十字路口交通信号灯plc控制系统设计与调试毕业论文.doc

江西工业工程职业技术学院毕 业 论 文 题 目 十字路口交通灯信号PLC控制系统设计与调试 学生姓名 指导教师 院 系 电子工程系 专 业 电气自动化 级 别 专科江西工业职业技术学院2014年 12月 1日摘要当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。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。交通信号灯主要是以PLC来实现控制导航的，PLC以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活,而且结构简单，抗干扰能力强。本设计是用PLC来实现对十字路口交通信号灯的控制，其控制方法是采用西门子的S7-200系列CPU224型号PLC对东西南北的红、黄、绿、左绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。控制过程中采用了顺序控制设计法用了八个定时器六个计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制。控制程序包括有顺序功能图（SFC）、梯形图(LAD)、指令表(STL)等。关键词 PLC，交通控制，自动化， S7-200，交通信号灯，顺序功能图，梯形图，仿真调试，自动控制。- -目录摘要I目录I第一章 绪论11.1 课题介绍及研究意义11.2 相近研究课题的特点及优缺点分析11.3现行研究存在的问题及解决办法21.4 本论文的目的及工作内容31.5 PLC的简介31.6 PLC的用途与特点4第二章 系统方案设计72.1 研究设计中要解决的问题72.2 方案原理分析72.2.1 功能要求72.2.2性能要求82.3可行性研究92.3.1 要解决的问题的可行性分析及复杂性分析92.3.2具体实现中采用的关键技术102.3.3 经济可行性分析122.3.4 设计任务和内容132.3.5 控制系统设计概要13第三章 十字路口交通信号灯的具体设计153.1 十字路口交通信号灯的控制要求153.3 PLC硬件控制电路设计173.5 详述控制系统的实现方法203.6 检测与调试223.6.1 调试中遇到的问题223.6.2 问题的分析与解决方案23第四章 结论254.1 心得254.2难点分析25 参考文献26第一章 绪论1.1 课题介绍及研究意义可变程序控制器（PLC）是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自60年代问世以来，PLC得到了突飞猛进的发展，尤其在数据处理、网络通信及与DCS等集散系统融合方面有了很大的进展，可变程序控制器已经成为工业自动化强有力的工具，得到了广泛的普及和推广应用。城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率来设计的。但是交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。靠什么来实现这井然秩序呢?靠的是交通信号灯的自动指挥系统。那么控制系统是如何实现红、绿、黄三种颜色信号灯有条不紊工作的呢?交通信号灯控制方式很多，可以用电子电路来实现，也可以用单片机编程控制来实现。本文主要介绍如何利用PLC来实现十字路口交通灯的控制。1.2 相近研究课题的特点及优缺点分析城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。智能交通系统将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一点是共同的:智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用。从各国的发展来看，智能交通系统能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经济效益。它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。1.3现行研究存在的问题及解决办法俗话说“要想富，先修路”，可见交通是否发达，关系着一个城市的发展速度。对于一个正在蓬勃发展的城市来说，有了宽敞的马路还是不够的，交通信号灯的存在也不容忽视。通过调查：司机：没交通信号灯的地方多，路标与交通信号灯不符。现场目击：没有信号灯、信号灯设置不合理导致路口混乱。交警部门：信号灯的设置要看交通流量以及考虑到经济发展。城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。近多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。(1)静态多段配时控制静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢迎。(2) 准动态多段配时控制准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。准动态多段配时控制是一闭环控制系统。由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。1.4 本论文的目的及工作内容在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。 按照城市交通控制的需要，本文讨论了用PLC实现系统连续循环运行，工作规律按时序图运行（见附图）绿灯闪烁时按0.5秒间隔运行和提示警告方式运行两方式，通过传感器与PLC完成对交通异常状况（滞留或堵车）的判别及处理。 系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。正常时序控制对路面进行控制.南北方向红灯时,东西方向绿灯.绿灯闪3秒紧接着黄灯闪2秒,变红灯.南北方向红灯直接变绿灯.东西方向红灯时同理. 急车强通时,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通. 急车强通信号受急车强通开关控制；无急车时，信号灯接正常时序控制；有急车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。交通滞留的异常情况，在路口与路尾设置两个传感器进行检测车流量.交通路段车流量繁忙时，传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。当一方车流量过大的时候,PLC要对控制这一路段的信号灯进行调控,让滞留或堵车的一方绿灯时间加长,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不必要的麻烦与事故,就、控制进行很方便,很便捷。1.5 PLC的简介PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。 事实上,PLC就是以嵌入式CPU为核心,配以输入,输出等模块,可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。1.6 PLC的用途与特点PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使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、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型： （1）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、随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是为了不和切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。 （2）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。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。 相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。 （3）闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Integration Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有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。 （4）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。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。 （5）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。PLC的特点有： （1）抗干扰能力强，可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。(2) 配套齐全，功能完善，适用性强 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。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (3)易学易用，深受工程技术人员欢迎 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)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 ，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。 (5)体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。第二章 系统方案设计2.1 研究设计中要解决的问题1） 按题意要求，画出PLC端子接线图、梯形图控制程序2）讲述程序设计思路、PLC的选择、程序框图及工作流程。3）完成PLC端子接线工作，并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试2.2 方案原理分析2.2.1 功能要求随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：1、合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。2、安装方式的选择 PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。3、响应速度要求 PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。4、系统可靠性的要求 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。5、机型尽量统一 主要考虑到以下三方面问题： 1)其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。 2)其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。 3)其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。2.2.2性能要求 一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。 对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。2.2.3 工作环境要求1 温度:PLC要求环境温度在055度，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。2 湿度:为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。3 震动：应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。4 空气：避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。5 电源:PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。2.3可行性研究2.3.1 要解决的问题的可行性分析及复杂性分析1.PLC工作原理：PLC的工作原理：电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。 一. 扫描技术 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。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。系统24小时循环运行，工作规律按时序图运行（如图2-1）。绿灯闪烁时按0.5秒间隔运行。提示警告方式运行时，控制规律为:东、南、西、北四个方向黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭。黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。图2-1 工作时序图2.3.2具体实现中采用的关键技术1 .PLC输入输出分配表2-1 I/O分配表输入信号输出信号名称符号地址名称符号地址起动开关停止开关SQ-ON SQ-OFF I0.0东西红灯R-EWQ0.0东西黄灯Y-EWQ0.1东西绿灯G-EWQ0.2东西左绿L-EWQ0.3南北红灯R-SNQ0.4南北黄灯Y-SNQ0.5南北绿灯G-SNQ0.6南北左绿L-SNQ0.72 .PLC外部接线图图2-1是PLC外部接线图，选用的是西门子S7-200系列CPU224的PLC。2.3.3 经济可行性分析其实，使用PLC，还要考虑经济指标。经济是基础，经济上不合算，不能带来经济效益，使用PLC也就没有基础。所以，这个指标也是重要的。经济指标最简单的就是看价格。一般讲，同样技术性能的PLC，价格低其经济指标就好 此外，还要看供货情况，供货不及时，影响使用，价格即使低，也不一定就好；看技术服务，资料不全，用户出现问题得不到技术支持也不好。 对经济指标还要作综合分析，要看使用了PLC能否带来效益，然后，再分析使用哪家的PLC效益更好些2.3.4 设计任务和内容任务：设计一个能够控制十二盏交通信号灯的模拟系统。并且要求交通信号灯按照交通规则的模式来运行。实验通过控制六个交通灯就好了。内容：因为本课程设计是交通灯的PLC控制设计，所以要了解实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口为东西南北走向。然后转状态1南北红灯，东西绿灯通车。过一段时间转状态2东西绿灯灭，黄灯闪烁几次，南北仍然红灯。再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯。过一段时间转状态4，南北绿灯灭，闪几次黄灯，东西仍然红灯。最后循环至状态12.3.5 控制系统设计概要我们在学习了PLC的大量的相关知识后，要能够把其运用在实际训练当中。当然要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。一、 PLC控制系统设计的基本原则1） 最大限度地满足被控对象的控制要求。2） 保证控制系统的高可靠、安全。3） 满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便。4） 选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。二、 PLC控制系统设计的基本内容1) 选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象。2) 分配I/O，设计电气接线图，考虑安全措施。3) 选择适合系统的PLC.4) 设计程序5) 调试程序,一个是模拟调试，一个是联机调试。6) 设计控制柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。7) 验收、交付使用。三、 PLC控制系统设计的一般步骤1 流程图功能说明1） 分析生产工艺过程。2） 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O。3） 选择PLC。4） 设计PLC接线图以及电气施工图。5） 程序设计和控制柜接线施工。2 PLC程序设计的步骤1） 对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路。2） 设计梯形图。3） 程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止。4） 现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求。5） 编写技术文件6） 交付使用。3 设计步骤框图如下： 分析控制要求确定I/O设备选择PLC分配I/O、设计电气图编写流程图设计梯形图编制程序清单输入程序并检查调试满足NY联机调试满足NN编制技术文件交付使用设计控制柜现场连接第三章 十字路口交通信号灯的具体设计3.1 十字路口交通信号灯的控制要求随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号灯，才使车流、人流有了规范，同时，减少了交通事故发生的概率。然而，交通信号灯不合理使用或设置，也会影响交通的顺畅。交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使各同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。十字路口交通信号灯现场示意图如图3-1所示，南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯，为确保交通安全，要求如下。1）采用PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。SA1手柄指向左45时，接点SA1-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图3-2所示工作时序周而复始，循环图3-1往复工作。SA1手柄指向中间0时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，。SA1手柄指向右45时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮。图3-1交通灯现场示意图2）正常控制时 当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应禁止通行（红灯）；同样，当南北方向允许通行（绿灯）时，东西方向应禁止通行（红灯）。在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司机提前减速并刹车，应有明显的提示信号：绿灯闪烁同时黄灯亮。信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。信号灯动作的时序图如图3-2所示，它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置1表示信号灯点亮。图3-2 十字路口交通灯正常工作时序3）输入/输出信号分配 输入/输出信号分配如表3-1所示。输入输出文字符号信号地址说明文字符号信号地址说明SA1-1X0交通灯正常工作控制开关H1Y0南北向绿灯指示SA1-2X1南北向交通灯常绿控制开关H2Y1南北向黄灯指示SA1-3X2东西向交通灯常绿控制开关H3Y2南北向红灯指示H4Y3东西向绿灯指示H5Y4东西向黄灯指示H6Y5东西向红灯指示表3-1 十字路口交通灯控制信号说明3.3 PLC硬件控制电路设计1) 硬件结构设计。了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。2) 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，编制I/O接口功能表。据信号控制要求，I/O分配及其接线如图3-4所示。图3-4十字路口交通信号灯PLC外部I/O分配及其接线图中用一个输出点驱动两个信号灯，如果PLC输出点的输出电流不够，可以用一个输出点驱动一个信号灯，也可以在PLC输出端增设中间继电器，由中间继器再去驱动信号灯。3.4 PLC控制程序设计在设计较为复杂的程序时，仅仅采用简单的逻辑处理已经很难保证程序的正确性和易读性，所以就需要采用别的方法来编制程序。为了保证程序逻辑的正确以及程序的易读性，我们可以将一个控制过程分为若干个阶段，在每一个阶段均设立一个控制标志，当每一个阶段执行完毕，就启动下一个阶段的控制标志，将本阶段的控制标志清除。所谓“状态”是指特定的功能，因此状态转移实际上就是控制系统的功能转移。机电自控系统中机械的自动工作循环过程就是电气控制系统的状态自动、有序、逐步转移的过程。这种功能流程图完整地表现了控制系统的控制过程，各状态的功能、状态转移顺序和条件，它是PLC应用控制程序设计的极好工具。、 态转移说明十字路口交通信号灯PLC的程序设计。1）PLC开始运行时，M8002产生一初始脉冲，使初始状态S0置1。2）当SA1手柄指向中间0时，触点X1接通，交通指挥系统南北向绿灯Y1常亮，东西向红灯常亮。3）当SA1手柄指向右45时，触点X2接通，交通指挥系统东西向绿灯Y1常亮，南北向红灯常亮。 4）当SA1手柄指向左45时，触点X0接通，状态转移到S20和S30，使S20和S30置1，同时S0在下一扫描周期自动复位，Y1线圈得电南北绿灯亮与此同时Y6线圈得电，东西红灯亮。5）延时25S后，转移条件T0闭合，状态从S20转移到S21，使S21置1，同时驱动T1记时，而S20在下一扫描周期自动复位。6）延时5S后，转移条件T1闭合，状态从S21转移S22，使S22置1产生0.5S接通和断开的时针脉冲信号，从而使南北绿灯闪烁，同时驱动计数器C0记数，若记数次数未到三次，C0的常闭触点接通，状态转移到S21，继续循环共计三次。7）次数到三，C0常开触点闭合，状态由S22转移到S23，使S23置1同时S22在下一扫描周期自动复位，Y2线圈得电南北黄灯亮。8）延时2S后，转移条件T3闭合，一方面状态从S23转移到S24，使S24置1，S23在下一扫描周期自动复位，Y3线圈得电南北红灯亮，计数器C0复位。另一方面状态S30转移到S31，使S31置1同时S30在下一扫描周期自动复位，线圈Y4得电东西绿灯亮。9）延时25S后，转移条件T4闭合，状态从S31转移到S32，使S32置1，同时驱动T5记时，而S31在下一扫描周期自动复位。10）延时5S后，转移条件T5闭合，状态从S32转移S33，使S33置1产生0.5S接通和断开的时针脉冲信号，从而使东西绿灯闪烁，同时驱动计数器C1记数，若记数次数未到三次，C1的常闭触点接通，状态转移到S32，继续循环共计三次。11）次数到三，C1常开触点闭合，状态由S33转移到S34，使S34置1同时S33在下一扫描周期自动复位，Y5线圈得电东西黄灯亮，计数器C1复位。12）延时2S后，回到初始状态S0进行循环执行。3.5 详述控制系统的实现方法 图3-5 顺序功能图图3-5为本设计的顺序功能图，及控制流程为： 1.晚间时段：拉上起动开关I0.0,功能图直接进入晚间时段，M0.0置位，触点M0.0通，常闭开关I0.0和常闭触点T38为通，所有黄灯亮，定时器T37开始计时，0.4秒后黄灯灭，同时T38开始计时，0.6秒后经计数器C1计数，循环以上过程达到黄灯亮0.4秒，灭0.6秒循环闪亮的目的，重复32400次（9小时）后，常闭触点C1断开退出晚间时段，经M0.4进入正常时段（其中左支路实现正常时段运行状况，右支路实现高峰时段运行状况，并且左右支路互锁，运行周期周期均为90秒）。2. 正常时段：M0.4置位，导通经M0.5东西红灯Q0.0亮维持55秒（T39 +T40 +T41+T42），同时南北左转弯绿灯Q0.7亮，T39开始计时，10秒后，Q0.7灭，常开触点T39闭合导通，南北绿灯Q0.6亮，T40计时30秒后，Q0.6灭，常开触点T40闭合，南北黄灯Q0.5亮，T41计时5秒，黄灯、东西红灯Q0.0灭，触点T41导通，东西左转弯绿灯Q0.3、南北红灯Q0.4亮，T42计时10秒后，Q0.3灭，触点T42导通，Q0.4继续处于亮的状态，同时东西绿灯Q0.2亮，T43开始计时，30秒后Q0.2灭，触点T43导通，东西黄灯亮Q0.1与东西红灯Q0.0亮维持5秒，T44到时，至此正常时段的一个周期工作完毕，经计数器C2计数，循环以上正常时段工作运行过程，期间常闭触头T44对以上定时器进行复位，以达到从新计时的目的，当C2计数达20次（30分钟）时，常闭触头C2断开，常开触头C2闭合，及左支路断开，右支路导通，进入高峰时段。3.高峰时段：M1.2置位导通，经M1.3,东西红灯Q0.0亮维持60秒（T45 +T46 +T47+T48），同时南北红灯Q0.4、南北左转弯绿灯Q0.7亮，定时器T45计时，10秒后Q0.4、Q0.7灭，常开触点T46导通，南北黄灯Q0.5亮，T47计时5秒后，Q0.5灭，常开触点T47导通，东西左转弯绿灯Q0.3灭，同时触点T48通，东西绿灯Q0.2亮，T49计时，25秒后，Q0.2灭，触点T49导通，东西黄灯Q0.1亮，计时器T44计时5秒，T44到时，至此高峰时段的一个周期工作完毕，经计数器C3计数返回高峰时段运行状态，直到C3计数达51次（循环50次共1.25小时），这时常闭触点C3断开，常开触点C3导通，高峰时段运行支路断开，又从新进入正常时段运行状态。4.交叉循环运行：第二阶段正常时段的运行状况同一阶段正常运行状况，只是它们循环次数从20次变成331次（循环330次共8.25小时），工作到16:30又进入两小时的高峰运行时段，共循环80次，即C5计数80次后常闭触点C5断开，常开触点C5闭合，再次进入正常时段工作状态循环运行C6计数121次（循环120次共3小时）计数完后C6将所有定时器、计数器复位，又从新进入晚间时段重复以上工作过程。当拉下停止开关I0.0交通信号停止循环，计数器、计时器都复位清零，若再次拉上I0.0，交通灯继续从头开始循环闪亮。3.6 检测与调试1、硬件调试：硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。 第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。 第二步：用万用表测试。先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。 第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值 第四步：是联机检查。因为只有用可编程控制器开发系统才能完成对用户系统的调试。 动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。 由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的 器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试既告完成。 由近及远是将信号流经的各器件按照距离可编程控制器的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。2、软件调试： 软件调试是通过对拥护程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。程序后，编辑，查看程序是否有逻辑的错误。如果出现故障，应返回编程环境，检查梯形图的错误并修改程序再进行调试，如此反复直到调试成功。3.6.1 调试中遇到的问题1.在开始阶段按下起动按钮后无法实现黄灯闪烁。2.程序进入正常时段后，停留在正常时段循环中，即使C2计数完毕，但下面的计数器无法计数，程序无法前进。3.当晚间时段运行完毕后，正常时段与高峰时段两支路同时在运行。4.当一次大周期运行完后无法再进行第二次循环。5.当按下停止按钮I0.1，再松开I0.1后，有时黄灯不断闪烁，同时其他灯也在运行。6.当我们在调试时有I0.0、I0.1两个按钮开关，总共有4种情况，及I0.0置1、I0.1置0，I0.0置1、I0.1置1、I0.0置0、I0.1置0，I0.0置0、I0.1置1，同时他们的关断顺序不同也会产生不同的结果，总之，这里有两种情况是不用的，会产生不利影响的隐患。我就在思考可否只用一个开关来控制其通断，这样不仅消除了隐患，还使操作更便利，更符合要求。3.6.2 问题的分析与解决方案 1. 原因:无法实现黄灯闪烁是因为定时器T37、T38计数完后没有复位，所以只计时一次。措施：用计时器T38的常闭触点放在计时器T37前面，实现当T38计时完后常闭触点T38自动断开，实现对T37的复位，这样就可以实现T37的自动置位、复位，达到循环计时的目的。2.原因：C3及其后面的计数器无法计数，可以判断出每次循环到计数器前时没有脉冲过来，及其一直处于断开或导通，经判断C2计数完毕后C3一直处于导通状态，但并没有脉冲过来使其计数。措施：要使C3导通，我们就要在C2计数完毕后使其有个通断过程，产生脉冲使其计数，我们发现前面循环过程前，我们都采用了用T44的常闭触头来使下面的计时器复位，及当T44计数完毕后，T44常闭触头断开的瞬时将下面的计时器全部清零，包括T44自己本身。经思考我们也可以用T44的常闭触头来实现计数器没导通时有个瞬时通断过程（时间忽约不计），及只需在C3前面串上一个T44常闭触头。同理下面的计数器前也加上T44常闭触头即可。3.原因：由于C1计数完后，常开触点C1导通，脉冲并不会因为C2在为左分支工作，而先进入左分支，而是自动分向两个分支，导致两边同时运行。措施：这个问题主要出在左右分支即正常时段与高峰时段的运行状况不能同时运行，必须使他们互锁。考虑到后面正常时段与高峰时段要交替运行，我们必须同时对后面的运行进行考虑解决。后面共用了C2、C3、C4、C5、C6五个计数器，但我们只需考虑前四个。经过分析用表达示（!C2+C3*!C4+C5）和（C2*!C3 +C4*!C5）实现对左右分支的互锁。3. 原因：无法再继续运行，可见问题出在计时器或计数器上，又经过分析不会是计时器的问题，因为计时器的前后步紧密相连，前对后在每次运行后都进行了复位的，因此就是计时器的问题。我发现每次运行计数器到数后其运数器还一直在计数，第二次循环时，计数器并没有复位，因此无法计数，也就无法实现再循环。措施：要想让第一次运行完后，程序能够实现自动再循环，需要对全部计时器、计数器进行复位，由上分析我们只需对计数器进行复位，最好的方法是，用最后一个计数器C6来对他们复位，即在每个计数器的复