基于plc的交通信号灯的控制系统的设计

成都工业学院成教院毕业设计（论文）论文题目基于PLC的交通信号灯的控制系统的设计教学点重庆科创职业学院指导老师职称学生姓名学号专业机电一体化技术成都工业学院成教院毕业设计（论文）任务书题目基于PLC的交通信号灯的控制系统的设计任务与要求（1）据某十字路口实际的的交通灯工作情况，搞清楚控制要求，画出时序图。（2）选择PLC型号，分配I/O点。（3）编写交通灯工作的控制程序。（4）在实验室进行调试。时间2013年11月28日至2014年4月17日共20周教学点重庆科创职业学院学生姓名学号专业机电一体化技术指导单位或教研室重庆科创职业学院指导教师职称毕业设计论文进度计划表日期工作内容执行情况指导教师签字2013112820131220查找资料，选题201312222014131完成论文的初稿2014212014315完成论文二稿的写作2014316201445完成论文的终稿及格式修改2014462014420定稿，打印论文，做好评阅的准备20144212014425论文评阅教师对进度计划实施情况总评签名年月日本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘要城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。所以经典控制法很难得到满意的效果。而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题关键词交通、智能控制、PLCABSTRACTTHEMUNIPALTRANSPORTATIONSIGNALCONTROLISTHROUGHTHEADJUSTMENT，THEWANINGANDTHEINDUCTIONWHICHFLOWSTOTHETRANSPORATIONACHIEVEDIMPROVESTHEPERSONANDTHECARGOSAFETRANSPORTATION,ENHANCIGTHEOPERATIONEFFICIENCYTRANSPORTSYSTEMISARANDOMNATURE,AMBIGUITYANDUNCERTAINTYOFCOMPLEXSYSTEMS,THEESTABLISHMENTOFMATHEMATICALMODELSVERYDIFFICULTANDSOMETIMESIMPOSSBLETOUSEEXISTINGMATHEMATICALMETHODSDESCRIBEDTHEMOSTADAPTIVESIGNALCONTROLISUSED,ITNEEDSMATHEMATICALMODEL,WITHOUTCONSIDERINGTRAFFICDELAYS,ANDVAGUECONTROLISAMATHEMATICALMODELTOCONTROLMETHODS,ITCANIMITATEEXPERIENCEDPOLICEDIRECTINGTRAFFIC,IDEAS,ACHIEVEGOODCONTROLRESULTSINRECENTYEARSMANYOFOURSCHOLARSHAVEDIFFERENTIDEASOFINDIVIDUALJUNCTION,TRAFFICCONTROLROUTEVAGUESTUDIED,BUTTHELIMITATIONSOFTHETHEORYANDRESEARCHSCHOLARS,THEFEWPRACTICALAPPLICATIONS,BASEDONTHISACHIEVEMENTTRAFFICSIGNALSVAGUEPLCCONTROLSYSTEMACCORDINGTODETERMINESIGNALDISTRIBUTIONANDFLOWOFTHECONTROLSYSTEMVAGUETHEORETICALRESESRCHRESULTS,THEACHIEVEMENTOFINDIVIDUALINTERSECTIONSWITHTRAFFICLIGHTSBLURPLCCONTROLMETHODSFORINDIVIDUALCROSSROADS4PHASEOFTRAFFICLIGHTS,FOREXAMPLE,THEPLCASANAMBIGUOUSSIGNALCONTROLLERSUSINGLADDERPROGRAMMINGTHROUGHEXPERIMENTSTHATTHERELIABLEOPERATIONOFTHESYSTEMTOAVAGUEUNDERDIFFERENTTRAFFICCONTROLDECISIONMAKING,OPTIMIZESIGNALDISTRIBUTION,WHICHCANEFFECTIVELYSOLVETRAFFICIMBALANCE,INSTABILITYBROUGHTKEYWORDSTRANSPORTATIONINTELLIGENTCONTROLPLCKEYWORDSTRAFFIC、INTELLIGENTCONTROL、PLC目录第一章绪论1第一节PLC的发展及现状1第二节本人的主要工作1第二章十字路口交通信号灯的PLC控制线路设计2第一节十字路口交通信号灯的工作原理及设计要求2第二节十字路口交通信号灯所选PLC的I/O点统计4第三节PLC的选型及技术参数4第四节十字路口交通信号灯PLC的接线图和接线电路设计5第三章十字路口交通信号灯PLC系统的程序设计7第一节常用梯形图的设计方法7第二节PLC内部继电器的分配7第三节十字路口交通信号灯PLC系统的SFC图、梯形图及指令表8第四节在实验室的调试和仿真14结束语15谢辞16参考文献17第一章绪论第一节PLC的发展及现状在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制置,首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称PROGRAMMABLECONTROLLER（PC）。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。第二节本人的主要工作根据设计任务书要求，进行十字路口交通信号灯的设计，经过反复阅读看懂了交通信号灯的时序图，确定程序的设计方法，编译程序，观察仿真结果是否正确。运行出现错误，则检查进行纠正。第二章十字路口交通信号灯的PLC控制线路设计第一节十字路口交通信号灯的工作原理及设计要求一、设计内容及要求（1）系统工作受开关控制，起动开关ON则系统工作；起动开关OFF则系统停止工作。（2）控制对象有八个东西方向红灯两个,南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个,南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个,南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。（3）控制规律1）高峰时段、正常时段及晚上时段的时序分配按图21运行。图21各时段运行分配时序图2）高峰时段按图22运行图22高峰时段运行时序图3）正常时段按图23运行图23正常时段运行时序图4）晚上时段按提示警告方式运行，规律为东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮04秒，暗06秒的规律反复循环。第二节十字路口交通信号灯所选PLC的I/O点统计本设计采用的是三菱FX2N系列32MR的PLC控制系统，总共有32个I/O点。第三节PLC的选型及技术参数一、PLC的选型原则（1）规模要适当输入输出点数以及软件对PLC功能及指令的要求是选择PLC机型规模大小的重要依据。首先要确保有足够的输入输出点数，并留有一定的余地（要有10的备用量）。如果只是为了实现单机自动化，或机电一体化产品，可选用小型PLC。如果控制系统较大，输入输出点数较多，被控设备较分散，可以选用中型或大型PLC。还应确定用户程序存储器的容量。一般粗略的估计方法（输入输出）（1012）指令步数。特别要注意因控制较复杂，数据处理量较大，可能出现存储器容量不够的问题。（2）功能要相当，结构要合理对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，应选用带A/DD/A转换，加减运算数据传送功能的低档机。对于控制比较复杂，控制性能要求较高的系统，例如要求实现PID运算闭环控制通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化。对于工艺过程比较固定环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC。其他情况则选用模块式结构PLC。（3）输入输出功能及负载能力的选择选择哪一种功能的输入输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类参数要求和技术要求，选用具有相应功能的模块。为了提高抗干扰能力，输入输出均应选用具有光电隔离的模块。对于输出形式，分为无触点和有触点两种形式。无触点输出大多使用大功率三极管（直流输出）或双向可控硅（交流输出）电路，其优点是可靠性高响应速度快寿命长，缺点是价格高过载能力差。有触电输出是使用继电器触点输出，其优点是适用电压范围宽价格便宜，缺点是寿命短响应速度慢。此外，还应考虑输入输出的负载能力，要注意承受的电压值和电流值。应该指出的是，输出电流值和导通负载电流值是不同的概念。输出电流值是指每一个输出点的驱动能力。导通负载电流值是指整个输出模块驱动负载时所允许的最大电流值，即整个输出模块的满负荷能力。（4）使用环境条件在选择PLC时，要考虑使用现场的环境条件是否符合它的规定。一般考虑的环境条件有环境温度相对湿度电源允许波动范围和抗干扰等指标。二、所选类型PLC的技术参数根据以上PLC的选型原则，再结合设计任务要求。本次设计PLC选用的是三菱FX2N系列的PLC，FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。说明I/O范围，16256点（基本单元16/32/48/64/80/128点）。高速演算基本命令08US/命令。应用命令152数100US/命令。宽裕的记忆体容量内藏8KEEPROM，最大可扩充至16K。第四节十字路口交通信号灯PLC的接线图和接线电路设计一、十字路口交通信号灯PLC的I/O分配表表24I/O分配表PLC输入点所接输入器件PLC输出点所接输出器件PLC输出点所接输出器件2个X1PB1Y0东西方向红灯2个Y4南北方向红灯2个X2PB2Y1东西方向绿灯2个Y5南北方向绿灯2个Y2东西方向黄灯2个Y6南北方向黄灯2个Y3东西方向左转弯绿灯2个Y7南北方向左转弯绿灯2个二、十字路口交通信号灯的外部接线图设计十字路口交通信号灯接线图如图25所示图25十字路口交通信号灯接线图第三章十字路口交通信号灯PLC系统的程序设计第一节常用梯形图的设计方法常见的设计方法包括翻译法，启保停，逻辑代数法，时序图，SFC图，模块法。在系统设计中对不同的环节，可根据具体情况，采用不同的设计方法。通常在全局上采用程序框图及功能模块方法设计；在旧设备改造中，采用替代法设计；在局部或具体功能的程序设计上，采用逻辑代数法和经验法。第二节PLC内部继电器的分配PLC内部继电器包括内部辅助继电器M和内部状态继电器。（1）PLC内部有很多辅助继电器。辅助继电器的线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱动。辅助继电器的动合和动断触点使用次数不限，在PLC内可以自由使用。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须由输出继电器执行。在逻辑运算中经常需要一些中间继电器作为辅助运算用。这些元件不直接对外输入、输出，但经常用作状态暂存、移位运算等。它的数量比软元件X、Y多。内部辅助继电器中还有一类特殊辅助继电器，它有各种特殊功能，如定时时钟、进/借位标志、启动/停止、单步运行、通信状态、出错标志等。FX2N系列PLC的辅助继电器按照其功能分成以下三类。1）通用辅助继电器M0M499（500点）通用辅助继电器元件是按十进制进行编号的，FX2N系列PLC有500点，其编号为M0M499。2）断电保持辅助继电器M500M1023（524点）PLC在运行中发生停电，输出继电器和通用辅助继电器全部成断开状态。再运行时，除去PLC运行时就接通的以外，其它都断开。但是，根据不同控制对象要求，有些控制对象需要保持停电前的状态，并能在再运行时再现停电前的状态情形。断电保持辅助继电器完成此功能，停电保持由PLC内装的后备电池支持。3）特殊辅助继电器M8000M8255（256点）这些特殊辅助继电器各自具有特殊的功能，一般分成两大类。一类是只能利用其触点，其线圈由PLC自动驱动。例如M8000（运行监视）、M8002（初始脉冲）、M8013（1S时钟脉冲）。另一类是可驱动线圈型的特殊辅助继电器，用户驱动其线圈后，PLC做特定的动作。例如，M8033指PLC停止时输出保持，M8034是指禁止全部输出，M8039是指定时扫描。（2）内部状态继电器是PLC在顺序控制系统中实现控制的重要内部元件。它与后面介绍的步进顺序控制指令STL组合使用，运用顺序功能图编制高效易懂的程序。状态继电器与辅助继电器一样，有无数的动合触点和动断触点，在顺控程序内可任意使用。状态继电器分成四类，其编号及点数如下初始状态S0S9（10点）；回零S10S19（10点）；通用S20S499（480点）；保持S500S899（400点）；报警S900S999（100点）。有关状态继电器的应用，参考项目十STL指令的内容。第三节十字路口交通信号灯PLC系统的SFC图、梯形图及指令表一、十字路口交通信号灯PLC控制的SFC图SFC图如图31所示。图31交通信号灯SFC图二、十字路口交通信号灯梯形图设计十字路口交通信号灯的程序梯图如图32所示图32程序梯图三、十字路口交通信号灯I/O指令表第四节在实验室的调试和仿真一、调试中遇到的问题及解决方法（1）在开始阶段按下起动按钮后无法实现黄灯闪烁。措施用计时器的常闭触点放在前面，实现当计时完后常闭触点自动断开，实现复位，这样就可以实现自动置位、复位，达到循环计时的目的。（2）程序进入正常时段后，停留在正常时段循环中，即使计数完毕，但下面的计数器无法计数，程序无法前进。要使计数器导通，就要在计数完毕后使其有个通断过程，产生脉冲使其计数。结束语经过本次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了电气控制及PLC这门课程，不仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的强，可以通过平时学的知识自己设计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。在这次课程设计中遇到了很多问题，也获得了很多意想不到的知识。在每次突破一个问题后都有种久违的满足感，甚至对每发现一个问题都有种莫名的兴奋。虽然这次的课程设计整整花了我一个星期的时间，每天从早到晚，头脑中就只有这个设计，甚至屡次因为忙于修改方案，调试程序，想解决问题的方法而忘记吃饭、休息，这种感觉不像高中时段那样被人追着学习，而这是自主的去思考突破，是自身的能动力起了作用。因此，这次的