1、- I - 江西工业工程 职业技术学院 毕 业 论 文 题 目 十字路口交通灯信号 PLC 控制系统设计与调试 学生姓名 指导教师 院 系 电子工程系 专 业 电气自动化 级 别 专科 江西工业 职业技术学院 2014 年 12 月 1 日 - II - 摘要 当今时代是一个自动化时代 ，交通灯控制等很多行业的设备都与 计算机 密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。 自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进
2、。 设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。 交通信号灯主要是以 PLC 来实现控制导航的， PLC 以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩 展方便，修改灵活 ,而且结构简单，抗干扰能力强。 本设计是用 PLC 来实现对十字路口交通信号灯的控制，其控制方法是采用西门子的 S7-200 系列 CPU224 型号 PLC 对东西南北的红、黄、绿、左绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。控制过程中采用了顺序控制设计法用了八个定时器六个计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制。控制程序包括有顺序功能图（
3、SFC） 、梯形图 (LAD)、指令表 (STL)等。 关键词 PLC，交通控制，自动化， S7-200，交通信号灯，顺序功能图，梯形图，仿真调试，自动控制。- I - 目录 摘要 .I 目录 .I 第一章 绪论 . 1 1.1 课题介绍及研究意义 . 1 1.2 相近研究课题的特点及优缺点分析 . 1 1.3 现行研究存在的问题及解决办法 . 2 1.4 本论文的目的及工作内容 . 3 1.5 PLC 的简介 . 3 1.6 PLC 的用途与特点 . 4 第二章 系统方案设计 . 7 2.1 研究设计中要解决的问题 . 7 2.2 方案原理分析 . 7 2.2.1 功能要求 . 7 2.2.
4、2 性能要求 . 8 2.3 可行性研究 . 9 2.3.1 要解决的问题的可行性分析及复杂性分析 . 9 2.3.2 具体实现中采用的关键技术 . 10 2.3.3 经济可行性分析 . 12 2.3.4 设计任务和内容 . 13 2.3.5 控制系统设 计概要 . 13 第三章 十字路口交通信号灯的具体设计 . 15 3.1 十字路口交通信号灯的控制要求 . 15 3.3 PLC 硬件控制电路设计 . 17 3.5 详述控制系统的实现方法 . 20 3.6 检测与调试 . 22 3.6.1 调试中遇到的问题 . 22 3.6.2 问题的分析与解决方案 . 23 第四章 结论 . 25 4.1
5、 心得 . 25 4.2 难点分析 . 25 参考文献 . 26 第 1 页 第一章 绪论 1.1 课题介绍及研究意义 可变 程序控制器（ PLC）是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自 60年代问世以来， PLC得到了突飞猛进的发展，尤其在数据处理、网络通信及与 DCS等集散系统融合方面有了很大的进展，可变程序控制器已经成为工业自动化强有力的工具，得到了广泛的普及和推广应用。 城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率来设计的。但是交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统。 十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。靠什么
6、来实现这井然秩序呢 ?靠的是交通信号灯的自动指挥系 统。那么控制系统是如何实现红、绿、黄三种颜色信号灯有条不紊工作的呢 ?交通信号灯控制方式很多，可以用电子电路来实现，也可以用单片机编程控制来实现。本文主要介绍如何利用 PLC来实现十字路口交通灯的控制。 1.2 相近研究课题的特点及优缺点分析 城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通管理体系在国外已经有了 40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有 效控制，使有限的交通网络功能得
7、到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。智能交通系统将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间 ;除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。 目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一点是共同的 :智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方 面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用。从各国的发展来看，智能交通系统能使交通基础设施
8、发挥出最大的第 2 页 效能，提高服务质量 ;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经济效益。它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。 1.3 现行研究存在的问题及解决办法 俗话说 “ 要想富，先修路 ” ，可见交通是否发达，关系着一个城市的发展速度。对于一个正在蓬勃发展的城市来说，有了宽敞的马路还是不够的，交通信号灯的存 在也不容忽视。 通过调查： 司机：没交通信号灯的地方多，路标与交通信号灯不符 。 现场目击：没有信号灯、信号灯设置不合理导致路口混乱 。 交警部门：信号灯的设置要看交通流量以
9、及考虑到经济发展 。 城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。近多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。 (1)静态多段配时控制 静态多段配时控制是利 用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。因此
10、研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢迎。 (2) 准动态多段配时控制 准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不 是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。准动态多段配时控制是一闭环控制系统。由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系
11、统。 第 3 页 1.4 本论文的目的及工作内容 在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通 灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。 按照城市交通控制的需要，本文讨论了用 PLC 实现 系统连续循环运行，工作规律按时序图运行（见附图）绿灯闪烁时按 0.5 秒间隔运行和提示警告方式运行两 方式，通过传感器与 PLC 完成对交通异常状况（滞留或堵车）的 判别及处理。 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
12、作。 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， 东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。 正常时序控制对路面进行控制 .南北方向红灯时 ,东西方向绿灯 .绿灯闪 3 秒紧接着黄灯闪 2 秒 ,变红灯 .南北方向红灯直接变绿灯 .东西方向红灯时同理 . 急车强通时 ,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通 . 急车强通信号受急车强通开关控制；无急车时，信号灯接正常时序控制；有急车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。 交通滞留的异常情况 ，在路口与路尾设置两个传感
13、器进行检测车流 量 .交通路段车流量繁忙时，传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。当一方车流量过大的时候 ,PLC 要对控制这一路段的信号灯进行调控 ,让滞留或堵车的一方绿灯时间加长 ,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不必要的麻烦与事故 ,就、控制进行很方便 ,很便捷。 1.5 PLC 的简介 PLC 是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置 ,是带有存储器 ,可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令 ,进行逻辑运算 ,顺序控制 ,定时 ,计数和算术等操作 ,并通过数字式和模拟式的输入输出 ,控制各种类型的机械和生产 过程。 PLC 及其有关的外围设备
14、,都应按易于与工业控制系统形式一体 ,第 4 页 易于拓展其功能的原则设计。 事实上 ,PLC 就是以嵌入式 CPU 为核心 ,配以输入 ,输出等模块 ,可以方便的用于工业控制领域的装置。 PLC 与机器人 ,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。 1.6 PLC 的用途与特点 PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置 ,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降 ,使 PLC 的成本下降 ,同时又由于 PLC的功能大大增强 ,使 PLC 的应用越来越广泛 ,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工 、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。 PLC 的应
15、用通常可分为五种类型： （ 1）顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。 PLC 可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、随着电子技术和计算机技术的迅猛发展， PLC 的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称 PC（ PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是为了不和 切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。 （ 2）运动控制 PLC 制造 商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下， PLC 把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数
16、轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。 相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（ CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。 （ 3）闭环过程控制 PLC 能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。 PID（ Proportional Integration Derivative）模块的提供使 PLC 具有闭环控 制功能 ,即一个具有 PID控制能力的 PLC 可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时 ,PID 控制算法会计算出正确的输出 ,把变量保持在设定值上。 第 5 页 （ 4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制
17、的 PLC 和计算机数值控制（ CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本 FANUC 公司推出的 Systen10、 11、 12 系列，已将CNC 控制功能作为 PLC 的一部分。为了实现 PLC 和 CNC 设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由 PLC 送至 CNC设备使用。美国 GE 公司的 CNC 设备新机种也同样使用了具有数据处理的 PLC。预计今后几年 CNC 系统将变成以 PLC 为主体的控制和管理系统。 （ 5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（ FA）系统、柔性制造系统（ FMS）及集散控制系统（ DCS）等发展的需
18、要，必须发展 PLC 之间， PLC 和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅 PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。 PLC 的特点有： （ 1）抗干扰能力强，可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障， PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统 1/10-1/100，因触点接
19、触不良造成的故障大为减少。而 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。 (2)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，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 组成各种控制系统变得非常容易。 (3)易学易用
20、，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第 6 页 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。 (4)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。这很适合多品种、
21、小批量的生产场合。 (5)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。 第 7 页 第二章 系统方案设计 2.1 研究设计中要解决的问题 1） 按题意要求，画出 PLC 端子接线图、梯形图控制程序 2）讲述程序设计思路、 PLC 的选择、程序框图及工作流程。 3）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 2.2 方案原理分析 2.2.1 功能要求 随着 PLC 技术的发展， PLC 产品 的种类也越来越多。不同型号的 PLC，其
22、结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用 PLC，对于提高 PLC 控制系统的技术经济指标有着重要意义。 PLC 的选择主要应从 PLC 的机型、容量、 I/O 模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： 1、合理的结构型式 PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体 式 PLC 的每一个 I O 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式 PLC 的功能扩展灵活方便在 I O 点数、输入点数与输出点数的比例、 I O 模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。 2、安装方式的选择 PLC 系统的安装方式分为集中式、远程 I O 式以及多台 PLC 联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程 I O 硬件，系统反应快、成本低；远程 I O 式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程 I O 可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要 增设驱动器和远程 I O 电源；多台 PLC 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型 PLC，但必须要附加通讯模块。
