基于PLC控制的交通灯设计.docx
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基于PLC控制的交通灯设计
毕业论文
基于PLC控制的交通灯设计
学号
学院机电工程学院
专业电气自动化
导师
时间2013年月日
摘要...................................................I
1、前言................................................1
2、PLC简介.............................................1
（1）PLC的定义.....................................1
（2）PLC的特点.....................................1
（三）PLC的构成.....................................2
（四）PLC的工作原理及过程...........................5
（五）PLC的发展及应用领域...........................6
3、交通灯信号控制系统...................................8
（1）十字路口交通灯控制实际情况.....................8
（2）红绿灯变化顺序表...............................11
（三）交通灯模拟控制波形图...........................11
四、可编程控制器程序设计.................................11
（一）可编程序控制器选择.............................11
（二）输入/输出模板的选择............................12
（三）可编程控制器I/O分配口.........................12
（四）程序功能图与梯形图.............................12
（五）PLC接线图.....................................18
五、监控系统软件设计.....................................19
（一）组态软件简介...................................19
（二）基于MCGS的交通灯监控设计......................21
（三）MCGS组态的过程................................22
6、总结.................................................23
（1）难点分析......................................24
（2）系统调试与修改................................24
（3）PLC控制交通灯的方法...........................26
（4）收获与感悟....................................26
参考文献.................................................28
致.....................................................29
基于PLC控制的交通灯设计
王香玉
摘要
交通灯的出现，使交通得以有效管理，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。
随着社会经济的发展，机动车车辆的不断增加，许多城市出现了交通超负荷运行状况，城市交通问题越来越引起人们的关注。
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。
然而，随着交通数量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，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。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度的利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道，城区与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最亟待解决的重要问题，
关键词:
PLC可编程控制器、交通型号灯、可靠性高。
ThedesignoftrafficlightcontrolbasedonPLC
Wangxiangyu
Abstract
Thetrafficlights,sothattrafficcanbeeffectivecontrol,foreasetrafficflow,improvetheroadcapacity,theeffectofsignificantlyreducingtrafficaccidents.Inordertoachievetrafficmanagement,andstrivetoadvancedtrafficmanagement,scientific.Withthecontrolsystemoftrafficlightstoachievethecontroloftheprogrammablecontroller,andthesystemsoftwareandhardwaredesign,theexperimentprovesthatthesystemissimple,economic,effectiveineasingtrafficcongestion,improvetrafficintersectiontrafficcapacity.Toanalyzethecurrentsituationandproblemsofmoderncitytrafficcontrolandmanagement,combinedwiththetrafficsituationillustratestheworkingprincipleoftrafficlightcontrolsystem,givesasimpleandpracticalcitytrafficlightcontrolsystem
PLCdesign.Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,theincreasingofmotorvehicle,theoverloadoftrafficconditionoccursinmanycity,citytrafficproblemscausedbymoreandmorepeople'sattention.Trafficsignalcontrolandtrafficmanagementcomputersystem,itisthemostimportantpartofthemoderncitytrafficmonitoringandcommand.However,withtherapidgrowthoftrafficvolumeandlackofsystemresearchonhighspeedroadandcontrol,coordination,car,roadthreerelations,hasbecomeoneoftheimportantproblemsoftrafficmanagementdepartmentstosolvethe.So,howtousetheappropriatecontrolmethod,highspeedroadcitymaximumutilizationofcostlytobuild,easethemainroadandtheramp,thecityandsurroundingareasoftrafficcongestion,hasbecomeamoreandmoreimportantissuedepartmentoftransportationmanagementandcityplanningisthemosturgent,
Keywords:
PLCprogrammablecontroller,traffictypelamp,highreliability.
前言
交通问题是我国社会经济发展的一个大问题，我国由于人口众多、又是发展中国家、又处于现代化建设阶段、等一连串国情都将使这个问题日益突出。
交通是否便捷是衡量一个城市生活水平与投资环境的重要指标。
目前，我国许多大城市都在考虑建设地铁或高铁以缓解交通压力。
但是，建设地铁或高铁都需要大量的资金与时间，这对大多数中小城市都是不能实现的。
而且随着我国人民生活水平的不断提高，城市化的推进和私家车数量的猛增，交通道路拥堵现象越来越严
重。
所以，改善与提高现有的交通系统已成为当务之急，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。
目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法、应用单片机实现对交通信号灯设计的方法等，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。
我分析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PLC交通灯控制系统的工作原理，做出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。
二、PLC简介
（一）PLC的定义
“可编程序控制器（简称PLC）是一种数字运算操作的系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时等操作指令，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。
”
（二）PLC的特点
PLC具有以下主要特点：
1.可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
由于PLC模块均采用大规模与超大规模集成电路，所以的I/O接口
电路均采用光电隔离;在结构上对、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑;在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施;在软件上采用数字滤波等抗干扰
1
和故障诊断措施。
以上这些使PLC具有较高的抗干扰能力。
2.控制系统结构简单，通用性强
在PLC控制系统中，只需要在PLC/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路，大大简化了控制系统的结构。
PLC的输入/输出可直接与交流220V、直流24V等强电相连，并且具有较强的带负载能力。
3.编程方便，易于使用,易懂
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.采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便
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。
在PLC部具备许多控制功能，如：
逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PID控制、数据控制、通信和联网，还有其他特殊功能模块。
5.设计、施工、调试的周期短
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。
6.体积小，维护操作方便,安装简便
PLC体积小，质量轻，便于安装，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。
（三）PLC的构成
可编程控制器的基本组成可以分为两大部分，即硬件系统和软件系统。
硬件系统包括：
中央处理单元、存储器、输入输出单元、电源编程器以及其
他设备。
其中，中央处理单元是可编程控制器的核心部件，可以接受并存储用户程序和数据;检查并校正用户程序;接受、调用现场信息执行用户程序;诊断故障等。
此外，PLC常配开关式稳压电源为部电源供电。
编程器用于用户程序的
2
输入、编辑、调试和监视，可以通过其键盘调用和显示PLC的一些部继电器状态和系统参数。
软件系统分为：
系统程序和用户程序。
系统程序通常可包含3个部分：
系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块和系统调用。
用户程序是指用户根据自己的控制需求编写的程序。
可编程控制器通常使用梯形图语言、指令语句表、逻辑功能图、顺序功能图以及高级语言进行编程。
PLC的基本结构框图如下：
PLC基本构成
在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。
PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、
电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
1.中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）一般由控制器运算器和寄存器组成。
它们都集成在一个芯
片，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路
相连接。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的
功能指挥PLC有条不序地进行工作。
用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC
处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务如下：
（1）按系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。
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（2）用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或
数据寄存器。
（3）诊断电源或PLC部电路工作状态和编程过程中的语法错误。
（4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释
后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去
执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。
完成用户程序中规定的逻辑
运算或算术运算等任务。
根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器
的容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。
2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。
（1）系统存储器
系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。
它由PLC生产厂家编写并固化在ROM，用户不能直接更改。
它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC
设计者规定的各项工作。
其主要容包括3个部分：
系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。
（2）用户存储器
用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是
用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。
PLC使用的存储器有3种类型：
随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和可擦除可编程只读存储器（EEPRO）。
3.输入/输出接口单元
PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出接
口单元从广义上可分为2个部分：
一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一
部分是输入和输出的映像寄存器。
4.扩展接口和通信接口
PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：
（1）扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。
（2）通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。
5.电源部分
PLC一般使用220交流电源，部的开关电源位PLC的中央处理器、存储器
等。
电路提供5V、+-12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。
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6.编程设备
编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
7.其他部件
有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强
PLC的存储容量和扩展功能。
（四）PLC的工作原理及过程
PLC控制系统的等效工作电路可分为三部分，即输入电路、部控制电路和输出电路。
输入电路用来采集输入信号，输出电路是系统的执行部件，部控制电路是通过编程方法实现控制逻辑，用软件编程实现继电器电路的功能。
它们的组成如下：
（1）输入电路：
由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。
（2）部控制电路：
由用户程序形成的用软继电器来代替硬集电器的控制逻辑。
（3）输出电路:
由在PLC部且与部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。
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。
如图：
PLC的工作过程
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（五）PLC的发展及应用领域
1.PLC的发展
（1）PLC的发展历程
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一
代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）,现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC
的定义有许多种。
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：
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编程。
它采用可编程控制器的存贮器，用来在其部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体易于扩充其功能的原则编程。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，
年增长率一直保持为30~40%。
在这期间，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中得地位，在可预见的将来，是无法取代的。
（2）PLC的未来展望
PLC的发展方向早期的传统工业控制中，继电器的控制占主导地位。
它以其操作方便和价格便宜等优点得到的广泛的应用。
但继电器控制有其先天性的缺点：
灵活性差；接线复杂；适应性差；维修困难；可靠性低；体积大，不易实现机电一体化等。
PLC是生产力发展的必然产物。
20世纪60年代，美国的汽车制造工业竞争激烈，产品更新换代的周期越来越短，自然，人们对控制装置提出了更高的要求。
首先提出PLC概念的是美国最大的汽车制造厂家--通用汽车公司。
1969年美国数字设备公司研制出世界上第一台PLC，并美国通用公司的汽车自动装配生产线上试用获得成功。
经过几十年的迅速发展，PLC的功能越来越强大，应用围也越来越广，已遍及电力、机械、化学、建材、交通等各个领域，形成了能够满足各种需求的PLC应用系统。
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用
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于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
随着市场的需求不断提高，PLC发展的趋势逐渐一下几方面靠近：
（1）向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展
（2）过程控制功能的不断加强
（3）大力开发智能型I/O模块
（4）与个人计算机日益紧密结合
（5）编程语言趋向标准化
（6）通信与联网能力不断加强
2.PLC的应用领域
目前，PLC在国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、保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几类：
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。
如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程中，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PLC能处理模拟信号，PLC厂家生产有配套的A/D、
D/A转换模块，使PLC可用于模拟量控制。
（3）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，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在可使用专门的运动控制模
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块。
广泛的运用于各种机床、机械、机器人、电器等场合。
（4）过程控制
这是对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
PLC能编制各种控制算法程序，完成闭环控制。
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