基于PLC的十字路口红绿灯控制系统设计

XXXX 大学 课 程 设 计 说 明 书 学生姓名： 学 号： 学 院： 专 业： 题 目： 基于 PLC 的十字路口红绿灯控制系统设计 指导教师： 职称 : 职称 : 20*年 *月 5 日 摘要 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。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一， PLC、机器人、 CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于 PLC 具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行 精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将 PLC 应用于交通灯系统中。 同时， PLC 本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。在实时检测和自动控制的 PLC 应用系统中， PLC 往往是作为一个核心部件来使用，仅 PLC 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。十分形象地显示出了 PLC 在交通灯系统中的实际应用。 本次 课程 设计用三菱 FX2N 的可编程控制器控制十字路口信号灯来说明可编程 控制器硬件、软件的设计。为十字路口交通灯控制提供可靠的保障，使交通有序、安全、快捷运行的重要环节。 关键词： PLC； 三菱 FX2N；交通灯。 Abstract In recent years, with the rapid development of science and technology, the application of PLC is continuously to the deepening, and push the traditional control test on the new beneficial update. It is simple in structure, convenient programming and high reliability etc, are widely used in industrial process and the location of the automatic control. According to the statistics, the programmable controller is used in the industrial automation devices a kind of most equipment. Experts think, programmable controller will be the major means of industrial control and important basic equipment is one of PLC, robots, CAD/CAM will become industrial production the three pillars. Due to the use of PLC has the characteristics of strong adaptability to the environment, and the internal timer is very rich in resources, but the current widely used progressive precise control signal, especially for much of the fork in the control can be realized. So now more and more will PLC in the traffic light system. At the same time, PLC itself also has communication networking function, will be the same path of light a LAN unified dispatching management, can shorten the traffic waiting time, realize scientific management. In real time detection and automatic control of PLC application system, the PLC is often as a core component to use, only PLC aspects knowledge is not enough, should according to the specific hardware structure, and the view of the specific application of the characteristics of the object software combines, perfect. Very image to show that the PLC in the traffic light system in the practical application. This course design with Mitsubishi FX2N programmable controller intersection control signal to illustrate programmable controller hardware, software design.For crossing traffic control provided the reliable safeguard, make traffic orderly and safe, efficient operation of the link. Keywords: PLC； Mitsubishi FX2N； The traffic lights 目录 一、 交通灯简介 . 1 1.1 plc 交通灯的作用 . 1 2.2 plc 交通灯的发展前景 . 1 二、 PLC 简介 . 2 1.1 PLC 发展过程 . 2 2.2 PLC 的构成 . 3 1. 输入寄存器 . 3 图 2-1 PLC 的组成 . 3 2. 输出寄存器 . 3 3. 存储器 . 3 4. CPU 单元 . 3 5. 其它接口单元 . 4 2.3 PLC 的运用领域 . 4 三、 交通灯 plc 程序设计 . 5 3.1 交通灯程序设计任务 . 5 3.2 plc 的选型 . 5 3.3 I/O 口的地址分配 . 6 3.4 PLC 的电路连接图 . 1 3.5 交通灯的顺序功能图 . 8 3.6 指令表的编辑 . 9 3.7 软件仿真出梯形图 . 13 3.8 程序的现场调试 . 31 四、 总结 . 32 1 一、 交通灯简介 1.1 plc 交通灯的作用 随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。交通问题不仅的发展中国家，就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。因此，不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。 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。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。可编程序控制器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。 2.2 plc 交通灯的发展前景 随着城市机动车量的不断增加，许多大城市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澎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藕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，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵2 状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。 所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。 PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用 PLC 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 . 二、 PLC 简介 1.1 PLC 发展过程 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入 PLC 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。 PLC的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最 终步（通常为 END 指令），然后再返回起始步循环运算。 PLC 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间。 PLC 用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理， 16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。 在工业自动化领域，可编程控制器 (PLC)作为自动控制的三大技术支柱（ PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为 大多数自动化系统的设备基础。由于综合了计算机和自动化技术，使它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了 PLC 的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业 3 2.2PLC 的构成 如图所示， PLC 与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了 I/O 功能的可与控制对象方便连接的 计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行 I O 变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。 1. 输入寄存器 输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。 CPU 可以读其值，但不可以写或进行修改。 图 2-1 PLC 的组成 2. 输出寄存器 输出寄存器的每一位都表明了 PLC 在下一个时间段的输出值 ,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值 ,表明的是上一时间段的真实输出值。在程序执行过程中 ,CPU 可以读其值 ,并作为条件参加控制 ,还可以修改其 值 ,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。 3. 存储器 存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改， PLC 要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源， I/O 寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。 4. CPU 单元 CPU 单元控制着 I O 寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工 作，是 PLC 的大脑。 4 5. 其它接口单元 其它接口单元用于提供 PLC 与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。 2.3 PLC 的运用领域 近年来 PLC 的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、造纸、纺织、等行业。 PLC的应用通常可分为五种类型。 顺序控制这是 PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。 PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线及电梯控制等。 运动控制 PLC制造商目 前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下， PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。 闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数，如温度、速度和流量等。一个具有 PID控制能力的 PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时， PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。 数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的 PLC和计算机数值控制（ CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本 FANUC公司推出的 Systen10、 11、 12系 列，已将 CNC控制功能作为 PLC的一部分。为了实现 PLC和 CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由 PLC送至 CNC设备使用。 通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（ FA）系统、柔性制造系统（ FMS）及集散控制系统（ DCS）等发展的需要，必须发展 PLC 之间， PLC 和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅 PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。 5 三、 交通灯 plc 程序设计 3.1 交通灯程序设计任务 本次课程设计任务是实现 十字路口的红路灯设计。十字路口为双向三车道的一个十字路口，每一个路口有各有 9 个灯，三个红灯，三个黄灯，三个绿灯，分别控制直行，左转，右转的行驶和停止。据观察得出器南北车流量明显大于东西方向的车流量。所以在设计交通灯时，南北方向的绿灯要比东西方向的绿灯要久。交通灯中当绿灯变换时会有相应的闪烁，且有绿灯变为黄灯在变为红灯，此举也是为了方便司机判断。根据车流量的大小设计出一个符合交通情况的交通灯。交通灯的控制程序有三菱的 plc 程序控制，并完成 plc 控制程序和接线图。 3.2 plc 的选型 由于本次设计的交通灯 控制数目共有三十六个，所以需要三十六个输出口。所以本文选用三菱系列的 FX2N-128。 FX2N 系列拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点， FX2N 是从 16 到 256 路输入 /输出的多种应用的选择方案。价格便宜，功能齐全，比起其他 PLC 有着速度、逻辑、定位等优越之处。安装简单，维修方便。 FX2N-128 的I/O 总数 64，输入 /输出各 64 个，输入类型为漏型，输出类型为继电器或晶体管。 FX2N 通过储存的程序周期运转。 PLC 作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制 造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入 /输出接口，并且具有较强的驱动能力 ；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算 ,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程 ；它采用模块化结构，编程简单，维修方便。 6 3.3 I/O 口的地址分配 红 Y21 Y22 Y23 黄 Y11 Y12 Y13 绿 Y1 Y2 Y3 红黄绿绿黄红 Y51 Y41 Y31 Y34 Y44 Y54 Y52 Y42 Y32 Y35 Y45 Y55 Y53 Y43 Y33 Y36 Y46 Y56 绿 Y4 Y5 Y6 黄 Y14 Y15 Y16 红 Y24 Y25 Y26 由图可知道本次控制的交通灯中各个灯数目共为 36 个，成东西南北，每一个方向有九盏灯。每一排有三盏灯，控制着左转，直行，右转的行驶车辆。每个方向又有三排为绿灯、黄灯、红灯，分别控制者通行、提示、停止等信号。 本文中选用的 plc 为 FX2N-128，共有 64 个输出接口，也符合我们本次设计。 7 PLC X0 启动开关 北面 Y01 绿灯 Y02 Y03 南面 Y04 绿灯 Y05 Y06 北面 Y11 黄灯 Y12 Y13 南面 Y14 黄灯 Y15 Y16 北面 Y21 红灯 Y22 Y23 南面 Y24 红灯 Y25 Y26 西面 Y31 绿灯 Y32 Y33 东面 Y34 绿灯 Y35 Y36 西面 Y41 黄灯 Y42 Y43 东面 Y44 黄灯 Y45 Y46 西面 Y51 红灯 Y52 Y53 东面 Y54 红灯 Y55 Y56 24+ 公共接地 COM 3.4 PLC 的电路连接图 8 S20111 S212111 S222111 S232111 S242111 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 S33 S34 S35 S36 S37 S38 S39 S39 3.5 交通灯的顺序功能图 X0 T1 T2 T3 C0*T4 C0*T4 T5 T6 T7 C1*T8 C1*T8 T9 T20 Y02 Y04 Y21 Y03 Y05 Y06 T1 K200 Y51 Y52 Y53 Y54 Y55 Y56 Y31 Y32 Y35 Y36 Y53 Y54 T11 K200 Y01 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 T2 K50 Y53 Y54 T12 K5 Y01 Y06 T3 K5 Y31 Y32 Y35 Y36 Y53 Y54 T13 K5 C2 K5 Y01 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 T4 K5 C0 K5 Y41 Y42 Y53 Y54 Y45 Y46 T14 K30 Y01 Y12 Y13 Y14 Y15 Y06 T5 K30 Y51 Y52 Y53 Y54 Y55 Y56 T15 K30 Y01 Y22 Y23 Y06 Y24 Y25 T6 K80 Y33 Y34 Y51 Y52 Y55 Y56 T16 K150 Y51 Y52 Y55 Y56 T17 K5 Y22 Y23 Y24 Y25 T7 K5 Y01 Y22 Y23 Y24 Y25 Y06 T8 K5 C1 K5 Y33 Y34 Y51 Y52 Y55 Y56 T18 K5 C3 K5 Y43 Y51 Y52 Y44 Y55 Y56 T19 K30 Y11 Y22 Y23 Y06 Y24 Y25 T9 K30 Y21 Y22 Y23 Y24 Y25 Y26 T10 K50 RET CO, C1 Y51 Y52 Y53 Y54 Y55 Y56 T20 K50 RET C2, C3 S0 9 3.6 指令表的编辑 根据顺序功能图把指令表编辑，指令表如下图所示。 10 11 12 13 3.7 软件仿真出梯形图 本次课程设计的交通灯程序