PLC 控制交通红绿灯.docx

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PLC控制交通红绿灯

目录

摘要………………………………………………………………………2

第一章绪论……………………………………………………………3

1.1交通信号灯的作用与研究意义……………………………………3

1.2PLC的产生与发展…………………………………………………4

1.3PLC的发展趋势……………………………………………………7

1.4PLC的定义特点和分类……………………………………………8

1.5PLC的控制功能及应用领域………………………………………9

第二章系统方案的设计………………………………………………11

2.1设计要求……………………………………………………………11

2.2设计设备……………………………………………………………11

2.3交通信号灯的控制输出端口分配…………………………………12

2.4系统的梯形图指令及接线…………………………………………12

2.5程序运行……………………………………………………………13

2.6交通灯控制时序图…………………………………………………14

第三章设计总结………………………………………………………15

参考文献………………………………………………………………17

内容摘要

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。

尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，现在，交通控制更是趋向智能化方向发展，LED交通信号灯在持续发光、雨淋、灰尘等恶劣的气候条件下，仍然能保持较好的工作性能，而且价格更低廉。

本文主要通过西门子PLC控制交通红绿灯。

这次设计首先介绍了可编程控制器的产生、现状和发展趋势，以OMRON系列为主要设计内容，介绍了可编程控制器的组成、工作原理、基本指令和编程及I/O地址运行，前一阶段我们主要学习了OMRON系列实验的基本操作，如：

与或非、定时控制、顺序控制、电机正反转以及星三角起动等等，通过这些学习使我对PLC有了更深刻的认识。

关键词：

智能化自动化西门子PLC交通控制

第一章绪论

1.1交通信号灯的作用与研究意义

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系统中最重要的组成部分。

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。

所以，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。

根据交通灯工艺控制要求与特点，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）对十字路口交通控制灯实现控制。

本系统采用PLC是基于以下四个原因：

①PLC具有很高可靠性，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④够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；

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。

1.2可编程控制器的产生与发展

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（ProgrammableLogicController）。

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。

自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。

目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位。

著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（GeneralElectric）公司，日本的三菱电机（MitsubishiElectric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的AEG公司、西门子（Siemens）公司，法国的TE（Telemecanique）公司等。

我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。

在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。

此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益，PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。

目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。

从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。

PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。

1.3PLC的发展趋势

1．向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。

目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。

PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。

在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。

为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

2．向超大型、超小型两个方向发展当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。

现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。

小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。

3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。

这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。

加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。

PLC的联网通信有两类：

一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。

为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。

4．增强外部故障的检测与处理能力根据统计资料表明：

在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。

前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。

因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

5．编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

1．4PLC的定义特点和分类

1.4.1可编程控制器的定义

可编程控制器在不断地发展，1980年美国电气制造商协会正式将其命名为可编程控制器。

简称PC，其定义为：

“PC是种数字式的电子装置，他使用可编程序的存储器以及存储指令，能够完成逻辑、顺序、定时、计算及算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种机械或生产过程。

”可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

国际电工委员会在1987年颁布的可编程控制器进一步定义为：

“可编程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”。

由此可见，可编程控制器是“数字运算的电子系统”，属于“专为工业环境下应用而设计”的工业控制计算机产品。

1.4.2可编程控制器的特点

可编程控制器具有许多明显的特点，其中最主要的有以下几点：

1）可靠性高，抗干扰能力强

2）编程简单易学

3）功能完善，适应性强

4）使用简单，调试维修方便

5）体积小、重量轻、功耗低

1.4.3PLC的分类

目前，国内外PLC的生产厂家和种类很多，分类方法也不同。

这些分界线不是一成不变的，它是随着PLC的发展而变化的如：

按结构形式分类：

PLC可分为整体式和模块式

按功能、点数分类：

有大型PLC、中型PLC、小型PLC

按控制性能分类：

有低档机、中挡机、高档机

1.5PLC的控制功能及应用领域

 1.5.1可编程控制器的主要功能

可编程控制器有丰富的功能指令和功能模块，主要功能有：

逻辑运算和定时计数功能—开关量控制功能、数据处理和数字量与模拟量的转换功能—模拟量控制功能、数据发送和接收功能—通信功能、中断处理功能、监视和自诊断功能、扩展功能。

1.5.2可编程控制器的应用领域

　目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

开关量的逻辑控制

　　这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

模拟量控制

　　在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

运动控制

　　PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

过程控制

　　过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

数据处理

　　现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便

第二章城市实际生活中的应用

左转弯十字路口交通灯控制程序设计

2.1设计要求：

1、南北主干道左拐弯为25秒，转为绿灯再直行45秒，再转黄灯，3秒后转红灯。

2、东西支干道左拐弯为20秒，转为绿灯再直行40秒，再转黄灯，3秒后转红灯。

3、要求控制电路一直循环运行。

十字路口交通信号灯示意图

2.2设计设备

1、可编程控制器一台；

2、（OMRON）EL—PLC—Ⅲ实验箱一台；

3、装有编程软件和使用软件的计算机一台；

4、电缆线和电源线各一根；

5、连接小插孔线若干根

2.3交通信号灯控制输出端口分配

南北主干道

东西支干道

红灯

10.03

10.06

黄灯

10.02

10.05

绿灯

10.01

10.04

左拐弯

10.08

10.07

2.4系统梯形图指令及接线

如图所示

指令:

LD0.00

OR10.00

OUT10.00

LD10.00

ANDNOTTIM003

TIM004#60

LDTIM004

ANDNOTTIM003

TIM000#80

LDTIM000

TIM001#30

LDTIM001

TIM005#60

LDTIM005

TIM002#120

LDTIM002

TIM003#30

LDTIM005

ANDNOTTIM002

OUT1001

LDTIM002

OUT1002

LDNOTTIM001

AND10.00

OUT10.03

LDNOTTIM000

AND10.00

ANDTIM004

OUT10.04

LDTIM000

ANDNOTTIM001

OUT10.05

LDTIM001

OUT10.06

LD10.03

ANDNOTTIM004

OUT10.07

LD10.06

ANDNOTTIM005

OUT10.08

END（01）

接线：

PLC输入0.00—交通灯控制启动按钮；

1M——接24V；

PLC输出10.08—交通灯控制插孔TL8（南北方向左拐弯灯）；

10.01—交通灯控制插孔TL3（南北方向绿灯）；

10.02—交通灯控制插孔TL2（南北方向黄灯）；

10.03—交通灯控制插孔TL1（南北方向红灯）；

10.07—交通灯控制插孔TL7（东西方向左拐弯灯）；

10.04—交通灯控制插孔TL6（东西方向绿灯）；

10.05—交通灯控制插孔TL5（东西方向黄灯）；

10.06—交通灯控制插孔TL4（东西方向红灯）；

1L——接GND；

2L——接GND；

2.5程序运行：

按下启动按钮0.00线圈10.00通电自锁，10.00线圈辅助触头闭合，定时器TIM004通电，以及线圈1003通电，南北主干道亮红灯，同时，10.03线圈辅助触头闭合，10.07线圈也闭合。

东西支干道为左拐弯。

经20秒后，定时器TIM004动作，辅助常开触头闭合，辅助常闭触头断开，10.07线圈断电，10.04线圈通电，东西道亮绿灯，同时TIM000线圈通电。

经40秒后，TIM000动作，辅助常开触头闭合，辅助常闭触头断开，TIM001定时器通电，10.04线圈断电，10.05线圈通电。

东西道亮黄灯，南北主干道仍为红灯。

经3秒后，TIM001定时器动作，辅助常开触头闭合，辅助常闭触头断开，即TIM005定时器通电，10.03线圈断电，10.05线圈断电，10.06线圈通电，东西道亮红灯，同时，10.06线圈通电辅助常开触头闭合，10.08线圈通电，南北主干道左拐弯。

经25秒后，TIM005定时器动作，辅助常开触头闭合，辅助常闭触头断开，即TIM002定时器通电，10.01线圈通电，10.08线圈断电，南北主干道亮绿灯，东西支干道仍为红灯。

经45秒后，TIM002定时器动作，辅助常开触头闭合，辅助常闭触头断开，即TIM003定时器通电，10.01线圈断电，10.02线圈通电，南北道亮黄灯。

经3秒后，TIM003定时器动作，辅助常闭触头断开，即TIM004定时器，TIM000定时器同时断电，其辅助触头回归原位，10.03线圈通电，同时10.07线圈通电，10.06线圈断电。

此时，东西主干道亮红灯，南北道为左拐弯,程序执行完一个周期进入下一个周期。

在定时器的作用下，控制电路会一直循环下去，以保证道路能有序的过往着车辆和行人。

2.6交通灯控制时序图：