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基于PLC的交通灯设计
编号
XX信息职业技术学院
毕业论文
题目
基于PLC交通灯设计
学生XX
学号
院系
电气工程系
专业
机电一体化
班级
指导教师
顾问教师
二〇一五年十月
摘要
本课题将研究可编程控制器（PLC）交通灯的设计。
随着我国的城市化的迅速发展，车辆剧增，城市交通问题也日趋引人注目。
所以，如何采用合适的控制方法，保障城市交通有序、安全、快速运行，提高城市道路的交通能力，实现交通的科学化管理迫在眉睫。
通过使用PLC来改善交通灯程序，实现智能控制。
并会在本文中介绍交通灯现阶段存在的不足及研究意义。
以及如何实现有效的分段控制，和特殊情况下的应急模式，将传统交通灯改进为更智能更科学的交通灯，来有效解决交通问题。
关键字：
交通灯PLC分段应急控制
Abstract
Inthispaper,wewillstudythedesignoftheprogrammablecontroller（PLC）trafficlight.WiththerapiddevelopmentofurbanizationinChina,thevehiclehasincreaseddramatically.Therefore,howtousetheappropriatecontrolmethodtoensuretheurbantrafficorder,security,fastoperation,improvethetrafficcapacityofurbanroads,thescientificmanagementoftrafficisimminent.
ThispaperwillusePLCtoimprovethetrafficlightprogram,realizeintelligentcontrol.Andwillintroducetheexistingproblemsandtheresearchsignificanceofthetrafficlightatthepresentstage.Andhowtoachieveeffectivesegmentationcontrol,andspecialcasesofemergencymode,thetraditionaltrafficlightstothemoreintelligentandmorescientifictrafficlights,toeffectivelysolvethetrafficproblems.
Keywords:
trafficlightPLCsegmentedemergencycontrol
第一章绪论
1.1交通灯现状
随着我国的城市化的迅速发展，交通问题也日趋引人注目。
车辆的剧增，使得十字路口等交通繁华的地方经常发生堵塞现象。
这个时候，道路上交通灯的正常运行以及合理的功能就是交通畅通的重要的保证。
近年来，随着车辆的增加，特别是在有些场合，会有上下班的高峰期，上放学的高峰期……因为没有好的控制方案，可能会出现交通灯显示不合理，这样导致了交通的更加堵塞。
夜晚的车辆稀少的时候，交通灯还是正常的循环，也造成了许多不必要的麻烦。
在突发的情况下，某些需要快速通过十字路口，但普通的交通灯没有这样的控制，那么特殊车辆可能就会浪费一定的时间，造成某些损失。
像这样的交通灯不但解决好问题，而是更加剧了问题的严重性。
这一系列的问题正是现在许多交通灯的普遍现象。
所以，如何采取合适的控制方法，缓解好不同时刻、不同地区的交通拥挤状况。
在特殊情况下提供应急模式，完善交通灯的功能。
越来越成为社会上当务之急的问题。
1.2研究意义
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。
车辆的增多，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、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。
本系统采用PLC是基于以下三个原因：
（1）PLC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；
（2）编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；
（3）抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。
西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。
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是系统所必需的，能够方便地联网通信。
本系统就是应用可编程序控制器（PLC）实现了十字路口交通灯设计。
第二章交通灯方案论证
2.1交通灯方案控制要求
普通的交通灯已经无法适应现阶段的交通形势，如今的十字路口会有很多交通高峰期，在深夜，车辆稀少，再去等红绿灯，显然会浪费很多的时间。
还会有很多的突发情况。
因此我需要更智能的交通灯才能有效地解决这些问题。
本文以学校附近十字路口为研究对象，在学校的上放学的期间，去学校的那条道路上，肯定是十分拥挤的。
传统的交通灯必将适应不了这样情况，这个时间段，我们需要为交通灯设计专门的循环方式，来缓解交通。
到了深夜，也需要设置一个专门的循环。
有时候也少不了突发的情况，如特殊车辆路过，传统交通灯也没有相关的应急处理。
这时我们需要添加应急模式，来解决突发情况。
2.2方案实施
首先，为交通灯设置分段控制，学校每天的上放学时间段设置分段控制，每到这个时候，自动延长该道路上的绿灯时间，来缓解交通。
当每天凌晨的时候，也为交通灯设置了分段控制，凌晨的时候交通灯的两路的自动切换为黄闪，路过的车辆可以直接穿过十字路口，这样就避免了车辆无必要的等待。
十字路口，通常也少不了特殊车辆的路过，所以我们需要应急模式。
如救护车、消防车等车辆需要路过十字路口绿灯时间可能不够用时，当声音传感器检测到特殊车辆路过的的声音时，即可在改方向道路上自动切换为绿灯延长10秒钟。
当绿灯结束后，自动切换正常的交通灯循环。
这样，节省了很多时间，也就有效的解决了特殊车辆路过问题。
2.3方案设计框图
大体的设计框图如下图2-1所示。
图2-1设计框图
第三章PLC简述
3.1PLC概述
可编程序控制器（Programmabie Logic Controller,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。
可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种.小批量生产的需要，生产.发展起来的一种新型的工业控制装置。
PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能.简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。
有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。
可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。
随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。
3.2PLC的发展
在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。
但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。
于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。
从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable LogicController）。
随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。
PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段：
1970—1980年：
PLC的结构定型阶段。
在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。
最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展.推广。
PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小X围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。
1980—1990年：
PLC的普及阶段。
在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。
各PLC生产厂家产品的价格.品种开始系列化，并且形成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。
PLC的应用X围开始向顺序控制的全部领域扩展。
比如三菱公司本阶段的主要产品有F.F1.F2小型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。
1990—2000年，PLC的高性能与小型化阶段。
在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用X围由单一的顺序控制向现场控制拓展。
此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。
三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。
2000年至今，PLC的高性能与网络化阶段。
在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。
一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用X围开始涉及工业自动化的全部领域。
与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。
三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品（包括最新的FX3u系列产品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列产品等。
3.3PLC的分类及特点
分类：
按结构形式分类：
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
按功能分类：
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
按I/O点数分类：
根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。
特点：
可靠性高，抗干扰能力强、通用性强，控制程序可变，使用方便、功能强，适应面广、编程简单，容易掌握、减少了控制系统的设计及施工的工作量。
体积小、重量轻、功耗低、维护方便。
组成：
中央处理器、存储器、输入输出接口、编程器电源。
3.4PLC的应用
3.4.1 PLC的应用领域
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。
但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：
一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。
目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。
PLC的应用X围通常可分成以下5种类型：
（1）运动控制 这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。
它用来取代传统的 继电器顺序控制。
PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。
例如：
注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
（2）运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。
每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加速度，确保运动平滑。
（3）过程控制 PLC还能控制大量的过程参数，例如：
温度、流量、压力、液位和速度。
PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。
（4）数据处理 在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于C和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。
（5）通信网络 PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。
PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
3.4.2 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：
256 I/O、中型：
1024 I/O、大型：
4096 I/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%。
3.5PLC的硬件结构
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3-1所示。
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。
图3-1PLC的结构图
3.6PLC的工作原理
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
PLC的扫描工作过程如图3-2、图3-3所示
图3-2PLC的扫描工作过程图
图3-3PLC的扫描周期图
第四章PLC软件设计
4.1交通灯程序控制要求
本次因程序较多，只使用单方向的交通灯进行调试与分析。
正常模式当按下总开关SB1，白天（5：
00-23：
00），首先绿灯先亮，同时数码管显示屏已开始显示12秒倒计时，当8秒之后，绿灯与数码管开始闪烁4秒。
绿灯12秒结束后，黄灯开始亮4秒，数码管也同时显示。
黄灯4秒结束后，红灯开始亮16秒。
在学校上放学（7：
00-8：
00、11:
00-12:
00、13:
00-14:
00、17:
00-18:
00）期间，则是加长绿灯显示时间为20秒，黄灯4秒，红灯8秒。
当时间段过去后，在正常情况下如此循环。
当夜晚（23:
00-5：
00），交通灯只显示闪烁的黄灯和数码管。
当最后按下总停止SB2按钮后，交通灯及数码管复位，停止工作。
应急模式在绿灯即将结束的情况下，如遇到特殊情况，可启用应急模式。
当应急传感器SC1自动吸合后，绿灯立即延长至14秒，而且前4秒闪烁，后10秒正常显示，当14秒结束后，交通灯重回到正常模式。
4.2I/O分配表
具体分配如表4.1PLC的I/O分配表所示：
表4.1PLC的I/O分配表
输入
输出
开始按钮
I0.0
SB1
数码管十位显示
Q0.0-Q0.6
停止按钮
I0.1
SB2
数码管个位显示
Q1.0-Q1.6
声音传感器
I0.2
SC1
红灯
Q2.2（外接为Q0.2）
HL1
绿灯
Q2.0（外接为Q0.0）
HL2
黄灯
Q2.1（外接为Q0.1）
HL3
4.3外围接线图
接线图如图图4-1PLC外部接线图所示：
图4-1PLC外部接线图
4.4梯形图
以下为程序的核心部分，完整梯形图见论文最后附录部分。
如下图4-2梯形图，设置的中间继电器M0.0来设置整个程序的启动停止。
然后设置定时器T37用来倒计时。
图4-2初始程序
同时，当红绿灯开始闪烁时，对应的数码管也会得到相应的数据，如下图，就是先将黄灯的信号传送过去的。
图4-3数码管传送指令
然后通过除法指令，将VW0分解为VB11和VB13，最后用SEG显示指令让数码管显示相应数值。
如下图。
图4-4数码管显示程序段
分段控制下，我们首先设置了时钟指令，将系统的时间导入到程序中，如下图分段指令。
图4-5分段指令
写入系统的时间后，下面就是读取时钟。
当到了预先设定好的时间段时，那么设置的中间继电器将自动得电。
如下图
图4-6分段时间条件
当时时间晚上23的时候，自动切换交通灯为黄灯闪烁，会先将交通灯都复位，然后只传送黄灯的信号，当时间过了时间段，交通灯正常循环。
如下图显示。
图4-7分段指令黄灯闪烁
当有特殊车辆路过时，可以触发应急模式，也就是传感器开关得电，然后应急模式的程序有效，开始工作。
如下图。
图4-8应急模式
当按下总停止按钮后，I0.1得电，M0.0失电，且复位了所有程序，如下图。
图4-9复位指令
第五章系统调试
5.1程序调试
本次程序部分的内容是通过Simulation仿真软件进行的，因为数码管无法在软件中显示。
如图5-1，为已经将编程导入到仿真软件里。
图5-1程序仿真图
定时器的自动循环，是在计时器的前面加上一个常闭触点，如图5-2。
图5-2定时器自动循环
用时间指令将系统时间导入到了程序中，设置触发条件，到了指定时间，自动切换。
如图5-3，M0.7得电为夜晚的程序，M1.0得电则为学校附近上放学高峰期。
图5-3分段控制
当在绿灯情况下，应急的时候，传感器SC1自动闭合，则I0.2得电，绿灯开始倒计时14秒。
其中，前4秒先闪，后10秒正常。
如图5-4
图5-4应急模式
一系列的数码管倒计时都是通过T38定时器传递给VW0，然后通过DEC字减1指令，来实现倒计时，最后通过DLV除法指令将两位数分开。
如图5-5。
最后通过SEG显示指令把两位数显示到了两个数码管上。
图5-5减法指令及除法指令
5.2故障解决
（1）起初设计交通灯定时器T37等均无法正在循环，后来通过请教他人，才解决，只要将定时器的常闭触点放在T37前面即可实现自动循环。
如图5-7
图5-7自动循环
（2）有时候，定时器设置的时间不能精准的定时控制，需要将设置值稍微加一点即可，如图5-8。
可将T37的120改为121,160改为161。
图5-8定时器设置
（3）分段控制的时钟指令不是很会，自己设置的一直有问题，无法实现分段控制，后来通过网上学习及他帮助，最终将时钟指令调试成功了。
第六章总结与展望
交通信号灯控制系统的设计,我们以前学过相关的PLC程序，我想这个课题是很容易的。
第一次就设计了最简单的交通灯程序给了
升级会员 