红黄绿交通信号灯的 PLC 控制线路设计.docx

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红黄绿交通信号灯的PLC控制线路设计

《机电传动控制课程设计》报告

题目

红、黄、绿交通信号灯的PLC控制线路设计

专业

机械设计制造及其自动化

班级

姓名

学号

指导教师

职称

2011年10月10日

摘要：

论文根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，利用顺序控制的程序设计思想，基于FX-2NPLC设计了梯形图。

通过分析对交通信号灯的控制要求，详细论述了相应的编程方法和技巧。

对PLC控制系统进行了软、硬件设计，PLC控制的交通信号灯系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。

关键词：

交通信号灯，软件设计，硬件设计，PLC

第一章前言

1.1十字路口交通信号灯简介

随着城市经济的发展，城市规模不断扩大，虽然道路增长率、改造率迅猛上升，但由于城市人口和机动车辆的急速增加，市区交通依然显得拥挤，交通秩序混乱，特别是交叉路口经常出现拥堵情况。

城市中道路交叉口的交通信号灯系统对维护城市道路交通的秩序、保证道路交通的通畅起着十分重要的作用。

多年来交通信号灯系统在不断地进行改进，从最早的人工有线控制，到人工遥控，再到半自动控制，交通信号灯系统的自控水平在逐步提高。

但由于我国国情的特殊性，人口多、路况复杂，使得道路口的涌动现象明显，峰、谷间的流量差异大，因而交通状况的变化频繁，过去的十字路口交通灯以往采用电子逻辑线路来实现对信号灯的控制，若选用PLC来控制则是非常简单的。

1.2交通信号灯的PLC控制线路设计的应用

近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构以及针对具体应用对象特点的软件结合加以完善。

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。

随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。

俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。

作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应适合社会实际情况，因此选择制作十字路口交通灯。

交通信号灯系统的智能化控制是近年来得到关注的一个课题。

通过引入动态控制系统，描述了该系统的工作原理及控制模式，给出了一种基于PLC的交通信号灯系统的动态控制方法。

该系统以地感线圈为信号采集元件，以PLC为信号处理和控制装置，具有系统结构简单、投资成本较小、现场适应能力强、时间调节范围广等特点，因而在实际的交通信号控制领域有良好的应用前景。

交通信号灯的控制系统，是城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

而PLC的飞速发展，使其在工业控制中得到了广泛应用，但是目前国内利用PLC实现交通信号灯自动控制还不是十分广泛。

本文重点讨论用PLC实现交通灯自动控制的设计方法。

第二章PLC及交通信号灯的PLC控制

2.1PLC的由来及定义

ØPLC的由来

在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。

继电器控制系统有着十分明显的缺点：

体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。

为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此特拟定了十项公开招标的技术要求，即：

1）编程简单方便，可在现场修改程序；

2）硬件维护方便，最好是插件式结构；

3）可靠性要高于继电器控制装置；

4）体积小于继电器控制装置；

5）可将数据直接送入管理计算机；

6）成本上可与继电器柜竞争；

7）输入可以是交流115V；

8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；

9）扩展时，原有系统只需做很小的改动；

10）用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。

根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC（PDP—14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。

从此可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且在工业发达国家发展很快。

ØPLC的定义

在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），英文缩写为PC，并作如下定义：

“可编程序控制器是一种数字式电子装置。

它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计来对各种机械或生产过程进行控制。

”国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程序控制器标准的草案第一稿，1985年1月又发表了草案第二稿，1987年2月颁布了草案第三稿。

该草案中对可编程序控制器的定义是：

“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关外部设备等都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充起功能的原则设计。

”定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应和应用能力。

2.2PLC的特点

✧高可靠性

A.所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

B.各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。

C.各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

D.采用性能优良的开关电源。

E.对采用的器件进行严格的筛选。

F.良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

G.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。

✧丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；为了组成工业局部，它还有多种通讯联网的接口模块等等。

✧采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

✧编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

✧安装简单，维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

2.3在交通信号灯中应用PLC的优越性

PLC的智能控制原则是控制系统的核心，是系统如何依据车辆脉冲的计数结果自动输出以调节红绿灯的时间长度的控制逻辑。

由于十字路口的交通灯，南北方向的车辆都是同时停止、同时流通的，东西方向也是这样，所以只要取南、北方向车辆的最大值和东、西方向的最大值进行比较，而不是对南、北方向车辆总和与东、西方向的车辆总和进行比较。

另外，由于十字路口的交通灯控制是实时的，考虑到小型PLC的长处是控制而非复杂的逻辑运算，为了简化逻辑运算，提高PLC的控制输出速度，本系统采用“规模分档”的绿灯时长智能控制原则，即把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档。

这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流、缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率。

第三章交通信号灯PLC控制系统的总体设计

3.1驱动部分设计

交通信号灯主要工作顺序是东西绿灯工作20s，与此同时南北红灯也工作了20s，此时东西方向黄灯和南北方向红灯同时以5Hz的频率闪烁5s，闪烁之后东西方向红灯和南北方向的绿灯同时工作30s，以上就完成了一个工作循环。

之后重复以上的动作，只到停止才结束工作循环，当再次按下启动按钮后才会工作，重复以上循环。

图3.1十字路口交通信号灯的设置示意图

3.2总体方案设计

交通信号灯示意图1.1如下,由于东西方向的车流量较小，南北方向的车流量较大，所以南北方向的放行（绿灯亮）时间为30s，东西方向的放行时间（绿灯亮）为20s。

当在东西（或南北）方向的绿灯灭时，该方向的黄灯与南北（或东西）方向的红灯一起以5Hz的频率闪烁5s，以提醒司机和行人注意；闪烁5s之后，立即开始另一个方向的放行，并且要求只用一个控制开关对系统迸行启停控制。

以往多采用电子逻辑线路实现对交通信号灯的控制，若选用PLC来控制则是非常简便的，从而提高交通控制系统的效率。

根据设计要求，PLC控制交通信号灯的状态波形图设计如下图所示：

图3.2PLC控制交通信号灯的状态波形图

第四章硬件设计

4.1I/O分析

经过对控制过程和要求的详细分析，明确具体的控制任务就是十字路口的交通信号灯共有12个，同一个方向的两个红、黄、绿灯的变化规律相同。

所以十字路口的交通灯的控制就是一双向（两组）红、黄、绿灯控制，每一组中的信号灯分别称为绿灯1、黄灯1、红灯1和绿灯2、黄灯2、红灯2。

输入信号是一个启动信号，而输出信号可以是12个信号或者是6个信号。

这里采用6个输出信号的方案，这就要求同一个方向的两个相同颜色、相同功能的灯并联。

如上所述，由此可以得出所需PLC的输入点2个，输出点6个。

4.2FX2N系列简介

FX2N系列是FX家族中最先进的PLC系列，其基本单位有16/32/48/64/80/128点，六个基本FX2N单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256I/O点，其基本单元如表所示：

型号

输入点数

输出点数

扩展模块可用点数

继电器输入

可挖硅输出

晶体管输出

FX2N—16MR-001

FX2N—16MS

FX2N—16MT

24——32

FX2N—32MR-001

FX2N—32MS

FX2N—32MT

24——32

FX2N—48MR-001

FX2N—48MS

FX2N—48MT

48——64

FX2N—64MR-001

FX2N—64MS

FX2N—64MT

48——64

FX2N—80MR-001

FX2N—80MS

FX2N—80MT

48——64

FX2N—128MR-001

FX2N—128MT

48——64

4.3PLC选型

交通信号灯PLC控制系统是比较简单的顺序控制，则需选择具有逻辑运算、定时器、计数器等基本功能的小型PLC，再根据其输入输出点数，可选择日本三菱FM—2N系列的FM—2N16MR型的PLC。

第五章软件设计

5.1现场器件与PLC内部等效继电器地址编号的对照表

根据图5.1先确定所使用的编程元件编号，PLC是按编号来区别操作元件的。

一般讲，配置好的PLC其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。

表5.1现场器件与PLC内部继电器对照表

输入信号

输出信号

名称

代号

输入点编号

名称

代号

输出点编号

启动按钮

SB1

南北绿灯

HL1-1HL1-2

停止按钮

SB2

南北黄灯

HL2-1HL2-2

南北红灯

HL3-1HL3-2

东西绿灯

HL4-1HL4-2

东西黄灯

HL5-1HL5-2

东西红灯

HL6-1HL6-2

5.2程序流程图

PLC控制的交通信号灯程序流程图如下：

图5-1十字路口交通信号灯的工艺流程图

5.3PLC与现场器件的实际连接图

根据表5.1画出PLC与现场器件的实际连接图。

图5-2PLC与现场器件的连接

5.4程序设计

十字路口交通信号灯正常工作时，按如下步骤自动进行：

（1）为实现交通信号灯启动、停止，运用辅助继电器M0进行设计如下：

图5-3交通信号灯启动程序

（2）为实现交通信号灯的时间设定，采用时间继电器进行设计。

a.东西方向设定。

T0：

东西绿灯工作20s设定；T1：

东西黄灯闪烁5s设定；T2：

东西红灯工作30s设定；T3：

东西红灯闪烁5s设定。

南北方向设定。

T4：

南北绿灯工作30s设定；T5：

南北黄灯闪烁5s设定，

b.T6：

南北红灯工作20s设定；T7：

南北红灯闪烁5s设定。

c.PLC程序设计如下所示：

图5-4交通信号灯时间设定程序设计

（3）为实现交通信号灯以5Hz的频率闪烁5s的功能，通过两个时间继电器T8、T9互锁来实现产生0.2s的时钟脉冲，程序设计如下图。

图5-5交通信号灯脉冲程序设计

（4）为实现东西绿灯工作20s，通过以下程序来实现要求。

图5-6东西绿灯工作程序设计

（5）为实现东西黄灯闪烁5s，通过以下程序来实现要求。

图5-6东西黄灯闪烁程序设计

（6）为实现东西红灯工作30s后又闪烁5s，通过以下程序进行设计。

图5-7东西红灯工作程序设计

（7）为实现南北红灯工作20s后又闪烁5s，通过以下程序进行设计。

图5-8南北红灯工作程序设计

（8）为实现南北绿灯工作30s,通过以下程序来实现要求。

图5-9南北绿灯工作程序设计

（9）为实现南北黄灯闪烁5s的工作，采用以下程序实现。

图5-9南北黄灯工作程序设计

5.5指令程序

根据5.4的论述编写指令程序。

表5.1指令语句表

步序

指令

说明

LDX0

ORM0

OUTM0

LDM0

MPS

ANIT6

OUTT0K200

MRD

ANDT0

OUTT1K50

MRD

ANDT1

OUTT2K300

MRD

ANDT2

OUTT3K50

MRD

ANDT1

OUTT4K300

MRD

ANDT4

OUTT5K50

MRD

ANIT0

OUTT6K200

MRD

ANDT0

OUTT7K50

MRD

ANIT9

OUTT8K1

MRD

ANDT8

OUTT9K1

MRD

ANIT0

OUTY3

MRD

ANDT0

ANIT1

ANDT8

OUTY4

MRD

LDY0

ANIT2

LDT2

ANIT3

ANDT8

ORB

ANB

OUTY5

MRD

LDY3

ANIT6

LDT6

ANIT7

ANDT8

ORB

ANB

OUTY2

MRD

ANIT4

ANDT7

OUTY0

MPP

ANDT4

ANIT5

ANDT8

OUTY1

END

启动

东西绿灯工作20s设定

东西黄灯闪烁5s设定

东西红灯工作30s设定

东西红灯闪烁5s设定

南北绿灯工作30s设定

南北黄灯闪烁5s设定

南北红灯工作20s设定

南北红灯闪烁5s设定

产生0.2s的时钟脉冲

东西绿灯工作

东西黄灯闪烁5s

东西红灯工作+闪烁

南北红灯工作+闪烁

南北绿灯工作

南北黄灯闪烁

程序结束

第六章结束语

在这不到一周的课程设计中，能学到的东西真的很有限，但是不能说一点收获都没有，我想我知道了一般机电传动系统的设计框架而且我也掌握了设计一个机电传动控制系统的步骤，我想本次课程设计是我们对所学知识运用的一次尝试，是我们在机电知识学习方面的一次有意义的实践。

课程设计是大学学习阶段非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次课程设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合，锻炼了综合运用所学的专业基础知识的能力，提高了查阅文献资料、设计手册的能力，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，使得能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，毅力及耐力也都得到了不同程度的提升。

在本次课程设计中，我独立完成了自己的设计任务，通过这次设计，弄懂了一些以前书本中难以理解的内容，加深了对以前所学知识的巩固。

在设计中，通过老师的指导，使自己在设计思想、设计方法和设计技能等方面都得到了一次良好的训练。

参考文献

1．陈宏钧.可编程控制器课程设计指导书[M].天津：

天津大学出版社.2001

2．钟肇新，王灏.可编程控制器入门教程[M].广州：

华南理工大学出版社.1999

3．邓星钟.机电传动控制[M].武汉：

华中科技大学出版社.2001

4．三菱电机株式会社.三菱PLC编程手册[Z].日本：

三菱电机株式会社.2003

5．谭维瑜.电机与电气控制[M].北京：

机械工业出版社.1999

6．许缪.工厂电气控制设备[M].北京：

机械工业出版社.1999

7．石玉珍.电气制图及图形符号国家标准汇编[M].上海：

中国标准出版社：

1989

8．姜培刚，盖玉先.机电一体化系统设计[M].北京：

机械工业出版社.2004.

9．张海根.机电传动控制[M].北京：

高等教育出版社.2001.

10．何存兴，张铁华.液压传动与气压传动[M].武汉：

华中科技大学出版社.2000.

附录

交通信号灯的梯形图设计:

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