十字路口带倒计时显示的交通信号灯控制设计说明.docx

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十字路口带倒计时显示的交通信号灯控制设计说明

十字路口带倒计时显示的交通

信号灯控制设计

第1章简述……………………………………………3

1.1可编程逻辑控制器PLC简述……………………3

1.2PLC基本结构…………………………….............4

1.3可编程序控制器（PLC）三菱FX2N—48MR.....5

1.4PLC的工作原理……………………………..........5

1.5PLC发展趋势……………………………............6

第2章…………………………………………….........7

2.1．控制要求…………………………………...........7

2.2设计任务………………………………….............7

2.3.信号灯动作时序图………………………………..8

2.4.十字路口交通灯控制信号说明…………………....8

第3章…………………………………......................9

3.1.PLC外部接线图设计…………………………......9

3.2PLC控制程序设计………………………………..10

3.2.1.综述…………………………………...............10

3.2.2.交通信号灯控制的梯形图程序………............11

3.2.3程序指令设计……………………………….....13

第四章心得体会…………………………………........16

第五章参考文献…………………………………........16

十字路口带倒计时显示的交通信号灯控制的课程设计

第1章简述

1.1可编程逻辑控制器PLC简述

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界围的PLC年增长率保持为20%～30%。

随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。

但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。

综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。

　　PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

PLC的CPU有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。

PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。

它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。

大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。

把计算结果送给PLC的控制器。

　　相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。

PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。

一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。

如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。

PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。

随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期PLC在我国仍将保持高速增长势头。

通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。

实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。

1.2PLC的基本结构

PLC实质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．

　　a.中央处理单元（CPU）

　　中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

　　为了进一步提高PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

　　b、存储器

　　存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

　　存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

　　C、电源

　　PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。

如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）围，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

1.3.可编程序控制器（PLC）三菱FX2N—48MR

该可编程序控制器是由电源+CPU＋输入输出+程序存储器（RAM）的单元型可编程序控制器。

其主机称为基本单元，为主机备有可扩展其输入输出点的“扩展单元（电源+I/O）”和“扩展模块（I/O）”，此外，还可连接扩展设备,用于特殊控制。

PLC教学实验系统:

PLC教学实验系统由实验装置、PLC、微机三部分构成。

微机用于编程、提供界面，使编程、调试更加方便。

PLC教学实验系统流程:

分析被控对象编程输入程序连接实验线路运行PLC程序（运行实验辅助程序）观察现象。

设备连接:

首先将通讯电缆（SC—09）的9芯型插头插入微机的串行口插座（以下假定为端口2，此工作由实验室完成），再将通讯电缆的圆形插头插入编程插座，打开开关即可工作。

1.4PLC的工作原理

一.扫描技术

　　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。

（一）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。

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。

（二）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。

　　即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

（三）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。

这时，才是PLC的真正输出。

　　同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。

另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。

当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

　　一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

1.5PLC发展趋势

21世纪，PLC会有更大的发展。

从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。

目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。

伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

第2章方案设计

2.1．控制要求

采用PLC构成十字路口带倒计时显示的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。

系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。

SA1手柄指向左45º时，接点SA1-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图11-9所示工作时序周而复始，循环往复工作。

正常运行时，南北向及东西向均有两位数码管倒计时显示牌同时显示相应的指示灯剩余时间值。

SA1手柄指向中间0º时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，数码管显示99不变。

SA1手柄指向右45º时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示99不变。

控制信号说明见表1。

2.2设计任务

1）根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC硬件配置电路。

2）根据控制要求，编制交通信号灯PLC控制程序。

3）编写设计说明书，容包括：

①设计过程和有关说明。

②基于PLC的十字路口交通灯电气控制电路图。

③PLC控制程序（梯形图和指令表）。

④电器元器件的选择。

2.3.信号灯动作时序图

如图所示，它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置1表示信号灯点亮。

按启动按钮SB1后，南北向红灯亮，东西向绿灯亮，25s后东西向绿灯闪烁3s（3次，每次亮、暗0.5s），然后熄灭。

在绿灯熄灭的同时，东西向黄灯亮2s，然后熄灭。

在该灯熄灭的同时，东西向红灯亮及南北向绿灯亮，以下的变化规律与上述相同。

到南北向绿灯亮，东西向红灯亮开始第二个循环，以后周而复始地循环动作。

按停止按钮SB2，所有信号灯熄灭。

图1十字路口交通灯正常工作时序

2.4.十字路口交通灯控制信号说明

表1十字路口交通灯控制信号说明

第3章

3.1.PLC外部接线图设计

根据信号灯控制要求，I/O分配及接线图如图2所示。

图2PLC外部接线图

3.2PLC控制程序设计

3.2.1.综述

  随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号灯，才使车流、人流有了规，同时，减少了交通事故发生的概率。

然而，交通信号灯不合理使用或设置，也会影响交通的顺畅。

交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。

红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。

交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。

交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使各同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。

十字路口交通信号灯现场示意图如图3-1所示，南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯，为确保交通安全，要求如下。

正常控制时：

①当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应禁止通行（红灯）；同样，当南北方向允许通行（绿灯）时，东西方向应禁止通行（红灯）。

②在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司机提前减速并刹车，应有明显的提示信号：

绿灯闪烁同时黄灯亮。

③信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。

交通灯现场示意图

3.2.2.交通信号灯控制的梯形图程序

备注：

M0初始化Y2南北红灯亮M2南北绿灯亮

M3南北绿灯闪M4南北黄灯闪M1南北黄灯

M10东西绿灯亮M11东西绿灯闪M12东西黄灯亮

M13东西红灯亮M15运行Y0南北绿灯

Y3东西绿灯

3.2.3程序指令设计

0LDX0

1ANIM15

2LDM8002

3ORB

4LDM0

5ORB

6ANIMI

7OUTM0

8LDMO

9ANDXO

10LDM14

11LDM15

12ORB

13LDM1

14ORB

15ANIM2

16OUTM1

17OUTY2

18LDM1

19ANDT2

20ORANI

21ANIM3

22OUTM2

23OUTT3K200

24LDM2

25ANDT3

26ORM3

27ANIM4

28OUTM3

29OUTT4

30LDM3

31ANDT4

32ORM4

33ANIM5

34OUTM4

35OUTT5K20

36OUTY1

37LDM4

38ANDT5

39ORM5

40ANIM14

41OUTM5

42OUTT6K1

43LDMO

44ANDX0

45LDM14

46ANDM5

47ORB

48LDM10

49ORB

50ANIM11

51OUTM10

52OUTM10

53LDM10

54ANDT0

55ORM11

56ANIM12

57OUTM11

58OUTT1K30

59LDM11

60ANDT1

61ORM12

62ANTM13

63OUTM12

64OUTT4

65OUTY4

66LDM12

67ANDT2

68ORM13

69ANIM14

70OUTM13

71OUTY5

72LDX0

73ORM15

74ANIX1

75OUTM15

76LDM5

77ANDM13

78ANDT6

79ORM14

80ANIM1

81ANIM10

82OUTM14

83LDM3

84ANDM8013

85ORM2

86OUTY0

87LDM11

88ANDM8031

89ORM10

90OUTY3

91END

第四章心得体会

本次课程设计的作品是十字路口带倒计时显示的交通信号灯控制，通过同学们相互交流与讨论，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

使我们对过去所学知识的掌握又进一步提高，包括单片机原理及接口技术，电气可编程控制原理与应用的知识。

我们又查找了很多有关于此课程设计的资料，尤其是PLC的设计，让我们学到了很多知识，课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

尤其重要的是通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

对于知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定要把以前所学过的知识认真复习一下。

　　这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程与设计问题，最后在肖老师的辛勤指导下，都得到了解决，是我很好地完成了任务。

最后，要谢谢老师与同学们的帮助与指导。

总之，本次课程设计使我们综合能力得到大大提高，这是一次难忘的体验，将深深影响我们。

第5章参考文献

1王阿根.电气控制与可编程控原理与应用.北京：

清华大学，2008.

2漆汉宏.PLC电气控制技术.北京：

机械工业。

2003.

3蔡红斌.电气与PLC控制技术.北京：

清华大学，2007.

4以定.电气控制与可编程控制器.北京：

高等教育2002.

4王庭有.可编程控制器实用技术原理及应用.北京：

国防工业，2005.

6相关网页.