交通灯.docx

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交通灯

云南大学滇池学院理工学院

创新实验论文

题目名称十字路口交通信号灯控制系统设计

论文起止时间

学生姓名/学号陈一凡/20112121006

专业电子信息工程

指导老师谢汝生

十字路口交通信号灯控制系统设计

摘要

随着社会经济的发展，人们的消费水平不断的提高，私家车辆不断增加。

交通堵塞频繁发生，交通灯的稳定性和智能性变得越来越重要。

PLC可编程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。

此设计将PLC应用于交通灯系统中，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。

关键字PLC交通灯自动控制

Intersectiontrafficlightcontrolsystemdesign

　　　　Abstract

　　　Withthedevelopmentofsocialeconomy,people'sconsumptionlevelriseceaselessly,theprivatecarincreasing.Thestabilityoffrequenttrafficjams,trafficlightsandintelligentbecomesmoreandmoreimportant.PLCprogrammablelogiccontrollerisamicroprocessor-based,integratedcomputertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologiesdevelopedfromanewtypeofindustrialcontroldevices.Ithasasimplestructure,easyprogramming,highreliability,hasbeenwidelyusedinindustrialprocessesandthelocationofautomaticcontrol.ThedesignofthePLCusedintrafficlightssystem.Vehicletrafficcanreducethewaitingtimetoachievethescientificmanagement.

Keywords：

PLCTraffic lights  Automatic control

一．PLC概述

PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程 。

可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

总之，可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术，计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置 。

在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。

二．PLC的基本结构及分类

PLC的基本结构包含CPU模块、I/O模块、编程器和电源。

CPU模块主要由微处理器和存储器组成。

在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出；存储器用来储存程序和数据。

I/O模块相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。

内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。

对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC。

整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。

小型PLC一般采用这种整体式结构。

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。

（2）模块式PLC。

模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块以及各种功能模块。

模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。

模块装在框架或基板的插座上。

这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。

大、中型PLC一般采用模块式结构。

三．PLC特点及应用领域

PLC具有以下特点：

（1）可靠性高、抗干扰能力强。

（2）编程简单、使用方便、控制程序可变。

（3）功能完善、扩充方便、组合灵活、实用性强。

（4）设计安装简单、维护方便

（5）体积小、重量轻、功耗低。

PLC的应用领域如下：

（1）逻辑控制

取代传统继电器，实现逻辑控制，顺序控制，可用于单机控制，也可用于多机群、流水线控制

（2）运动控制

具有拖动步进电机、伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

（3）过程控制

对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

（4）数据控制

具有数据采集、运算、传送、转换、排序和查表等功能。

（5）多级控制

即通信网络，包括PLC与PLC、PLC与计算机、PLC与其他设备之间的通信，以构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统。

4．PLC工作原理

PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化工作。

为了使PLC的输出及时的响应各种输出型号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

PLC工作原理具体过程如下：

（1）读取输入

（2）执行用户程序

（3）通讯处理

（4）CPU自诊断测试

（5）改写输出

五．PLC编程语言

PLC的用户程序，是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言的编制规范，按照实际需要使用的功能来设计的。

只要用户能够掌握某种标准编程语言，就能够使用PLC在控制系统中，实现各种自动化控制功能。

PLC有五种标准编程语言：

（1）梯形图语言

（2）指令表语言

（3）功能模块图语言

（4）顺序功能流程图语言

（5）结构化文本语言

六．S7-200PLC编程元件及指令系统介绍

S7-200PLC主要编程元件如下：

（1）输入继电器（I）。

它是PLC用来接收用户设备输入信号的接口。

（2）输出继电器（Q）。

它是用来将输出信号传送到负载的接口。

（3）通用辅助继电器（M）。

通用辅助继电器又称为内部标志位存储器，它的作用和继电器控制系统的中间继电器相同，它是用来保存控制继电器的中间操作状态。

（4）特殊继电器（SM）。

特殊继电器是指用来存储系统的状态变量有关的控制参数和信息的具有特殊功能的辅助继电器。

（5）变量存储器（V）变量存储器主要用于存储变量。

它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。

（6）局部变量存储器（L） 局部变量存储器和变量存储器十分相似，都是用来存储变量的存储器。

区别在于局部变量存储器用来存放局部变量，而不存储全局变量。

（7）顺序控制继电器（S）通常用在顺序控制或步进控制中，并与其指令一起使用以实现顺序或步进控制功能流程图的编程。

（8）定时器（T）它是累计时间增量的内部器件，作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。

其设定时间由程序设置。

定时器的定时精度分别为1ms、10ms和100ms三种。

（9）计数器（C）计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数，主要用于对产品进行计数或进行特定功能的编程。

（10）模拟量输入映像寄存器（AI）和模拟量输出映像寄存器（AQ）

（11）高速计数器（HC） 

（12）累加器（AC）

基本指令如下：

（1）触点指令。

主要包括标准触电指令、栈装载或与指令和堆栈操作指令。

（2）输出指令。

主要包括输出指令、置位与复位指令和RS触发器指令。

（3）定时器指令。

主要包括接通延时定时器、断开延时定时器和保持型接通延时定时器。

（4）计数器指令。

主要包括加计数器、减计数器和加减计数器。

七．十字路口交通信号灯控制过程PLC控制应用

1．模型介绍及控制过程分析

在十字路口的东西、南北主干道上装设红灯、绿左转、绿直行和黄灯，控制机动车辆和非机动车辆，人行斑马线上装设红、绿灯控制行人。

控制过程为：

南北方向主干道处于直行或左转时，东西主干道的红灯处于点亮状态，反之东西方向主干道处于直行或左转时，南北主干道的红灯处于点亮状态。

某一方向的变化规律为：

直行绿灯亮15秒后闪烁三次（绿灯通断各0.5秒），黄灯亮2秒，然后左转绿灯亮15秒后闪烁三次（绿灯通断各0.5秒），黄灯亮2秒，然后绿灯全部熄灭，红灯亮，该方向车辆禁止通行。

在直行绿灯亮时，人行道允许行人通过，其余时段禁止行人通行。

当按下启动按钮SB1后系统即开始连续循环工作，直到按下停止按钮SB2后，系统完成最后一个工作周期后返回并停于初始状态。

控制过程分析如下：

2.I/O接口资源分配及I/O接口电路

I/O接口资源如下：

输入输出信号

图示标号

分配编号

启动

SB1

I0.0

停止

SB2

I0.1

南北绿灯直行

G11

Q0.0

南北绿灯左行

G12

Q0.1

南北黄灯

Y1

Q0.2

南北红灯

R11

Q0.3

南北人行红灯

R12

Q0.4

东西绿灯直行

G21

Q0.5

东西绿灯左行

G22

Q0.6

东西黄灯

Y2

Q0.7

东西红灯

R21

Q1.0

东西人行红灯

R22

Q1.1

I/O接口电路如下图：

3.顺序功能图

4.梯形图程序编制方法介绍及程序

通过结合顺序功能图，并采用以转换为中心的设计方法，对每一个工部进行编程，确保程序中的转化不出错。

5.根据梯形图，生成语序表程序如下：

6.程序调试过程、控制效果分析及控制结果

通过PLC仿真软件，对程序进行调试，观察结果发现最后一步的状态没有复位，导致交通灯不能循环点亮，并对程序进行修改，从而实现了PLC对交通灯的控制。

控制结果为：

只要Q0.0、Q0.1和Q0.2其中一个输出1时，Q1.0输出1。

某一方向的变化规律为：

Q0.0亮15秒后闪烁三次（通断各0.5秒），Q0.2亮2秒，然后Q0.1亮15秒后闪烁三次（通断各0.5秒），Q0.2亮2秒，然后Q0.1熄灭，Q0.3亮。

在Q0.0亮时，Q0.4不亮，其余时段Q0.4亮（东西方向为主干道时亦然）。

当按下启动按钮I0.0后系统即开始连续循环工作，直到按下停止按钮I0.1后，系统完成最后一个工作周期后返回并停于初始状态。

项目开发总结

通过本系统的设计，对于西门子S7-200系列PLC的特点有了更深的了解。

设计过程也遇到许多的问题，比如处理开关对状态的影响，闪烁电路等问题。

特别是此把闪烁过程看着一个工步，大大的降低了程序的复杂性。

在此次设计过程中遇到的问题不止一次，经过多次的细心修改调试，最终顺利完成了设计。

十字路口交通灯控制系统利用了西门子S7-200系列PLC的特点，对按钮、开关、交通等输入/输出点进行控制，实现了十字路口交通灯控制中的自动化。

这只是一个简单的控制系统，并不能十分有效的改变交通的现状，不过可以根据现实中某一方向车流量的大小来对程序进行改变，使之更适合交通的现实状况。

参考文献

[1] 廖常初 《S7-200PLC编程及应用》[M]机械工业出版社