十字路口交通信号灯的PLC控制系统设计 毕业论文

学校代码： 14057学 号：20083240芜湖信息技术职业学院毕业论文（设计）论文题目：十字路口交通信号灯的PLC控制系统设计 学科专业： 机电一体化专业 作者姓名： 杨南南 指导教师： 王龙宝 完成时间： 2011.06.03 选题背景随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。马路上经常会看到这种现象:一旦整个路口的交通信号灯出现故障，若没有交警的及时疏导，该路口就会塞得一塌糊涂，甚至造成严重的交通事故。原交通信号控制大都采用继电器或单片机实现，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点,越来越不能适应城市道路交通高速发展的要求。另外，根据人车流量的多少，可能随时增加路口的交通信号，比如增加转弯或人行道交通信号，原有系统的制约性就更加明显了。为了弥补原交通信号灯系统存在的以上缺点，采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率。 可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。毕业论文进度安排：11.05.01-11.05.06论文的各项资料和文献的收集和阅读11.05.07-11.05.15论文资料和文献的整合编辑，拟初稿11.05.15-11.06.03初稿完成指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日毕业论文（设计）写作提纲一、论文题目十字路口交通信号灯的PLC控制系统设计二、论题观点来源：本文论题观点来源于现代化的工业生产，通过对交通现状的思考和本专业所学的知识，遂提出本论题。 三、基本观点：随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了，所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率. 四、论文结构：（一）引言（二）可编程逻辑控制器(PLC)简介21可编程逻辑控制器定义22可编程逻辑控制器（PLC）的由来23可编程逻辑控制器（PLC）的工作原理：2.3.1 输入采样阶段在输入采样阶段2.3.2用户程序执行阶段2.3.3输出刷新阶段2.4可编程逻辑控制器（PLC）的主要特点和发展2.4.1可编程逻辑控制器（PLC）的主要特点 2.4.2可编程逻辑控制器（PLC）的发展（三）十字路口交通信号PLC控制系统3.1控制对象3.2控制要求3.3控制规律： （四）十字路口交通信号PLC控制系统的具体设计4.1.硬件设计4.1.1PLC型号的选用4.1.2编程地址分配4.1.3设计接线图4.2软件设计4.2.1时序图4.2.2梯形图程序设计4.2.3测试结果（五）总结毕业论文（设计）工作中期检查表系别： 自动化控制系 班级： 08机电一班 学生姓名杨南南学号20083240指导教师 王龙宝职称讲师论文（设计）题目十字路口交通信号灯的PLC控制系统设计选题是否有变化否如有，请填写原因无是否一人一题否是否进行了选题背景、及写作提纲是是否进行了文献调研是本论文拟解决的关键问题设计PLC系统控制十字路口交通灯，便捷交通教师填写部分论文（设计）进度情况： 提前完成 正常进行 延期滞后（请写出原因）工作态度情况（学生对毕业论文（设计）的认真程度、完成指导教师布置任务情况）： 认真 较认真 一般 不认真中期质量评价（学生已完成部分的工作质量情况）： 好 中 差存在的问题与建议： 指导教师（签名）： 年 月 日系毕业论文（设计）工作领导小组意见（如被查学生为差的，请系毕业论文设计领导小组写出处理意见）： 领导小组组长（签名）： 年 月 日目录一引言1二可编程逻辑控制器(PLC)简介22.1可编程逻辑控制器定义22.2可编程逻辑控制器（PLC）的由来22.3可编程逻辑控制器（PLC）的工作原理：32.3.1 输入采样阶段在输入采样阶段32.3.2用户程序执行阶段32.3.3输出刷新阶段32.4可编程逻辑控制器（PLC）的主要特点和发展42.4.1可编程逻辑控制器（PLC）的主要特点42.4.2可编程逻辑控制器（PLC）的发展5三.十字路口交通信号PLC控制系统63.1控制对象63.2控制要求63.3控制规律：6四.十字路口交通信号PLC控制系统的具体设计74.1硬件设计74.1.1编程地址分配74.1.2设计接线图84.2软件设计94.2.1时序图94.2.2梯形图程序设计104.2.3测试结果11五总结12致谢13参考文献14十字路口交通信号灯的PLC控制系统设计中文摘要随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了，所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率。PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。关键词： PLC 可编程控制 智能 交通灯一引言当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。 1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以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，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。 电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。 1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。 随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率.交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，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。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出二 可编程逻辑控制器(PLC)简介（一）.可编程逻辑控制器定义可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC) 根据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。 （二）.可编程逻辑控制器（PLC）的由来早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即： 1、编程方便，现场可修改程序； 2、维修方便，采用模块化结构； 3、可靠性高于继电器控制装置； 4、体积小于继电器控制装置； 5、数据可直接送入管理计算机； 6、成本可与继电器控制装置竞争； 7、输入可以是交流115V； 8、输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9、在扩展时，原系统只要很小变更； 10、用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。 这就是著名的GM10条1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。（三）.可编程逻辑控制器（PLC）的工作原理： 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。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。2.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。3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。（四）.可编程逻辑控制器（PLC）的主要特点和发展 1. 可编程逻辑控制器（PLC）的主要特点（1）、高可靠性 1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部 之间电气上隔离。 2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms. 3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 4）采用性能优良的开关电源。 5）对采用的器件进行严格的筛选。 6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即 采用有效措施，以防止故障扩大。 7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统, 使可靠性更进一步提高。 （2）、丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。（3）、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。（4）、编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。（5）、安装简单，维修方便 PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复。2.可编程逻辑控制器（PLC）的发展 虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：1）、早期的PLC（60年代末70年代中期） 早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。2）、中期的PLC（70年代中期80年代中，后期） 在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。 这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。 3）、近期的PLC（80年代中、后期至今） 进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。 三.十字路口交通信号PLC控制系统（一）.控制对象 本系统的控制对象有八个，分别是：东西方向红灯（REW）两个；南北方向红灯 (RSN) 两个；东西方向黄灯（YEW）两个；南北方向黄灯 (YSN) 两个；东西方向绿灯（GEW）两个；南北方向绿灯 (GSN) 两个；东西方向左转弯绿灯(LEW)两个；南北方向左转弯绿灯(LSN)两个（二）.控制要求系统工作受开关控制，启动开关“ON”则系统开始工作，启动开关“OFF”则系统停止工作，所有灯关闭。若因故障使东南西北的绿灯同时亮，系统能自动报警并自动关闭所有红、绿灯，转入提示警告方式。 （三）. 控制规律： （1） 系统24小时循环运行，工作规律按时序图运行（见图2）。绿灯闪烁时按0.5 秒间隔运行。 （2） 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。四十字路口交通信号PLC控制系统的具体设计（一）.硬件设计 1.PLC型号的选用城市道路交通信号控制是典型的开关量顺序控制，采用PLC能充分利用它的优点。在这里我们采用 OMRON C200H 型可编程控制器，适应情报化的控制器C200H，控制同情报化相融合，实现扩展性优良的生产现场；他能进一步增强PC的基本功能，可靠，方便的数据处理提高生产现场工作效率；它致力生产现场情报化充实适应windows的软件；它的单元品种齐全，对各种各样的机械设备实现最佳控制。2.编程地址分配 分析PLC的输入和输出信号,在满足控制要求的前提下,要尽量减少占用PLC的I/O点。由系统控制要求可见，由控制开关输入的启、停信号是输入信号。由PLC的输出信号控制各指示灯的亮、灭，综合有9个输出点，由此可得系统I/O分配表。 交通信号灯控制I/O分配如图所示；类别元件 端子号 作用 输入 SB1 00000 启动按钮 SB2 00001 停止按钮 输出HL1 00200 南北向红灯 HL2 00201 东西向绿灯 HL3 00202 东西向黄灯 HL4 00203 东西向红灯 输出HL5 00204 南北向绿灯 HL6 00205 南北向黄灯 HL7 00206 报警提示 3.设计接线图 交通信号PLC控制输入输出接线图如图（二）软件设计1.时序图2.梯形图程序设计3.测试结果 1.将计算机上用OMRON CX-P编程软件编写的程序下载到OMRON C200H型PLC上。 2.将PLC与PLC的调试单元、输入、输出和COM连接好，按设计线图用实验导线 链接到TVT90-3交通信号灯控制实验板上，用实验导线插接PLC调试单元的 输入输出COM和+24V直流电源端。 3.按下PLC调试单元上的启动按钮SB1，交通信号灯应按要求工作，按下停止按钮SB2，交通灯全部熄灭。 4.如不是按控制要求动作，应检查程序并进行修改，直到调试正确为止。五总结通过本次的论文设计，我对OMRON PLC的知识有了更加深刻的了解及掌握。在这其中不仅让我深化了所学的知识，更重要的是让我整合整个大学学习