基于PLC的交通信号控制系统设计

1、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.11.1 引言.11.4本课题主要研究内容 .12 PLC 功能简介.22.1概述 .22.2 PLC 的工作原理.22.3主要功能 .24 交通灯控制系统设计.44.1 交通灯控制系统硬件设计 .44.1.1 PLC 选择.44.1.2 可编程控制器 I/O 端口分配 .54.1.3 PLC 的外部接线图.64.2交通灯控制系统软件设计 .64.2.1 十字路口交通灯

2、模拟控制时序图.64.2.2 流程图 .64.2.3 程序梯形图.85 总结.101 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

3、，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。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

4、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

5、 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。 （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、

6、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 IO 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 IO 点数、输入点数与输出点数的比例、IO 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 AD 和D

7、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 IO 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

8、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。 二、PLC 容量的选择步骤与原则 PLC 的容量包括 IO 点数和用户存储容量两个方面。 1、IO 点数的选择 PLC 平均的 IO 点的价格还比较高，因此应该合理选用 PLC 的 IO 点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的 IO 点最少，但必须留有一定的裕量。 通常 IO 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

9、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 IO 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 IO 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 IO 点数10模拟量 IO 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

10、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。表 4-1 交通指挥

11、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 F11.060.02南北红灯 F21.010.03警灯（故障指示）F31.07东西绿灯 F41.02东西黄灯 F51.03东西红灯 F61.044.1.3 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.

12、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25S25S3S2S20S3S2S 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25S25S 5S20S5S30S4-6 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14S10S4S东西绿灯亮东西绿灯闪东西红灯亮10S4S14S东西行人道南北行人道结束4.2.3

13、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.

14、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

15、 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

16、，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。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. 26 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. 3 8 路林吉,王坚，江龙康.可编程控制