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基于plc十字路口智能交通灯的设计毕业设计论文
基于plc十字路口智能交通灯的设计
内容摘要1
前言3
1.基于PLC电气控制的方式选择3
1.1PLC的概述3
1.2PLC的产生与定义4
1.3PLC的特点与组成部分4
1.4PLC的性能指标与工作原理8
2.课题要求与实现10
2.1实现十字路口智能交通灯的要求10
2.2软件系统的设计与程序编译11
2.3关于论文设计17
结论19
参考文献20
致谢21
内容摘要
可编程控制器（programmablecontroller）是工业自动化设备的主导产品，在继电器控制和计算机技术的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化为目标的新型控制装置。
目前已在工业、农业、商业、交通运输等领域得到广泛应用，碾米各行业的通用控制核心产品。
具有控制功能强、可靠性高、使用方便、适用于不同控制要求的各种控制对象等优点，利用PLC对十字路口交通灯的设计可以实现不同情况下的智能化，使操作更加简便，便于对复杂路口的交通疏导控制。
使未来的交通系统完美移动。
关键词：
可编程控制器，十字路口交通灯，智能化
Contentabstract
Programmablecontroller（programmablecontroller）istheleadingindustrialautomationequipmentproductinrelaycontrolandcomputertechnologydevelopedonthebasisofthegradualinmicroprocessorasitscore,includingmicroelectronicstechnology,automationtechnology,computertechnology,communicationtechnologyfortheintegralwhole,withindustrialautomationfortargetofnewcontroldevice.Currentlyindustry,agriculture,commerce,transportationandotherareastobewidelyapplied,millingvarioussectorsofcommoncontrolcoreproducts.Hasthecontrolfunctionofstrong,thedesignofintersectiontrafficlightsunderdifferentconditionscanrealizetheintellectualized,makeoperationmoreconvenient,andisconvenientfortrafficpersuationcontrolcomplexcrossroads.Makethefuturetrafficsystemperfectmobile.
Keywords:
programmablecontroller,intersectiontrafficlights,intellectualization
前言
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指挥系统中最重要的组成部分
不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。
在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！
随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。
同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，许多大城市如郑州、北京、上海等出现了交通超负荷运行的情况，再加上政府大力发展的道交、出租车，使得车辆越来越多，这不仅要求道路要越来越宽阔，而且要求有新的交通管理模式和交通规则的出台。
因此，很多城市纷纷扩建建城市道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，加宽道路并没有充分发挥出预期的作用。
而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。
于是，旧的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾，使原来不太突出的交通问题被提上了日程。
如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，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。
所以，我结合大学三年当中的学习和知识积累，我总结了PLC课程的各项优点进行了一个十字路口智能交通灯的设计，程序简单易懂，控制方便，也充分总结了对PLC的这门课程的理解，结合指导老师的指导与帮助顺利完成这个课程设计。
1.基于PLC电气控制的方式选择
1.1PLC的概述
可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置，目前已在工业、农业、商业、交通运输等领域得到广泛应用，成为各行业的通用控制核心产品，本章就可编程控制器的生产、定义、特点及发展趋势进行论述。
1.2PLC的产生与定义
可编程控制器，英文称programmablecontroller，简称PC，但由于PC容易和个人计算机（personalcomputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统的机械接触的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
可编程序控制器一直在发展中,所以至今尚未对其下最后的定义。
在1987年
国际电工学会（IEC）在第三稿中对PLC作了如下定义:
可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的的机械或者生产过程。
可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
1.3PLC的特点与组成部分
1.3．1可编程控制器的主要特点
1.3.1.1.可靠性高，抗干扰能力强
工业生产对控制设备的可靠性要求：
平均故障间隔时间长
平均故障修复时间
任何电子设备产生的故障，通常为两种：
偶发性故障。
由于外界恶劣环境如电磁干扰、温度过高、温度过低、过电压、欠电压、震动等引起的故障。
这类故障只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常，但对于PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。
永久性故障。
由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障
为此，各PLC的生产商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。
1.3.1.2.通用性强，控制程序可变，使用方便
PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组装成能满足各种要求的控制系统，用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或者生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只需改编程序就可满足要求。
因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
1.3.1.3.功能强，适应面广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
1.3.1.4.编程简单,容易掌握
目前,大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。
梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。
与直接执行汇编语言的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
1.3.1.5．减少了控制系统的设计及施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。
并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。
1.3.1.6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
我国使用较多的PLC产品有德国西门子的S7系列、日本立石公司的C系列、三菱公司的FX系列、美国GE公司的GE系列等。
通过技术引进、合资生产，我国的PLC产品有了一定的发展，生产厂家也达30多家，为可编程控制器国产化奠定了基础。
1.3.2可编程控制器的基本组成
可编程控制器系统根据其工作原理可分为输入部分、运算控制部分和输出部分。
可编程控制器的硬件电路由CPU、存储器、基本I\O接口电路、外设接口、电源五大部分组成。
（图）
1.3.2.1.中央处理器（CPU）
CPU是可编程控制器的控制中枢，在系统监控程序的控制下工作，它将外部输入信号的状态写入输入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。
CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机、位片式计算机等。
1.3.2.2.存储器（Memory）
可编程控制器的存储器由只读存储器ROM和随机存储器RAM两大部分构成，只读存储器ROM用来存放系统程序、中间运算数据存放在随机存储器RAM中，用户长须也放在RAM中，断电时，用户程序和运算数据保存在只读存储器EEPROM中。
1.3.2.3.基本I\O接口电路
根据常用输入电路电压类型及电路形式的不同,PLC内部输入接点分为干接点式、直流输入式和交流输入式三大类。
PLC的输出电路是将CPU的运算结果变成一定功率形式的输出，驱动被控负载，其输出电路结构形式分为继电器式、双机型晶体管和晶闸管三种。
根据输入\输出电路的结构形式不同，I\O接口分为开关量I\O和模拟量I\O两大类，其中模拟量I\O要经过A\D、D\A转换电路处理，转换成计算机系统所能识别的数字信号。
在整体结构的小型PLC中，I\O接口电路的结构形式与PLC的型号相关，在模块式结构的PLC中，有开关量的交、直流模块I\O、模拟量I\O模块及各种智能I\O模块可供选择。
通常将一组PLC输入\输出电路的公共端在PLC内部连在一起，以减少PLC外部接线形成公共端点。
1.3.2.4．接口电路
PLC接口电路分为I\O扩展接口电路和外设通信接口电路两大类。
I\O扩展接口电路可采用并行接口和串行接口两种电路形式，外设通信接口电路用于连接手持编程器或者其他图形编程器、文本显示器，并组成PLC的控制网络。
（图）
5.电源
PLC内部配有专用的开关式稳压电源，用来将AC\DC供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（5VDC）。
1.4PLC的性能指标与工作原理
1.4.1PLC的技术性能指标
可编程控制器的种类很多，用户可以根据控制系统的具体要求选择不同技术性能指标的PLC。
可编程控制器的技术性能指标主要有以下几个方面：
1.4.1.1I\O点数
可编程控制器的I\O点数指外部输入、输出端子数量的总和，又称最大开关量I\O点数，它是描述PLC大小的一个重要参数。
1.4.1.2.存储容量
PLC的存储器由系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器三部分组成。
PLC存储容量通常指用户程序存储器和数据存储器容量之和，表征系统提供给用户的可用资源，是反映系统性能的一项重要技术指标。
1.4.1.3.扫描速度
可编程控制器采用循环扫描方式工作。
完成一次扫描所需的时间称为扫描周期，扫描速度与是扫描周期成反比。
影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型，PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC的运算精度和运行速度。
1.4.1.4.指令系统
指令系统是指PLC所有指令的总和。
可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对复杂，用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。
1.4,1,5.可扩展性
小型PLC的基本单元多为开关量I\O接口，各厂家在PLC基本单元的基础上大力发展模拟量处理、高速处理、温度控制、位置控制、通信等智能扩展模块。
智能扩展模块的多少及性能已成为衡量PLC产品的水平标准。
1.4.1.6．通信功能
通信包括PLC之间的通信和PLC与计算机或其他设备之间的通信，通信主要涉及通信模块、通信接口、通信协议和通信指令等内容。
1.4.1.7.支持软件
为了便于编制PLC程序，多数PLC厂家都开发计算机支持软件。
从本质上讲，PLC所能识别的知识机器语言。
它之所以能事用一些助记符语言、梯形图语言、流程图途语言，以至于高级语言，全靠为使用这些语言而开发的软件，总之，为了用好PLC，PLC的支持软件越来越丰富，性能也越来越好，其界面也越来越友好，它的情况如何已成为评判PLC性能的指标之一了。
1.4.2工作过程
按照可编程控制器的构成原理，可编程控制器系统由传感器、可编程控制器和执行器组成，可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序来实现控制任务。
（图）
PLC将内部数据存储器分成若干个寄存器区域，其中过程映像区域又称为I\O映像寄存器区域。
过程映像区域的输入映像寄存器区域（PII）用来存放输入端点的状态，输出映像寄存器区域（PIQ）用来存放用户程序（OBI）的运行结果。
PLC输入模块的输出信号状态与传感器信号相对应，为传感器信号经过隔离和滤波后的有效信号。
开关量的输入电路通过传感器的0、1电平变化，识别开关的通、断状态，CPU在每个扫描周期的开始扫描输入模块的信号状态，并将其状态送入PII区域，CPU根据用户程序中的程序指令来处理传感器信号，并将处理结果送到PIQ区域。
PLC输出模块具有一定的负载驱动能力，在额定负载以内，直接和负载相连，可以驱动相应的执行器。
2课题要求
2.1实现十字路口智能交通灯的具体要求
2.1.1控制要求：
信号灯统一由一个信号开关控制，当启动开关接通时该信号灯系统开始工作，当启动开关关断时所有信号灯都熄灭。
南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮，关闭信号系统并立刻报警。
南北红灯亮维持秩25秒，在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮并维持20秒，到20秒后，东西绿灯闪亮3秒后熄灭。
此时东西黄灯亮，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，南北绿灯亮。
东西红灯亮维持30秒，南北绿灯亮维持秩25秒，然后闪亮，3秒后熄灭，同时南北黄灯亮，维持秩25秒后熄灭，东西绿灯亮。
以上南北东西信号灯周而复始的交替工作。
2.2软件系统的设计与程序编译
2.2.1梯形图编辑器（LAD）
利用LAD编辑器可以建立与电气原理相类似的程序。
梯形图是PLC编程的高级语言，很容易被PLC编程人员和维护人员接受和掌握，所有PLC厂商均支持梯形图语言编程。
梯形图按逻辑关系可分成梯级或网络段，简称段。
程序执行时按段扫描，清晰的段结构有利于程序的阅读理解和运行调试。
同时，软件的编译功能可以直接指出错误指令所在段的段标号，有利于用户程序的修正。
LAD图形指令有三个基本形式：
触点，线圈，指令盒。
触点表示输入条件，例如开关，按钮控制的输入映像寄存状态和内部寄存器状态等。
绕圈表示输出结果，利用PLC输出点可直接驱动照明灯，指示灯，继电器，接触器和电磁阀绕圈等负载。
指令盒代表一些功能较复杂的指令，例如定时器，计数器和数学运算指令等。
十字路口交通灯如下图：
十字路口交通灯状态图
根据课题要求，用梯形图汇编程序如下：
图形解释：
其中南北方向Q0.0为红灯
Q0.1为绿灯
Q0.2为黄灯
东西方向Q0.3为绿
Q0.4为黄灯
Q0.5为红灯
2.2．2语句表编辑器（STL）
语句表（STL）编辑器使用指令助高符创建控制程序，类似于计算机的汇编语言，适合熟悉PLC并且有逻辑编程经验的程序员编程，语句表编程器提供了不同于梯形图或功能块图编程器的编程途径。
STL是手持式编程器唯一能够使用的编程语言，语句表（STL）编程语言是一种面向机器的语言，具有指令简单，执行速度快等优点。
语句表指令表示如下：
LDNT39
TONRT37，+25
=Q0.0
LDNT39
TONRT41，+20
SQ0.3,1
RQ0.5,1
LNT41
TONRT42，+3
OSM0.5
RQ0.3,1
LNT42
TONRT43,+2
RQ0.3,1
=Q.04
LNT43
RQ0.4,1
=Q0.5
LNT37
=Q0.1
TONRT38,+20
RQ0.0,1
RQ0.4,1
LNT38
TONRT40,+3
OSM0.5
RQ0.1
LNT40
TONRT39,+2
RQ0.1,1
=Q0.2
以上梯形图和语句表程序采用定时器和置位复位指令、动断触电、动合触电完成设计。
定时器分为通电延时型（TON）、有记忆的通电延时型（TONR）、断电延时型（TOF）三种类型，定时基准可分为1ms、10ms、100ms三种类型，不同的时基标准，定时的精度、定时范围、定时器的刷新方式都不同。
置位复位指令则是将线圈设计成置位线圈和复位线圈两大部分，将存储器的置位、复位功能分离开来，置位线圈受到脉冲前沿触发时，线圈通电锁存（存储器位置1），复位线圈受到脉冲前沿触发时，线圈断电锁存（存储器位置0），下次置位、复位操作信号到来前，线圈状态保持不变（自锁功能）。
置位复位线圈通常成对使用，也可单独使用或与指令盒配合使用。
主程序流程图如下：
主流程图
2.3关于论文设计
这次的十字路口智能交通灯设计，我采用了三种方法表达，梯形图，语句表，流程图，在论文的设计当中，我深深的感觉到自己对这门课程还没有真正的学透彻，有不足之处还望谅解，通过查阅资料，翻阅书籍，使我对PLC这门课程加深了理解，了解到智能化在生活当中是很重要的，对于我以后深入认识这门课程开了个好头，对于以后，我会加强这门课程的编程锻炼，详细了解其内部结构，运作原理，将这门课程学通、学精。
结论
利用PLC进行程序编译，在学这门课程的时候已经做过很多程序编译设计了，但是在课堂练习的时候知识简单的程序编译和实机操作，没有进行的那么仔细，在通过写毕业论文的时候才发现细节问题是多么的重要的，明白了程序设计编译不仅仅是出现那种效果，细节上的问题也是绝对重要的。
交通信号灯控制系统的设计，我们以前学过，我想这个课题很容易的。
当真正做起来的时候，还是觉得有点困难的，有些东西以前学了，但现在用起来可能又有点疑问。
就如现电气原理图吧，整体的构造脑海里都有一个整体的概念。
而你要现出来的话，你可能会遇到细节上的问题，比如说按钮开关的方向是怎样，以及怎么划分区域等。
遇到这些问题的时候都能让你主动去翻书，复习这些陌生的知识。
我以为这是一种最好的学习方法——通过实践去检验自己的知识。
这个只有你自己投入进去你才能发现自己知识点的欠缺。
做为一名电气自动化专业的学生对电器原理图的了解更应该有深刻的认识，知道它的重要性。
要能看的懂，给你一张电气原理图，你要能够写出梯形图。
在论文的设计过程中更加体会到PLC的可靠性，抗干扰能力强，通用性强，控制程序可变，使用方便等优点。
更加熟悉了西门子编程软件使用方法与各种基本指令。
这次的课程设计使我把可编程控制器的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，让我受益匪浅，对我以后工作中遇到问题或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响。
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致谢
本课题是在苏老师的悉心指导下完成的。
她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
从课题的选择到论文的最终完成，苏老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
在此谨向苏老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
其次，还要感谢在这三年的学习中教过我的所有老师们，谢谢他们传授给了我知识。
最后也十分感谢和我朝夕相处的同学们，一起上课一起讨论问题，让我逐渐有了对问题的思考意识，从而更好地规划自己的学业。
三年的求学时光给我留下了美好的回忆，它将成为我今后人生旅途中新的起点。
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
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