毕业设计（论文）-基于PLC控制十字路口交通灯的应用系统.doc

专科毕业设计（论文）设计题目： 基于PLC控制的十字路口交通灯应用系统 系 部： 电气工程系 专 业： 工业企业电气 班 级： 091301 姓 名： 学 号：093905130120 指导教师： 职 称： 助教 2012年6月 南京摘 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。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。可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。在该设计中，还引入EDA模拟十字路口红绿灯闪亮及车辆通行，十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。关键词：十字路口交通灯 PLC可编程序控制器AbstractThe PLC programmable logic controller is a new industrial control devices, which is based on microprocessor, synthesizes computer technology, automatic control technology and communication technologies. It has the simple structure, the convenient programming, the reliable higher merit, and has widely used in the commercial run and position automatic control. Statistics have indicated, the programmable controller is most one kind of equipment in the industrial automation installment applies. The expert believed that the programmable controller will become the main method and one of important foundation equipment in further, PLC, the robot, CAD/CAM will become the industrial production three big props. Because PLC adapts to environment strong, simultaneously its internal timer resources are extremely rich, which carry on the accuracy control to the present universal use many “the evolution type” the signal light, special to the multi-road fork control. Therefore the present PLC is used in the traffic light system, which may reduce the vehicles general waiting time and realize scientific style management. In this design, also introduces the EDA simulation intersection traffic light to glisten and the vehicles to passes through, which visual demonstrates PLC in the traffic light system practical application.Key words :crossroads-traffic light The PLC programmable logic controller目 录1 引言11.1设计背景11.2 PLC 交通灯的来源及现状12 PLC的概述12.1 PLC的特点22.2 PLC的发展趋势22.3 PLC的基本结构和功能32.4 PLC的工作原理43系统的设计53.1设计要求54十字路口交通灯的硬件设计64.1交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表64.2交通信号灯PLC控制硬件接线图65十字路口交通灯的软件设计75.1 设计交通信号灯PLC控制梯形图和指令语句。75.2交通信号灯PLC控制的指令表85.3程序说明115.4 交通信号灯的状态波形图12结论13致谢14参考文献15江苏海事职业技术学院2012届专科生毕业设计1 引言1.1设计背景随着社会经济的发展，城市交通问题引起越来越多的人的关注，交通问题成为制约我国经济发展的一个大问题，因为我国人口较多，所以大部分城市都会出现交通拥堵现象,特别是一些大城市。随着社会的发展，一个城市的交通是否便捷是衡量其是否具有发展潜力的重要指标，随着城市车辆的不断增加，大部分城市的交通出现了超负荷运行的情况，所以交通问题已经成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。因此城市纷纷修建了高速道路，然而，随着私家车和机车的不断增多，导致交通量快速的增长，所以高速道路并没有发挥出其预期的作用，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，缓解主干道与匝道、城区同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亟待解决的主要问题。我们镇上有一条东西方向的国道和南北方向的普通公路交叉的十字路口，由于国道的车流量比较多，所以交通部门延长了国道方向的通行时间，即国道方向绿灯亮的时间比普通公路的长（绿灯为允许通行，红的为禁止通行）。但是早晚上下班高峰时，南北方向的普通公路的人流量也比较大，这就造成了上下班高峰时南北方向等待人们等待时间较长，车辆拥挤。甚至有的市民闯马路，严重违反交通规则，破坏市民的文明形象。发现这种现象我就想如果用一个启动开关控制系统的开启与关闭来调整交通灯的时间控制，比如正常情况东西方向通行时间比南北的长，但在早晚上下班高峰时用定时器启动开关SB1这样南北方向和东西方向通行时间相等，过了上下班高峰按下关闭SB2就会恢复原来情况。这样就能解决在上下班高峰时南北方向车辆拥挤严重的问题。1.2 PLC 交通灯的来源及现状交通信号灯的出现，使得交通得以有效管制，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。但是随着交通量的增长和缺乏对高速道路的系统研究控制，高速道路并没有充 分发挥预期的作用。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会受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。如何采用合适的控制方法，缓解主干道与匝道，城市 周边地区交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的问题。为了实现交通 道路的有效管理，力求交通管理先进性、科学化政府花了很大精力对交通灯进行研究和改善，利用 PLC 技术对交通灯进行逻辑控制，此控制系统实现简单、经济，能够有效的疏导交通，调整交通灯的时间控制和变换频率以及工作时间的控制，从而提高交通路口的通行能力，使交通更加通畅与安全。 2 PLC的概述2.1 PLC的特点（1）可靠性高、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境（如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等）中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高。由于PLC模块均都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、抗震等都有详细的考虑;在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列抗干扰措施;在软件上采用数字滤波等抗干扰以及故障诊断措施。这就使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，仅需在PLC的I/O接口端子上接入相应的输入信号即可，无需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 ，简化了控制系统的结构。PLC的I/O接口可直接与交流220V、直流24V等强电相连，并且具有较强的带负载能力。（3） 编程简单、使用和维护方便由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需要改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序（4） 组合便捷、功能完善、应用范围广PLC发展至今，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内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) 体积小、重量轻、功耗低PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约为1.2KW。2.2 PLC的发展趋势随着电气工业的发展，PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应 用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我 国仍将保持高速增长势头。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器，PLC产业一定会有一个美好的未来。2.3 PLC的基本结构和功能在PLC控制系统中，其组成结构和工作原理都基本相同。用PLC实施控制，就是按一定算法进行I/O接口转换，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如图1所示。图1 可编程序控制器的基本组成PLC采用了3C技术。PLC与计算机系统的组织结构很像，但却具有比普通的计算机更强大的控制系统要求。具体介绍如下： CPU，也称为中央处理单元，是PLC的最核心部分，控制器不仅是中央处理单元的组成部分，计算器也是必不可少的，不仅实现了逻辑运算同时也实现数字运算的功能，PLC使得全机能够很好地运行，它还能实现对现场中的各个运行设备进行有效的控制。在PLC系统中，而存储器的功能不仅是主要用来存储系统程序的，而且还能存储工作状态数据和用户程序。PLC的中央处理单元实现了工业现场及其他外部之间连在一起的使用,这时输入/输出模块成为它们之间的枢纽，输入/输出模块在生产过程中有许多控制变量，如温度、湿度等。它能提高PLC的抗干扰能力，编程器是 PLC的重要外部设备，通过它将用户编写的程序数据送到PLC的用户程序存储器，因为它的任务就是：输入程序、调试程序以及监控程序的执行过程。伴随着现代自动化技术的发展以及计算机技术、网络通信技术的快速发展，PLC的性能相应的也逐渐增多了很多。它不但能实现最基本的逻辑控制功能，而且能进一步实现过程的控制、运动的控制和数据的控制功能。实现单机控制较简单，实现多机群控制也不成问题。无论它有多少功能，逻辑控制的开关量和模拟量都是其最基本的功能，同时还能准确的对程序进行定时、定位以及计数，并在快速的网络通讯上面和严格的监控方面有着强大的功能。2.4PLC的工作原理PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面做了特别的考虑PLC的3个工作阶段当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段完成。上述3个阶段即为一个周期。在整个运行期间PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。(1)输入采样阶段PLC。在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。(2)用户程序执行阶段。根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。当指令中涉及输入/输出时，PLC从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。(3)输出刷新阶段。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。图2 循环扫描过程3系统的设计3.1设计要求1、上下班高峰时用一个定时器来控制系统的开启与关闭，并且开启时，先南北路红灯亮，东西路绿灯亮，关闭时恢复原有PLC控制交通信号灯信号。2、南北路的绿灯和东西路的绿灯不能同时亮，如果同时亮是，信号系统关闭并报警。3、南北路红灯亮25秒，同时东西路绿灯亮，并维持20秒。到20秒时东西路绿灯闪烁3秒后熄灭，同时 黄灯亮维持2秒，到2秒时，东西路黄灯熄灭，同时红灯亮，南北路红灯熄灭，绿灯亮。4、东西路红灯亮30秒，同时南北路绿灯亮25秒，然后闪 3 秒后熄灭。同时南北路黄灯亮，维持2秒后 熄灭，这时南北路红灯口亮，东西路绿灯亮。5、运行时重复上述步骤。表1 交通灯亮闪表东西 信号 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 红灯亮 时间 20S 3S 2S 30S 南北 信号 红灯亮 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 时间 25S 25S 3S 2S 图3 交通灯的放置4十字路口交通灯的硬件设计4.1交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表表2 交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表输入信号输出信号 名称 代号 输入点编号启动按钮 SB1 I0.0停止按钮 SB2 I0.1名称 代号 输入点编号南北绿灯 HL1-1 HL1-2 Q0.0南北黄灯 HL2-1 HL2-2 Q0.1 南北红灯 HL3-1 HL3-2 Q0.2报警灯 HL4 Q0.3东西绿灯 HL5-1 HL5-2 Q0.4东西黄灯 HL6-1 HL6-2 Q0.5东西红灯 HL7-1 HL7-2 Q0.64.2交通信号灯PLC控制硬件接线图 图4 交通信号灯PLC控制硬件接线图其中,S7-200 CPU222系统有8个输入信号和6个输出信号. 1个模拟量电位器，最多可扩展10AI/AO点。4KB用户程序区和2KB数据存储区。有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。可以进行一定模拟量的控制和2个模块的扩展，对于比较适合小型的控制系统。所以在这个设计中选用了S7-200 CPU2224。 在硬件接线图中，输入口I0.0接收启动按钮SB1的输入，输入口I0.1接收停止按钮SB2的输入；输出口Q0.0接收南绿灯(HL1-1)和北绿灯(HL1-2) ， 输出口Q0.1接收南黄灯(HL2-1)和北黄灯(HL2-2) ， 输出口Q0.2接收南红灯(HL3-1)和北红灯(HL3-2) ，输出口Q0.3接收报警灯(HL4)， 输出口Q0.4接收东绿灯(HL5-1)和西绿灯(HL5-2) ， 输出口Q0.5接收东黄灯(HL6-1)和西黄灯(HL6-2) ， 输出口Q0.6接收东红灯(HL7-1)和西红灯(HL7-2)。5十字路口交通灯的软件设计5.1 交通信号灯PLC控制梯形图 图5 交通灯的PLC梯形图5.2交通信号灯PLC控制的指令表表3 交通灯的PLC指令表 LD I0.0 O M0.0 AN I0.1 = M0.0 LD M0.0 LPS AN Q0.3 AN T41 TON T37 , +250 LRD A T37 TON T38 , +250 LRD A T38 TON T39 , +30 LRD A T39 TON T40 , +20 LRD A T37 TON T41 , +300 LRD A T44 TON T42 , +20 LRD AN Q0.3 AN T37 TON T43 , +200 LRD A T43 TON T44 , +30 LRD AN T46 TON T45 , +5 LRD A T45 TON T46 , +5 LRD AN T37 AN Q0.3 = Q0.2 LRD LD Q0.6 AN T38 LD T 38 AN T39 A T45 OLD ALD = Q0.0 LRD AN T38 AN T40 = Q0.1 LRD LD Q0.2 AN T43 LD T43 AN T44 A T45 OLD ALD = Q0.4 LPP LPS A T44 AN T42 = Q0.5 LRD A T37 = Q0.6 LPP A Q0.0 A Q0.4 = Q0.35.3程序说明(1)定时器启动按钮SB1，I0.0闭合，M0接通闭合且自锁。第3逻辑行内的M0.0常开触点闭合，计时器T37接通且计时；第9逻辑行内的T43接通且计时，第11、12逻辑行中的T45，T46T形成1S的时钟脉冲；第13逻辑行中的Q0.2被接通，南、北路红灯亮；由于Q0.2被接通，第17逻辑行中Q0.4也被接通，东、西路绿灯工作。(2)当计时20S后，第9逻辑行的T43开始计时，第17逻辑行中的计时器T43的常闭触点被断开，Q0.4被断电；第18逻辑行中的T43的常开触点闭合，当T45常开触点闭合使Q0.4接通，T45的常开触点断开后Q0.4断开，此时东、西路绿灯闪烁。(3)因为第9逻辑行中的T43开始计时，第10逻辑行中的T43的常开触点闭合，因此计时器T44被接通，计时3S后，T44开始计；T44在第18逻辑行中的常闭触点断开，东、西路绿灯工作结束；同时第19逻辑行中的T44的常开触点闭合，Q0.5接通，东、西路黄灯亮；第8逻辑行中的T44的常开触点闭合，计时器T43接通并工作；计时2S后，T43动作，第19逻辑行中的T43的常闭触点断开，且Q0.5失电，东、西路黄灯灭。(4)当东、西路黄灯灭时，第3逻辑中的计时器T37正好计时25S开始动作，第13逻辑行中的T37的常闭触点断开，南、北路红灯停止工作；第20逻辑行中的T37的常开触点闭合，Q0.6接通，东、西路红灯亮；又由于Q0.6的接通，因而第14逻辑行中的Q0.0的常开触点闭合，南、北路绿灯亮。(5)T37计时后，第4逻辑行中的T37的常开触点闭合，T38接通并工作，第7逻辑行中的T37的常开触点闭合，T41接通并工作。(6)计时25S后，第4逻辑行中的T38计时，第14逻辑行中的计时器T38的常闭触点断开，Q0.0断电；第15逻辑行中的T38的常开触点闭合，使T45的常开触点闭合时Q0.0并接通，T45常开触点断开时Q0.4断开，此时南、北路绿灯工作。(7)因为第4逻辑行中的T38动作，所以第5逻辑行中的T38的常开触点闭合，计时器T39开始工作，计时3S后，T39开始工作；T39在第15逻辑行中的常闭触点断开，南、北路绿灯工作结束；同时第16逻辑行中的T39的常开触点闭合，Q0.1接通，南、北路黄灯亮第6逻辑行中的T39的常开触点闭合，计时器T40开始工作；计时2S后，T40动作，第16逻辑行中的T40的常闭触点断开，Q0.1断电，南、北路黄灯灭。(8)当南、北路黄灯工作结束时，正好东、西路红灯亮了30S，即第7逻辑行中的T41计时30S，此时T41动作，第3逻辑行中的T37复位，且使得第4、7、13、20逻辑行中的常开触点复位，进入下一次循环过程。5.4 交通信号灯的状态波形图图6 交通信号灯的状态波形图结 论通过这次毕业设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我觉得做毕业设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有些知识点老是弄不懂，做完设计，许多问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的。所以这次的设计对我们的作用非常大。通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 在这次毕业设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下迎刃而解。同时，在老师的身上我们