带转向交通灯PLC设计报告汇编.docx
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带转向交通灯PLC设计报告汇编
《电气控制》课程设计说明书
带转向的十字路口交通灯课程设计
院、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：
罗雪莲职称教授
专业：
班级：
完成时间：
2013年6月12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指挥中最重要的组成部分。
随着交通灯的建立，晚上车子少时，它也按白天模式进行运行，让许多车主浪费了很多宝贵时间，所以通过该设计得以解决这一问题。
该设计通过可编程控制器对交通灯的控制，可以达到两种模式独立运行的交通灯状态，该设计以可编程控制器为主，加上适当的定时器对时间方面的控制便可达到预期的目标，既能对人车路的关系进行协调，又能解决夜间红灯浪费时间的问题。
针对该设计需要解决的问题，该设计采用了步进指令使用GXDeveloper程序对应解决的问题编写对应的梯形图，最后利用三菱可控制编程器进行调试，最终实现了对交通灯的自动控制。
关键词：
交通灯；可编程控制器；梯形图
ABSTRACT
Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,citytrafficproblemscausedbymoreandmorepeople'sattention.People,vehicles,roadcoordinationrelationshipbetweenthethree,hasbecomeoneoftheimportantproblemsoftrafficmanagementdepartmentstosolvethe.Citytrafficcontrolsystemforcitytrafficdatamonitoring,trafficsignalcontrolandtrafficmanagementcomputersystem,itisthemostimportantpartofthemoderncitytrafficmonitoringandcommand.Withtheestablishmentoftrafficlights,thenightthecarless,itisdaytimemodeofoperation,somanyownerstowastealotofvaluabletime,sotosolvethisproblemthroughthedesign.
Thedesignoftheprogrammablecontrollerforthecontroloftrafficlights,canachievethetwotrafficlightstatemodelofindependentoperation,thedesignoftheprogrammablecontroller,thecontrolwithappropriatetimertotimecanreachtheexpectedgoal,cancarryouttheharmoniousrelationshipofpeoplevehicleroad,andcansolveredlightatnighttimewastingproblem.
Accordingtothisdesignneedstosolvetheproblem,thisdesignusesastep-by-stepinstructionusingtheGXDeveloperprogramcorrespondingtosolvetheproblemofladderdiagramcorresponding,theMitsubishicancontrolprogrammerdebugging,finallyrealizestheautomaticcontroloftrafficlights.
Keywords：
trafficlights;PLC;ladderdiagram
1.3PLC简介………………………………………………………………………2
2.2方案比较……………………………………………………………………6
2.3方案论证与选择……………………………………………………………6
2.4设计任务及要求……………………………………………………………7
2.5硬件设计…………………………………………………………………7
1概述
1.1交通灯的发展及应用
目前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。
但这一技术在19世纪就已出现了。
1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。
1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。
1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。
这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。
1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下喇叭，就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。
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。
1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。
红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
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。
1.2PLC控制交通灯设计目的
在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。
但随着社会、经济的快速发展，原来的交通灯控制系统已经不能适应现在日益忙碌的交通状况。
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交通控制，通常的做法是将两个方向红绿灯延时预先设置好。
然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口甚至可能产生很大的差异，所以我们采用实地统计的方法对车辆流量的方法和地域的原则来进行PLC的编程，原来的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，跟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交通灯。
1.3PLC简介
可编程控制器简称——PLC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。
可编程控制器（PLC）是用来取代控制系统中的继电器的一种设备，它通过检测输入端口，并根据输入端口的状态，按照程序控制输出口，可编程控制器的程序一般要使用一定的软件编写，使用人员通过输入预先编写的程序，使可编程控制器按预定的控制方案执行控制任务。
目前大多数城市采用的交通信号灯指挥控制系统，采用电子线路加继电器构成，也有少数采用单片机构成。
对信号灯的要求也越来越高，采用电子线路加继电器的控制方式，则需要加入大量的中间继电器，时间继电器，计数器等器件。
而且交通控制智能化需要按实际情况而改变参数，如使用继电器控制，则很难实现。
如使用单片机控制，则需要引入大量I/O接口电路、硬件设计，而且这两种控制方式的抗干扰能力十分有限。
采用可编程控制器对交通信号灯进行管理，既能满足控制要求，又具有高的抗干扰和稳定性。
1.4PLC的一般结构
1.4.1可编程控制器的结构分类
（1）按硬件的结构类型分类：
编程控制器是专门为工业生产环境设计的。
为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别，常见的有箱体式，模块式，及叠装式三种结构。
箱体式PLC一般用于规模小，输入输出点数固定，不需要扩展的场合。
模块式PLC一般用于规模较大，输入输出点数多，输入输出点数比例灵活的场合。
叠装式PLC具有二者的优点。
（2）按应用规模及功能分类：
为了适应不同工业生产过程的应用要求，PLC能够处理的输入信号数量是不一样的。
一般将一路信号称作一个店，将输入输出点数的总和称为机器的点。
按照点数的多少，可将PLC分为超小，小，中，大，超大等五类型如下表1所示：
表1PLC按规模分类
超小型
小型
中型
大型
超大型
64点以下
64—128点
128—512点
512—8192点
8192点以上
1.4.2可编程控制器的配置
可编程控制器虽然外观各异，但硬件结构大体相同。
主要由中央处理器（CPU），存储器（RAM/ROM），输入输出（I/O接口）,电源及编程设备几大部分组成。
PLC的硬件结构框图如下图1所示：
接受驱动
现场信号受控元件
图1基本构成
（1）CPU的构成：
PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。
一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。
箱体式PLC的主箱体也有这些显示。
它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。
CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。
（2）I/O模块：
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
（3）电源模块：
有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源以其输入类型有：
交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。
（4）底板或机架：
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
（5）PLC的外部设备：
外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类
①编程设备：
有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。
②设备：
有数据监视器和图形监视器。
直接监视数据或通过画面监视数据。
③存储设备：
有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。
④输入输出设备：
用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。
（6）PLC的通信联网：
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。
了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。
2系统方案及硬件设计
2.1设计课题
带有转向灯的十字路口交通信号灯PLC控制系统设计
2.2方案比较
方案一：
基于数字电路的交通灯控制系统，数字电路是我们最常用的一种控制电路，但数字电路有很多弊端，首先就是电路设计起来很复杂，其次就是电路一旦设计好后其参数就不能改变，工作起来也不是很容易受到外界信号的干扰，所以其很显然不利于现代交通灯智能控制的发展。
方案二：
基于单片机的交通灯控制系统，在单片机控制系统电路中需要加入A/D，D/A转换器，线路复杂，还要分配大量的中断口地址。
而且单片机控制电路易受外界环境的干扰，也具有不稳定性。
另外控制程序需要具有一定编程能力的人才能编译出，在维修时也需要高技术的人员才能修复，所以基于单片机实现的交通灯控制系统也不是最理想的选择。
方案三：
基于PLC的交通灯控制系统，PLC作为一种新型的自动控制设备，具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上在安装，操作和维护也较容易；编程简单，PLC的基本指令不多，编程器使用比较方便；起程序设计和产品调试周期短，具有很好的经济效益。
2.3方案论证与选择
综上所述，我选择第三种方案，因为PLC相比其它控制系统它具有以下特点：
（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。
基于PLC的交通灯控制系统它的可靠性高，抗干扰强，结构简单，使用、维护方便，功能强大，还有它的体积小，重量轻，功耗低等特点。
为了设计出简单实用的控制系统，所以用它来解决当前交通系统的状况。
2.4设计任务及要求
（1）有夜间黄灯常闪控制，其余灯关闭（起动为“0”）
（2）有左转方向灯控制，控制时序图如下：
（左转“1”=绿灯“0”=红灯）。
2.5硬件设计
（1）PLC型号选择：
根据输入输出点数合理选择PLC，由表2可知输入使用3点，输出使用8点，考虑到以后使用中的升级、添加功能的需要，点数应略多于现用的点数，装置带有步进电机驱动，要求输出脉冲信号；根据上述要求，选择三菱FX2N-32MR型号的PLC作为带转向灯十字路口交通灯所用的器件。
（2）I/O分配表
如表2：
表2
输入
白天模式控制开关SA0
X0
夜间模式控制开关SA1
X1
系统总开关SA2
X2
输出
南北红灯VD0
Y0
东西绿灯VD1
Y1
东西黄灯VD2
Y2
东西左转绿灯VD3
Y3
东西红灯VD4
Y4
南北绿灯VD5
Y5
南北黄灯VD6
Y6
南北左转VD7
Y7
（3）.硬件电路图连接
如图2所示：
图2硬件电路接线图
3交通灯的软件设计
3.1定时器
在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。
定时器可以用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。
在后一种情况下，一般使用有掉电保护功能的数据寄存器。
即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器往往会发生错误动作。
定时器通道范围如下：
100ms定时器T0～T199，共200点，设定值：
0.1～3276.7秒；
10ms定时器T200～TT245，共46点，设定值：
0.01～327.67秒；
1ms积算定时器T245～T249，共4点，设定值：
0.001～32.767秒；
100ms积算定时器T250～T255，共6点，设定值：
0.1～3276.7秒；
定时器指令符号及应用如下图3所示：
图3继电器的应用
当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10ms的时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作，即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒（10*123ms=1.23s）时才动作，当T200触点吸合后，Y000就有输出。
当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。
每个定时器只有一个输入，它与常规定时器一样，线圈通电时，开始计时；断电时，自动复位，不保存中间数值。
定时器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个是现时值寄存器，编程时，由用户设定累积值。
3.2定时器的设置
为了明确各定时器的作用，以便于理解各个灯的状态转换的准确时间，表3列出了定时器的功能如下：
表3定时器设置
定时器
定时时间
功能
T0
5S
南北红灯亮5秒，
T1
20S
东西绿灯亮20秒
T2
3S
东西黄灯闪亮3秒
T3
2S
东西左转灯亮2秒
T4
5S
东西红灯亮5秒
T5
20S
南北绿灯亮20秒
T6
3S
南北黄灯亮3秒
T7
2S
南北左拐灯闪2秒
3.3交通信号灯模拟控制时序图
如图4所示：
图4时序图
3.4交通灯工作时的程序
（1）白天模式，南北红灯亮东西红灯亮南北左转绿灯亮，其梯形图如下图5所示：
图5
（2）白天模式，南北红灯亮东西绿灯亮，其梯形图如下图6所示：
图6
（3）白天模式，南北红灯亮东西绿灯闪烁周期1s，其梯形图如下图7所示：
图7
（4）白天模式，南北红灯亮东西黄灯亮，其梯形图如下图8所示：
图8
（5）白天模式，南北红灯亮东西左转绿灯亮东西红灯亮，其梯形图如下图9所示：
图9
（6）白天模式，南北绿灯亮东西红灯亮南北绿灯亮，其梯形图如图10所示：
图10
（7）白天模式，东西红灯亮南北绿灯闪烁周期1s，其梯形图如图11所示：
图11
（8）白天模式，东西红灯亮南北黄灯亮，然后还回执行。
其梯形图如图12所示：
图12
（9）夜间模式，夜间显示模式东南西北黄灯闪烁，其梯形图如图13所示：
图13
4交通灯的仿真与调试
4.1编程思想
该课程设计是用PLC控制十字路口交通灯，用PLC控制可以实现更多功能，同时也比较简单。
最首先的时候该设计打算用基本指令来完成，但是通过进一步的设计发现基本指令对于交通灯来说过于繁琐，通过查阅相关资料，将步进指令加入了该设计进行编程，通过加入步进指令简化了设计思路，从而设计并调试成功。
4.2控制系统的程序调试步骤
（1）对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。
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