基于PLC的交通信号灯设计.docx

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基于PLC的交通信号灯设计

物理与电子工程学院

《PLC原理与应用》

课程设计报告书

设计题目：

基于PLC的交通信号灯设计

专业：

自动化

班级：

10级1班

学生姓名:

XX

学号:

XXXX

指导教师：

XX

2013年12月20日

物理与电子工程学院课程设计任务书

专业：

自动化班级：

1班

学生姓名

XX

学号

XX

课程名称

PLC原理与应用

设计题目

基于PLC的交通信号灯设计

设计目的、主要内容（参数、方法）及要求

设计目的：

1、掌握PLC功能指令的应用

2、掌握PLC控制系统的设计流程

设计主要内容及要求：

1、设计一个基于PLC的十字路口交通信号灯的控制程序。

具体要求如下：

（1）南北黄灯闪烁5秒。

南北红灯亮一段时间，同时东西红灯闪烁5秒，东西绿灯亮与南北方向相同时间。

（2）南北红灯亮维持一段时间后南北红灯闪烁5秒，熄灭。

同时东西绿灯维持相同时间后，东西黄灯闪烁5秒，熄灭。

（3）重复

（1）和

（2），并不断循环反复。

2、画出实现程序流程图。

3、列出输入、输出端口。

4、写出梯形图程序。

5、调试程序，直至符合设计要求。

工作量

2周时间，每天3学时，共计42学时

进度安排

第1天：

明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料

第2-3天：

学习课程设计中用到的PLC相关知识

第4-5天：

根据课程设计的要求画出程序流程图

第6天：

列出I/O分配表

第7-8天：

写出梯形图程序，并对程序进行注释

第9-10天：

学习西门子S7-200的编程软件STEP7MicroWINSP6，并在该软件中编写梯形图程序

第11天：

学习西门子S7-200仿真软件，并进行程序仿真和调试。

第12天：

将课程设计中用到的程序在PLC试验箱上进行运行和调试。

第13-14天：

撰写课程设计报告。

主要参考资料

[1]宋建成.编程序控制器原理与应用[M].科学出版社,1998

[2]杨公源.可编程控制器（PLC）原理与应用[M].电子工业出版社,2004

[3]袁任光.可编程序控制器应用技术与实例[M].华南理工大学出版社,2003

指导教师签字

教研室主任签字

摘要

为了解决十字路口的交通拥挤状况，本文提出了一种基于PLC、车流量检测系统和数值比较器的十字路口交通灯实时控制方案。

该设计系统地介绍了交通灯控制系统的组成和设计方案，并进行了程序设计。

通过车流量检测系统实现了对十字路口车流量的智能检测，并根据车流量的变化，实时地对红绿灯时间进行合理调配，从而提高了十字路口的通行能力。

关键词：

实时控制；PLC；车流量；检测

1绪论

随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。

交通问题不仅在发展中国家，就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。

众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。

但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。

因此，不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。

与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。

事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。

在本设计中，采用的是调节交通信号灯的红绿灯时间来改善交通通行率。

交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色，又叫红绿灯。

红灯表示停止或禁止通行，绿灯表示通行，黄灯表示马上要出现红灯。

车辆不能越过停车线，如果车辆已十分接近停车线而不能安全停车时，可以进入交叉路口。

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。

传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：

事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。

然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。

即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：

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。

这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。

可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。

2PLC的结构及原理

2.1PLC的结构

PLC实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

PLC的基本结构框图如图2-1-1所示：

图2-1-1PLC的基本结构框图

2.2PLC的工作原理

PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

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。

1．输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2．用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

3．输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

PLC的扫描工作过程如图2-2-1、图2-2-2所示：

图2-2-1PLC的扫描工作过程图

图2-2-3PLC的扫描周期图

3系统的方案设计

目前的智能交通灯控制系统有以红外感应车流量的、有按预定时间段改变通行时间的，有以电视监控信息来干预的等多种方法与手段，各有特点。

本设计是一个以车流量为核心的智能交通灯自动控制系统，通过使用一种车流量检测系统检测车量，实现了十字路口交通灯的智能控制。

该车流量检测系统利用图像处理与识别技术，通过视频信号检测道路交通流量。

具体地讲是利用摄像头作为视频探头，由图像处理设备将视频信号转换成数字图像，计算机对数字图像进行处理，识别车辆，当车辆通过“虚拟线圈”时统计车流量及相关车辆信息，并将数据传输到控制中心，也可存储在硬盘上。

根据车流量检测系统测出的车流量，利用数值比较器进行比较，将南北和东西两个方向车流量的比较结果送入PLC进行控制，从而调节两个方向红绿灯时间的长短。

3.1十字路口交通灯布置图

根据系统的方案设计可分析得出，本系统需要合理配置车流量线圈检测系统、数值比较器、PLC和红绿灯。

其布置如图3-1-1所示：

图3-1-1十字路口布置图

3.2系统的控制要求

如果十字路口实行交通灯智能控制系统，则相当于一个有经验的交警对各方向的车辆进行统计，根据车流量的不同分配以不同的绿灯时间，从而进行合理的调配，防止车辆的堵塞，较好地解决了上述问题，这是代替模拟控制的有效办法。

智能交通灯控制系统由车流量检测系统、数字比较器、控制器PLC、红黄绿交通信号灯、输入输出接口电路和电源等组成。

其实现的控制流程图如图3-3-2所示：

图3-3-2控制流程图

交通灯控制系统的控制要求如下：

（1）信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，检测系统检测到的信号经数值比较器，将结果送给PLC。

系统开始工作，且先南北绿灯亮，东西红灯亮。

（2）南北绿灯亮维持一段时间后南北黄灯闪烁，同时东西红灯亮相同时间后红灯闪烁。

（3）南北黄灯闪烁5秒。

南北红灯亮一段时间，同时东西红灯闪烁5秒，东西绿灯亮与南北方向相同时间。

（4）南北红灯亮维持一段时间后南北红灯闪烁5秒，熄灭。

同时东西绿灯维持相同时间后，东西黄灯闪烁5秒，熄灭。

（5）周而复始。

4系统器件选型和资源配置

4.1系统器件的选型

从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点4个，开关量输出点6个，参照西门子S7-200系列特性（见附录），选用主机为CPU222（8输入/6继电器输出）。

其外形图如图4-1-1所示：

图4-1-1CPU222外形图

1M、2M为输入端子的公共端。

1L、2L为输出公共端。

CPU22224VDC电源，24VDC输入，24VDC输出。

100～230VAC电源，24VDC输入继电器输出。

本系统采用的是4位数值比较器CC14585。

其管脚图如图4-1-2所示：

图4-1-2CC14585管脚图

CC145854位数值比较器的功能列表如表4-1-1所示：

表4-1-1数值比较器的功能表

输入

输出

AB

A3A2A1A0B3B2B1B0

I（A

I（A=B）

I（A>B）

Y（A

Y（A=B）

Y（A>B）

A>B

X

X

1

0

0

1

A

X

X

1

1

0

0

A=B

0

1

0

0

0

0

1

1

1

0

1

0

1

0

0

0

0

1

4.2I/O地址分配

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC；

按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA、0-20mA）、电压型（0-10V、0-5V）等；

按精度分，有12bit、14bit、16bit等。

除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少。

在本系统中要用到接通延时定时器，接通延时型定时器是各种PLC中最常见最基本的定时器，这种定时器在SIEMENS的PLC中，称为SD型定时器。

其定时时间T=PT×S，即定时时间=设定值×精度。

4.3交通灯系统的接线形式

基于PLC的十字路口交通灯控制接线图如图4-3-1所示：

图4-3-1系统控制接线图

端口I0.0为接入系统开关的传送信号，端口Q0.0接南北绿灯，端口Q0.1接南北黄灯，端口Q0.2接南北红灯，端口Q0.3接东西绿灯，端口Q0.4接东西红灯，端口Q0.5接东西黄灯。

I0.0接线圈M0.0，I0.1接线圈M0.1，I0.2接线圈M0.2。

5系统程序设计

5.1系统的程序思想

设南北方向最大车流量为A，东西方向最大车流量为B。

其流程图如图5-1-1,5-1-2,5-1-3,5-1-4所示：

图5-1-1主程序流程图图5-1-2状态S1流程图

图5-1-3状态S2流程图图5-1-4状态S3流程图

5.2系统的程序设计

网络1~网络3：

I0.1、I0.2、I0.3由数字比较器的结果控制，当南北方向车流量比东西方向大时，I0.1为1，I0.2、I0.3为0，线圈M0.0通电，当南北方向车流量比东西方向小时。

I0.2为1，I0.1、I0.3为0，线圈M0.1通电当两个方向车流量相等时，I0.3为1，I0.1、I0.2为0，线圈M0.2通电。

网络4：

当线圈M0.0通电时，计时器T37、T38、T39、T40开始计时，30秒后T37通电，35秒后T38通电，55秒后T38通电，60秒后计时器T37、T38、T39、T40均断电。

网络5：

当线圈M0.1通电时，计时器T41、T42、T43、T44开始计时，20秒后T41通电，25秒后T42通电，55秒后T43通电，60秒后计时器T41、T42、T43、T44均断电。

网络6：

当线圈M0.2通电时，计时器T45、T46、T47、T48开始计时，20秒后T45通电，25秒后T46通电，55秒后T47通电，60秒后计时器T45、T46、T47、T48均断电。

网络7：

启动开关I0.0闭合，当线圈M0.0通电时，南北绿灯亮30秒；当线圈M0.1通电时，南北绿灯亮20秒；当线圈M0.2通电时，南北绿灯亮25秒。

网络8：

当T37通电时南北黄灯闪烁，5秒后T38通电，常闭开关动作，闪烁结束。

其余同理；

网络9：

当T38通电时，南北红灯亮，维持到T39通电，T39常闭开关动作；接着南北红灯闪烁5秒，其余同理。

:

网络10：

当T38通电时，东西红灯亮，20秒后T39通电，T39常闭开关动作，红灯熄灭；当T42通电时，东西红灯亮，30秒后T43通电，T43常闭开关动作，红灯熄灭；当T46通电时，东西红灯亮，25秒后T47通电，T47常闭开关动作，红灯熄灭。

网络11：

当T39通电时，南北黄灯开始闪烁，5秒后T40通电，T40常闭开关动作，东西黄灯熄灭；当T43通电时，南北黄灯开始闪烁，5秒后T44通电，T44常闭开关动作，东西黄灯熄灭；当T47通电时，南北黄灯开始闪烁，5秒后T48通电，T48常闭开关动作，东西黄灯熄灭。

按下启动按钮I0.0时，当线圈M0.0得电时，东西红灯开始亮，30秒后T37通电，T37常闭开关动作，南北红灯开始闪烁，5秒后T38得电，T38常闭开关动作，南北红灯熄灭；

当线圈M0.1得电时，东西红灯开始亮，20秒后T41通电，T41常闭开关动作，南北红灯开始闪烁，5秒后T42得电，T42常闭开关动作，南北红灯熄灭；

当线圈M0.2得电时，东西红灯开始亮，25秒后T45通电，T45常闭开关动作，南北红灯开始闪烁，5秒后T46得电，T46常闭开关动作，南北红灯熄灭。

系统的主梯形图如下所示：

5.3系统程序分析

当开关SB1合上时，根据车流量检测系统的测量结果，相应线圈得电。

即当南北车流量比东西方向大时，线圈M0.0得电；比东西方向小时，线圈M0.1得电；一样多时，线圈M0.2得电。

当线圈M0.0得电时，T37通电待30秒后动作（南北绿灯熄灭），南北黄灯闪烁5秒，与此同时，东西方向红灯亮30秒后熄灭，接着红灯闪烁5秒。

南北黄灯闪烁5秒后红灯亮20秒，接着红灯闪烁5秒，与此同时，东西方向绿灯亮20秒后，黄灯闪烁5秒。

当线圈M0.1得电时，T37通电待20秒后动作（南北绿灯熄灭），南北黄灯闪烁5秒，与此同时，东西方向红灯亮20秒后熄灭，接着红灯闪烁5秒。

南北黄灯闪烁5秒后红灯亮30秒，接着红灯闪烁5秒，与此同时，东西方向绿灯亮30秒后，黄灯闪烁5秒。

当线圈M0.2得电时，T37通电待25秒后动作（南北绿灯熄灭），南北黄灯闪烁5秒，与此同时，东西方向红灯亮25秒后熄灭，接着红灯闪烁5秒。

南北黄灯闪烁5秒后红灯亮25秒，接着红灯闪烁5秒，与此同时，东西方向绿灯亮25秒后，黄灯闪烁5秒。

自南北红灯闪灭及东西黄灯闪亮时间达到相应时间后，T40、T45、T48的动断触点断开，T37、T41、T45动断触点复位，线圈M0.0、M0.1、0.2重新得电,只要没有断开按钮SB1，系统继续循环下去。

6心得体会

和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有两个题目。

我们做的是花式喷水池和全自动洗衣机。

由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。

但通过各方面的查资料并学习。

我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。

分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。

通过这次设计实践。

我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。

在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。

能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。

通过合作，我们的合作意识得到加强。

合作能力得到提高。

上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。

在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。

能过比较选出最好的方案。

在这过程也提高了我们的表过能力。

和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有两个题目。

我们做的是花式喷水池和全自动洗衣机。

由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。

但通过各方面的查资料并学习。

我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。

分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。

在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。

在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。

做事要学思结合。

参考文献

[1]宋建成.编程序控制器原理与应用[M].科学出版社,1998

[2]杨公源.可编程控制器（PLC）原理与应用[M].电子工业出版社,2004

[3]袁任光.可编程序控制器应用技术与实例[M].华南理工大学出版社,2003

[4]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].化学工业出版社,2005

[5]尹宏业.PLC可编程控制器教程[M].航空工业出版社,1997

[6]胡平杰.PLC控制系统可变参数输入方法[J].电子与自动化,1997,（04）

[7]张万忠.可编程控制器应用技术[M].化学工业出版社,2002