基于PLC的交通信号控制系统设计.doc

基于 PLC 的交通信号控制系统设计 I 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 城市交通灯控制采用的可编程控制器具有可靠性高 维护方便 用法简单 通用性强等特点 本文 用三菱 FX2n 系列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 目 录 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 4本课题主要研究内容 1 2 PLC 功能简介 2 2 1概述 2 2 2 PLC 的工作原理 2 2 3主要功能 2 4 交通灯控制系统设计 4 4 1 交通灯控制系统硬件设计 4 4 1 1 PLC 选择 4 4 1 2 可编程控制器 I O 端口分配 5 4 1 3 PLC 的外部接线图 6 4 2交通灯控制系统软件设计 6 4 2 1 十字路口交通灯模拟控制时序图 6 4 2 2 流程图 6 4 2 3 程序梯形图 8 5 总结 10 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 1 1 绪论 1 1 引言 十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行 实现红绿灯的自动指挥能使交 通管理工作得到改善 也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一 可编程序控制 器 PLC 是一种新型的通用的自动控制装置 它将传统的继电器控制技术 计算机技 术和通讯技术融为一体 具有专能加强 编程简单 使用方便以及体积小 重量轻 功耗低等一系列优点 本文介绍了的 PLC 产品来实现交通灯的自动控制 1 4 本课题主要研究内容 按照城市交通控制的需要 本文讨论了用 PLC 实现正常时序 正常时序控制时 南北方向红灯时 东西方向绿灯 20 秒后绿灯闪亮 3 秒紧接着 黄灯闪亮 2 秒 变红灯 南北方向红灯直接变绿灯 25 秒后绿灯闪亮 3 秒 接着黄 灯闪亮 2 秒 然后变红灯 东西方向红灯变绿灯 这是一个完整的工作周期 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 2 2 2 PLC 功能简介 2 1 概述 可编程序控制器 PLC 是以微处理器为基础 综合了计算机技术 自动控制 技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置 它具有体积小 功能强 灵活通用与维护方便等一系列的优点 特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境 的能力 受到用户的青睐 因此在冶金 化工 交通 电力等领域获得了广泛的应 用 成为了现代工业控制的三大支柱之一 可编程序控制器是一种存储器控制器 支持控制系统工作的程序存放在存储器 中 可编程序控制器的分类 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 2 按控制规模分类 3 按实现的功能分类 2 2 PLC 的工作原理 2 3 主要功能 3 交通信号控制系统分析 3 1 十字路口交通灯控制实际情况描述 1 南北方向绿灯和东西方向的绿灯不能同时亮 如果同时亮 则应自动立即 关闭信号灯系统 并立即发出报警信号 2 系统工作后 首先南北红灯亮并维持 25s 与此同时 东西绿灯亮 并维 持 20s 时间 到 20s 时 东西绿灯闪亮 闪亮 3s 后熄灭 3 在东西绿灯熄灭时 东西黄灯亮并维持 2s 然后东西黄灯熄灭 东西红灯 亮 同时南北红灯熄灭 南北绿灯亮 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 3 4 东西红灯亮并维持 30s 与此同时 南北绿灯亮并维持 25s 然后 南北绿 灯闪亮 3s 后熄灭 5 南北绿灯熄灭时 南北黄灯亮维持 2s 后熄灭 同时南北红灯亮 东西绿灯 亮 至此 结束一个工作循环 3 2 十字路口交通灯的路况画出模拟图 3 1 交通灯示意图 西 北 东 南 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 4 4 交通灯控制系统设计 4 1 交通灯控制系统硬件设计 4 1 1 PLC 选择 一 PLC 机型和容量的选择步骤与原则 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 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 I O 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 I O 点数 输入点数与输出点数的比例 I O 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 3 相应的功能要求 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 A D 和 D A 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 4 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 I O 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 5 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 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 5 二 PLC 容量的选择步骤与原则 PLC 的容量包括 I O 点数和用户存储容量两个方面 1 I O 点数的选择 PLC 平均的 I O 点的价格还比较高 因此应该合理选用 PLC 的 I O 点的数量 在满足控制要求的前提下力争使用的 I O 点最少 但必须留有一定的裕量 通常 I O 点数是根据被控对象的输入 输出信号的实际需要 再加上10 15 的 裕量来确定 2 存储容量的选择 用户程序所需的存储容量大小不仅与 PLC 系统的功能有关 而且还与功能实现 的方法 程序编写水平有关 一个有经验的程序员和一个初学者 在完成同一复杂 功能时 其程序量可能相差25 之多 所以对于初学者应该在存储容量估算时多留 裕量 PLC 的 I O 点数的多少 在很大程序上反映了 PLC 系统的功能要求 因此可 在 I O 点数确定的基础上 按下式估算存储容量后 再加20 30 的裕量 存储容量 字节 开关量 I O 点数 10 模拟量 I O 通道数 100 三 本系统选择的 PLC 本次交通灯设计采用的是来自 FX 的 FX2N 可编程控制器 产品规格 FX CPU 单元在编程环境等方面 它不仅具备了以往的小型 PLC 所具有的功能 尽可能使安装空间最小化 并实现了具有 10 点 100 点输入输出点数 的弹性构成 而且还可连接可编程控制终端 创造了尚无前例的灵活运用 它不仅 可以替代继电器控制柜 就是作为小型控制器或在传感器应用中 亦能适应生产现 场不同的需求 AC 电源输入 继电器输出 能加扩展单元 4 1 2 可编程控制器 I O 端口分配 根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析 系统采用自动控制方式 输入有系 统开启 停止按钮信号和强通车按钮信号 输出有东西方向 南北方向各两组指示 信号和故障指示驱动信号 由于每一个方向的两组指示灯中 同种颜色的指示灯同 时工作 为了节省输出点数 可采用并联输出方法 由此可知 该系统所需的输入 点数为 输出点数为 全部是开关量 则可将 I O 分配用表 4 1 表示 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 6 表 4 1 交通指挥灯的 I O 分配表 输入元件输入地址输出元件输出地址 开启按钮 SB10 00南北绿灯 F01 05 停止按钮 SB20 01南北黄灯 F11 06 0 02南北红灯 F21 01 0 03警灯 故障指示 F31 07 东西绿灯 F41 02 东西黄灯 F51 03 东西红灯 F61 04 4 1 3 PLC 的外部接线图 根据上述 I O 表可知 I O 所需点数只有 11 点 故选用 FX 微型 PLC 即可 PLC 外部输入输出的信号接线如图 4 2 所示 其中 每一方向的两组指示灯中 同 种颜色的指示灯并联 用 PLC 的同一个输出点 4 2 外部输入输出的信号接线图 4 2 交通灯控制系统软件设计 4 2 1 十字路口交通灯模拟控制时序图 交通指挥信号灯控制系统工作时 对指挥灯的控制要求按一定时序进行 如图 4 3 所示 4 3 十字路口交通信号灯控制时序图 4 2 2 流程图 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 7 启动开关 东西绿灯亮 东西红灯亮 南北红灯亮 东西绿灯闪 南北绿灯闪东西黄灯亮 南北绿灯亮 南北黄灯亮 南 北 主 干 道 25S 25S 3S 2S 20S 3S 2S 30S 东 西 主 干 道 启动开关 南北红灯亮 东西红灯亮 东西绿灯闪 东西绿灯亮 南北绿灯闪 南北绿灯亮 南 北 人 行 道 东 西 人 行 道 25S 25S 5S 20S 5S 30S 4 6 正常时序流程图 启动开关 南北红灯亮 南北绿灯 南北绿灯闪 14S 10S 4S 东西绿灯亮 东西绿灯闪 东西红灯亮 10S 4S 14S 东西行人道 南北行人道 结束 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 8 4 2 3 程序梯形图 4 2 3 1 正常时序梯形图 根据对交通信号灯的控制要求及 PLC 控制系统的 I O 分配的定义 可对 PLC 进 行控制程序的设计 其梯形图如图 6 5 所示 下面对所设计的梯形图作说明如下 供信号灯闪光控制用的方波发生器有定时器 TIM001 和 IR 继电器 1 00 组成 方 波发生器产生周期为 1s 接通 0 5s 断开 0 5s 的方波脉冲 当启动开关和上时 0 00 接通 使 1 01 和 1 02 接通 南北红灯亮 东西绿灯亮 TIM002 开始计时 计时时间为 20s 计时时间到 TIM002 的动合触点闭合 其动 断触点断开 通过 1 00 TIM003 使 1 02 按照 1 00 的通断周期通断 东西绿灯闪光 TIM003 开始计时 当东西绿灯闪亮 3 次 时间为 3 秒 时 TIM003 计时到 其动 断触点断开 使 1 02 断开 东西绿灯闪光熄灭 TIM002 的动合触点闭合使 1 03 接 通 东西黄灯亮 TIM004 开始计时 计时时间为 2s 计时时间到时 TIM004 的动 断触点断开 使 1 01 1 03 断开 南北红灯熄灭 东西黄灯熄灭 TIM004 的动断触 点闭合 使 1 04 1 05 接通 东西红灯亮 南北绿灯亮 TIM005 开始计时 计时时 间为 25s 计时时间到时 TIM005 的动合触点闭合 其动断触点断开 通过 1 00 和 TIM006 的动断触点使 1 05 按照 1 00 的通断周期通断 南北绿灯闪光 TIM006 开 始计时 计时 3s 到时 TIM006 的动断触点断开 使 1 05 断开 南北绿灯闪光熄灭 TIM006 的动合触点闭合 使 1 06 接通 南北黄灯亮 TIM007 开始计时 计时时间 为 2s 计时时间到时 TIM007 的动断触点断开 使 1 05 和 1 06 断开 东西红灯和 南北黄灯熄灭 同时使 TIM002 TIM003 TIM004 TIM005 TIM006 TIM007 计 时器全部复位 断开 于是 TIM004 的动断触点及 TIM002 的动断触点都闭合 分 别使南北红灯亮和东西绿灯亮 开始第二周期的动作 以后周而服饰地进行 当停 止开关闭合时 1 01 和 1 02 及全部计时器断开 使全部输出继电器断开 全部信号 灯熄灭 当 1 02 和 1 05 也就是东西绿灯和南北绿灯同时点亮时 报警电路接通 系统 报警 应立即关闭交通灯 进行故障处理 当系统需要停止时 按下 0 01 即可 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 9 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 10 5 总结 其实交通现场实况车辆的流量是变化的 本设计只是对其路灯起到一个开关的 作用 即开关量控制系统 由于所学知识及能力有限 无法对其路灯进行智能化控 制 通过这次毕业设计 使我得到了一次用专业知识 专业技能分析和解决问题全 面系统的锻炼 使我在 PLC 的基本原理 PLC 应用系统开发过程 以及在常用编程 设计思路技巧 特别是汇编语言 的掌握方面都能向前迈了一大步 为日后成为合 格的应用型人才打下良好的基础 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 11 基于 PLC 的交通信号控制系统设计 12 参考文献参考文献 5 平志韩 可编程序控制器及其在包装机械中的应用初探 1989 2 6 段然 可编程控制技术采样机控制系统中的应用研究 西北工业大学 2001