【基于PLC的交通信号灯控制系统设计9000字（论文）】

第第I页基于PLC的交通信号灯控制系统设计TOC\o"1-3"\h\u18125一、绪论 527306（一）设计目的及设计意义 56891（二）设计背景 5318861国外发展背景 5283232国内发展背景 618647二、交通灯简介 62190（一）交通灯的基本信息 632607（二）信号灯的光源 722077（三）交通信号的分类 718469（四）信号灯安装要求 721911三、PLC的简介与选型 828593（一）PLC的简介 8220791PLC的产生 8203362PLC的主要功能 9150993PLC的特点 96644（二）PLC的选型 1025453四、控制系统硬件设计 1012867（一）控制系统分析 1026797（二）I/0端口分配表 1111932（三）PLC接线图 1227513五、控制系统MCGS组态软件画面设计 1227222（一）MCGS的概述 1226900（二）MCGS设计过程 13265671创建工程 13297202制作工程画面 142645六、控制系统软件设计 1522716（一）PLC时序控制图 1512832（二）主程序的设计 1512379（三）子程序的设计 16199391启动与停止 16179962循环运行 17238113南北方向的控制 17614东西方向的控制 1927359七、系统测评 2020152（一）经济性能 205602（二）系统评价 213705结论 212022参考文献 22一、绪论（一）设计目的及设计意义近年来，许多城市的交通量增加，导致流动人口快速增长。交通信号控制系统为解决交通拥堵和破坏问题提供了良好的技术创新。交通信号灯经常用于交叉口交通管理，以引导交通，提高交叉口通行能力，减少交通事故。交通灯帮助人们相信交通安全。交通信号灯控制系统是一个计算机集成控制系统，用于监控城市交通数据、控制交通信号灯和调节交通。传统的交通信号控制系统通常使用电子开关和继电器，这些开关和继电器复杂、不可靠、容易出错且难以更改。它们在交通信号控制中起着重要作用。然而，基于微处理器的可编程逻辑控制器（PLC）控制系统通常基于控制电路的顺序编程，具有结构简单、故障保护可靠、运行稳定、可靠性高、同步方便等特点，简单的编程、方便的扩展和灵活的更改为交通信号控制的使用带来了极大的便利。因此，加强交叉口管理，提高交叉口交通效率，改善现有交通系统具有重要意义。为了实现这一目标，开发一个真正适合中国国情、兼顾中国城市交通的智能管理系统具有重要意义。设计了红黄绿交通信号交叉口管理系统。红绿灯表示没有车，黄灯表示有车，绿灯表示道路畅通，我可以通过。本次设计自动控制两个红色，两个黄色和两个绿色交通信号灯的状态转换来实现交通信号灯的控制。交通灯控制系统由PLC控制，监控仿真MCGS工控组态软件两部分组成，继而实现交通灯的基本功能。（二）设计背景1国外发展背景交通灯起源于19世纪早期的英国。1868年，英国机械工程师德·哈特(DeHart)在伦敦威斯敏斯特议会前的广场上设计并安装了世界上第一个燃气信号，灯塔高7米，顶部是红灯和绿灯的煤气信号灯——城市街道上的第一个交通灯,在灯的底部，一个警察拿着一根长杆子，当拉动一个手柄时，杆子就会随意变色，1869年1月2日，只在那里待了23天的煤气灯突然爆炸，杀死了一名被召回的值班警察。1914年，克利夫兰是第一个重新引入路标的城市，随后是纽约、芝加哥和其他城市。当时，交通灯与今天的交通灯不同，是煤气到电，美国人不仅发明了交通灯本身，还发明了交通灯的控制装置。20世纪初，美国使用的第一个信号装置是车辆探测器。车辆传感器的功能之一是根据交通流量调整交通灯绿灯信号的时间，使绿灯信号更有效，减少车辆在十字路口等待的时间，允许时间更加灵活。关于黄灯的发明有好几个故事：其中一个人说，黄灯是1927年由一个叫胡如丁的中国人发明的。1899年，美国铁路开始使用三色灯，黄色表示“警告”灯，另一种说法是，第一个四色交通灯(红、黄、绿)是由美国警察威廉•波茨发明的，并于1920年10月引入市场，当时的三色交通灯与今天的含义相同。2国内发展背景中国是世界上最早探索和发展道路照明的国家之一。随着人口的增长、人民生活水平的提高、私家车的普及、社会的发展和交通问题的日益严重，我国对城市路灯服务的需求日益增加。快点城市交通是一个巨大而复杂的问题。考虑到城市道路的实际情况，需要采取多种方式来解决。目前，我国交通灯的设计包括：单片机交通灯控制系统、CPLD交通灯控制系统和PLC信号灯控制系统。交通控制系统国家交通灯通常设置在相对靠近车辆的交叉口，在交叉口设置红、绿、黄交通灯以控制车辆通行。然而，随着我国交通运输业的快速发展，现有的交通运输系统已不能满足我国的需求，如如何根据交通流量控制交通信号灯的时间，智能交通控制系统将成为我国交通运输发展的主要趋势。二、交通灯简介（一）交通灯的基本信息交通信号是为了改善交通管理，减少事故，提高道路使用效率，改善交通状况而设计的一类道路安全产品。适用于十字路口、中线等交通管制路口，引导车辆和行人安全有序地进入十字路口。交通标志种类：交通标志、人行横道标志、非机动交通标志、转弯标志、闪光警告标志、收费站标志。交通信号是交通管理的重要组成部分，是交通的基本语言。交通信号由红灯(禁止)、绿灯(允许)和黄灯(警告)组成。分为以下几种(如图2-1所示):机动车信号、非机动车信号、人行横道信号、车道标志、转弯信号、闪烁警告信号、交通信号、平交信号。广泛应用于十字路口转角、桥梁等存在安全隐患的危险场所，引导司机或行人超车，方便交通，防止事故和碰撞。图2-1交通信号灯示意图（二）信号灯的光源发光二极管(LED)是近年来开发和制造的一种新型光源：具有功耗低(仅10-20mA)、亮度高(亮度可达数万mcd)、体积小(直径可达3毫米)、重量轻(LED重量只有几克)、寿命长(平均寿命为10万小时)等优点。白炽灯正逐渐取代白炽灯和低压卤钨灯。（三）交通信号的分类（1）按用途分类交通信号灯有三种类型:车辆信号灯、行人信号灯和特殊交通信号灯。这些特殊交通信号包括交通标志、悬索桥、窄桥、隧道信号、公路和铁路十字路口信号以及闪烁的警告标志。（2）按操作方式分类可分为恒回路控制信号和感应控制信号。其中，感应信号可分为半感应信号和全感应信号。（3）按控制范围分类这些信号可以分为十字路口单个交通控制信号(所谓点控制)、干线交通控制信号(所谓线控制)和区域交通控制信号(所谓区控制)。其中，动脉控制信号可分为电缆控制信号和无电缆信号两类。（四）信号灯安装要求1.信号灯的每个灯头上方应设置遮光罩，并涂以黑色，以避免阳光的照晒。2.达到足够的光强:为了让司机能够在150米的距离上识别信号，一个直径为25米的交通灯的镜头要求红灯的光强为310cd(坎德拉)，绿灯为360cd。3.确保正确的高度和角度:标识放置的高度必须符合建筑规范。在公共道路上，标志从最低点到路面的距离必须为4.5米，在高速公路上至少为5.0米。对于建筑缺陷、路面和路面等，需要留出一定的余量。标志的最大高度是距离道路中心5米，距离道路顶部5米。标志角度为停车线至路缘150米，较宽道路(单向2-3车道)角度为中心线2°-3°。4.非机动车辆、人行横道标志的最低高度应在离地2.5米左右，摆动标志一般为水平，其他要求与交通控制标志相同。三、PLC的简介与选型（一）PLC的简介可编程逻辑控制器（PLC）又称计算机或PLC，是在电子控制和信息技术的基础上发展起来的，并逐渐发展成为一种新型的控制系统。工业控制；微型计算机自动化信息与通信技术可编程控制器（PLC）是美国数字设备公司于1969年开发的第一台可编程控制器（PLC）。例如，它可靠性高，编程方便，修改程序的功能也很方便。将来，调试过程在使用上也很方便，可能会出现故障，故障率很低，响应速度快，体积小，使用方便。1PLC的产生自20世纪20年代以来，人们按照一定的逻辑将各种继电器、定时器、接触器和接触器连接起来，形成控制各种机械的控制系统。制造它具有设计简单、使用方便、成本低等优点，能够满足现场控制的要求。因此，它在工业控制领域得到了广泛的应用。然而，继电接触器控制系统存在着体积大、可靠性低、运行速度慢、功能少等明显缺陷，难以引入新的控制方法。由于逻辑系统布线困难且复杂，如果制造过程或位置发生变化，必须更换原有的布线控制板，以降低灵活性和通用性。20世纪60年代末，美国汽车行业竞争激烈，汽车制造商不断更新车型，这不可避免地改变了生产线的运行模式，使汽车生产的控制系统更具竞争力。为了摆脱传统的继电器控制系统，适应竞争激烈的市场需求，具体要求如下：=1\*GB2⑴编程方便，可现场修改程序；=2\*GB2⑵维修方便，采用插件式结构；=3\*GB2⑶可靠性高于继电器控制装置；=4\*GB2⑷体积小于继电器控制盘；=5\*GB2⑸数据可直接送入管理计算机；=6\*GB2⑹成本可与继电器控制盘竞争；=7\*GB2⑺输入可以是交流115V（美国电压标准）；=8\*GB2⑻输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；=9\*GB2⑼扩展时原系统改变最小；=10\*GB2⑽用户存储器至少能扩展到4KB。这些被称为“GM十条”。这些要求的实质是将继电器控制的简单、直观、实用、经济的优点与计算机控制的强大、灵活、通用的优点相结合，将继电器控制的硬件逻辑转化为计算机可编程逻辑。2PLC的主要功能PLC是一种应用广泛、发展迅速的工业自动化设备，在工业自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)中发挥着重要作用。PLC系统具有以下主要功能:(1)系统控制功能多样(2)数据采集功能、存储系统功能和处理功能。(3)通信网络功能(4)输入端口设置功能，输出端口设置功能。(5)人机界面通讯功能(6)编程调试功能3PLC的特点如今的工业制造过程是复杂和多样的，有不同的控制要求。plc是为工业控制应用而开发的，从一开始就被大多数工程师和技术人员使用。主要功能有：=1\*Arabic1、抗干扰能力强，可靠性高由于恶劣的工业环境，PLC采取了各种措施来提高系统软硬件的灵活性。电子电路、机械结构和软件结构的制造商具有多年的生产控制经验。主要模块为高性能和高性能集成电路。输入和输出系统具有出色的通道保护和信号调节电路。高度重视保护结构免受高温、潮湿、灰尘和振动的影响。设备有绝缘、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；电源具有良好的调节和保护措施，以调节电压波动的影响；电压低，包括多相滤波采用内置调压器，软件提供数字滤波等故障诊断措施，并利用信息技术进行保护和维修；实时报警和操作说明。这些特性使得控制器具有很高的容错性。控制器的平均寿命通常超过10000小时，这是其他控制系统无法比拟的。PLC采用微电子技术，除传统的继电器控制外，许多开关操作由非接触存储器的电子设备完成，复杂的互连被计算机程序取代，大大提高了PLC控制系统的可靠性。=2\*Arabic2、控制系统结构简单、通用性强在许多实施例中，所述PLC接收器可包括控制系统。根据所选的扩展模块，可在PLC与扩展模块之间建立简单的连接，进行系统开发，并可与不同尺寸和要求的控制系统灵活结合。PLC控制系统只能使用PLC端子连接到相应的输入输出信号线，而不需要继电器等物理电子设备或大量复杂的接线。PLCI/O可直接连接AC220V、DC24V等负载，负载容量大。PLC控制系统的主要优点是只需要简单的软件修改和小的硬件改变就可以改变控制系统的控制要求和行为，而在继电器控制系统中几乎不可能改变所使用的控制面板的布局。同一PLC模块可用于不同的控制对象，只是输入输出部件和软件不同。PLC控制系统因此被认为是非常灵活和多功能的。=3\*Arabic3、编程方便，易于使用PLC最初是为了取代继电器逻辑而开发的，使其成为先进控制系统中的一项创新。当第一个可编程逻辑控制器被引入时，设计者考虑了工业中工程师和技术人员的知识和习惯，使用的编程语言，传统的梯形图语言，以及以前使用的PLC的内部功能，如继电器和定时器。可编程控制器也使用熟悉的名称，如继电器、计时器和计数器。编程语言是直观的，容易学习，不需要特殊的计算机或语言技能，可以被任何有电气工程背景的人快速使用。（二）PLC的选型现在市场上有很多不同的PLC系统,制造企业是不一样的,PLC系统架构和编程语言或多或少不同,即使是同一家公司的产品是不同的,他们的编程语言可以是不同的,所以需要了解PLC：首先,虽然PLC系统之间存在差异，但主要差异在于硬件架构和编程语言。其次，基于IEC61131-3的开放式PLC编程语言与现代PLC编程语言比较相似。西门子SIMATICS7-200系列plc适用于各种行业和场合的自动数据采集、监控和控制。四、控制系统硬件设计（一）控制系统分析交通信号灯是受启动按钮和停止按钮的控制,，当按下启动按钮时，受控制的信号灯开始工作，并循环工作，当按下停止按钮时，系统将保持在原有状态并保持不变。交通信号灯示意图如图4-1所示，在东西南北两个方向均安装信号灯，两个方向各6个灯，分为红、黄、绿三种颜色。按下起动按钮后,南北向绿灯亮并维持12s，12s后，南北绿灯闪烁亮3s，之后南北黄灯亮3s，在此期间，东西向亮红灯并维持18；18s后，东西方向绿灯亮12s，后绿灯闪烁亮3s，然后东西方向黄灯亮3s，期间,南北向红灯也亮18s，并维持接下去周而复始，直到停止按钮被按下为止。图4-1交通灯示意图分析系统及控制要求可知，需要2个输入和6个输出，因此选用CPU224（14输入和10输出）即可满足。（二）I/0端口分配表表4-2I/O端口分配表输入输出启动（SB1）IO.O南北绿灯Q0.0停止（SB2）IO.1南北黄灯Q0.1南北红灯Q0.2东西绿灯Q0.3东西黄灯Q0.4东西红灯Q0.5（三）PLC接线图根据设计和分布式输入/输出，西门子s7-200-224PLC控制器有两个红色信号灯、两个黄色信号灯和两个绿色信号灯。启动按钮SB1、停止按钮SB2和启动按钮SB1与继电器I0的输入相连。0，停止按钮SB2与继电器I0的输入相连。输出继电器。0端子为南北方向的绿灯，输出继电器为Q0。1.继电器Q0输出端的南北方向黄灯。2.接线端子连接南北方向的红灯，并输出继电器Q0。3.完成东西方向的绿灯和输出继电器Q0。4.终止继电器Q0输出端的黄色指示灯。五个人在东西方向停红灯。系统接线图如图4-3所示图4-2系统接线图五、控制系统MCGS组态软件画面设计（一）MCGS的概述MCGS是昆仑自动化软件（北京）有限公司开发的Windows组态软件，可以让您快速建立计算机监控系统。它为用户提供了一系列实用的技术解决方案，如动画显示、报警管理、过程控制和报告，以及现场数据采集和处理。它广泛应用于自动化领域。其主要特点包括：直观界面简单灵活、实时性强、并行处理能力强、多媒体可视化内容丰富清晰、框架开放、数据预处理采集范围广、安全机制好、网络功能高。多功能报警，与多种硬件兼容，易于管理复杂的工作流程，良好的可维护性和可扩展性，易于使用的配置库。MCGS可以实现现场数据采集、实时历史数据处理、报警、安全机制、过程监控、动画图形显示、趋势报告等功能。用于监视网络活动。配置环境是开发应用系统的工作空间，用户在其中执行所有配置任务，如动画设计、硬件连接、控制程序描述、创建和打印技术报告。用户界面是应用系统的界面，可用于执行配置项的各种任务、目标和任务。MCGS组态软件由五部分组成：主控制窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和操作策略。MCGS软件系统由配置环境和用户界面组成，如图5.1所示。

图5-1MCGS软件系统构成（二）MCGS设计过程1创建工程1.鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，在新建工程设置中选择“TPC1061TD”，分辨率为1024×600，自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCE”。2.选择文件菜单中的的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口，在文件名一栏内输入“交通信号灯系统”，点击“保存”按键，工程创建完毕。如图5-2、5-3所示。图5-2新建工程2制作工程画面1.在“用户窗口”中单击“新建窗口”按键，建立“窗口0”。2.选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，修改窗口名称为“交通信号灯”。3.将该窗口设置为启动窗口。如图5-4、5-5所示。图5-4建立窗口六、控制系统软件设计（一）PLC时序控制图交通信号灯时序控制图如图6-1所示。按启动按钮，交通灯开始工作，按停止按钮，交通灯停止工作。系统启动后，南北方向绿灯亮15s,同时东西方向红灯亮18s,在12S时南北方向绿灯开始闪亮3S后熄灭，之后南北方向黄灯亮3s，东西方向红灯熄灭，东西方向绿灯亮。南北方向红灯亮18S,在此同时东西方向绿灯亮15s，在12s时东西方向绿灯开始闪亮，闪亮3s后熄灭,然后过渡到东西方向黄灯亮3s后熄灭;之后又回到东西方向红灯亮,东西方向红灯熄灭南北方向红灯亮的状态。两个方向的信号灯，按上面的要求周而复始地进行工作。图6-1交通信号灯时序控制图（二）主程序的设计当按下启动按钮，通过定时器定时先实现南北绿灯亮12秒，则南北方向的车辆通行，东西方向的车辆禁止运行，之后通过定时器定时实现南北方向绿灯闪烁3秒，然后定时实现南北方向黄灯亮3秒，在此期间东西方向始终亮红灯，时间为18秒，之后定时器定时实现东西绿灯亮12秒，同时南北红灯亮12秒，则东西方向的车辆允许通行，南北方向的车辆停止通行，之后定时器定时实现东西方向绿灯闪烁3秒，此时南北方向仍然红灯亮3秒；然后西黄灯亮3秒，再回到南北绿灯、东西红灯的状态，循环下去。整个系统实现东西方向红灯时，南北方向为绿灯到绿灯闪烁到黄灯再到南北方向为红灯时，东西方向为绿灯到绿灯闪烁再到红灯的状态，循环变化。当启动信号断开时，所有的信号灯都保持原有状态。整个系统的总体流程图如下图6-2所示。图6-2系统总体流程图（三）子程序的设计1启动与停止按下启动按钮I0.0，将M0.0置位为1，系统开始运行。按下停止按钮I0.1，所有信号灯全灭。2循环运行当MO.O置位为“1”时，启动启动运行，通过一个上升沿之后，接一个辅助继电器M0.6，通过M0.6可以控制南北方向的红灯，在时间继电器T42运行后也通电M0.6，保证系统的循环运行，即在东西方向黄灯运行结束后，南北方向重新运行。3南北方向的控制1.辅助继电器M0.6闭合后，接通线圈M0.1，南北绿灯开始工作，当定时器T38计时结束后，南北绿灯停止工作，控制系统启动的线圈M0.0通电，控制南北绿灯的线圈M0.1通电，绿灯又亮起。线圈M0.1通电控制南北绿灯启动，当定时器T37计时结束后，线圈M0.1断电，绿灯南北绿灯停止工作，此时，控制灯闪烁的继电器M0.2接通，输出继电器Q0.0开始工作，南北绿灯亮，呈闪烁状态。2.继电器M0.1控制南北绿灯的启动，通过定时器控制时间，定时器单位为100ms，设置120个单位即12s，定时器T37后定时器T38，设置30个单位，即3s。3.在计时器T37后接通SM0.5，提供一个周期为1秒钟的时钟脉冲，0.5秒为1，0.5秒为0，以此来实现灯的闪烁状态。在定时器T38的工作之后接入继电器M0.0,后接输出继电器Q0.1，以此来实现黄灯的亮起。黄灯的时间控制接入定时器T39，时间为3秒，当定时间时间结束后，黄灯也停止工作。4东西方向的控制1.输出继电器Q0.4控制东西方向的黄灯，辅助继电器M0.3控制绿灯的启动，在东西方向亮黄灯或者绿灯的时候，一直接通控制南北方向红灯的输出继电器Q0.2，即南北方向一直亮红灯。控制南北黄灯定时的T39接通后，通电辅助继电器M0.3，通过定时器T41控制绿灯的启动与停止。2.线圈M0.3通电控制东西绿灯启动，当定时器T40计时结束后，线圈M0.4断电，绿灯南北绿灯停止工作，此时，控制灯闪烁的继电器M0.4接通，输出继电器Q0.3开始工作，东西绿灯亮，呈闪烁状态。继电器M0.3控制东西绿灯的启动，通过定时器控制时间，定时器单位为100ms，设置120个单位即12s，定时器T40后定时器T41，设置30个单位，即3s，实现绿灯亮12秒后，闪烁3秒。七、系统测评（一）经济性能相比于传统的白炽灯、卤素灯相比，LED交通信号灯运用的寿命长，一般可达到十年，即使考虑到户外室内恶劣环境的影响，在无需维护的状态下，LED交通灯的寿命一般在6-7年左右，这每年需要替换3-4次并且需要定期修理的白炽灯和卤素灯相比，节省了人力财力和物力。例如白炽灯的功率通常为100-150W，耗电量较大，所以在一个十字路口安排四组机动车信号灯，如果采用100W的白炽灯，以每组灯每天点亮24h来算的话，全天的耗电量为9.6KW，按照工业或商业的电费1元/千瓦时来计算，每天的电费为9.6元，，每年的电费为3504元，按照一个中等城市的一百个路口来计算，一年仅仅交通信号灯的电费就高达35万元。所以使用PLC控制的交通信号灯相对于传统信号灯而言性价比是较高的。（二）系统评价在系统的使用方面，设计本系统时，我们只是简易地基于PLC对十字路口的机动车信号灯进行了设计，然而，当系统实际运用到生活中时，我们发现在高峰时期，我们应该考虑该灵活地设计灯亮的时间，才能更好地避免交通的堵塞，要根据车流量实时地进行路灯的控制，另外，在后续改进设计的时候，我们应当设计应急车道来面对突发情况。在经济性能方面，目前有许多的城市正在初步运用太阳能交通信号灯，太阳能是一种取之不尽用之不竭的天然能源并且又是一种可再生的清洁能源，所以太阳能LED交通灯的使用将是我国交通灯未来发展的趋势。另外，在新的安全国标信号灯中，正在逐步取消“绿灯闪烁”状态，实行绿灯倒计时，以避免有车辆在绿灯闪烁时加速通过，造成交通事故。结论本设计是基于PLC的交通信号灯控制系统的设计。由于是基于可编程控制器设计，所以相对于传统的交通信号灯来说，设计易于控制，性价比也更高。该设计主要完成了四个方面的控制，分别是：南北红灯、南北绿灯、南北绿灯闪烁、东西红灯、东西绿灯和东西绿灯闪烁。