交通信号灯PLC控制系统设计.doc

1、 电气及自动化课程设计报告 题 目 ： 交通信号灯 PLC 控制系统设计 学生姓名 ： 学生学号 ： 年 级 ： 2014 级 专 业 ： 自动化 班 级 ： 14 自动化 1 班 指导教师 ： 机械与电气工程学院制 2017 年 5 月 第 1 页 交通信号灯 PLC 控制系统设计 机械与电气工程学院自动化专业 1 前言 随着我国经济的飞速发展，城市人口越来越多，居民出行次数和机动车拥有量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡等问题日趋严重。人们经常会为道路拥挤，交通秩序混乱，出行时间过长等城市交通问题倍感苦恼，例如：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。因此提高城市路网的通

2、行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。如何才能保持城市交通的安全便捷、高效畅通和绿色环保，已成为政府规划的一个重要问题。 通过 对十字路口交通灯控制系统的设计与制作，使我们进一步巩固和加深了对所学的基础理论，基本技能和专业知识的认识掌握。同时也培养自身综合运用所学过的基础理论，基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，更使我们受到了PLC 系统开发的综合训练并且掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思路。更重要的是，通过对十字路口交通灯系统的每个环节的实际操作锻炼了勇于探索，刻苦钻研的工作作风。 1.1 PLC 的基本知识 早期的可编程控制器主要是用来代替继电器控制系统的，因此功能较为

3、简单，只能进行开关逻辑控制，称为可编程控 制器（ programmable logic controller），简称 PLC。随着电子技术，计算机技术和通行技术的快速发展， 20 世纪 70 年代后期微处理器被用作可编程控制器的中央处理器，从而较大的扩展了可编程控制器的功能。可编程控制器有开关逻辑，模拟量控制，高速计数， PID 贿赂调节，远程 I/O 和网络通信等功能。 1980 年，美国电气制造协会正式将其命名为可编程控制器，简称 PC。1987 年 2 月，国际电工委会对 PLC 的具体含义做出了明确的定义：在工业环境的背景之下，一种常用来做数字运算操作的电子系统，它既可以进 行逻辑运算

4、、顺序控制，也可以进行定时、计数、数字运算等操作。虽然它中间的运算是采用的数字模式，但是它的输入和输出还是采用模拟的信号。这种可编程控制器，可以控制各类生产的过第 2 页 程。 1.2 PLC 的基本结构 1.2.1 中央处理器（ CPU） 与通用计算机一样，中央处理单元（ CPU)是 PLC 的核心部件，它的主要作用是控制整个系统协调一致的运行。它解释并执行用户及系统程序，完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能，它的主要功能有以下几点。 （ 1） 接收、存储用户通过编程器等输入设备输入的程序和数据。 （ 2） 以扫描方式接 收来自输入单元的输入变量，状态数据，并存入相应的数据存储区（输

5、入映像寄存器）。 （ 3） 利用错误检验技术监控存储和通信状态、诊断内部电路的工作状态、电源状态和用户编程中的语法错误。 （ 4） 执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和存储，并根据数据处理结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。 （ 5） 响应各种外围设备的要求。 1.2.2 存储器 存储器一般分两种：系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序。它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改， PLC 要在 系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需的资源， I/O 存储器的值作为条件决定着存储器中的程序如何

6、被执行，从而完成复杂的控制功能。常用的存储器类型有 CMOS RAM、EPROM、 EEPROM。由于系统程序用来管理 PLC 系统，用户不能直接存储，因此 PLC 产品中所说的存储类型极其容量，是指用户程序存储器而言。 PLC 中所配用的用户存储器的容量大小具有较大的差别，其中小型的 PLC 在 8K 以下，而大型的 PLC 可以达到256K。 1.2.3 输入 /输出 (I/O)模块 输入模块和输出模块简称 I/O 模 块，它是联系外部设备和 CPU 模块的桥梁。 PLC的对外功能模块，主要是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的，按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O 模块可多可少

7、，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映第 3 页 输入信号状态，输出点反映输出存储器状态。输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来送出 PLC 运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。 PLC 有多种 I/O 模块，常见有数字 I/O 模块、模拟量 I/O 模块、快速响 应模块、高速计数模块 PID 控制模块等。 1.2.4 电源 PLC 配有开关式稳压电源模块，用来将外部供电电源转换成使 PLC 内部的 CPU、存储器和 I/O 接口等电路工作所需的直流电源

8、。 PLC 的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高。小型 PLC 的电源往往和 CPU 单元合为一体，大中型 PLC 都有专用电源模块。 1.2.5 编程器 编程器用来生成用户程序，一般分为手持式编程器和图形编程器。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般 用来给小型的 PLC 编程。或者用于现场调试和维护。图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程，又可脱机编程，操作方便，功能强。现在，很多 PLC 都可以用计算机作为编程工具，在计算机上直接生成和编辑梯形图或指令表，并可以实

9、现其转换。最重要的是这种程序可以存盘或者打印，也可通过网络远程传送。 1.3 PLC 型号的选定以及可行性分析 本设计拟采用三菱 FX2 64MR 001 型 PLC，此型号是 PLC 家族中最先进的PLC 之一。它具有一些显著的特点：最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面 补充了通信功能，适合世界各个国家不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，因此在选定的过程中，它有着广泛的选定范围。它的各方面参数如下： I/O 总数为 64、输入数目为 32、输出数目为 32、型号为漏型。采用 24V、 400mA 的直流电源，它优良的快速断开端子块使得接着线缆也可以更换单元，并且它的远程维护

10、功能使得远处的编程软件可通过调制解调器通信来监测、上传、卸载程序和数据。与其他PLC 相比，本 PLC 价格便宜，功能齐全，除了有着速度、逻辑、定位等优越之处而且还安装简单，维修方便。本设计中的十字路口东西南北四个方 向各有一个光点计数器来统计通过车子的数量，再加上启动开关和停止开关总共需要 6 个接口。而东西南北方向各有红绿黄灯一个，一共有交通信号灯 18 个，也就是需要 18 个输出接口。据此看来，如果通过选择三菱 FX2 64MR 001 型 PLC，根据实际情况完全能够满足第 4 页 要求。 2 控制方案设计 2.1 设计思路 如图 1 是十字路口交通信号灯示意图，本系统的控制对象有八

11、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，南北方向红黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个， 本控制系统分为高峰时段和正常时段进行控制。 图 1 十字路口交通信号灯示意图 2.2 方案分析 本系统是一个多时段十字路口交通灯的 PLC控制系统，利用西门子公司的 S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯交通灯进行控制。本系统具有一定的智能性，即它可以对交通灯按 高峰期、正常期及晚间几个时段进行分段控制。高峰、正常及晚间时段的时序分布见图 2。 第 5 页 高峰时段的控制方案为： (1)南北方向左转弯灯和南北方向红灯同时亮

12、10 秒，同时东西方向红灯亮； (2)南北方向绿灯亮 35 秒，东西方向红灯继续亮； (3)南北方向黄灯闪烁 5 秒，东西方向红灯继续亮； (4)东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮 10 秒，东西方向红灯继续亮； (5)东西方向绿灯亮 25 秒，南北方向红灯继续亮； (6)东西方向黄灯闪烁 5 秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第（ 1)步 ,依次循环。 正常时段的控制方案 为： （ 1） 南北方向左转弯灯和南北方向红灯同时亮 10 秒，同时东西方向红灯亮； （ 2） 南北方向绿灯亮 30 秒，东西方向红灯继续亮； （ 3） 南北方向黄灯闪烁 5 秒，东西方向红灯继续亮； （ 4） 东西方向

13、左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮 10 秒，东西方向红灯继续亮； （ 5） 东西方向绿灯亮 30 秒，南北方向红灯继续亮； （ 6） 东西方向黄灯闪烁 5 秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第（ 1）步依次循环。 晚间的控制方案为： 东、南、西、北四个黄灯继续闪亮，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。 图 2 高峰、正常及晚上时段的时序分布 第 6 页 图 3 高峰时段时序图 图 4 正常时段时序图 第 7 页 2.3 方案设计 系统采用主程序调用子程序的设计方案，通过主程序计算比较当前时间，进而根据对时间段的判断和分析来调用子程序段。子程序段分别是正常时间段、高

14、峰时间段和晚间时间段，它们分别和各自的时序图相对应，见上面的图 2、图 3 和图 4 从而控制交通灯的信号。 3 控 制系统设计 3.1 输入输出点分配表 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 2 个输入点（启动开关、转换开关）， 12 个输出点选择 FX2N-64MT 型的 PLC。 表 1 输入 /输出点分配 注：表中所有直行绿灯和左转弯灯都分别由 9 个发光二极管和一个电阻串联而成 ,所组成的简单电路。 3.2.1 十字路口交通灯的 I/O 接线图 根据十字路口交通灯的输入输出点分配表，画出如图 5 所示的 PLC 控制系统 的 I/O接线图。 输入 /输

15、出点分配 输入信号 输出信号 名称 代号 输入点编号 名称 代号 输出点编号 启动按钮 SB1 X0 直行红灯（南北） HL1 Y0 停止按钮 SB2 X1 直行黄灯（南北） HL2 Y1 直行绿灯（南北） HL3 Y2 左转红灯（南北） HL4 Y3 左转黄灯（南 北） HL5 Y4 左转绿灯（南北） HL6 Y5 直行红灯（东西） HL7 Y6 直行黄灯（东西） HL8 Y7 直行绿灯（东西） HL9 Y8 左转红灯（东西） HL10 Y9 左转黄灯（东西） HL11 Y10 左转绿灯（东西） HL12 Y11 第 8 页 图 5 PLC 控制系统的 I/O 接线图 3.2.2 十字路口交通灯的电路接线图 根据十字路口交通灯的实际连线，画出如图 6 所示的十字路口交通灯的接线图。 图 6 十字路口交通灯的接线图 第 9 页 3.3 十字路口交通灯的程序设计 根据十字路口交通灯的控制关系写出如图 7 所示的程序。