基于PLC的交通灯控制系统的设计毕业设计.docx
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基于PLC的交通灯控制系统的设计毕业设计
毕业论文
基于PLC的交通灯控制系统的设计
系别电气工程系
专业机电一体化
班级
姓名
学号
指导老师
2016～2017学年第一学期
指导教师评语
等级
签名
日期
机电职业技术学院2017届毕业生
毕业设计成绩评定单
姓名
专业
机电一体化
班级
课题
基于PLC的交通灯控制系统的设计
评分标准
分值
得分
指导教师评语（40分）
设计方案合理、实用、经济、原理分析正确、严密，内容完整。
10
计算方法正确，计算结果准确，程序设计正确简洁，工艺合理。
5
元器件（材料）选择合理，明细表规范。
5
图面清晰完整，布局、线条粗细合理，符合国家标准。
5
文字叙述简明扼要，书写规范。
5
按时独立完成，同学相互关心，遵守制度，认真负责。
10
合计得分：
指导教师签名：
日期：
年月日
评阅教师评分（30分）
内容充实，有阶段性成果，有应用价值。
10
图纸、论文如实反映设计成果，有理论分析，又有实践过程。
10
语句通顺，思路清晰，符合逻辑。
5
图标清晰，文字工整，字符和曲线标准化。
5
合计得分：
评阅教师签名：
日期：
年月日
答辩评分（30分）
自述条理明确，重点突出。
5
基本概念清楚，回答问题正确。
15
专业知识运用灵活，解决问题技术措施合理。
10
合计得分：
答辩组长签名：
日期：
年月日
总得分：
等级
系主任签名：
日期：
年月日
机电职业技术学院毕业论文指导过程记录表
题 目
基于PLC的交通灯控制系统的设计
学生姓名
学号
指导教师
系部
电气系
班级
机电3143
顺序号
第1次
学生完成
毕业论文
内容情况
指导老师布置了我们写所学有关课程方面的论文要求和毕业论文的格式要求。
查阅相关资料后我就考虑写那些内容。
经过思考我觉得我还是写一些和我们专业有相关性的内容，决定写了关于基于PLC的交通灯控制系统的设计方面的内容。
要写好该论文,就要深入了解基于PLC的交通灯控制系统的设计的相关知识，所以我就查找资料，为写论文打下坚实的基础。
学生签名：
时间：
年 月 日
教师指导
内容记录
1.确定论文题目和研究方向。
2.制定部分参考资料和参考书。
3.布置论文的写作格式和要求。
教师签名：
时间：
年 月 日
机电职业技术学院毕业论文指导过程记录表
题 目
基于PLC的交通灯控制系统的设计
学生姓名
学号
指导教师
系部
电气系
班级
机电3143
顺序号
第2次
学生完成
毕业论文
内容情况
虽然题目决定了，但还是不知道如何开始，不过在网上看到了一些关于基于PLC的交通灯控制系统设计的一些资料，还有论文。
就仿照他们的先写些。
虽然老师开始就发给我们写论文的一些要求，但还是不知道做，不过多看多学也就好些，经过好几天的努力把论文大体的方面写好了。
学生签名：
时间：
年 月 日
教师指导
内容记录
1.确定论文的大概题纲和概要。
2.对学生的基本概要进行指导。
3.对论文的写作格式和要求进行指导。
教师签名：
时间：
年 月 日
安徽机电职业技术学院毕业论文指导过程记录表
题 目
基于PLC的交通灯控制系统的设计
学生姓名
学号
指导教师
系部
电气系
班级
机电3143
顺序号
第3次
学生完成
毕业论文
内容情况
按老师给的论文要求改了好多，也花费了好多时间，我把写好的论文发给指导老师。
当时虽然看到老师给发的写论文的格式，在写论文的过程中并没有按要求做的很好。
学生签名：
时间：
年 月 日
教师指导
内容记录
1.对学生的摘要和目录书写提供指导和纠正。
2.提供样本给学生进行参考和学习。
3.对论文的写作格式和要求进行指导。
教师签名：
时间：
年 月 日
安徽机电职业技术学院毕业论文指导过程记录表
题 目
基于PLC的交通灯控制系统的设计
学生姓名
学号
指导教师
系部
电气系
班级
机电3143
顺序号
第4次
学生完成
毕业论文
内容情况
又改了好几次，指导老师统一时间他现场指导和编辑，指出我们论文哪方面有错误，我的论文字体和间距，还有文档操作的错误等问题，之后我就按老师要求改了好几次，但还是没改好，还是有好多问题，主要对WORD的操作不熟悉。
学生签名：
时间：
年 月 日
教师指导
内容记录
1.指导学生对自己论文细节进行修改。
2.指导学生对文本编辑过程进行总结。
教师签名：
时间：
年 月 日
安徽机电职业技术学院毕业论文指导过程记录表
题 目
基于PLC的交通灯控制系统的设计
学生姓名
学号
指导教师
系部
电气系
班级
顺序号
第5次
学生完成
毕业论文
内容情况
回到学校把改正的论文交给指导老师看。
经过刘老师当面的一些讲解后，我又把论文按照老师说的不对的地方一一改正，真是好事多磨呀，不过还是老师当面教的效果好。
学生签名：
时间：
年 月 日
教师指导
内容记录
1.指导学生对论文进行整理、编辑、排版、打印。
教师签名：
时间：
年 月 日
安徽机电职业技术学院毕业论文指导过程记录表
题 目
基于PLC的交通灯控制系统的设计
学生姓名
学号
指导教师
系部
电气系
班级
顺序号
第6次
学生完成
毕业论文
内容情况
回到学校把改正的论文给刘老师看过后，老师说没大问题了，可以打印和答辩。
到此我的论文终于圆满完成了，在这里我衷心的感谢指导老师在我写论文过程中给予的帮助
学生签名：
时间：
年 月 日
教师指导
内容记录
1，总结论文选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节。
教师签名：
时间：
年 月 日
摘要
随着社会经济的发展，城市交通问题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城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控重要的组成部分。
随着城市机动车量的不断增加，自80年代后期,许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，缓解交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结构复杂，可靠性低，故障率高,较难实现功能的变更。
可编程控制器（PLC）以微处理器为核心，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活方便等优点。
特别是由PLC实现的控制系统，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，结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，可方便地设置定时时间。
编程容易，功能扩展方便，修改灵活等，并且有完善的自诊断和显示功能，维修工作极为简单。
本文就是基于可编程控制通过调试完成对交通信号灯的控制设计。
关键词：
可编程控制器、交通灯、设计
引言
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。
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。
随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
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、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。
据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
专家认为,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备之一,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.
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。
同时有些还引入触摸屏模拟十字路口红绿灯闪亮及车辆通行，十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。
第一章PLC的简介
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。
1.1.PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几个方面：
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.2PLC的特点
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的1/10--1/100，因触点接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，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、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。
1.3PLC的结构
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似。
PLC按其结构形式可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1-1所示。
接受驱动
现场信号受控元件
图1-1PLC基本结构框图
1.4PLC的编程语言
采用面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC进行编程，其编程语言常用的有：
梯形图、语句表、功能图等。
1、梯形图
梯形图是使用最多的PLC图形编程语言。
梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，特别适合于数字量逻辑控制。
梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。
触点电表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。
线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。
指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。
使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图，并将它下载到PLC。
2、语句表
语句表又叫指令表，它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，用指令的助记符编程，由多条语句组成一个程序段，可以实现某些不能用梯形图或功能块图表示的功能。
3、功能块图
功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。
即用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。
4、顺序功能图
这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。
顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。
步、转换和动作是顺序功能图中的3种主要原件。
有的PLC得编程软件有顺序功能图语言，对于没有顺序功能图语言的PLC，可以用顺序功能图来描述开关量控制系统的功能，根据它可以很容易设计出顺序控制梯形图程序。
5、结构文本
结构文本是IEC61131-3标准创建的一种专用的高级编程语言。
与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁个紧奏。
除了提供几种编程语言供用户选择外，标准还允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程者能选择不同的语言来适应特殊的工作。
第二章PLC控制系统设计概要
可编程序控制器的控制功能都是以程序的形式来体现．程序设计通常采用逻辑设计法，它是以布尔代数为理论基础，根据生产过程各工步之间各检测元件状态的不同组合和变化，确定所需的中间环节（如中间继电器）=再按各执行元件所应满足的动作节拍表，分别列写出各自川相应的检测元件及中间环节状态逻辑疽表示的布尔表达式，最后用触点的串并联组合在电路l进行逻辑表达式的物理实现一町编程序控制器的辅助继电器、定时器、计数器、状态器数量相当大，且这些器件的触点为无限多个。
2.1设计的基本原则和内容
我们在学习了PLC的大量相关知识后，要能够把其运用在实际设计当中。
当然，要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。
那么，我们首先来看一下PLC控制系统的设计原则和内容。
2.1.1PLC控制系统设计的基本原则
1、最大限度地满足被控对象的控制要求；
2、保证控制系统的高可靠、安全；
3、满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便；
4、选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。
2.1.2PLC控制系统设计的基本内容
1、选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象；
2、分配I/O，设计电气接线图，考虑安全措施；
3、选择适合系统的PLC；
4、设计程序；
5、调试程序，一个是模拟调试，一个是联机调试；
6、设计控制柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。
7、验收、交付使用。
2.2设计的步骤和实现过程
2.2.1PLC控制系统设计的一般步骤
1、对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路；
2、设计梯形图；
3、程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止；
4、现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求；
5、编写技术文件；
我们在设计流程图时，也要遵循以下过程：
1）分析生产工艺过程；2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O；3）选择PLC；4）设计PLC接线图以及电气施工图；5）程序设计和控制柜接线施工。
具体的设计步骤框图如图2-1所示。
图2-1控制系统设计步骤框图
2.2.2PLC控制系统执行程序的过程及特点
PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
1、输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
2、程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。
若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。
当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。
当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。
对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。
3、输出刷新阶段
程序执行完毕后，进入输出处理阶段。
在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。
因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。
当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。
这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。
在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。
在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。
在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。
这种方式称为集中输出。
对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。
从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。
对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。
第三章交通信号灯控制系统的硬件设计
PLC是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，它使用了可以编程的记忆单元来存储指令，执行数学的和逻辑的运算，并通过数字输入输出实现对工业生产过程的控制，它以高可靠性，易操作性，灵活性广泛应用在工业自动化领域。
3.1交通信号灯的控制要求
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、人流有了规范，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。
因此，在实际设计时要遵循一定的原则和要求。
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，使各个方向同时到达的人、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。
在本设计中，我们仅以机动车信号灯为例，来说明它的控制要求。
一般的十字路口交通信号灯现场示意图如图3-1所示，其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，对其控制系统的要求如图。
图3-1交通灯现场示意图
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