十字路口带倒计时交通灯plc设计.docx
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十字路口带倒计时交通灯plc设计
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
PLC电气控制系统设计
题目：
十字路口带倒计时显示的交通信号灯控制
二级学院（直属学部）：
电光学院
专业：
电气工程及自动化
班级：
学生姓名：
学号：
指导教师姓名：
过军
职称：
副教授
2016年6月8日
第一章交通信号灯控制控制方案...................................................2
1.3系统方案设计...........................................................2
2.3参数设计...............................................................5
2.5PLC硬件接线图..........................................................7
第三章系统程序设计............................................................9
3.1控制程序流程图.........................................................9
3.2控制程序时序图........................................................10
3.3步进梯形图............................................................10
第四章系统调试及结果分析.....................................................15
4.1软件调试...............................................................15
4.2调试结果分析...........................................................15
课程设计总结..................................................................18
参考文献......................................................................18
附录..........................................................................19
引言
当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。
因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。
随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。
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。
交通信号灯主要是以PLC来实现控制导航的，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。
本文采用三菱FX2N的可编程控制器，通过对交通信号灯控制时序要求的分析以及对PLC硬件电路及梯形图的设计，完成十字路口带倒计时显示交通信号等控制系统。
对于顺序控制，因为步进指令具有条理清楚、编程方便、直观、易于实现等特点，本文以三菱PLC指令系统的步进指令控制交通信号灯，并列出了步进梯形指令的状态转移图、梯形图以及指令表。
该系统可完成十字路口交通信号灯的启停、自动循环工作、手动东西交通信号灯常绿以及手动南北交通信号灯常绿，并用数码管显示交通灯显示剩余时间倒计时。
第一章交通信号灯控制控制方案
1.1设计目的
（1）通过十字路口带带倒计时显示的交通灯控制装置的设计实践,了解一般电气控制系统的设计过程,设计要求,应完成的工作内容和具体设计方法。
（2）通过设计进一步巩固以往所学的知识,达到灵活应用的目的。
在此过程中培养从事设计工作的整体观念，提高编写和调试语言程序水平。
（3）加强自己的科学研究方法训练和实践锻炼，增强分析问题和解决问题的能力，了解电气控制与可编程控制技术及应用的发展。
1.2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一个3位转换开关SA1控制。
SA1手柄指向左45°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2-1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相应的指示灯剩余时间值。
SA1手柄指向中间0°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45°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。
1.3系统方案设计
图1.1十字路口交通灯正常工作时序图
东西方向
信号灯
绿灯亮
绿灯闪烁
黄灯亮
红灯亮
信号时间
25S
3S
2S
30S
南北方向
信号灯
红灯亮
绿灯亮
绿灯闪烁
黄灯亮
信号时间
30S
25S
3S
2S
图1.2十字路口交通信号灯示意图
如图1.2是十字路口交通信号灯示意图,本系统的控制对象有六个，分别为东西方向红灯两个，南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个。
本控制系统律分为正常工作和非正常工作。
根据设计要求可知，南北向的指示灯与数码管显示完全相同，东西向亦是如此，为了设计简单明了，本设计中只设计南北向中的一向以及东西向中的一向，实际应用中只要相应的在指示灯与数码管处并联相同的装置，即可完成全部四个方向的显示与指示。
图1.3系统框图
可以设置五个输入X000,X001，X002，X003，X004分别作为系统总启动、总停止、交通灯正常工作控制开关、南北向交通灯常绿控制开关、东西向交通灯常绿控制开关。
用其他开关的常闭触点设置互锁，使三个状态不可能同时接通。
进入正常工作状态后，东西方向红灯亮30秒，由定时器T5实现，南北方向绿灯常亮25秒，由定时器T0实现，然后绿灯闪烁3秒，由定时器T1、T2来实现0.5秒振荡，计数器C0计数3次。
计数到后，C0的常开触点闭合，可以用来控制使南北方向的黄灯亮，并用T3计时2秒。
T3计时到后南北红灯亮30秒，由定时器T4实现，东西方向绿灯常亮25秒，由定时器T6实现，然后闪烁3秒，有定时器T7、T8来实现0.5秒振荡，计数器C1计数3次。
计数到后，C1的常开触点闭合，可以用来控制使东西方向的黄灯亮，并用T9计时2秒。
由于在各个方向三种信号灯亮的同时还要利用数码管显示相应指示灯的剩余时间，因此可以利用七段码译码指令SEGD。
七段码译码指令SEGD是驱动七段显示器的指令，可以显示一位十六进制数据。
源操作数S存储待显示数据，该单元低4位（只用低4位）所确定的十六进制数0-F经解码后存于指定的目的操作数D的低8位，高8位保持不变。
源操作数可为K、H、KnM、KnX等。
由于译码时只对低４位进行译码，所以ｎ一般取１。
使用译码指令输出为十六进制数，而本设计所用到的倒计时显示只是十进制数，使用SEGD译码指令需要在其自减到0时进行人为赋值使其变为9，否则将显示F。
可见只使用SEGD指令将使程序变得十分复杂。
可以采用数据变换指令中的二进制数转换成BCD码并传送BCD指令。
BCD变换指令将源元件中的二进制数转换为BCD码并送到目标元件中。
PLC内部的算术运算用二进制数进行，可以用BCD指令将二进制数变换为BCD数后输出到七段数码管显示，可以实现倒计时。
南北方向数码管显示绿灯28秒倒计时时，可以在东西红灯亮且南北黄灯不亮时，每遇到东西红灯的上升沿，给数据寄存器赋值28，通过BCD指令转换成BCD码，存入八位中间继电器K2M，低4位中间继电器中的值经译码指令由一个数码管输出，高4位中间继电器中的值经译码指令SEGD由另一个数码管输出。
上升沿过后，数据寄存器D中的值每秒通过DEC指令自减1，并输出，实现倒计时，其中1秒时间可由1秒的时钟M8013的下降沿来实现，也可以用定时器T的0.5秒振荡电路实现。
南北黄灯2秒倒计时可以在黄灯上升沿时赋值，黄灯亮时自减。
数码管输出显示方法与前面绿灯时类似。
南北方向红灯30秒倒计时在红灯上升沿时赋值，红灯亮时自减，数码管显示方法同上。
东西方向的倒计时显示思路与南北方向相同。
当转换开关SA1的手柄指向中间0°时，X002的常开触点接通，常闭触点断开，交通灯系统转向执行南北绿灯常亮，东西红灯常亮的运行状态。
当转换开关SA1的手柄指向右45°时，X003的常开触点接通，常闭触点断开，交通灯系统转向执行东西绿灯常亮，南北红灯常亮的运行状态。
第二章十字路口交通信号灯设计
2.1PLC的选择
由计算得，输入点需4个，输出点需34个，由继电器进行控制。
因此用到的是三菱工商FX系列超小型PLCFX2N-80MR,其属于FX2N系列，是具有80个I/O点的基本单元，继电器输出型，使用的电源是DC24V。
FX2N系列PLC是三菱公司FX系列中性能优越的小型PLC，除了输入/输出独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接、运动控制、闭环控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的、性价比较高的PLC。
为了防止输入接口外部的振动噪音和输入线噪声进入PLC内部输入电路，PLC内部的1次和2次输入电路间用光耦合器隔离，2次电路中设有C-R滤波器，因此输入信号从ON到OFF或OFF到ON变化过程会在PLC内形成10ms的应答滞后。
2.2PLC的I/O端口分配表
输入端口分配表
输入端口
文字符号
说明
X000
SB1
交通灯系统总启动开关
X001
SB2
交通灯系统总停止开关
X002
SA1-1
交通灯正常工作控制开关
X003
SA1-2
南北向交通灯常绿控制开关
X004
SA1-3
东西向交通灯常绿控制开关
输出端口分配表
输出端口
文字符号
说明
Y000
H1
南北向绿灯指示
Y001
H2
南北向黄灯指示
Y002
H3
南北向红灯指示
Y003
H4
东西向绿灯指示
Y004
H5
东西向黄灯指示
Y005
H6
东西向红灯指示
Y010-Y016
H11
南北向个位七段数码显示管
Y020-Y026
H12
南北向十位七段数码显示管
Y030-Y036
H13
东西向个位七段数码显示管
Y040-Y046
H14
东西向十位七段数码显示管
2.3参数设计
交通指示灯由220V的交流电源供电，七段数码管由24V的直流电源供电，二极管的工作电流为20mA，阀值电压为3.3V,计算得数码管的限流电阻设置为
。
2.4电气设备明细表
设备名称
表示符号
型号
数量
转换开关
SA1
1
按钮
SB
LA18系列
2
七段数码管
H1
JM-502841C-D
4
PLC
FX2N-80MR-001
FX2N-80MR-001
1
指示灯
H
红、黄、绿
6（各两个）
断路器
QF
CM1-100L/3300-2P
2
熔断器
FU
RT28-324
2
降压变压器
TC
SCB9
1
整流器
VC
MYCOSH
1
滤波电容
C
BSMJ0.4-30-3
1
限流电阻
R
2W12RJ71
28
直流电源
DC24V
DC24V（1A）
1
2.5PLC硬件接线图
接线方法：
各个外部输入元件的一端接X输入接口端子，另一端接至PLC的COM端。
FX2N2系列PLC输入电流为DC24V（7mA），X010以后是24V（5mA），即当接入信号为“ON”时，输入接口通入电流需在4.5mA以上，输入信号为“OFF”时，通入电流需小于1.5mA。
PLC内部输出继电器线圈和接口端子之间、PLC内部电路与外部负载电路之间均有电隔离。
负载接线时一端接在Y输出接口端子上，另一端则接至驱动电源；驱动电源一端与负载相连，另一端则与COM接口端子相连。
由于PLC内部输出电路中无保护环节，所以驱动电源与COM接口端子间应设熔断器。
第三章系统程序设计
3.1控制程序流程图
图3.1流程图
3.2控制程序时序图
图4.2十字路口交通灯正常工作时序图
3.3步进梯形图
*实现南北向绿灯亮25s
*实现南北向绿灯闪烁3s
*实现南北向绿灯25s并倒计时3s
*实现南北向黄灯闪烁
*实现南北向黄灯2s倒计时
*实现南北向红灯明灭
*实现南北向红灯30s倒计时
*实现东西向绿灯明灭
*实现东西向绿灯闪烁3s
*实现东西向绿灯28s倒计时
*实现东西向黄灯明灭
*实现东西向黄灯2s倒计时
*实现东西向红灯明灭
*实现东西向红灯30s倒计时
*南北向黄灯亮起时重置南北向绿灯闪烁计数器
*重置东西向绿灯闪烁计数器
*实现南北向绿灯东西向红灯常亮
*将十进制数99存入南北向绿灯寄存器D10，南北向绿灯计数一直为99
*东西向红灯数码管显示为99不变
*东西向红灯东西向绿灯常亮
*十进制数99存入D40
*十进制数99存入D30
*结束工作时，将内部继电器M8002置位
*程序结束
第四章系统调试及结果分析
4.1软件调试
软件调试是通过对拥护程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。
程序后，编辑，查看程序是否有逻辑的错误。
如果出现故障，应返回编程环境，检查梯形图的错误并修改程序再进行调试，如此反复直到调试成功。
4.2调试结果分析
①正常工作调试结果
转换开关左旋45°，闭合SA1-1，红绿灯正常工作
南北向绿灯
亮，倒计时28秒
南北向黄灯
灭
南北向红灯
灭
东西向红灯
亮，倒计时30秒
东西向黄灯
灭
东西向绿灯
灭
25秒后
南北向绿灯
闪烁3次，倒计时剩余3秒
南北向黄灯
灭
南北向红灯
灭
东西向红灯
亮，倒计时剩余5秒
东西向黄灯
灭
东西向绿灯
灭
3秒后
南北向绿灯
灭
南北向黄灯
亮，倒计时2秒
南北向红灯
灭
东西向红灯
亮，倒计时剩余2秒
东西向黄灯
灭
东西向绿灯
灭
2秒后
南北向绿灯
灭
南北向黄灯
灭
南北向红灯
亮，倒计时30秒
东西向红灯
灭
东西向黄灯
灭
东西向绿灯
亮，倒计时28秒
25秒后
南北向绿灯
灭
南北向黄灯
灭
南北向红灯
亮，倒计时剩余5秒
东西向红灯
灭
东西向黄灯
灭
东西向绿灯
闪烁3次，倒计时剩余3秒
3秒后
南北向绿灯
灭
南北向黄灯
灭
南北向红灯
亮，倒计时剩余2秒
东西向红灯
灭
东西向黄灯
亮，倒计时2秒
东西向绿灯
灭
2秒后，进入南北向绿灯周期（东西向红灯周期）开始下一轮循环。
②单向常绿灯工作
转换开关调至中间0°，闭合SA1-2,
南北向绿灯
亮，显示99秒，不倒计时
东西向红灯
亮，显示99秒，不倒计时
其余交通灯
灭
或
转换开关右旋45°，闭合SA1-3，
东西向绿灯
亮，显示99秒，不倒计时
南北向红灯
亮，显示99秒，不倒计时
其余交通灯
灭
课程设计总结
经过本次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了电气控制及PLC这门课程，不仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的强，可以通过平时学的知识自己设计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。
在这次课程设计中遇到了很多问题，也获得了很多意想不到的知识，对一些绘图软件，比如三菱PLC编译器和visio的使用有了一定的熟悉，这次的课程设计很有意义，感谢学校为我们精心安排了这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比如吃苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等，感谢老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。
这从课程题目只给了直行方向的交通灯设计，但是现实生活中还有转弯信号灯，而一般转弯信号与直行信号都是交换出现，所以如果在设计中加入转弯信号的话，应该会更好。
参考文献
[1]张兵、韩霞《电气控制与PLC应用》电子工业出版社2015年
[2]漆汉宏《PLC电气控制技术》机械工业出版社
[3]高南、周乐挺《PLC控制系统编程与实现任务解析》北京邮电大学出版社2008年12月.
[4]王永华《现代电气控制及PLC应用技术》（第2版），北京航空航天大学出版社2008年
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