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基于PLC交通灯控制系统
摘 要
古老的交通灯控制系统大多是由数字电路来实现的，随着社会经济的发展，数字电路交通灯越来越不能满足日益增长的交通压力，因此必须寻求一种新的方法来取代这种复杂而工作不稳定的控制系统。
现今PLC技术飞快发展，应用越来越广，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。
本论文就是运用PLC原理来实现对十字路口的交通灯的控制，介绍了基于可编程序控制器在交通系统的运用，系统介绍了可编程序控制器的基本原理。
我们所设计出来的交通灯必须美观、大方、经济适用、有多种变化，为了达到要求，并考虑到节省电子元件的成本，以达到最大经济效益，运用欧姆龙系列的PLC来控制红绿灯的变化，经过对现今交通灯控制系统进行实地考察，选择一种最优方案，用以在一定程度上缓解目前交通压力。
关键词：
交通灯；PLC；自动控制
ABSTRACT
Themostancienttrafficallightcontrolunitwasdesignedbydigitalelectriccircuit.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thetrafficlightwhichdesignedbyelectriccircuitcannotcontaintheincreseingpressureofthetrafficaldaybyday,sowemustfindanewmethodtoreplacethecontrolunitwhichiscomplexandworkedinsteady.Nowaday,thetechnicalofprogramballogiccontrolleradvancedraiply,andusemoreandmorewide.PLC（ProgrammableController）isoneofthemostimportantcomponentsoftheindustryautomation.PLCprovideautomationsolutionacrossabroadrangeofmanyindustries.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thefunctionofPLCismoreandmoreperfect,anditsgetsmaller,smarter,moreinteroperable,morereliable.thisthesiswasdesignedbyPLCtocontrolthetrafficallight.wedesignatrafficallightBasedonapplicationofPLCinthetrafficsystem,thispapersystematicallydescribesthefoundationalprincipium,therequestofthedesignmustbebeautiful,generous,theeconomyapply,hasmanyvarieties.Shouldrequestforthesakeofattain,andconsiderthecostoftheeconomicalelectronicscomponent,toattainthebiggestandeconomicperformance,adoptlittleprogramballogiccontrollertocontrolthechangeofthetrafficallight,wehavechecedthepresenttrafficcontrolunit,shooseabestplan,inordetoalleviatethepresenttrafficpressure.
Keywords:
Trafficlight；PLC；Tutomaticalliescontrol
第一章绪论
1.1交通灯的发展史
当今，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。
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，1914年始安装于纽约市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嗽叭，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。
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具有可靠性。
1.2我国城市交通的发展现状
随着我国社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，交通问题成为制约我国社会经济发展的一个大问题，我国的人口众多，现在大多数城市都经常会出现交通拥堵现象，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。
随着社会的发展，一个城市的交通是否便捷是衡量其是否具有发展潜力的重要指标，目前，我国大中小城市都出现了交通拥堵的现象，特别是那些大城市，随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速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高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。
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城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，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。
因此选择一个最优的放行时间是解决交通拥堵问题的根本，现在也有很多城市开始考虑用GPS定位系统来检测路口的车流量从而实现交通灯的智能控制即根据路口的车流量来控制交通，这种方法虽说能很大程度上缓解交通压力，但以目前的经济条件还不能完全实现。
那么，我觉得最经济最实用的做法就是根据现今路口的实际车流量来确定好放行时间，本论文就是通过对路口车流量的实际考察然后确定最优循环时间，运用PLC原理来完成多交通灯的最优控制。
而且，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。
在工业控制和自动控制的PLC应用系统中，PLC具有很强的抗干扰性，PLC往往是作为一个核心部件来使用。
第二章PLC的基础知识
2.1PLC的由来
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
在19世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。
当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。
随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。
为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：
1．编程方便，现场可修改程序；
2．维修方便，采用模块化结构；
3．可靠性高于继电器控制装置；
4．体积小于继电器控制装置；
5．数据可直接送入管理计算机；
6．成本可与继电器控制装置竞争；
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，接触器等；
9．在扩展时，原系统只要很小变更；
10．用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。
这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。
1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。
1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制。
于1977年开始工业应用。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
2.2PLC的结构
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。
如图2-1所示：
2.3PLC的特点和功能
2.3.1PLC的特点
（1）高可靠性
PLC的高可靠性主要表现在以下几个方面：
1）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；
2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms；
3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；
4）采用性能优良的开关电源，对采用的器件进行严格的筛选；
5）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；
6）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。
（2）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，为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
（3）采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，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。
（4）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。
（5）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。
2.3.2PLC的功能
（1）逻辑控制
（2）定时控制
（3）计数控制
（4）步进（顺序）控制
（5）PID控制
（6）数据控制：
PLC具有数据处理能力。
（7）通信和联网
（8）其它：
PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：
定位控制模块，CRT模块。
2.4可编程控制器的分类、应用及发展
2.4.1可编程控制器的分类
（1）小型PLC
小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。
它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。
（2）中型PLC
中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。
I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。
它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
（3）大型PLC
一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。
大型PLC的软、硬件功能极强。
具有极强的自诊断功能。
通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。
大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。
PLC可以分为整体式和模块式两种
2.4.2可编程控制器的应用
PLC广泛应用于机械制造、石化、冶炼、电力、轻纺、汽车、交通及各种机电产品的生产中。
典型的应用有：
顺序控制、过程控制、数据处理、联网、显示打印。
2.4.3可编程控制器的发展方向
（1）向体积更小、速度更快的方向发展
微电子技术及电子电路装配工艺的不断改进，都会使PLC的体积更加小，以便于嵌入到任何小型的机器和设备之中。
（2）向大型化、高可靠性及多功能方面发展
大型PLC向着容量大、智能高、通信功能强的方向发展。
对于大规模、复杂系统进行综合自动控制的PLC，大多已采用多CPU的结构，有闭环控制的PID模块、模拟量的模糊控制，自适应、参数自整定功能。
（3）与其他工业控制产品的结合
在大型自动控制系统中计算机和PLC在应用功能方面互相融合、互补、渗透，使控制系统的性价比不断提高。
2.5PLC的工作原理
2.5.1工作原理
图2-2PLC原理图
PLC是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出和内部控制电路三部分，如图3-1所示。
（1）输入部分
这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。
输入接线端是PLC与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。
每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供（如直流24V），也可由独立的交流电源（如交流110V）供给。
每个输入继电器可以有无穷多个内部触点，供设计PLC控制程序时使用。
（2）内部控制电路
这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。
内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。
PLC程序一般用梯形图形式表示。
梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，PIC程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。
在PLC内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及动合、动断触点只能在PLC内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。
（3）输出部分
这部分的作用是驱动外部负载。
在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器（有继电器、双向硅、晶体管三种形式），它也有无限多软件实现的动合、动断触点，可在PLC内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载；如图3-1所示。
外部负载的驱动电源接在输出公共端（COM）上。
2.5.2PLC的工作过程
PLC一般采用循环扫描方式工作。
当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括清除I／O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。
开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段。
（1）公共处理阶段
这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查I／O总线、检查扫描时间等。
如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。
（2）执行外围设备命令阶段
当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与PLC相连时，则PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。
（3）程序执行阶段
在这个阶段，CPU将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据（输入和输出的状态）进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。
（4）输入、输出更新阶段
PLC的CPU在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。
CPU对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。
这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是PLC工作的重要特点。
2.6PLC系统设计的一般步骤
如图2-3流程所示，PLC控制系统设计的一般步骤可以分为：
（1）根据生产过程分析控制要求，对于复杂的控制系统，需要绘制系统控制流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件，对于简单的系统可以省去这步；
（2）根据控制要求确定所需要的输入、输出设备。
据此确定PLC的I/O点数；
（3）选择PLC的机型及其容量。
选型十规模要适当，功能相当，结构紧凑，考虑负载能力及其环境因数；
（4）定义输入、输出点名称，分配PLC的I/O点，设计I/O连接图；
（5）根据PLC所要完成的任务及其应该具备的功能，进行PLC程序设计，同时进行控制台的设计和现场施工。
图2-3PLC系统设计步骤
2.7PLC硬件系统设计方法
2.7.1应用系统总体方案设计
1．PLC控制系统类型
（1）由PLC构成的单机控制系统。
（2）由PLC构成的集中控制系统。
（3）由PLC构成的分布式控制系统。
（4）用PLC构成远程I／0控制系统。
2．系统的运行方式
（1）手动运行方式。
（2）半自动运行方式。
（3）自动运行方式。
2.7.2系统硬件设计根据
1．工艺要求
2．设备状况
3．控制功能
4．I／0点数和种类
5．系统的先进性
2.7.3可编程序控制器的机型选择
1．CPU的功能
2．I/0点数
3．响应速度
4．指令系统
5．机型选择的其他考虑
2.7.4输入/输出模板的选择
1．数字量输入模块的选择
2．数字量输出模块的选择
3．模拟量模块的选择
4．智能I／0模块的应用选择
2.7.5系统硬件设计文件
1．系统硬件配置图
2．模块统计表
3．I／0硬件接口图及I／0地址表
2.7.6系统供电设计
1．供电系统的保护措施
2．电源模块的选择
4．I／0模块供电电源设计
5．系统接地设计
6．可编程序控制器供电系统设计
7．电缆设计和敷设
第三章PLC编程软件CX-Programmer的使用简介
本设计主要涉及的是软件CX-Programmer的编程应用以及与外接设备的模拟仿真，CX-Programmer是OMRON公司新的编程软件，适用于C、CV、CS1系列PLC，它可完成用户程序的建立、编辑、检查、调试以及监控，同时还具有完善的维护等功能，使得程序的开发及系统的维护更为简单、快捷。
3.1CX-P编程软件的主要功能
CX-P编程软件可以实现梯形图或语句表的编程、编译检查程序、程序和数据的上载及下载、设置PLC的设定区、对PLC的运行状态或内存数据进行监控和测试、打印程序清单、文档管理等功能。
CX-P编程软件界面的外观如图3-1所示。
编程界面包括标题栏、菜单条、工具条、状态栏以及5个窗口（可用“视图”菜单中的“窗口”项来选择显示窗口）
图3-1CX-P编程软件界面
3.2CX-P编程软件的使用：
用CX-P编程软件编制用户程序可按以下步骤进行：
启动CX-P软件、建立新工程文件、绘制梯形图、编译程序、下载程序和监视程序运行等。
3.2.1绘制梯形图
本设计的关键在于运用CX-P编程软件绘制梯形图。
下面简要说明使用CX-P软件编写梯形图的过程。
（1）先用鼠标选取工具条中的“常开触点”按钮，然后在如图B-4所示的梯形图编辑窗口中，单击第一条指令行的开始位置，将弹出如图3-2所示的新接点对话框，输入图中的各项内容后，按“确定”键。
图3-2“输入常开触点”窗口
（2）图3-3显示第一个触点已经输入到第一行的起始位置。
触点的上方是该常开触点的名称和地址，下方是注释。
触点左侧的红色标记表示该触点所在的指令条存在逻辑错误或者不完整。
图3-4显示常开触点
如果想改变触点的显示方式，可利用“工具”菜单中的“选项”命令来实现。
图3-5“选项”窗口（梯形图信息）
（3）若要在第一个触点的右边串接一个常闭触点，可先用鼠标选取工具条中的“常闭触点”按钮，然后单击第一个触点的右边位置，在弹出的对话框中输入相应的内容，完成第二个触点的输入。
（4）若要在第一行的最后输入一个线圈，可用鼠标选取工具条中的“新线圈”按钮，然后按照上述的方法完成线圈的输入。
当光标离开线圈时，软件会自动将该线圈调整到紧靠右母线的位置，如图3-6所示。
当线圈输入完毕后，第一个触点左侧的红色
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