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PLC在交通灯控制中的应用
2012届毕业论文（设计）
PLC在交通灯控制中的应用
姓名:
所在院系：
商贸系
所学专业：
电子信息与技术工程
导师姓名：
完成时间：
年月日
摘要
当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。
人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。
所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。
PLC的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档.这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率.
PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
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。
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。
在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用。
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。
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。
西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合交通灯控制系统的要求与特点，能够方便地联网通信。
关键字：
交通灯、PLC、自动控制、国际化
第一章前言
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。
第二章设计方案的确定
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。
目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。
由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。
为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。
另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。
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。
可编程控制器交通灯控制系统的特点：
①脱机手动工作；
②联机自动就地工作；
③上机控制的单周期运行方式；
④由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；
⑤自动启动、自动停机控制方式。
近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。
第三章系统构成及其功能特点
第一节系统构成
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。
其结构如图1所示。
图1PLC的结构图
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内，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内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。
第二节PLC基本功能
1.逻辑功能
逻辑控制功能是PLC最基本功能之一,是PLC最基本的应用领域，可取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。
2.定时控制功能
定时控制功能是PLC的最基本功能之一。
PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。
定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。
同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确实3.计数控制功能
计数控制功能是PLC的最基本功能之一。
PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号（计数值到），利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。
计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。
4.步进控制功能
5.数据处理功能
PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换译码编码等操作。
中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联，实现程序、数据的显示和打印。
6.回路控制功能
7.通讯联网功能
8.监控功能
利用编程器或监视器，操作人员可以对PLC有关部分的运行状态进行监视。
9.停电记忆功能
停电PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（备用电池等），以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。
利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。
PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。
10.故障诊断功能
PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动中止运行。
大大提高了PLC控制系统的安全和可维护性。
第三节PLC特点
（1）通用性强，使用方便
（2）功能强，适应面广
（3）可靠性高，抗干扰能力强
（4）控制程序可变具有很好的柔性
（5）编程方法简单，容易掌握
（6）PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便控制程序变化方便.
（7）体积小、重量轻、功耗低
第四章PLC的发展与应用
第一节PLC的发展趋势
1.向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
2．向超大型、超小型两个方向发展当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。
3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。
加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。
PLC的联网通信有两类：
一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
4．增强外部故障的检测与处理能力根据统计资料表明：
在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。
前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。
因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
5．编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。
除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
第二节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如下几类。
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。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
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。
第三节PLC在我国的应用
虽然我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广。
在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：
微型：
32I/O
小型：
256I/O
中型：
1024I/O
大型：
4096I/O
巨型：
8192I/O
在我国应用的PLC系统中，I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。
在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现百花齐放的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。
大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。
欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。
我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM用户、最终用户。
其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。
第四章PLC的结构及其原理
第一节PLC基本结构
PLC是由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、输入接口I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。
其内部结构如图2：
图2PLC内部结构
1.中央处理单元（CPU）
将各种输入信号取入存储器。
（1）将各种输入信号取入存储器。
（2）编译、执行指令。
（3）把结果送到输出端。
（4）响应各种外部设备的请求
2.存储器
RAM：
存储各种暂存数据、中间结果、用户正调试的程序。
ROM：
存放监控程序和用户已调试好的程序
3.I/O模块
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。
输出模块分为晶体管、晶闸管和继电器三种类型。
输入接口作用：
将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。
输出接口作用：
将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。
输出三种形式：
继电器--低速大功率
可控硅--高速大功率
晶体管--高速小功率
4接口单元
接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。
通信接口是为了在微机与PLC、PLC与PLC之间建立通信网络而建立的接口，其输入输出接口均采用光电耦合电路，目的是把PLC与现场电路隔离，提高PLC的抗干扰能力。
5电源模块
PLC一般都配有开关式稳压电源，用于给PLC的内部和各模块的集成电路提供工作电源。
有些PLC中的电源与CPU模块合二为一，有些是分开的。
从输入类型上分，有220V或110V的交流输入电源，也有24V的直流输入电源。
第二节PLC的工作原理
主要包括CPU、RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）、输入/输出单元（I/O）、接口电路、电源等。
PLC的CPU采用循环扫描的工作方式，用户程序按先后顺序存放，在没有中断或跳转指令时，PLC从第一条指令开始顺序执行，直到程序结束符后又返回到第一条指令，如此周而复始地不断循环执行程序。
有些情况下，也允许中断正在扫描运行的程序，以处理紧急任务。
PLC控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。
如图4所示循环扫描的过程=I（输入）+执行指令+O（输出）
图4PLC的工作流程
第六章系统的软件设计
第一节PLC控制交通灯设计版面图
第二节交通灯控制说明
信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，数码管开始倒计时，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。
当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。
到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。
在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。
到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。
东西红灯亮维持30秒。
南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。
同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
周而复始。
第三节交通灯程序设计步骤
1.输入输出接线表
表1输入输出接线表
输入
SD
输出
R
Y
G
输
出
R
Y
G
X0
南北
Y2
Y1
Y0
东
西
Y5
Y4
Y3
2.打开主机电源将程序下载到主机中。
3.启动并运行程序。
4.PLC外部接线图
第四节系统调试
1.常规检查。
在通电之前要耐心细致的作一系列的常规检查（包括接线检查、绝缘检查、接地电阻检查保险检查等）。
2.系统调试。
系统调试可按离线调试与在线调试两阶段进行。
其中离线调试主要是对程序的编制工作进行检查和调试，采用STEB7能对用户编制程序进行自动诊断处理，用户也可以通过各种逻辑关系判断编制程序的正误。
而在线调试是一个综合调试过程，包括程序本身、外围线路、外围设备以及所控设备等的调试。
在线调试过程中，系统在监控状态下运行，可随时发现问题、随时解决问题，从而使系统逐步完善。
因此一般系统所存在的问题基本上可在此过程中得到解决。
第五节交通灯梯形图
参考文献
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