毕业设计（论文）-交通灯模拟控制系统设计.doc

目 录引言11、概述1 1.1、交通灯的发展情况3 2、交通灯模拟控制系统控制方案设计42.1、技术控制要求42.2、总体方案确定42.2.1、方案的原理42.2.2、方案的特点52.2.3、 方案的选择依据53、 交通灯模拟控制系统控制硬件设计63.1、输入点和输出点分配63.2、硬件选择63.3、硬件连接84、 交通灯模拟控制系统控制软件设计84.1、程序流程图84.2、梯形图95、交通灯模拟控制系统仿真调试.115.1、系统程序仿真调试11致谢辞：14总结：15参考文献：16附录：17梯形程序图：17指令程序：.19电源图：.21电气原理图：.22 十字路口交通灯模拟控制系统设计引言随着我国经济的飞速发展，城市人口越来越多，居民出行次数和机动车拥有量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡等问题日趋严重。人们经常会为道路拥挤、交通秩序混乱、出行时间过长等城市交通问题倍感苦恼，例如：绿灯方向几乎没有什么车辆,而红灯方向却排着长队等候通过。因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫，如何才能保持城市交通的安全便捷、高效畅通和绿色环保，已成为政府政策规划的一个重点问题。通过对十字路口交通灯控制系统的设计与制作，使我们进一步巩固和加深了对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握。同时也培养自身综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，更使我们受到了PLC系统开发的综合训练，从而能够使我们进行PLC系统设计和实施，并且掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思路。更重要的是：通过对十字路口交通灯系统的每个环节的实际制作，锻炼了自身的刻苦钻研、勇于探索、实事求是、善于与他人合作的工作作风，这为我们将来的上岗实习做好了充分的准备。1、概述近年来，随着大规模集成电路的发展，以微处理器为核心的可编程控制器（PLC）得到了迅猛的发展。早期的PLC主要用于顺序控制，今天的PLC已经能够应用于闭环控制、运动控制以及复杂的分布式控制系统，已逐步发展成为有一类解决自动化问题的有效而便捷的方式。由于PLC自身具有功能完善、结构模块化、开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性高、性价比高、等优点，因而在工业生产中具有广阔的应用前景，并被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。而且随着集成电路的发展和网络时代的到来，PLC必将能够获得更大的发展空间。PLC主体由三部分组成，主要包括中央处理器CPU、存储系统和输入、输出接口。PLC基本结构如图1-1所示：图1-1 PLC的组成框图系统电源有些在CPU模块内，也由单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的开关信号、模拟信号各种以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信息和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各部分协调一致地实现对现场设备的控制。PLC采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的。可编程控制器的工作过程包括两个部分：自诊断及通信响应的固定过程和用户程序执行过程，如图1-2所示:图1-2 PLC工作过程框图PLC在每次执行用户程序之前，都先执行故障自诊断程序、复位、监视、定时等内部固定程序，若自诊断正常，继续向下扫描，然后PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求。如果有与计算机等的通信请求，则进行相应处理。当PLC处于停止(STOP)状态时，只循环进行前两个过程。而在PLC处于运行（RUN）状态时，PLC从内部处理、通信操作、输入扫描、执行用户程序、输出刷新五个工作阶段循环工作。每完成一次以上五个阶段所需要的时间成为有一个扫描周期。一次扫描周期也可以简单的分为输入处理、程序执行、输出处理三个阶段。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。而当前中小型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816点，以适应单机及小型自动控制的需要。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。而加强PLC联网通信的能力，则是PLC技术进步的潮流。另外PLC的外部故障的检测与处理能力也在不断的增强。而在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。所以通过PLC对十字路口交通灯进行控制，是大势所趋。由于PLC十字路口交通灯控制系统比原来的继电器-接触器控制系统更加的稳定、效率更高，而且减少了很多的外部继电器和接触器的使用，具有更高的可靠性和安全性，控制效果更加明显，很好的弥补了原有控制系统的不足，更有效的解决现有的十字路口的交通控制方面所面临的交通拥挤，车流量不均衡，出行时间过长等问题。因此，我们利用PLC控制系统来控制十字路口交通灯，使十字路口交通的管理更科学化，更有条理，也使交通更加的便捷畅通。1、1交通灯的发展情况城市进路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。 早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的。世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯己经相差无几。1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早期交通量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增流强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式己不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时问的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时问延误，比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外线以及环行线圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，更是实现了以一个城市或者更大地域，而非简单的一个路口的交通总体控制系统。1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBh1650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动，从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制，从单点控制到干线控制，从区域控制到网络控制的长远过程。交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于进路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产、安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。2、交通灯模拟控制系统控制方案设计2.1、技术控制要求运用自己所学知识，设计一个十字路口交通灯控制系统电路，要求使用三菱PLC进行控制，能够指挥车辆在十字路口完成左转和不同路口的直行，并且设计出十字路口交通灯控制系统的实物模型。功能：东西两组灯，南北两组灯，分别用来指示转弯和直行。如下表所示。黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。同步设置人行横道红、绿灯指示。具体交通灯控制电路状态如表2-1所示：表2-1 交通灯控制电路状态表状态直行灯（南北）左转灯（南北）直行灯（东西）直行灯（东西）持续时间（s）红黄绿红黄绿红黄绿红黄绿S000110010010027S10100101001003S210000110010027S31000100101003S410010000110027S51001000100103S610010010000127S70101001000103S000110010010027注：0表示灯灭，1表示灯亮。2.2、总体方案确定2.2.1、方案的原理本方案所要实现的是模拟十字路口交通灯的运行，并利用PLC对十字路口交通灯进行控制：总共有2个输入点和16个输出点，两个输入是系统的开和关，用代替交通灯的发光二极管的亮、灭和闪烁作为信号的输出，把灯分为东西两组，南北两组，各有红、黄、绿三种，分别用来指示左转弯和直行，另外，还有四组人行道上的红绿灯。首先，按照控制要求利用计算机编程软件编写好科学合理的程序并输入PLC，PLC按照所输入的程序给出输出并通过外部中间继电器对硬件电路进行相应的逻辑顺序控制，使交通灯按控制要求进行亮、灭和闪烁来完成科学的交通控制要求。2.2.2、方案的特点PLC运用与交通灯控制系统有较强的优势,主要可从以下四个方面来描述。使用寿命长：从目前反馈情况看,目前控制电路的使用寿命大部分均不足五年这与其电路设计、元器件选型、工作环境及控制方式等因素有关,是其本身无法克服的固有缺点。PLC作为工业控制单元,应用于各种控制环境,内部电路、机械结构设计极为精良,所用器件均选用标准工业级产品,其使用寿命一般可保证在十年以上。因此，PLC的这种特点可以使十字路口交通灯的PLC控制系统正常运行较长时间。 性能稳定可靠,抗干扰性好：由于PLC可应用于各种工业控制现场,其硬件及软件设计均考虑到各种生产环境,其电压适用范围很宽,具有极强的抗电磁干扰、抗震动、抗高温、高湿等特性,性能极为稳定、可靠。所以十字路口交通灯的PLC控制系统因为PLC的应用也具有了这样的一些优点。由于 PLC的功能强大,实现灵活,可扩展性好，并可根据实际需要改变功能的控制过程及方式,并可根据使用者要求在不增加或少增加硬件的基础上开发新的控制功能，在加上良好的性价比。本十字路口交通灯的PLC控制系统，比之原有的交通灯控制系统，控制更加的灵活，功能更加的丰富。 2.2.3、 方案的选择依据 利用PLC进行的十字路口交通灯的控制与继电器-接触器控制系统相比省去了很多的继电器、接触器，不但节约了成本，而且传输速率高，更便捷稳定，抗干扰能力强,因此我们选用了PLC对交通灯系统进行控制。外部的执行设备我们选择了中间继电器，这里用它主要是为了保护PLC的触点不被意外烧坏，因为PLC毕竟比中间继电器贵多了，且可以由一个输入控制几个输出动作，减少了PLC的输出点数。交通灯我们用发光二级管代替，这种二极管压降只有2V。 3、 交通灯模拟控制系统控制硬件设计3.1、输入点和输出点分配 按照前面的控制要求，而且加入了过街人行道的信号灯控制，所以经过认真的考虑本系统使用了PLC的2输入点和16个输出点。具体的输入/输出点分配如表所3-1示：表3-1 输入/输出点分配输入/输出点分配输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输出点编号启动按钮SBIX0直行红灯（南北）HL1Y0停止按钮SB2X1直行黄灯（南北）HL2Y1直行绿灯（南北）HL3Y2左转红灯（南北）HL4Y3左转黄灯 (南北)HL5Y4左转绿灯（南北）HL6Y5直行红灯（东西）HL7Y6直行黄灯（东西）HL8Y7直行绿灯（东西）HL9Y10左转红灯（东西）HL10Y11左转黄灯（东西）HL11Y12左转绿灯（东西）HL12Y13过街红灯（南北）HL13Y14过街绿灯（南北）HL14Y15过街红灯（东西）HL15Y16过街绿灯（东西）HL16Y17注：表中所有直行灯和左转灯都分别是由9个发光二极管和一个相关电阻串联而成，所有过街灯分别是由5个发光二极管和一个相关电阻串联而成（为了保证24V压降）。3.2、硬件选择本控制系统选用了三菱的FX2N-48MR这一型号的小型PLC. FX2N-48MR是小型化,高速度,高性能装置，有48个输入和输出点，而我们只需要2个输入点和16个输出点，所以相当充足。除此之外，这一型号的PLC还适用于在多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,而且系统配置既固定又灵活是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。因此本系统选择了这一型号的PLC。中间继电器本系统选择了容量为：220V，5A，有4副触点的中间继电器（共16个），它上面是4付常开触点，下面是4付常闭角触点，当线圈通电后，利用电磁力把动衔铁拉下来，使上面4付常开角触点闭合，下面4付常闭角触点分开。 中间继电器是将一个输入信号变成一个或多个输出信号的继电器。它的输入信号为线圈的通电或断电。它的输出是触头的动作（所带常开点闭合，常闭点打开），它的触点接在其它控制回路中，通过触点的变化导致控制回路发生变化（例如导通或截止）。中间继电器的特点是触头数目较多，可完成多回路的控制；触头容量较大，一般为220V，5A；动作灵敏，动作时间不大于0.05S。它与接触器不同的是触头无主、辅之分，所以当电动机额定电流不超过5A时，也可用它来代替接触器使用，也就是说可以认为它是一个小容量的接触器。以上中间继电器的特点也正是我们需要的。系统其他硬件的选择：型号为DZ47-60 C10的低压断路器和型号为RT18-32 32A-380V的熔断器组合使用来保护电路，并且使用了上海明纬电子有限公司的220VAC24DC的转换电源给电路供电。因为这些低压电器都是现有的东西，我们当然要充分利用了。用发光二级管（串接相应电阻保证24V压降）来代替交通信号灯。具体硬件选择如表3-2所示：表3-2具体硬件选择表硬件名称型号数量可编程控制器（PLC）三菱FX2N-48MR1台中间继电器220V，5A16个低压断路器DZ47-60 C101个熔断器RT18-32 32A-380V1个转换电源220VAC24DC1个发光二级管2V多量3.3、软件选择至于编写程序的软件，本系统的设计使用了三菱电机的SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，它是专为FX系列PLC设计的中文编程软件，可在Windows9x、Windows3.1以上操作系统运行。此软件可用梯形图、指令表、顺序功能图符号来创建PLC的程序，并可将程序储存为文件，用打印机打印出来。可给编程元件、程序块建立注释、设置寄存器数据。通过串行口，可将用户程序与PLC进行通讯、文件传送，可实现各种监控和测试功能。所以，我们利用里面的梯形图和指令表进行编程。而且，我们一直学的就是这个软件，我们比较熟悉，使用起来也比较方便。至于画图软件本系统当然也选用了我们所熟悉且能够熟练使用的AutoCAD 2004。3.4、硬件连接硬件连接需要根据附录中的各图进行相应的连接，首先要根据布置图进行大体的硬件布置规划，将相应的器件安装到相应的地方。然后，根据PLC的输入输出端接线图进行相应的连接，并根据转换电源图把转换电源和PLC相连接，最后再根据控制电路电气原理图把控制电路和其他部分相连接。同时我们尽量做到线路敷设平直，固定点位置正确，导线剖削规范，线路安装正确，导线压接规范，元件安装整齐、紧固。4、交通灯模拟控制系统控制软件设计4.1、程序流程图编写程序流程图是编写一个好的程序之前，所必须要求认真做的一步。只有先按照系统的控制要求，一步一步地写出程序控制流程图，才能够在编写程序的时候，不至于出现思维上的混乱，导致编写的程序出现较大的错误。所以，在编写十字路口交通灯控制系统之前我们也编写了程序控制流程如图4-1所示：图4-1 程序控制流程图首先，按下启动按钮X0，进入M0步，输出信号：Y17、Y14、Y2、Y3、Y6、Y11（过街绿灯（东西）、过街绿灯（南北）、直行绿灯（南北）、直行绿灯（南北）、直行红灯（东西）、左转红灯（东西）等灯亮。），27秒后进入M1步输出信号：Y14、Y6、Y11、Y1、Y4、Y17（过街绿灯（南北）、直行红灯（东西）、左转红灯（东西）等灯亮，直行黄灯（南北）、左转红灯（南北）、过街绿灯（东西）等灯闪烁），3秒后进入M2步，后面同此类似，按照控制流程编写，最后由M8步返回M0步完成程序的循环。4.2、梯形图我们编写梯形图是所使用的是步进指令的编程方法，STL为步进开始指令，而RET为步进结束指令STL和RET指令必须和状态继电器S配合使用才具有步进功能。STL也成步进触点指令（占1步），STL的梯形符号称为STL触点，它没有动断触点。STL S20和STL S21都是STL触电。在梯形图中，STL触电与母线相连，使用STL指令后，母线移至触点右侧，其后需用LD、LDI、OUT等指令，直至出现下一条STL指令或出现RET指令。STL指令使新状态继电器置位，而前一状态继电器自动复位，其触点断开。步进指令RET也称为步进返回指令，在一系列STL指令之后必须使用RET指令，以表示步进指令功能结束，母线恢复至原位。我们在运用步进指令编写顺序控制程序时，首先确定整个十字交通灯控制系统的流程，然后将复杂的任务或过程分解成若干个工序（状态），最后弄清各工序成立的条件、工序转移的条件和转移的方向，这样就可以画出程序工作的流程图。最后根据控制要求，采用STL、RET指令的多种步进顺序控制方式进行相应的程序编写。具体的程序设计介绍如图4-2、图4-3、图4-4所示：图4-2 系统启动程序如图4-2所示：M8002是特殊辅助继电器，仅在运行开始时瞬间接通，产生初始脉冲。当X0接通时，M8002产生初始脉冲程序启动，进入下一步，线圈Y17、Y14、Y2、Y3、Y6和Y11接通（既东西走向过街人行道的绿灯亮、南北走向过街人行道的绿灯亮、南北走向直行绿灯亮、南北走向左转红灯亮、东西走向直行红灯亮和东西走向左转红灯亮），接通27S（时间继电器的设定时间）后，时间继电器的常开触点T0闭合，进入下一步（置位S21步）。图4-3 由M8013控制的脉冲输出程序如图4-3所示：M8013为PLC内部的一个特殊的时钟继电器，这种继电器在PLC运行时，不断发出时间宽度为1S的脉冲，及0.5S通0.5S断。当继电器M8013中有信号通过时，它的输出为通断交替，使Y1、Y4和Y17能0.5S通、0.5S断交替，既南北走向黄灯、南北走向左转黄灯和东西走向过街人行道绿灯闪烁（1S烁一次）。从而实现外接在相应输出上的发光二级管能够在时间继电器T1触点接通前的3S内不停的闪烁。当Y14、Y6、Y11、Y1、Y4和Y17接通（既南北走向的绿灯亮、东西走向直行红灯亮、东西走向左转红灯亮、南北走向黄灯闪烁、南北走向左转黄灯闪烁和东西走向过街人行道绿灯闪烁）3S后，时间继电器T1的常开触点闭合，置位S22步。后面的程序都和这里的差不多，只要按照前面的流程图编写下去即可。图4-4 置零及循环结束程序如图4-4所示:这里是为了能够让系统随时开始和随时关闭：当闭合X1时，置零S0到S30步，使系统所有线圈失电，进而达到关闭系统的目的。当闭合X0时置位S20步，PLC开始从S20步开始循环扫描，系统开始运行。5、交通灯模拟控制系统仿真调试5.1、系统程序仿真调试 对于PLC控制系统来说，可以用装在PLC上的模拟开关来模拟输入信号的状态，用输出点的指示灯来模拟被控对象，将设计号的软件程序传送到PLC中，就可以进行程序调试了。而在对系统的程序进行调试前，首先应该对PLC的外部接线、供电系统、执行机构、检测元件和开关的运行等进行检查。（1）外部接线的检查包括对输入/输出接线的正确性检查。（2）供电系统的包括对PLC的供电电源接线的正确性检查和电压检查、外部供电电源的检查等。（3）执行机构的运行检查包括执行机构对输入信号的响应时间和运转正反等状态检查。有时要和检测元件和开关的运行检查一起进行，以便了解执行机构运行后检测元件和开关是否有相应的输出信号。（4）检测元件和开关是PLC输入信号的来源。要对检测元件、开关、按钮等信号在运行后的响应进行检查，了解他们的状态是否有相应的变化等。正式调试的方法是：根据程序的执行顺序先后，分别用手动的方法分别对输入点进行开闭的动作，检查程序是否按照过程控制的要求进行动作、相应的输出信号是否存在，延时的时间是否正确，对于一些输出通道的反馈信号也应该根据是否有系统输出，再用手动给出相应的反馈输入信号，直到整个运行程序正确运行。 系统的硬件调试主要是对十字路口交通灯控制系统的控制电路硬件系统进行调试。 由于条件有限，我们对硬件调试主要是用万用表进行检测调试：（1）我们要做的是检查电气线路上的电焊点是否齐全、紧固，有不松动活发热变色现象，保持电气线路的接触良好。（2）在不通电的情况下，用万用表打到电阻档测量各条线路两接点之间和硬件两端的电阻，看是否有电阻显示，如果有电阻值则说明线路是通的，硬件是好的，没有则说明没有通或硬件是坏的。需要仔细检查原因，并且解决问题。 致 谢 辞从得知论文题目开始到查找资料设计总体方案、到实物的制作、再到如今的撰写论文，在这过程中我的到过很多人的帮助。所以，我要感谢这些人。首先我要感谢我的指导老师刘淑芳老师，她为我们的毕业设计给于了急切的关注和悉心的指导，特别是在论文的写作和措辞等方面，她总是严格要求，从论文的内容格式到最后的论文的反复修改、润色。刘老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨。正是因此，我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢刘老师。其次，我要感谢和我一起做毕业设计的同学，因为有了她的信任支持和帮助，我才能放心大胆的去进行课题的设计和制作。同时，也是