基于PLC的交通灯控制设计-职业学院电气自动化毕业论文

江苏农林职业技术学院江苏农林职业技术学院 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） SNL/QR7.5.4-3 基于PLC 的交通灯控制设计 专专业业电气自动化技术电气自动化技术 学生姓名学生姓名 班班级级 学学号号 指导教师指导教师 完成日期完成日期2013.05.15 成绩评议成绩评议 学号姓名 题目基于 PLC 的交通灯控制设计 指导教师建议成绩： 评阅教师建议成绩： 答辩小组建议成绩： 院答辩委员会评阅意见及评定成绩： 答辩委员会主任签字（盖章） ： 年月日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 姓名学号班级 题目基于 PLC 的交通灯控制设计 设计(论文)主要内容 一、本文论述了交通灯的工作过程及控制要求。 二、通过 FX2N-48MR PLC 完成控制系统的设计。 三、选择元件，编制程序。 四、模拟交通灯的运行。 五、调试设计的程序，提高系统运行的可靠性与稳定性。 重点研究问题 研究 PLC 的可靠控制与稳定性控制 主要技术指标 一、本系统采用 FX2N-48MR PLC，共使用了 6 个输入点，10 个输出点。 二、PLC 外接 220V 交流电源，面板接 24V 直流电源。 其它要说明的问题指导老师意见 指导教师签字： 年月日 指导教师意见指导教师意见 对论文的简短评价：对论文的简短评价： 1.指出论文存在的问题及错误 2.对创造性工作评价 3.建议成绩 优良中及格不及格 指导教师签字 年月日 评阅教师意见评阅教师意见 对论文的简短评价：对论文的简短评价： 1.指出论文存在的问题及错误 2.对创造性工作评价 3.建议成绩 优良中及格不及格 评阅教师签字 年月日 答辩小组评议意见答辩小组评议意见 学号姓名 题目基于 PLC 的交通灯控制设计 答辩小组意见：答辩小组意见： 1、对论文的评价 2.建议成绩等级 优良中及格不及格 3.需要说明的问题 答辩小组长签字 年月日 基于 PLC 的交通灯控制设计 摘 要：PLC 可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术 发展而来的一种新型工业控制装置。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。 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。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。 本文选择三菱可编程控制器 FX2N 为核心部件， 着重进行硬件接口设计， 利用梯形图进行编程， 实现了十字路口交通灯控制系统的自动化。 关键词: PLC；交通控制；自动化 Traffic Light Control Design Based On PLC Abstract: The programmable preface in PLC controller is a kind of new industry controls the device, it regard microprocessor as the foundation, synthesizing the calculator technique, automatic control technique to develop with the communication technique .It has the construction simple, the plait distance is convenient, high etc. in dependable advantage, already extensive used for the industry process with the automatic control of the position inside. The expert thinks, the programmable controller will become the main means that aftertime industry control with the one of the important foundation equipments, the PLC, robot, CAD/ CAM will become three major of pillar that industry produce. Because the PLC has to the strong characteristic in adaptability in environment in usage, its inner part settles at the same time the machine resources is abundant very, can to current widespread usage of enter the type gradually the signal beacon proceeds the precision controls, special the ocular control in a many branch roads can realizes expediently. So that is applied the PLC more and more now in transportation light system inside. At the same time, PLC still have the communication internet function, constitute the same of the signal beacon on the road of bureau area net proceeds to unify to adjust a management, can shorten the vehicle go through waiting time, realizing scientific management. This paper chooses Mitsubishi PLC FX2N as the main components, focus on the hardware interface design, make use of the ladder diagram form to carry out a program, the realization of the traffic lights at the crossroads automation control system. Key Words: PLC; Traffic Control;Automation 目录 1 绪论.1 1.1 交通灯的发展史.1 1.2 课题研究背景.1 2 PLC 的简介.2 2.1 PLC 的产生与发展.2 2.2 PLC 的主要产品及发展趋势.2 2.3 PLC 的特点.3 2.4 PLC 的分类.4 2.5 PLC 的基本结构和工作原理.5 2.5.1 PLC 的基本结构.5 2.5.2 PLC 的工作原理.6 3 交通灯系统设计.8 3.1 控制系统的控制要求.8 3.2 系统设计方案分析.9 3.2.1 系统设计时序图.9 3.2.2 系统设计流程图.10 3.3 硬件设计. 11 3.3.1 交通信号灯 PLC 的 I/O 的分配表.11 3.3.2 十字路口交通灯示意图.11 3.3.3 交通信号灯 PLC 控制硬件接线图.13 3.4 软件设计.14 3.4.1 交通信号灯 PLC 状态转移图设计.14 3.4.2 交通信号灯 PLC 梯形图设计. 14 4 系统检测与调试.20 4.1 调试分析.20 4.2 程序调试中遇到的问题及解决方法.20 5 总结. 21 参考文献. 22 致谢. 23 XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 1 1 绪论绪论 1.1 交通灯的发展史交通灯的发展史 红绿灯（交通信号灯）是以规定时间交互更迭的光色讯号，设置于交岔路口或其它特 殊地点， 用以将道路通行权指定给车辆驾驶人与行人， 管制其行止及转向的交通管制设施。 以红、黄、绿三色灯号或辅以音响，指示车辆及行人停止、注意与行进。 红绿灯的起源可追溯到 19 世纪初的英国。 1868 年英国机械工程师德.哈特在伦敦威斯 敏斯特区的议会大厦前的广场上设计安装了世界上最早的煤气红绿灯。制造的灯柱高 7 米，身上挂着一盏红绿两色的提灯煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在 灯的脚下， 一名手持长杆的警察随心所欲的牵动皮带转换提灯的颜色。 后来在信号灯的中 心装上煤气灯罩，它由红绿两个旋转式方形玻璃提灯组成红色表示“停止”绿色表示“注 意”。1869 年 1 月 2 日只面世 23 天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因 此断送了性命，遂被取消。 1914 年，克里夫兰市率先在街道中恢复交通信号灯，随后纽约、芝加哥等城市也开 始出现。 这时的交通信号灯已从煤气进化为电气， 这与现代的交通信号灯已经没有多少差 距，除了信号灯本身，美国人还完善了信号控制系统。于是红黄绿三色信号灯即以一个完 整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。 关于黄色信号灯的发明有不同说法。 一种说法称黄灯的发明者是中国人胡汝鼎， 时间 是 1927 年。据解放日报报道，这种说法并不可靠。1899 年，美国铁路系统就使用了 三色灯，其中黄色代表“谨慎”。公路方面，1920 年 10 月，美国就已经安装了三色的信号 灯。另一种说法是美国警察威廉.波茨发明了第一盏红黄绿三色、四方向的交通信号灯， 并在 1920 年 10 月投入使用，其三色灯光的含义与今天基本一致。 中国最早的红绿灯出现在上海的英租界。有资料显示，早在 1923 年，上海公共租界 开始在部分十字路口使用机械装置指示车辆停止和前进，该年 4 月 13 日，南京路两个重 要十字路口，最先安装红绿灯交通信号装置。 1.2 课题研究背景课题研究背景 在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益 重要。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。 随着社会的不断发展，城市交通问题也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。交通信号灯常用与交叉路口，用来控 制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。有了交通灯人们的安全出行有 了很大的保障。 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重要的组成部分。 传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结构复杂，可靠性低，故障 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 2 率高,较难实现功能的变更。而可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，具有可靠性高，控 制功能强，使用灵活方便等优点。特别是由 PLC 实现的控制系统，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，结构简单，抗干扰能力强，运 行稳定可靠，可方便地设置定时时间，编程容易，功能扩展方便，修改灵活等，并且有完 善的自诊断和显示功能，维修工作极为简单。由于 PLC 内部均配有实时时钟，因此通过 PLC 控制可对交通灯实施全天无人化管理。另外因为 PLC 具有通信联网功能，所以可以 将同一条道路上的交通灯组成局域网进行统一调度管理， 可以缩短车辆等候时间， 实现科 学化管理。 2 PLC 的简介的简介 2.1 PLC 的产生与发展的产生与发展 20 世纪 20 年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系 连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是传统的继电接触器控制系统。由于它 结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定范围内能满足控制要求。因而使用面甚广，在工 业控制领域中一直占主导地位。但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可 靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制。特别是由于它是靠硬连线逻辑构 成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通 用性和灵活性较差。 1968 年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM） ，为了适应生产工艺不断更新的 需要， 提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置， 并要求把计算机的功 能完善、通用、灵活等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结 合起来， 制成一种通用控制装置把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化， 采用面向 控制过程、面向对象的语言编程。使不熟悉计算机的人也能方便地使用。第二年美国数字 设备公司 DEC（DIGTAL）根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程控制器 PDP-14，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，取得了满意的效果，可编程控制 器自此诞生。 2.2 PLC 的主要产品及发展趋势的主要产品及发展趋势 （1）PLC 的主要产品 我国有不少的厂家研制和生产过 PLC，但是还没有出现有影响力和较大市场占有率 的产品。目前我国使用的 PLC 几乎都是国外品牌的产品，呈现八国联军的态势，但从行 业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美 PLC 居多，小型控制系统、机床、 设备单体自动化及 OEM 产品采用日本的 PLC 居多。欧美 PLC 在网络和软件方面具有优 势，而日本 PLC 在灵活性和价位方面占优势。 在全世界上百个 PLC 制造厂中，有几家举足轻重的公司。它们是美国 Rockwell 自 XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 3 动化公司所属的 AB(Allen Bradly)公司、GE-Fanuc 公司，德国的西门子(Siemens)公 司和法国的施耐德(Schneider)自动化公司，日本的三菱公司和欧姆龙(OMRON)公司。这 几家公司控制着全世界 80%以上的 PLC 市场，它们的系列产品有其技术广度和深度，从 微型 PLC 到有上万个 I/O(输入，输出)点的大型 PLC 应有尽有。 （2）PLC 的发展趋势 1）向高速度、大容量方向发展。 2）向超大型、超小型两个方向发展。 3）P LC 大力开发智能模块，加强联网通信能力。 4）增强外部故障的检测与处理能力。 5）编程语言多样化。 2.3 PLC 的特点的特点 （1）可靠性极高、抗干扰能力极强 体现在两个方面，硬件方面体现在微处理器 I/O 电路之间，采用光电隔离措施，有效 地抑制了外部干扰源对 PLC 的影响，同时还可以防止外部高电压进入模版；软件方面体 现在设置故障检测与诊断程序。 （2）编程简单、易于掌握 PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯， PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图 相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有 一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。 （3）控制系统结构简单、使用方便 在 PLC 控制系统中， 只需在 PLC 的输入/输出端子上接入相应的信号线即可， 不需要 连接继电器之类的低压电气和大量复杂的硬件接线电路，大大简化了控制系统的结构。 PLC 体积小，质量轻，安装与维护也极为方便。另外，PLC 的编程大多采用类似于继电 器控制控制线路的梯形图形式，这种编程语言形象直观、容易掌握，编程非常方便。 （4）功能强大、通用性好 PLC 的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟 量的输入/输出。在 PLC 内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移 位寄存器、中间寄存器等。 由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、 锁存、比较、 跳转、和强制 I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制 功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。同一台 PLC 可适 用于不同的控制对象的不同控制要求。同一档次、不同机型的功能也能方便地相互转换。 （5）开发周期短，成功率高 只需要正确合理的选用各种模块组成系统而无需大量硬件配置和管理软件的二次开 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 4 发。PLC 采用软件控制方式，控制系统一旦构成便可在机械装置研制之前根据技术要求 独立进行应用程序开发。 2.4 PLC 的分类的分类 PLC 的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的 差异。因此，PLC 的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、控制规模、实 现的功能进行大致的分类。 （1）按结构形式分类 PLC 按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。整体式 PLC 外观上是一个长方 形箱体，又称为箱式 PLC。组合式 PLC 在硬件构成上具有一定的灵活性，其规模可以像 拼积木一样的进行组合，构成具有不同控制规模和功能的 PLC，因此这种 PLC 又称为积 木式 PLC。 整体式 PLC：整体式 PLC 的 CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内，这种结构 的特点是：结构简单， 体积小，价格低；输入输出路数固定， 实现的功能和控制规模固定， 灵活性较低。 组合式 PLC：组合式 PLC 为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽， 每个总线槽可安装一个 PLC 模块，不同的模块实现不同的功能。PLC 的 CPU、存储器和 电源等做成一个模块， 该模块在总线版上的安装位置一般来说是固定的， 而且该模块也是 构成组合式 PLC 所必需的。其他的模块根据 PLC 的控制规模、实现的功能选取，安装在 总线版的其他任一总线槽上。组合式 PLC 安装完成后，需进行登记，使 PLC 对安装在个 总线上的模块进行确认。组合式 PLC 的总线板又称为基版。组合式 PLC 的特点是系统构 成灵活性高，可构成具有不同控制规模和功能的 PLC；价格较高。 （2）按控制规模分类 输入/输出的总线数，又称 I/O 点数，是表征 PLC 控制规模的重要参数。因此，按控 制规模对 PLC 分类时，可根据 I/O 点数的不同大致分为小型、中型和大型 PLC。 小型 PLC：I/O 点数较少，在 256 点以下的 PLC。 中型 PLC：I/O 点数较多，在 256 点以上、2048 以下的 PLC。 大型 PLC：I/O 点数较多，在 2048 点以下的 PLC。 （3）按实现的功能分类 按照 PLC 所能实现的功能的不同，可以把 PLC 大致的分为低档、中档、和高档机三 类。 一般地，低档机多为小型 PLC，采用整体式机构；中档机可为大、中、小型 PLC， 其中小型 PLC 多采用整体式结构，中型和大型 PLC 多采用组合式结构；高档机多为大型 PLC，采用组合式结构。 目前，在国内工业控制中应用最广泛的是中、低档机。 XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 5 2.5 PLC 的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 2.5.1 PLC 的基本结构的基本结构 各种 PLC 的组成结构基本相同。 PLC 专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构， 由硬件和软件两部分组成。硬件配置主要由 CPU、电源、存储器、和输入/输出接口电路 等组成。PLC 的基本结构如图 2-1 所示。 电源 扩展接口 通信接口 输出接口 输入接口 CPU 存储器 各类输入通信设备 各类输出扩展单元 总线 图 2-1PLC 的基本结构图 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 集成在一个芯片内，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。PLC 的中央处理器与一般的计算机控制系统一样，是整个系统的核心，它 按 PLC 中系统程序赋予的功能，指挥 PLC 有条不紊的进行工作。主要用于接受并存储从 编程器输入的用户程序，检查编程是否出错，进行系统诊断，解释并执行用户程序，完成 通信及外设的某些功能。目前，PLC 采用的微处理器有通用微处理器、单片微处理器（即 单片机） 、位片式微处理器。 电源：PLC 可直接采用普通单相交流电，允许电源电压在额定电压的-15%+10%范 围内波动，也可用直流 24V 供电。内部的开关电源为 PLC 的中央处理器，存储器等电路 提供 5V、12V、24V 直流电源，使 PLC 能正常地工作。 存储器：在 PLC 主机内部配有三种不同类型的存储器，系统存储器 ROM、用户程序 存储器 RAM 和工作数据存储器。 输入/输出单元（I/O 单元） ：I/O 单元又称为 I/O 接口电路。输入接口电路的输入方式 有直流输入（直流 12V 或 24V）和交流输入（交流 100-120V 或 200-240V） 。输出接口电 路为适应不同负载需要，有三种方式，即继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。继电器 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 6 输出方式最常用，适用于交、直流负载，其特点是带负载能力强，但动作频率与响应速度 慢；晶体管输出适用于直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力小； 晶闸管输出适用于交流负载，响应速度快，带负载能力不大。 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。 2.5.2 PLC 的工作原理的工作原理 PLC 的 CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑 线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫 描到该触点时才会动作。 考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100ms 以上，而 PLC 扫描用户程 序的时间一般均小于 100ms， 因此， PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式- 扫描技术。 这样在对于 I/O 响应要求不高的场合， PLC 与继电器控制装置的处理结果上就 没有什么区别了。 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、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。 （1）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 映像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 映像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。 （2）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 映像区 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。 在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映像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 映像区或系统 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。 （3）输出刷新阶段 XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 7 在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷 新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型 PLC，I/O 点数 较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的 响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。 在 PLC 的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分 别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。PLC 梯形图中别的编程元件也有对应的映像 存储区，它们统称为元件映像寄存器。 PLC 的扫描工作过程如图 2-2、图 2-3 所示。 图 2-2 PLC 的扫描工作过程图 图 2-3 PLC 的扫描周期图 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 8 3 交通灯系统设计交通灯系统设计 3.1 控制系统的控制要求控制系统的控制要求 信号灯受启动及停止按钮的控制，当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，并周而 复始地循环工作，当按下停止按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号灯都熄灭。 （1）控制要求： 南北主干道绿灯亮 20S 绿灯闪 3S黄灯亮 2S 红灯亮 25S 南北人行道红灯亮 30S 绿灯亮 17S 绿灯闪 3S 东西主干道红灯亮 25S 绿灯亮 20S 绿灯闪 3S 黄灯亮 2S 东西人行道绿灯亮 17S 绿灯闪 3S红灯亮 30S （2）正常循环控制方式： 交通灯变化顺序表（单循环周期 50 秒） ： 1）南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯 20S，绿灯闪亮 3S，黄灯 2S 和 红灯 25S。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮和黄灯；反 之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪亮和黄灯。 2） 南北向和东西向人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。 南北人行道通行绿灯应在南 北向主干道直行绿灯点亮 3S 后才允许点亮，然后接 3S 绿闪，其他时间为红灯；同样， 东西人行道通行绿灯于东西向主干道直行绿灯点亮 3S 后才允许点亮，然后接 3S 绿闪， 其它时间为红灯。 （3）急车强通控制方式： 1）急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，按正常循环时序控制，有急车来 时，将急车强通开关接通，不管原来信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮， 直到急车通过为止， 将急车强通开关断开， 信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮 3 次。随后按正常时序控制。 2）急车强通信号只能响应一路方向的来车，若两个方向先后来急车，则响应先来的 一方，随后再响应另一方。 XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 9 3.2 系统设计方案分析系统设计方案分析 3.2.1 系统设计时序图系统设计时序图 根据以上描述可简单绘制交通灯的时序波形图，如图 3-1、图 3-2 所示，南北方向绿 灯和东西方向红灯先亮。 图 3-1 十字路口主干道交通灯模拟控制时序图 图 3-2 十字路口人行道交通灯模拟控制时序图 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 10 3.2.2 系统设计流程图系统设计流程图 分析系统控制要求，可绘制系统的设计流程图如图 3-3、图 3-4 所示。 启动开关 东西红灯亮 东西绿灯亮 东西绿灯闪 东西黄灯亮 南北绿灯亮 南北红灯亮 结束 南北黄灯亮 南北绿灯闪 东西主干道 南北主干道 20S 3S 2S 25S25S2S 3S 20S 图 3-3 主干道模拟控制流程图 启动开关 东西红灯亮 东西绿灯亮 东西绿灯闪 南北绿灯亮 结束 南北红灯亮 南北绿灯闪 东西人行道 南北人行道 图 3-4 人行道模拟控制流程图 17S 17S 3S 30S 3S 30S XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 11 3.3 硬件设计硬件设计 3.3.1 交通信号灯交通信号灯 PLC 的的 I/O 的分配表的分配表 硬件结构设计必须了解各个对象的控制要求，分析对象的控制要求，确定输入/输出 (I/O)接口的数量，确定所控制参数的精度及类型。如对开关量，模拟量的控制，用户存储 器的存储容量等。选择合适的 PLC 机型及外设，以完成 PLC 的硬件结构配置。 根据任务要求，可以算出 I/O 点数，根据 I/O 点数及功能要求，选择 FX2N-48MR 型 PC 机。继电器输出，输入 24 点，输出 24 点，交流电源，24V 直流输入类型。FX2N 是 FX 系列中功能最强、速度最高的微型 PLC，内置用户存储器 8K 步，可扩展到 16K 步， 最大可扩展到 256 个 I/O 点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高 速计数、A/D、D/A、等） 。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实 现多种通信和数据链接。 本系统共使用了 6 个输入端子， 10 个输出端子。 根据上述选型及控制要求， 编制 PLC 控制交通灯的 I/O 接口功能表，具体 I/O 的分配见表 3-1。 表 3-1I/O 分配表 输入信号输出信号 正常循环按钮 SB0X00南北主干道绿灯Y00 启动按钮 SB1X01南北主干道黄灯Y01 停止按钮 SB2X02南北主干道红灯Y02 急行停止按钮 SB4X04南北人行道红灯Y03 南北急行开按钮 SB5X05南北人行道绿灯Y04 东西急行开按钮 SB6X06东西主干道红灯Y10 东西主干道绿灯Y11 东西主干道黄灯Y12 东西人行道绿灯Y13 东西人行道红灯Y14 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 12 3.3.2 十字路口交通灯示意图十字路口交通灯示意图 该模拟交通信号灯分为南北和东西两个方向，分别由绿、黄、红三种颜色，在 PLC 交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有 3 个控制灯，分别为： 禁止通行灯（亮时为红色） 准备禁止通行灯 （亮时为黄色） 直通灯（亮时为绿色） 另外行人道东西南北每面都有 2 个控制灯，分别为： 禁止通行灯（亮时为红色） 直通灯（亮时为绿色） 十字路口交通灯示意图如图 3-5 所示。 图 3-5 十字路口交通灯示意图 XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 13 3.3.3 交通信号灯交通信号灯 PLC 控制硬件接线图控制硬件接线图 FX2N 通过储存的程序周期运转。正常时序和急车强通可由可编程控制器(PLC)来实 现。选用 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 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。 根据上述选型及控制要求，绘制 PLC 控制交通灯的电路接线原理图，该模拟交通信 号灯分为南北和东西两个方向，分别由绿、黄、红三种颜色，其中，COM 端为交通灯的 公共端。PLC 的外部接线图如图 3-6 所示。 图 3-6 PLC 的外部接线图 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 14 3.4 软件设计软件设计 3.4.1 交通信号灯交通信号灯 PLC 状态转移图设计状态转移图设计 因为实际的红绿灯控制中行人道的红绿灯和主干道的红绿灯是有这一定的对应关系 的，所以在编程前一定要理清它们，这样有利于在编程时简化程序、减少 PLC 不必要的 运算。 交通灯的闪动是用周期为 1S 的时钟脉冲 M8013 的触点实现。根据要求车道交通 灯可以用并行序列来表示它们的工作情况。本篇研究的交通信号灯控制系统的 PLC 状态 转移图如图 3-7 所示。 图 3-7 系统的状态转移图 3.4.2 交通信号灯交通信号灯 PLC 梯形图设计梯形图设计 本系统采用的是三菱公司生产的 FX2N 系列 PLC，主题有三部分组成，主要包括微 处理器 CPU、存储器、输入/输出模块，另外还有内部电源、通信接口等其他部分。程序 如图 3-8 所示。 绿闪 3S 绿灯 20S 红灯 3S S 红灯 25S 南北主干道南北人行道东西主干道东西人行道 南北急行 东西急行 红灯 28S 绿灯 17S绿灯 20S绿灯 17S 黄灯 2S绿闪 3S绿闪 3S绿闪 3S 红灯 25S红灯 27S S 黄灯 2S红灯 2S S XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 15 启动 停止 南北急行 东西急行 正常循环 南北急行 东西急行 南 北 主 干 道 绿灯 东 西 主 干 道 红灯 南 北 人 行 道绿灯 东 西 人 行 道 红灯 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 16 急 行 停 止 东西主干道绿灯 南北主干道红灯 东西人行道绿灯 南北人行道红灯 急 行 停 止 南北主干道绿灯亮 20S 南北人行道红灯亮 3S 东 西 主 干 道 红灯亮 25S 东 西 人 行 道 红 灯亮 28S XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 17 南北急行关闭后， 南 北主干道绿灯闪 3S 东西急行关闭后， 东 西主干道绿灯闪 3S 南北主干道绿灯闪 3S 南北人行道绿灯 17S 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 18 东西主干道绿灯 20S 东西人行道绿灯 17S 南北主干道黄灯亮 2S 南北人行道绿闪 3S 东西主干道绿闪 3S XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 19 图 3-8 交通信号灯 PLC 梯形图 东西人行道绿闪 3S 南北主干道红灯亮25S 南北人行道红灯亮27S 东西主干道黄亮 2S 东西人行道红亮 2S 江苏农林职业技术学院毕业论文（设计） 20 4 系统检测与调试系统检测与调试 4.1 调试分析调试分析 大体思路流程如下： （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。 1）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。 2）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：软件调试是通过对用户程序的汇编、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。 编辑程序后， 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。 4.2 程序调试中遇到的问题及解决方法程序调试中遇到的问题及解决方法 问题（1） ：输完指令后执行程序，设置好控制输出的灯没有完全亮。 分析：说明控制该灯的步不正确或是死步。 解决方案：检查梯形图，发现东西方向的输出未写入梯形图，修改梯形图并转换为指 令，插入到程序中，再运行程序，所有设置输出均正常。 问题（2）交通灯未出现闪烁，并且未进入到下一步状态 分析：说明控制该步转换条件的定时器有问题，是根据西门子的定时器来设计的，可 能会有区别。 XXX：基于 PLC 的交通灯控制设计 21 解决方案：查看三菱 PLC 参考资料，发现其定时器的使用与西门子的设置有区别， 在三菱 PLC 中，定时器的设置虽是 0.1999 秒定时器，但可以输入 0.5 秒，设置值 K 就 是定时时间，而西门子的定时器如果是 100ms 的定时器则设置值 K 为 5 即为 0.5 秒，检 查指令表，修改 K 值，插入到程序中，再运行程序，所有设置输出均正常,程序运行正确， 满足设计要求。 5 总结