东西方向全是红灯亮，维持40秒)；同时南北方向直行控制红灯灭，绿灯亮。维持20秒；南北左转弯继续红灯亮.；(6)南北直行绿亮20秒后开始闪烁，周期为1秒(灭0.5秒，亮0.5秒)，闪亮3秒；(7)南北直行绿灯闪亮3秒后变成黄灯亮，维持2秒；(8)南北直行黄灯亮2秒后变成红灯亮；同时南北左转弯绿灯亮，维持10秒；(9)南北左转弯绿灯亮10秒后变成红灯亮

(至此东西方向全是红灯亮)；同时东西方向直行控制红灯灭绿灯亮；东西左转弯继续红灯亮。(10)循环执行上述1到9步，实现对交通信号灯的控制。该系统属于连续循环工作的控制系统，要求系统启动后能够周期性地连续循环工作，故系统中设置两个输入信号分别控制系统的启动和停止。PLC选用三菱F1—40MR基本单元，I/O接口数为24/16。根据系统的控制模型和控制要求可画出系统中各输出信号的控制时序如图三所示。5.2设计系统流程图5.3IO分配表为了将十字路口交通灯的控制关系用PLC控制器实现，PLC需要1个输入点作为启动、停止开关，10个输出点。交通信号灯控制系统的IO分配表。IO分配名称代号名称代号南北直红Y1东西直黄Y12南北直黄Y2东西直绿Y13南北直绿Y3东西转弯红Y14南北转弯红Y4东西转弯绿Y15南北转弯绿Y5启动/结束按钮MO东西直红Y115.4十字路口交通灯模拟控制时序图5.5梯形图：根据控制系统的顺序功能图，采用以转换条件为主要的设计方法，可以编写得到该十字路口交通灯的PLC控制系统的梯形图，见附录一。5.6指令表该十字路口交通灯的PLC控制系统的指令表，见附录二。5.7监控组态图小结本次设计的是十字路口交通灯PLC控制系统设计与调试，由于这个课题和我们的生活联系很紧密，所以这让我做起来相对简单一点。俗话说万事开头难，一开始我没有头绪，但是在老师和同学的指导下，我慢慢的就理解了，然后就开始了设计。首先我自己研究课题中的十字交通灯的基本要求，在了解透彻的情况下，就去查阅各种资料，然后初步确定了要以时间计时为转换条件来进行各工部间的联系