PLC交通灯课程设计

1、 摘 要交通信号灯针对城市交通的拥挤现象,特别是驾驶员违章严重、交通事故频发、车辆尾气污染等问题而生,是集计算机、信息、电子及通讯等众多高新技术手段于一体的智能交通指挥中心控制系统。该系统的安装及使用,大大缓解了城市道路堵塞现象、提高了道路的通行能力.减少了驾驶员违章的次数,抑制了交通事故的发生,同时对减轻车辆尾气排放,从而降低环境污染都起到了不可低估的作用.分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡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硬件电路设计方案。 关键词PLC控制系统 交通灯 自动化目 录1、绪论.1 2、PLC的概述.4 2.1

2、、PLC的产生及发展.4 2.2、PLC的结构.5 2.3、PLC的定义.5 2.4、PLC的工作原理.5 2.5、PLC的应用.62.6、PLC的发展趋势.63、组态王的简介.7 3.1、组态王的定义.7 3.2、组态王的特点.8 3.3、组态王编程应注意事项.9 3.4、组态王的特点和功能.94、交通信号灯控制的实现.9 4.1、控制要求.94.2、交通工作时序图.9 4.3、I/O分配表.104.4、顺序功能图.105、PLC梯形图及其功能.126、组态王软件监控画面.177、课设体会.20 参考文献1、绪论随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，

3、已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。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P

4、LC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。2、PLC的概述2.1 PLC的产生及发展在工业生产过程中，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装置，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Pr

5、ogrammable Controller（PC）。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。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。2.2 PLC的结构PLC

6、 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 图1 PLC的基本结构框图2.3 PLC的定义可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC

7、标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.4 PLC的工作原理 1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。

8、 2） 程序执行阶段：PLC对用户程序扫描。 3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。2.5 PLC的应用目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 1、开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2 、模拟量控制 在工业生产过程当中，

9、有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3、 运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4 、过程控制 过程控制是指对温

10、度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5 、数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理

11、一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6 通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.6PLC的发展趋势：1、向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可

12、达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。2、 向超大型、超小型两个方向发展当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为816点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司系列PLC。3、 PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近

13、年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。4、增强外部故障的检测与处理能力根据统计资

14、料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。5、 编程语言多样化在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。

15、多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。3、组态王的简介 3.1组态王的定义 组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。组态王是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。组态王提供了丰富的、简捷

16、易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该款产品的历史曲线、报表及web发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。组态王6.55在保留了原报表所有功能的基础上新增了报表向导功能，能够以组态王的历史库或KingHistorian为数据源，快速建立所需的班报表、日报表、周报表、月报表、季报表和年报表。此外，还可以实现值的行列统计功能。组态王6.55在web发布方面取得新的突破，全新版的Web发布可以实现画面发布，数据发布和OCX控件发布，同时保留了组态王Web的所有功能：IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画

17、面，IE客户端与Web服务器保持高效的数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与Web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能。 组态王kingview6.55集成了对KingHistorian的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。KingHistorian是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。具有单个服务器支持高达100万点、256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过20,000 条记录的强大功能。能够更好地满足

18、高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。3.2组态王的特点 组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以

19、动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 （1）实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 3.3组态王编程应注意事项(1) 图形,是用抽象的图形

20、画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。 (3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。 3.4组态王的优点和功能 组态王具有以下优点和功能。优点1,可视化操作界面； 2，自动建立I/O点； 3，分布式存储报警和历史数据 ；4，设备集成能力强；5，可连接几乎所有设备和系统。 功能1流程图监控功能；2，完整的脚本编辑功能 ；3，实时趋势监视功能；4，全面报警功能；5，历史数据管理功能6，报表展示功能。4、交通信号灯控制的实现4.1控制要求（1

21、） 按下起动按钮，信号灯开始工作，东西向绿灯、南北向红灯同时亮。（2） 东西向绿灯亮25S后，闪烁3 次频率为1S次。然后东西向黄灯亮，2S后东西向红灯亮，30S后东西向绿灯亮 按此循环。（3） 南北向红灯亮30S后，南北向绿灯亮，25S后闪烁3 次，频率为1S次。然后南北向黄灯亮，2S后南北向红灯亮，30S后南北向绿灯亮按此循环。（4） 按下停止按钮，所有信号灯熄灭。4.2信号灯工作时序图 图2 交通灯时序图4.3 I/O分配表十字路口交通信号灯西门子S7 200PLC控制I/O表输入信号输出信号名称代号输入点编号 名称代号输出点编号起动按钮SB1I0.1东西向绿灯HL1Q0.0停止按钮SB

22、2I0.2东西向黄灯HL2Q0.1东西向红灯HL3Q0.2南北向绿灯HL4Q0.3南北向黄灯HL5Q0.4南北向红灯HL6Q0.5图3 I/O分配表通过上述的分析，可以看到，系统需要2个输入和6个输出，对于这样一个小型的系统可以选择一些小型PLC就可以满足需求，可以选择西门子S7-200型PLC。 红 北 黄 绿 西 东 南 红 黄 绿 图4 交通灯的面板示意图该模拟交通信号灯分为南北和东西两个方向，分别由绿、黄、红三种颜色，其标号分别，其中，南北红灯HL6；南北黄灯HL5；南北绿灯HL4；东西红灯HL3；东西黄灯HL2；东西绿灯HL1 。 图5 I/O接线图4.4顺序功能图 图6 信号灯PL

23、C顺序功能图5、PLC梯形图及其意义启动东西方向绿灯，南北方向红灯T37启动，南北方向红灯定时30秒东西方向绿灯定时25秒定时时间到，东西绿灯灭，开始启动三次闪烁闪烁定时0.5秒东西绿灯开始闪烁亮0.5秒之后，计数器自加1绿灯亮0.5秒计时0.5秒之后启动定时器T39，开始闪烁循环计数大于3次之后，东西黄灯亮黄灯亮计时2秒计时时间到东西红灯开始亮东西红灯计时30秒计时时间到，绿灯开始亮T37定时器时间到，南北绿灯开始亮南北绿灯亮25秒南北绿灯灭，开始闪烁计时计时0.5秒计时器C1开始计数定时时间到，计数一次计数器自加1南北绿灯开始闪烁循环看是否计数够三次南北黄灯开始亮，返回南北红灯亮南北红灯东西绿灯东西红灯南北绿灯南北黄灯东西黄灯停止工作寄存器后接驱动指示灯6、组态软件监控图