1、摘要-I-本 科 毕 业 论 文（ 20 届 ）基 于 PLC 的 交 通 灯 控 制 系 统 设 计所 在 学 院 专 业 班 级 自 动 化 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 职 称 完 成 日 期 年 月 摘要-II-摘 要随 着 高 科 技 的 迅 速 发 展 ， 可 编 程 控 制 器 的 应 用 越 来 越 广 泛 ， PLC 可编 程 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 。 PLC 可 编 程 控 制 器 具 有 结 构
2、简 单 、编 程 方 便 、 可 靠 性 高 等 优 点 ， 已 广 泛 应 用 于 工 业 控 制 过 程 和 位 置 的 自 动 控 制中 。 有 些 专 家 学 者 认 为 ， PLC 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 施 之 一 ， 有 些 学 者 认 为 ， 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
3、的 “渐 进 式 ”信 号 灯 进行 精 确 控 制 ， 特 别 对 分 岔 路 口 的 控 制 更 加 方 便 ， 更 容 易 实 现 。 因 此 现 在 越 来越 多 的 将 PLC 应 用 于 交 通 灯 控 制 系 统 中 。 由 于 PLC 的 诸 多 优 点 ， 可 以 缩短 车 辆 通 行 等 候 的 时 间 ， 实 现 科 学 化 、 高 效 化 的 管 理 。与 此 同 时 ， PLC 可 编 程 控 制 器 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 ， 实 现 更 高 效 、 更
4、 科 学 的 管 理 。 在实 时 检 测 和 自 动 控 制 的 PLC 应 用 系 统 中 ， PLC 往 往 是 作 为 一 个 核 心 部 件来 使 用 ， 仅 PLC 方 面 知 识 是 不 够 的 ， 还 应 根 据 具 体 硬 件 结 构 ， 以 及 针 对 具体 应 用 对 象 特 点 的 软 件 结 合 加 以 完 善 ， 十 分 形 象 地 显 示 出 PLC 在 十 字 路口 交 通 灯 系 统 中 的 实 际 应 用 。关 键 词 ： PLC， 十 字 路 口 交 通 灯 ， 梯 形英文摘要-II-AbstractWith the rapid development o
5、f high technology, programmable controller used more widely, PLC programmable controller is based on micro processor based, integrated computer technology, automatic control technology and communication technology developed a new type of industrial control device. PLC programmable controller is simp
6、le in structure, convenient programming and high reliability etc, has been widely used in industrial control process and the location of the automatic control. Some experts and scholars think, PLC programmable controller will be the major means of industrial control and one of the important infrastr
7、ucture, some scholars think, PLC, robots, CAD/CAM will become industrial production the three pillars. Due to the use of PLC has the characteristics of strong adaptability to the environment, and the internal timer is very rich in resources, but the current widely used “progressive“ precise control
8、signal, especially for turnoff control more convenient, more easy to implement. So now more and more will PLC in the control system of the traffic lights. Because of the many advantages PLC, can shorten the traffic waiting time, realize scientization, highly effective management.At the same time, PL
9、C programmable controller also has communication networking function, will be the same path of light a LAN unified dispatching management, to realize a more efficient, more scientific management. In real time detection and automatic control of PLC application system, the PLC is often as a core compo
10、nent to use, only PLC aspects knowledge is not enough, should according to the specific hardware structure, and the view of the specific application of the characteristics of the object software combines, perfect, very image to show PLC in the intersection traffic light system in the practical appli
11、cation.Key words: PLC, intersection traffic lights, ladder diagram目录-III-目 录摘 要 . IABSTRACT（英文摘要） . II目 录 . III第一章 引 言 . 11.1 绪论 . 11.2 课题的背景和意义 . 21.3 设计方案的选择 . 21.3.1 时间继电器 . 21.3.2 单片机控制系统 . 21.3.3 PLC 控制系统 . 2第二章 PLC 概念及工作原理 . 32.1 PLC 概念 . 32.1.1 PLC 的 产 生 和 发 展 . 32.1.2 PLC 的 特 点 . 42.2 PLC 的基
12、本组成与基本结构 . 52.3 PLC 的分类和应用 . 82.3.1 PLC 的 分 类 . 82.3.2 PLC 的 应 用 . 82.4 PLC 的工作原理 . 92.4.1 PLC 的 工 作 过 程 . 92.4.2 PLC 的 编 程 语 言 . 112.4.3 PLC 的 性 能 指 标 . 14第三章 PLC 控制系统的设计 . 163.1 控制要求 . 163.2 输入输出地址分配表及定时器元件 . 173.3 PLC 选型与扩展模块选型 . 18目录-IV-3.3.1 PLC 选 型 . 183.3.2 数 字 量 I/O 扩 展 模 块 . 193.4 倒计时模块选型 .
13、 203.4.1 常 用 译 码 器 . 203.4.2 LED 七 段 数 码 管 . 21第四章 交通信号灯的 PLC 控制器详细设计 . 234.1 交通信号灯控制流程 . 234.2 PLC 外部接线图 . 244.3 程序梯形图 . 264.4 指令表 . 334.5 工作过程 . 354.5.1 信 号 灯 控 制 . 354.5.2 倒 计 时 控 制 . 364.6 元器件清单 . 37结论 . 38参考文献 . 39致谢及声明 . 40第一章 引言- 1 -第 一 章 引 言1.1 绪 论随 着 社 会 经 济 的 迅 速 发 展 随 之 而 来 的 城 市 交 通 问 题
14、也 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 交 通 灯 控 制 、 交 通 数 据 监 测 以 及 交 通 疏 导 的计 算 机 综 合 管 理 控 制 系 统 ， 它 是 当 代 城 市 交 通 指 挥 控 制 系 统 中 不 可 或 缺 的 一部 分 。1.2 课 题 的 背 景 和 意 义由 于 十 字 路 口 不 同 时 刻 车 辆 的 流 量 是 复 杂 的 、 随 机 的 和 不 确 定 的 ， 采 用固 定
15、 时 间 的 控 制 方 法 ， 经 常 造 成 道 路 有 效 利 用 时 间 的 浪 费 ， 出 现 空 等 现 象 ，影 响 了 道 路 的 畅 通 。 为 了 改 善 交 通 灯 控 制 系 统 本 文 提 出 了 基 于 PLC 的 新型 交 通 灯 控 制 系 统 ， 该 系 统 可 以 对 交 通 进 行 有 效 的 管 制 ， 并 为 交 通 参 与 者 的安 全 提 供 了 强 有 力 的 保 障 。PLC 的 应 用 正 在 不 断 地 走 向 深 入 的 同 时 也 带 动 了 传 统 控 制 检 测 日 新 月 益更 新 。 它 具 有 结 构 简 单 、 编 程 方
16、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 。 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 控 制 系 统 中 。 交 通 信 号 灯 的 出 现 ， 使 交 通 得 以 有 效 管 制 ， 对 于 疏 导 交 通
17、流 量 、 提 高 道路 通 行 效 率 ， 有 效 的 减 少 交 通 事 故 有 显 著 的 作 用 。 为 了 实 现 对 交 通 道 路 有 效化 科 学 化 的 管 理 ， 力 求 对 交 通 灯 管 理 实 现 先 进 性 和 科 学 化 。 可 用 可 编 程 控 制器 实 现 对 交 通 灯 的 管 制 ， 以 及 该 系 统 软 、 硬 件 设 计 方 法 ， 实 验 证 明 该 系 统 实第一章 引言- 2 -现 简 单 、 经 济 ， 能 够 有 效 地 疏 导 交 通 ， 提 高 交 通 路 口 的 通 行 能 力 。 分 析 了 现代 城 市 交 通 控 制 与 管
18、理 问 题 的 现 状 ， 结 合 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 PLC 设计 方 案 。因 此 针 对 传 统 的 交 通 灯 控 制 系 统 中 存 在 的 问 题 ， 提 出 基 于 PLC 的 新型 交 通 灯 控 制 系 统 ， 通 过 该 系 统 可 以 对 交 通 进 行 有 效 的 疏 通 ， 适 应 了 现 在 的交 通 状 况 ， 体 现 了 城 市 管 理 的 现 代 化 。1.3 设 计 方 案 的 选 择1.3.1 时间继电器交
19、通 信 号 灯 的 控 制 最 先 采 用 时 间 继 电 器 进 行 控 制 ， 但 继 电 器 维 修 困 难 ，控 制 不 方 便 等 问 题 现 在 已 经 基 本 不 用 了 。1.3.2 单片机控制系统单 片 机 的 功 能 比 传 统 继 电 器 电 路 要 强 大 的 多 ， 这 也 是 一 种 计 算 机 语 言 ，它 常 见 于 交 通 灯 的 设 计 应 用 。 单 片 机 成 本 低 廉 ， 专 用 性 可 能 会 更 强 。 但 是 可靠 性 差 、 抗 干 扰 性 能 差 、 通 用 性 差 、 扩 展 能 力 比 较 弱 。1.3.3 PLC 控制系统（ 1） 控
20、 制 动 作 功 能 修 改 方 便 ；（ 2） 故 障 少 ；（ 3） 电 控 箱 体 积 小 ；（ 4） 维 修 方 便 ， 有 故 障 时 比 继 电 器 的 好 修 些 ；（ 5） 通 讯 较 单 片 机 方 便 ；（ 6） 处 理 能 力 强 于 单 片 机 控 制 系 统 ； （ 7） 可 以 组 建 网 络 ；第二章 PLC概念及工作原理- 3 -第 二 章 PLC 概 念 及 工 作 原 理2.1 PLC 概 述2.1.1 PLC 的产生与发展PLC 即 可 编 程 控 制 器 （ Programmable logic Controller） ， 是 指 以 计算 机 技 术
21、为 基 础 的 新 型 工 业 自 动 控 制 装 置 。 在 1987 年 国 际 电 工 委 员 会（ International Electrical Committee） 颁 布 的 PLC 标 准 草 案 中 对 PLC做 了 如 下 定 义 ： 可 编 程 控 制 器 （ PLC） 是 一 种 数 字 运 算 操 作 的 电 子 系 统 ，主 要 用 途 为 在 工 业 环 境 应 用 。 它 采 用 一 类 可 编 程 的 存 储 器 ， 用 于 执 行 逻 辑 运算 、 内 部 存 储 器 程 序 、 实 现 顺 序 控 制 、 计 数 、 算 术 和 定 时 、 操 作 等
22、面 向 用 户的 指 令 ， 并 通 过 数 字 或 者 模 拟 输 入 /输 出 控 制 各 种 类 型 的 机 械 或 生 产 过 程 。可 编 程 控 制 器 及 其 有 关 外 部 设 备 ， 都 应 按 易 于 工 业 控 制 系 统 联 成 一 个 整 体 ，易 于 扩 充 其 功 能 的 原 则 设 计 。在 可 编 程 控 制 器 出 现 之 前 ， 在 工 业 控 制 领 域 占 据 主 导 地 位 的 是 继 电 器 控制 。 由 于 接 触 器 、 继 电 器 控 制 系 统 具 有 明 显 的 不 足 ， 即 动 作 速 度 慢 、 设 备 面积 较 大 、 可 靠 性
23、 较 差 、 功 能 较 弱 ， 难 于 实 现 复 杂 高 效 的 控 制 ； 特 别 是 在 由 硬连 线 逻 辑 组 成 的 系 统 中 ， 接 线 复 杂 繁 琐 ， 当 控 制 对 象 或 生 产 工 艺 流 程 需 要 改变 时 ， 原 有 的 控 制 柜 和 接 线 必 须 更 换 ， 因 此 灵 活 性 和 通 用 性 比 较 差 。20 世 纪 60 年 代 末 期 ， 为 了 适 应 生 产 工 艺 不 断 更 新 的 需 要 ， 1968 年 美国 通 用 汽 车 公 司 （ GM） 公 司 招 标 ， 对 新 的 汽 车 流 水 线 控 制 系 统 提 出 了 新 一代
24、 控 制 器 应 具 备 的 十 大 条 件 ， 主 要 内 容 是 ：（ 1） 维 修 方 便 ， 采 用 插 件 式 结 构（ 2） 体 积 小 于 继 电 器 控 制 系 统（ 3） 可 将 数 据 直 接 送 入 管 理 计 算 机（ 4） 编 程 方 便 ， 可 现 场 修 改 程 序（ 5） 用 户 程 序 存 储 器 容 量 至 少 能 扩 展 到 4KB（ 6） 成 本 可 与 继 电 器 控 制 盘 竞 争第二章 PLC概念及工作原理- 4 -（ 7） 可 靠 性 高 于 继 电 器 控 制 系 统（ 8） 输 入 可 以 是 AC115V（ 美 国 电 压 标 准 ）（ 9
25、） 输 出 可 以 是 AC115V/2A 以 上 ， 可 直 接 驱 动 电 磁 阀 接 触 器 等（ 10） 扩 展 时 原 系 统 改 变 最 小以 上 就 是 著 名 的 “GM 十 条 ”。 这 些 要 求 的 实 质 是 提 出 了 将 接 触 继电 器 控 制 的 使 用 方 便 、 价 格 低 廉 和 简 单 易 懂 的 优 点 与 计 算 机 的 灵 活 性 好 、 通用 性 好 、 多 功 能 的 优 点 结 合 起 来 ， 将 继 电 接 触 器 控 制 的 硬 连 线 逻 辑 改 变为 计 算 机 的 软 件 逻 辑 编 程 的 设 想 。2.1.2 PLC 的特点现
26、代 工 业 生 产 过 程 复 杂 多 样 ， 对 控 制 的 要 求 也 各 不 相 同 ， 为 了 适 应 工业 环 境 的 使 用 ， PLC 具 有 以 下 特 点 。（ 1） 抗 干 扰 能 力 强 、 可 靠 性 高针 对 工 业 现 场 恶 劣 的 环 境 因 素 ， 为 提 高 抗 干 扰 能 力 ， PLC 主 要 模 块 均采 用 大 规 模 与 超 大 规 模 集 成 电 路 ， 在 硬 件 上 采 取 一 系 列 的 措 施 以 适 应 电 网 电压 波 动 和 过 电 压 、 欠 电 压 的 影 响 ； 在 软 件 上 设 置 实 时 监 控 、 自 诊 断 、 信
27、息 保护 与 恢 复 等 程 序 与 硬 件 电 路 配 合 实 现 各 种 故 障 诊 断 、 处 理 、 报 警 显 示 及 保 护功 能 。 所 以 这 些 都 使 PLC 具 有 较 高 的 抗 干 扰 能 力 。 目 前 各 生 产 厂 家 生 产 的PLC， 其 平 均 无 障 碍 时 间 都 大 大 超 过 了 IEC 规 定 的 10 万 h。 而 且 为 了 适应 特 殊 场 合 的 需 要 ， 有 的 PLC 生 产 商 还 才 用 了 冗 余 设 计 （ 如 德 国 Pilz 公司 的 PLC） ， 进 一 步 提 高 了 其 可 靠 性 。（ 2） 控 制 系 统 结
28、构 简 单 ， 通 用 性 强PLC 及 扩 展 模 块 种 类 繁 多 ， 可 以 组 成 各 式 各 样 的 控 制 系 统 。 PLC 的 输入 /输 出 可 直 接 与 交 流 220V、 直 流 24V 等 负 载 相 连 ， 并 有 较 强 的 带 负 载 能力 。 同 一 个 PLC 装 置 用 于 不 同 的 控 制 对 象 ， 只 需 要 对 程 序 进 行 简 单 的 修 改 ，对 硬 件 部 分 稍 作 改 动 即 可 ， 具 有 极 高 的 通 用 性 。（ 3） 编 程 方 便 ， 易 于 使 用PLC 的 编 程 可 采 用 与 继 电 器 极 为 相 似 的 梯
29、形 图 语 言 ， 直 观 易 懂 ， 不 需 要第二章 PLC概念及工作原理- 5 -专 门 的 计 算 机 知 识 和 语 言 ， 只 要 具 有 一 定 的 电 气 和 工 艺 知 识 的 人 员 都 可 在 短时 间 学 会 。 近 几 年 又 发 展 了 面 向 对 象 的 顺 控 流 程 图 语 言 （ Sequential Function Chart， SFC） ， 也 称 功 能 图 ， 使 编 程 更 简 单 、 方 便 。（ 4） 功 能 强 大 ， 适 应 面 广目 前 ， PLC 控 制 系 统 规 模 可 大 可 小 ， 能 完 成 对 各 种 控 制 系 统 的
30、控 制 ，几 乎 能 满 足 所 有 的 工 业 控 制 领 域 的 需 要 。（ 5） 控 制 系 统 设 计 、 施 工 及 调 试 的 周 期 短目 前 PLC 已 实 现 了 产 品 的 系 列 化 、 标 准 化 和 通 用 化 ， 用 PLC 组 成 控制 系 统 ， 在 开 发 、 组 装 、 调 试 和 维 修 等 方 面 ， 表 现 了 明 显 的 优 越 性 。 由 于PLC 采 用 了 软 件 设 计 ， 因 此 不 需 要 像 继 电 器 控 制 系 统 那 么 繁 琐 ， 缩 短 了 施工 周 期 。 同 时 ， PLC 的 用 户 程 序 可 以 在 实 验 室 进
31、 行 模 拟 调 试 ， 模 拟 调 试 通过 后 再 到 生 产 现 场 进 行 联 机 调 试 ， 减 少 了 现 场 的 调 试 工 作 量 ， 缩 短 了 设 计 、调 试 周 期 。（ 6） 维 修 方 便PLC 的 输 入 /输 出 端 子 能 够 直 观 地 反 应 现 场 信 号 的 变 化 状 态 ， 通 过 编 程工 具 （ 装 有 编 程 软 件 的 计 算 机 等 ） 可 以 直 观 地 观 察 程 序 和 控 制 系 统 的 运 行 状态 ， 如 内 部 工 作 状 态 、 通 信 状 态 、 I/O 点 状 态 、 异 常 状 态 和 电 源 状 态 等 ，极 大
32、地 方 便 了 维 修 人 员 查 找 故 障 ， 缩 短 对 系 统 的 维 护 时 间 。 由 于 PLC 的低 故 障 率 及 很 强 的 监 视 功 能 和 模 块 化 设 计 结 构 ， 使 维 修 也 极 为 方 便 。2.2 PLC 的 基 本 组 成 与 基 本 结 构PLC 种 类 繁 多 ， 但 其 组 成 结 构 和 工 作 原 理 基 本 相 同 。 PLC 采 用 了 典 型的 计 算 机 结 构 ， 它 主 要 是 由 CPU、 存 储 器 、 专 门 设 计 的 I/O 模 块 （ 也 称 输入 /输 出 单 元 ） 、 电 源 等 主 要 部 件 组 成 ， 如 图 2-1
