1、常州工学院（成人教育）毕 业 设 计（论文）题 目 基于三菱 PLC 的智能交通灯控制 性 质： 毕业设计 毕业论文 学生姓名 年 级 教 学 点 专 业 工业电气自动化 指导教师 评定成绩 优 良 中 及格 不及格基于三菱 PLC 的智能交通灯控制第 2 页 共 23 页 目 录摘要.3引言.4第一章概述.61.1 PLC 发展.61.2 PLC 分类.71.3 三菱 FX 系列 PLC 简介.81.3.1 FX2n 系列基本构成.10第二章 传感器的运用.102.1 车辆检测器的功能及分类.102.2 光电传感器.112.3 感应控制的实现.112.4 光电传感器的铺设.11第三章 交通灯
2、系统设计.123.1 控制要求.123.2 控制时序.123.3 毕业设计论文所用的主要技术与方法. .133.4 I/O 分配表.143.5 功能顺序图.143.6 控制流程图.183.7 交通信号灯外部接线图.20第四章 总结. .21结论.21致谢.22参考文献.23附录程序梯形图指令表基于三菱 PLC 的智能交通灯控制第 3 页 共 23 页 摘 要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。设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。 PLC 可编程序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。它具有结构简单、
3、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。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 应用于交通灯系统中。同时,PLC 本身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,可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理.可编程控制器(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。FX2n 是 FX 系列中功
4、能最强，速度最高的微型可编程控制器。它的基本指令执行时间高达0.08s，远远超过了很多大型可编程控制器。其用户存储容量可扩展到 16K 步，最大可以扩展到256 个 I/O 点，有 5 种模拟量输入/输出模块，高速计数模块，脉冲输出模块，4 种未知控制模块，多种 RS-232C/RS-422/RS-485 串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展版。使用特殊功能模块和功能扩展版，可以实现模拟量控制，位置控制和联网通信等功能.本文选择三菱可编程控制器 FX2n 为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了十字路口交通灯控制系统的自动化。关键词： PLC；智能；交通
5、控制基于三菱 PLC 的智能交通灯控制第 4 页 共 23 页 引言 据一项对美国主要城市交通状况的调查显示：1982 年至 2000 年，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达 680 亿美元。以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时 12 公里。用这个目标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值：每年耗费 1.5 亿小时，减少生产总值 117 亿元。相当于该市整个生产总值的 7%。在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达 35%-40%，而北京只有 20%。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉，到 2
6、010 年，北京将投资 500 亿元用于城市道路建设，到 2005 年，北京仅高速公路通车里程就达到 600 公里。但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵修路再拥堵”的怪圈。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、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
7、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。可编程序控制器简称为 PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC 已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC 在其他领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。目前设计交通灯的方案有很多，有应用 CPLD 设计实现交通信号灯控制器方法；有应用 PLC 实现对交通灯控制系统的设计；有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。目前，国内的交通灯一般设在十字路口，在醒目的位置用红黄绿三种颜色的指示灯，加上一个倒计时的显示器来控制行车。对于一般情况下的安全行车，车
8、辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：1.两车道的车辆轮流放行时间相同，不能随不同时段车流量的大小的改变而自动修改。2.没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，臂如，消防车执行紧急任务通过时，相应方向提供绿灯通行信号。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。基于三菱 PLC 的智能交通灯控制第 5 页 共 23 页 Abstract
9、Since the traffic lights since birth, the internal control system of the circuit is constantly improving. Design method also began to varied, thus make the traffic lights appear more intelligent. PLC programmable controller is based on micro processor based, integrated computer technology, automatic
10、 control technology and communication technology developed a new type of industrial control device. It is simple in structure, convenient programming and high reliability etc, are widely used in industrial process and the location of the automatic control. Due to the use of PLC has the characteristi
11、cs of strong adaptability to the environment, and the internal timer is very rich in resources, but the current widely used “progressive“ precise control signal, especially for much of the fork in the control can be realized. So now more and more will PLC in the traffic light system. At the same tim
12、e, PLC itself also has communication networking function, will be the same path of light a LAN unified dispatching management, can shorten the traffic waiting time, realize scientific management. Programmable controller (PLC) is a microprocessor as the core, widespread use of the relay contact devic
13、e control system based on electrical diagram of ladder diagram language program design, programming easy, convenient function extension, modification flexible, and simple structure, strong anti-interference ability. FX2n FX series is the strongest function, the speed of the highest miniature program
14、mable controller. Its basic instruction execution time as high as 0.08 u s, far more than a lot of large-scale programmable controller. The user can expand the storage capacity to 16 K step, can be extended to 256 largest I/O point, 5 kinds of analog input/output module, high-speed count module, pul
15、se output module, 4 kinds of unknown control module, a variety of RS-232-C/RS-422 / RS-485 serial communication module or function expansion plate, and the simulation timer function expansion version. Use special function module and function expansion edition, can simulate the quantity control, the
16、position control and network communication, and other functions. This article chooses mitsubishi programmable controller FX2n as the core component, the author concentrates on hardware interface design, use ladder diagram and statement table programming, realize the intersection traffic light contro
17、l system of automation. Keywords: PLC; Intelligent; Traffic control 基于三菱 PLC 的智能交通灯控制第 6 页 共 23 页 第 1章 PLC概述1.1 PLC发展在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。1968 年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更
18、换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。1969 年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Co
19、ntroller ）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20 世纪 70 年代中期微处理器技术应用到 PLC 中，使 PLC 不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。20 世纪 80 年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16 位和 32 位微处理器应用于 PLC 中，使 PLC 得到迅速发展。PLC 不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使 PLC 真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。PLC
20、的发展过程大致可以分为如下几个阶段：19701980 年：PLC 的结构定型阶段。在这一阶段，由于 PLC 刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1 位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有 PLC 结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展.推广。PLC 的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC 的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。19801990 年：PLC 的普及阶段。在这一阶段，PLC 的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。各 PLC 生产厂家产品的价格.品种开始系列化，并且形成了固定 I/O
21、 点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC 的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有 F.F1.F2 小型 PLC 系列产品,K/A 系列中、大型PLC 产品等。19902000 年，PLC 的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC 的功基于三菱 PLC 的智能交通灯控制第 7 页 共 23 页 能日益增强，PLC 的 CPU 运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC 的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外，PLC 的体积大幅度缩小，出现了各类微型化 PLC
22、。三菱公司本阶段的主要产品有 FX 小型 PLC 系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型 PLC 系列产品等。2000 年至今：PLC 的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC 的各种功能不断进步。一方面，PLC 在继续提高 CPU 运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使 PLC 的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC 的网络与通信功能得到迅速发展，PLC 不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX 小型 PLC 系
23、列产品（包括最新的 FX3u 系列产品），Qn,QnPH 系列中，大型 PLC 系列产品等。1.2 PLC分类按生产厂家分:目前生产 PLC 的厂家较多。但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有：德国西门子公司：它有 SS 系列的产品。有 SS95U、100U、115U、135U 及 155U。135U、155U为大型机，控制点数可达 6000 多点，模拟量可达 300 多路。最近还推出 S7 系列机，有 S7-200（小型） 、S7-300（中型）及 S7-400 机（大型） 。性能比 S5 大有提高。日本 OMRON 公司：它有 CPM1
24、A 型机，P 型机，H 型机，CQM1、CVM、CV 型机，Ha 型、F 型机等，大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长，在中国及世界市场，都占有相当的份额。美国 GE 公司、日本 FANAC 合资的 GEFANAC 的 9070 机也是很吸引人的。据介绍。它具有 25个特点。诸如，用软设定代硬设定，结构化编程，多种编程语言，等等。它有914、781782、771772、731732 等多种型号。另外，还有中型机 9030 系列，其型号有344、331、323、321 多种；还有 9020 系列小型机，型号为 211。美国莫迪康公司(施奈德)的 984 机也是很有名的。其中 E984
25、785 可安 31 个远程站点，总控制规模可达 63535 点。小的为紧凑型的，如 984-120，控制点数为 256 点，在最大与最小之间，共20 多个型号。美国 AB（AlienBradley）公司创建于 1903 年，在世界各地有 20 多个附属机构，10 多个生产基地。可编程控制器也是它的重要产品。它的 PLC5 系列是很有名的，其下有PLC5/10，PLC5/11，PLC5/250 多种型号。另外，它也有微型 PLC，SLC500 即为其中一种。有三种配置，20、30 及 40 I/O 配置选择，I/O 点数分别为 12/8、18/12 及 24/16 三种。日本三菱公司的 PLC
26、也是较早推到我国来的。其小型机 FI 前期在国内用得很多，后又推出 FXZ机，性能有很大提高。它的中、大型机为 A 系列。AIS、AZC、A3A 等。日本日立公司也生产 PLC，其 E 系列为箱体式的。基本箱体有 E-20、E-28、E40、E64。其 I/O 点数分别为 12/8、16/12、24/16 及 40/24。另外，还有扩展箱体，规格与主箱体相同其 EM基于三菱 PLC 的智能交通灯控制第 8 页 共 23 页 系列为模块式的，可在 16160 之间组合。日本东芝公司也生产 PLC，其 EX 小型机及 EXPLUS 小型机在国内也用得很多。它的编程语言是梯形图，其专用的编程器用梯形
27、图语言编程。另外，还有 EX100 系列模块式 PLC，点数较多，也是用梯形图语言编程。日本松下公司也生产 PLC。FPI 系列为小型机，结构也是箱体式的，尺寸紧凑。FP3 为模块式的，控制规模也较大，工作速度也很快，执行基本指令仅 0l 微秒。日本富士公司也有 PLC。其 NB 系列为箱体式的，小型机。NS 系列为模块式。美国 IPM 公司的 IP1612 系列机，由于自带模拟量控制功能，自带通讯口，集成度又非常之高，虽点数不多，仅 16 入，12 出，但性价比还是高的，很适合于系统不大，但又有模拟量需控制的场合。新出的 lP3416 机，I/O 点数扩大到 34 入、12 出，而且还自带一
28、个简易小编程器，性能又有改进。国内 PLC 厂家规模多不大。最有影响的算是无锡的华光。 、它也生产多种型号与规格的 PLC，如SU、SG 等，发展也很快，在价格上很有优势。相信会在世界 PLC 之林中一定有其位置的。1.3 三菱 FX系列 PLC简介FX 系列 PLC 是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步替代三菱公司原F、F1、F2 系列 PLC 产品。FX 系列 PLC 型号的含义如下图其中系列名称：如 0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC 等单元类型：M基本单元 E输入输出混合扩展单元Ex扩展输入模块 EY扩展输出模块输出方式：R继电器输出 S晶闸管输出 T晶体管
29、输出特殊品种：DDC 电源，DC 输出 A1AC 电源，AC（AC100120V）输入或 AC 输出模块H大电流输出扩块V立式端子排的扩展模块C接插口输入输出方式F输入滤波时间常数为 1ms 的扩展模块基于三菱 PLC 的智能交通灯控制第 9 页 共 23 页 PLC 的硬件主要由中央处理器（CPU） 、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU 是 PLC 的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与 CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接FX 系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继
30、电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器” 。这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。常用元件:1.输入继电器 （X）PLC 的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC 内部与输入端子连接的输入继电器 X 是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入） ，线圈的吸合或释放只取决于 PLC 外部触点的状态。内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。输入电路的
31、时间常数一般小于 10ms。各基本单元都是八进制输入的地址，输入为 X000 X007，X010 X017，X020 X027 。它们一般位于机器的上端。2.输出继电器（Y）PLC 的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到 PLC 的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。输出电路的时间常数是固定的。各基本单元都是八进制输出，输出为 Y000 Y007，Y010Y017，Y020Y027。它们一般位于机器的下端。3.辅助继电器（M）PLC 内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继
32、电器一样，由 PLC 内各软元件的触点驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用。它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。在 FX2N 中普遍采用 M0M499，共 500 点辅助继电器，其地址号按十进制编号。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。4.定时器（T）在 PLC 内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有 1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数 K 作为设定值，
33、也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生误动作。定时器通道范围如下：100 ms 定时器 T0T199， 共 200 点，设定值：0.1 3276.7 秒；10 ms 定时器 T200TT245，共 46 点，设定值：0.01327.67 秒；1 ms 积算定时器 T246T249，共 4 点，设定值：0.00132.767 秒；当定时器线圈 T200 的驱动输入 X000 接通时，T200 的当前值计数器对 10 ms 的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值 K123 相等时，定时器
34、的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23 秒（10 * 123ms = 1.23s）时才动作，当 T200 触点吸合后，Y000 就有输出。当驱动输入基于三菱 PLC 的智能交通灯控制第 10 页 共 23 页 X000 断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。定时器线圈 T250 的驱动输入 X001 接通时，T250 的当前值计数器对 100 ms 的时钟脉冲进行累积计数，当该值与设
35、定值 K345 相等时，定时器的输出触点动作。在计数过程中，即使输入 X001在接通或复电时，计数继续进行，其累积时间为 34.5s（100 ms*345=34.5s）时触点动作。当复位输入 X002 接通 ，定时器就复位，输出触点也复位。PLC 常用程序设计语言简介在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。PLC 是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常 PLC 不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（
36、IEC）1994 年 5 月公布的 IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述 5 种编程语言：功能表图（sequential function chart） 、梯形图（Ladder diagram） 、功能块图（Function black diagram） 、指令表（Instruction list） 、结构文本（structured text） 。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图1.3.1 FX2n系列基本构成FX2n 是 FX 系列中功能最强，速度最高的微型可编程控制器。它的基本指令执行时间高达0.08s
37、，远远超过了很多大型可编程控制器。其用户存储容量可扩展到 16K 步，最大可以扩展到256 个 I/O 点，有 5 种模拟量输入/输出模块，高速计数模块，脉冲输出模块，4 种未知控制模块，多种 RS-232C/RS-422/RS-485 串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展版。使用特殊功能模块和功能扩展版，可以实现模拟量控制，位置控制和联网通信等功能.FX2n 有 3000 多点辅助继电器，1000 点状态，200 多点定时器，200 多 16 位加计时器，35 点 32位加减计数器，8000 多点 16 为数据寄存器，128 点跳步指针，15 点中断指针，这些编程原件对于一般的系统绰绰有余。第二章 传感器的运用2.1车辆检测器的功能及分类车辆检测器是现代交通控制系统的重要组成部分，随着经济的发展，智能交通已在我国悄然兴起，车辆检测器作为交通信息采集的一个重要组成部分，越来越受到业内人士的关注。车辆检测器以机动车辆为检测目标，检测车辆的通过或存在状况，其作用是为智能交通控制系统提供足够的信息以便进行最优的控制。车辆检测器的种类很多，工作原理各异，但大致可概括为两大基本功能：一为检测车辆的存在或出现，二为检测车辆的运动或通过，任意车辆检测器至少应具有上
