【《基于PLC的交通灯控制系统设计》12000字（论文）】

基于PLC的交通灯控制系统设计摘要随着经济的发展有能力买车的人增多，交通问题已经成为影响城市正常运作的重要问题。使用交通信号灯就是一种对于缓解交通压力和保持交通通畅的有效对策，为了保持交通的流畅有必要设计出一套合适的交通灯控制系统。现如今城市中存在着许多释放电磁信号的设备，对于控制设备的抗干扰能力有一定的要求，面对这种情况选择抗干扰能力强的设备是有必要的。发展到如今PLC(可编程控制器)的功能和指令越发强大，其体积也越来越小型化，对于控制交通灯来说这种小型的设备更加满足设计的要求，而且PLC还具有强大的稳定性和抗干扰能力，在这一系统中系统运行可靠性是选择硬件时需要考虑的地方。本论文就是运用PLC设计交通灯控制系统，依靠PLC产品硬件和防护软件的超强防御性电磁干扰防护措施来保持控制系统在这个电磁干扰强烈的城市中可靠的运行。文中介绍了PLC的发展历史、控制的基本原理和其具有的优势，还有在编写控制程序时可以调用系统时钟实现程序分段配时运行，使用梯形图编写交通灯控制程序实现按交通规则的运行要求。关键词：交通灯；PLC(可编程控制器)；系统时钟；梯形图目 录摘要 IAbstract II1绪论 11.1交通灯的研究背景和意义 11.2国内外研究现状 21.3本文的主要工作及内容 32交通灯控制系统的硬件设计 42.1PLC的基本知识 42.1.1PLC的由来 42.1.2PLC的组成 42.1.3PLC的原理 52.2PLC的控制方式 62.3PLC的优势 62.3.1具有丰富的内部寄存器资源 62.3.2抗干扰能力强，可靠性高 72.3.3系统的设计与改造成本小 72.3.4容易操作编程简单 72.3.5硬件配套齐全，功能强 82.4PLC的选型 92.4.1PLC之间的比较 92.4.2确定PLC型号 92.5CD4511译码器 93交通控制系统的软件设计 103.1交通灯的运行流程 103.2PLC软件设计 113.2.1I/O分配表 123.2.3PLC外部接线图 123.3梯形图的设计 133.3.1系统启动程序 133.3.2灯亮时间程序 143.3.3系统时钟调用程序 143.3.4高峰时段程序 153.3.5多段时间运行程序 153.3.6带锁存的七段数码管显示功能程序 163.3.7红绿灯运行程序 174交通灯控制系统仿真 184.1仿真软件简介 184.2仿真软件使用 184.3仿真调试 184.4调试结果 20结论 22参考文献 24附录 251绪论城市交通情况的监控，信号控制和道路分流的计算机集成管理系统称为交通控制系统，它是保证多路口交通安全有序行驶的关键。行人和车辆的安全行驶，依赖于它所经过路口时是否是有序的通行，交通灯就在其中发挥着重要的作用，自动化的运行对于城市来说是未来生活的标志，未来的自动化程度只会越来越高，所以城市的交通管理能里在交通灯中可以清楚的体现出来[1]。1.1交通灯的研究背景和意义中国是一个人口大国，人们越来越注重追求更好的生活质量，买小车的人越来越多，对于城市交通能力来说是一个添加了不小的负担。大部分城市都会出现交通拥堵的现象，特别是一些经济比较发达的城市，在早晚上下班的时间里出现堵车是再正常不过的事情了。这一现像不管是在发展中国家还是在发达国家交通问题都是普遍存在的。要想缓解这种情况最直接有效的方式就是不停的修路，因为道路变多了那么分担到没条道路上的车流量就会变少，道路自然通畅但。但是不受限制地修路这种事情在哪个国家都不可能发生，这种日益增长的交通需求如果只通过修建道路来解决，在资金翻面就是个大问题况且城市的土地也不允许这种情况发生，所以需要另外的方式来改善这种交通问题。而由于客观因素的影响，试想通过限制增加车辆的方式以改善交通求的方式也受到了限制，没有达到符合人民意愿的效果。实际上，如果单从车辆方面或者是道路方面进行道路交通系统的搭建都无法解决这种局面，因为它是一个非常复杂的，要考虑的方向有很多，无法进行单独的设计，它是一个复杂的大系统。在本设计中，是通过使用时间控制与系统时间配合而进行多段化控制的手段以提高车辆通行率。信号灯是实现道路分流通行的一种方式，在里面这些方式里面承担着重要的地位，是控制交通有序运行的基本语言，是为最方便车流疏通方式。交通信号灯的控制是由三种色灯的分别点亮来实现，他们分别是绿灯、红灯、还有他们之间转换时的中间信号黄灯。交通信号灯的分类在交通控制系统发展的同时也得到了进化，各种信号灯种类的出现填补了除十字路口交通灯外的空白，实现交通通行方式的准确划分。在交叉口设置红绿灯可以提高道路的通行率并有效减少事故的发生，为通过路口的行人和车辆在安全方面和通行方面提供保证和增加安全感。然而现在的交通系统随着经济的发展，城市拥有车的人增多，已经不能适应这时的交通状况。现在对于这个系统的改进已经成为一个课题出现，期望可以找到适合当前情况的交通控制系统运行方式[1]。传统的十字路口交通灯，通常是在事先对车流进行调查后，通过统计的方法，预先设定两个方向交通灯的延迟时间。然而，事实上交通情况瞬息万变，在不同的时段的同一个路口中也存在较大差别，绿灯方向没车另一个方向车辆排长龙的情况也时有发生，在经过长时间的运行策略升级后这种情况还是无法避免。车流量变化的偶然性使其无法建立一个准确的数学模型，通过统计学的方式来进行设计也无法对实时交通形势进行有效分析，现在现实的情况是希望可以出现一种可以适应这种情况的交通灯控制系统。1.2国内外研究现状交通灯的出现距今已经有一百多年的历史，人们开始在19世纪就有人在研究通过某种信号来指挥车辆于行人的通行，用一种交通信号实现交叉路口车辆通行顺序的控制。最开始时信号灯只有两种颜色，那就是红色和绿色，一个表示停止通行，一个表示准许通行。第一次世界大战时美国没有在战争中受到什么损害，导致其科技与经济迅速发展，其中在街上的车辆也变得多了起来，车辆行驶的速度也得到了提升，他们往往在信号灯变成红灯时不能及时停下来，交通事故时有发生。有人发现这种情况，就想到了在他们之间增加一个过渡的信号表示警示，这样黄灯就出现了。在有关文献中有此载，英国的一条大街在1868年有一种交通信号灯出现，它是由红色和绿色两种颜色来实现交通信号的显示。到1914年，在美国开始使用由红、黄、绿灯三种颜色组成的信号灯，虽然是电动的但是它是使用手动控制的方式进行信号转变。到1925年这种三种颜色的红绿灯也出现在了英国的街头，他们还研制除了属于自己的自动信号机，而中国最先出现交通信号灯的地方是在上海，1928年在上海街头上出现。20世纪70年代，关于交通控制的理论还有控制技术逐渐发展和完善，这一系统中也加入了一些新的技术。Pappis等人在1977年首次把模糊控制的控制理论在交通控制系统上运用，并取得了良好的效果。近年来，许多西方国家都建立了可以智能控制的交通系统。这些系统大部分都是需要在十字路口的道路周围铺设地下检测线圈，使用新的技术和设备实现道路通过车辆的检测技术。使用这些现代化的技术设备和理论，实现对交通控制的现代化管理，让这套控制系统的理论基础和技术支持越发完善。有对交通控制方面的研究人员对这一领域的控制方法提出了一些新的设计方式方法，比如说模糊控制技术，静态多段配时技术，准动态多段配时技术等设计系统方式。时至今日交通灯的设计方案也多种多样，像CPLD、单片机、PLC等控制器，用它们控制着信号灯的灯亮顺序，都可以实现交通灯系统的运行，再加上一个倒计时的数码显示器来表述时间。其中PLC的功能越发强大，体积小，价格便宜还有它的抗干扰性能增加了系统运行的稳定性，在工业控制的使用中占据了很重要的份额。道路交通系统，是城市管理的组成部分，城市的现代化管理水平如何都可以在这个系统中得到体现，道路作为城市中固定的设施，想改变它的形态不容易实现，而去改变道路的通行就有很大的施展空间且具有极大的可行性，所以对这个系统进行研究，进行客观分析，进而制定出管理和控制措施实现科学管理，以此保重城市交通管理的有效运行，是一个对每个人来说都是有利的。目前，在大多数的城市中使用的都是固定时间控制的交通灯，而这种控制方式不能适应实时变化的车流，没有起到有效利用道路的可用资源的作用。1.3本文的主要工作及内容本文使用系统时间实现多段运行控制，并用GXDeveloper软件进行了仿真。本论文研究的设计如下:（1）分析交通灯控制系统按要求进行系统设计，确定系统需要的硬件，确定I/O口的使用列出表格，控制流程图，根据实际情况对各时间段的控制时间分配，灯亮时间的设置和手动控制需要实现的功能；（2）介绍PLC的结构和性能，PLC的优势和使用其作为控制器的理由，并根据设计的要求设计外部接线图、编写工作流程、控制系统，指令分析、PLC程序。（3）使用仿真软件，对编写好的交通灯程序仿真验证。查看仿真效果是否和控制要求吻合，仿真过程中发现问题及时修改，，根据需求进行逐步剖析各部分，逐步完善。2交通灯控制系统的硬件设计2.1PLC的基本知识2.1.1PLC的由来1968年，美国通用汽车公司希望能有一种自动控制器用来替代继电器，以适应汽车产品在未来的更新迭代和满足制造工艺与汽车生产技术创新的需求，为实现产品小批量生产、多品种交替生产，希望这种控制装置可以在对系统进行改造过程中，可以减轻难度减少不必要的接线、设计、改造的能力，可以减少重新设计的过程，以此来降低企业改造生产线的资金成本并且对在改造的时间进行大力压缩降低改造周期，增加生产周期的生产效率。1969年，美国的另外一家大型数字电子设备制造公司，响应了当时美国通用汽车公司的产业发展战略要求，研制设计生产开发出了一种同时可以直接自动替代一种传统电子继电器的自动控制电子设备PDP-14，这台就是在当时世界上第一台能够采用完全可编程数字逻辑的电子控制器，并且这台完全自动化的电子控制器已经在美国通用汽车公司的生产线上成功进行了现场操作试验，取得了良好的效果。在这台新型逻辑电气控制器中，它首次成功采用了把所有程式化的逻辑方法和其他手段合并运行程式到所有需要自己手动使用的逻辑电气控制器的机器工作场所，它同时也是目前世界上被广泛使用认可的第一台完全可编程化的逻辑电气控制器PLC。在20世纪70年代出现微机技术，这样就已经开始逐步出现了一种同时可以直接自动实现数字计算、数据总线传输和信号处理等各种主要功能的高级可编程微型逻辑式微控制器，使其真正逐步发展起来成为集现代计算机的各个基本特征和对传统工业自动控制的主要功能于一体。此时的各种可编程的微控制器技术是各种微处理器编程技术与各种常规电子继电器编程控制相随机结合的产物。在近年我国的小型个人计算机和工业控制应用技术进一步深入发展了成熟起来之后，为了更加方便地深入理解和对各种新型可编程和高逻辑的微控制器的一些基本功能及其特性问题进行了具体反映，所以将其英文命名规定为ProgrammableLogicController(PLC)。PLC的技术初步发展，是在20世纪80年代一直到90年代中期，这十多年的时间中发展最为迅速，其发展增长率达到了30%—40%。20世纪后期，可编程逻辑控制器PLC的迅速发展对于现代化的应用场景有了更强的适应性。控制能力与控制规模也发生了巨大的改变，多样化的功能，在控制温度、压力、转速、位移等复杂的场合中均可以使用，当今可编程逻辑控制器PLC在交通灯系统控制领域有着重要的位置和作用[2]。2.1.2PLC的组成PLC的品牌有很多，像西门子、三菱、欧姆龙、松下都是知名的品牌，他们所拥有的功能指令和编写方法也有区别，但他们在结构上和其人工作用的原理上却基本差别不大，PLC的基本功能组件系统结构主要由含有中央处理器的CPU、电源、输入和数据输出控制单元、编程器、存储器五个组成部分共同组成。结果显示如下下图2.1所示。图2.1 PLC的硬件结构图2.1.3PLC的原理可编程逻辑控制器PLC的工作原理，可分为三个阶段，这三个阶段循环完成一次称为一个扫描周期。（1）输入采样阶段运行的第一个扫描阶段也就是个被称为输入输出采样扫描阶段，PLC开始运行后，对每个PLC的每个输入采样状态和输出数据信号进行了一次扫描写入读出，将其中的扫描读出结果直接存储起来到一个相应的I/O映象处理区内部的各个存储单元中。在第一个中期阶段计划完成后，转入第二阶段和第三阶段中。（2）用户程序执行阶段在这一阶段，PLC按照自己编写的程序一条条的方式进行了扫描，以从上至下的顺序，把每一个用户自己编写的梯形图都进行了读写运行，并转到第三阶段。（3）输出刷新阶段这一阶段主要是在第二个阶段扫描结果中，在锁存电路中把程序编写的内部状态和数据通过刷新输出，经过锁存电路后驱动外部触点输出到外部设备中，实现各种控制过程[3]。2.2PLC的控制方式（1）开关量逻辑控制这种控制方式是PLC最基本的编程控制方式，在使用范围方面具有普遍性，很多生产过程都在使用这种方式编程，可以应用于顺序控制、逻辑控制等需要继电器的电路设计中，既可以用于单台设备独自运行控制也可以和多设备联机控制，在制造业像自动化流水线、机床等设备或工业生产中广泛应用。（2）模拟量控制在有一些不是使用实物开关控制的领域，像温度、流量、液位、压力、运动距离等随时变化的控制量的地方，为了处理这些模拟的信号，必须把这些模拟的信号转换为可以读出的数字信号，这就产生了模拟量的控制方法，通过模拟量控制和数字量控制模块A/D和D/A模拟量转换模块，可以用这些模拟量进行输入或者输出来实现程序控制，在我们生活中恒压供水就是用到模拟量控制技术。（3）运动控制PLC可以被广泛应用于一些需要准确运动控制的场合，如驱动步进电机、伺服电机单轴或者多轴控制，可以很好地实现对运动位置或者是运动路程，运动速度的准确控制。广泛地应用在各类工程机械，机床，机器人，电梯等地方。（4）过程控制过程控制，是一种广泛指对于空气压力，温度，流量距离等各种模拟亮进行。目前许多小型号的PLC也已经配备了一个pid调节功能模块，使用这种模块完成闭环控制。过程控制相关技术在化工等需要过程控制的各个领域有十分广泛的应用。（5）数据处理现代化的PLC系列产品主要具有基于数学的智能计算(其中主要包括了矩阵处理运算、函数处理运算、逻辑处理计算)、数据进入输出和信息传递、数据格式转换、排序、查表、位等多种智能操作，可以轻松地快速完成对化学数据的自动采集、分析和数据处理。把所有当前储存在该控制计算机中的存储器文件中的控制参考值和控制数据之间进行分析对比，完成事先编写好的数据进行处理完成控制操作，也可以说就是我们此时可以直接通过利用无线通讯的控制功能，传送数据给其他控制装置中，或者说就是将这些控制参考值进行打印后输出来一并做成控制表。数据处理一般被广泛应用于各种大型的过程控制制造系统中，例如无人自动监视的柔性制造系统；也就是说它可以广泛应用在对各种过程控制进行自动控制的制造系统中，比如说它是我国石油造纸、冶金、食品行业其中的一些重要过程控制部件。2.3PLC的优势2.3.1具有丰富的内部寄存器资源PLC在进行数据处理时，需要许多数据寄存器存储数据和参数。例如特殊数据寄存器（D8000～D8255）特殊数据寄存器D8013、D8014、D8015、D8016、D8017、D8018、D8019其分别对应秒、分、时、日、月、年和星期。通过写入系统时钟可以直接使用也可以存到寄存器中使用，2.3.2抗干扰能力强，可靠性高PLC不同于其他传统的继电接触器控制系统，虽然其他传统的继电接触器同样也具有良好的抵御干扰能力，但是它们却使用了大批机械式触头，这样就避免不了工作时需要很多机械导线的连接，在工作过程中因为自然产生的电器老化现像，触点的频繁抖动，线路松动，触头的开启和闭合所产生的电弧都极大地降低了它们的可靠性。而在继电器控制的整个系统中往往都会因为需要同时使用大量的中间继电器、时间继电器，这些中间继电器很容易会在工作中出现一些故障，而plc则是内部采用了较为广泛的集成电路技术，内部的电路则是通过采用先进的耐腐蚀和不受干扰的技术，和同等尺寸的电气连接线及开关所控制的方式相比，其导线使用量也就有所减少了数百份之一，故障率也就得到很大的降低。plc还为用户提供了其自带的软硬件故障检测保护功能，当一个设备发生了故障时，它就会向用户发出报警，在进行编写应用程序时，使用者也可以通过自己编写的故障自诊断应用程序，实现对发生的故障自我诊断保护。PLC产品采取了一系列的基于硬件和防护软件的超强防御性电磁干扰防护措施，具有很强的电磁防御性和持久耐受电磁腐蚀的防护能力，平均每次无故障下的运行维护时间至少每年可以直接达到数万个小时以上，可以直接广泛应用在对于具有强烈工业电磁辐射的大型工业生产现场，PLC已被各地广大企业用户们广泛普遍认为已经是最可靠的工业自动化预防工业电磁控制干扰装置之一。2.3.3系统的设计与改造成本小PLC采用逻辑电路进行编写程序，在运行与控制层次上大大降低了对系统中所有控制外部装置和电子元器件的操作，使控制系统的设计与构造周期也大大缩短，同时维护也变得比纯继电器电路容易很多倍。更重要的是使用同一设备在经过更改控制程序后实现生产过程的改变，这样将会缩小改造周期降低成本，完成生产效率的提升。这就很适合多种品种和小批量生产的场合，实现快速转换品种的操作。2.3.4容易操作编程简单对PLC的操作，包括输入和程序的修改，程序的输入输出可以直接显示出来，在更改程序时可以直接查找所需的编程地址，进行快速修改批量修改，而在编程时还可以进行备注，备注用到的软元件所代表的功能，方便快速读懂程序的含义。PLC的编程方法有多种，用梯形图编程与电气原理图较为接近，容易掌握理解，方便新手快速如门。可编程微控制器里的梯形图应用电路图它是我们现在进行软件编程时已经普遍采用得最多的一种新型微控制器编程应用语言，它的特点是梯形图应用电路所要求的表示符号与其它应用继电器的工作电路符号表示方式相似，应用继电器的工作电路符号表示方式工作电路图的基本原理结构图相似，梯形图的应用语言非常形象直观，简单易学容易掌握，熟悉了应用继电器的应用电路原理图和应用单片机的应用专业技术电气工程技术人员，只要再多花几天的学习时间就已经基本可以完全掌握熟悉梯形图的应用语言，并且它还可以被广泛用来帮助设计和执行编制各种类型用户程序。梯形图程序汇编语言实际上本身其实就是一种专门为高级软件编程面向用户而需要进行程序量身定制设计的高级软件编程编译语言。2.3.5硬件配套齐全，功能强可编辑式程序控制器的系列产品现在已基本实现了产品标准化，系列化，模块式，配备了款式有种齐全，并且配备有各种软硬件配套设施都可供广大用户自己进行选择。用户在进行设计时候还可以灵活方便地对各种操作系统文件进行手动配置，组成不同的基本功能、不同文件大小和各种规模的操作系统。而且对于可编程的微控制器的内部接线安装和控制接线也是非常方便的，一般都是采用内部接线器的端子方式来进行连接外部的控制接线。PLC都具有很强的负荷携带性和负荷驱动能力，它们甚至可以直接用来驱动普通直流电磁阀和普通交流接触器。继电器主要用途是专门的应用于对电路逻辑的自动控制，起到信号过渡和自动抑制器的作用，也就是可以对小型的负载信号进行自动控制。PLC它是一种完全可编程化的逻辑电路控制器，是用一种软件化的方式对它来对其硬件进行一种逻辑编程控制的，而逻辑继电器则主要是用一种硬件或者架构化的方式对其来进行控制。一台小型的PLC可以自行编程的控制元件很多，可直接提供给各种类型用户进行选择和设计使用，有很强的过程控制自动功能。PLC与相同的各多功能自动继电器系列产品型号相比，具有较高的性能特点和其在价格上的对比。可编辑的程序控制器系统可以直接通过无线和移动互联网，实现了分散控制，集中管理。将plc分别作为一种主要用于交通自动控制的多分岔路口上交通自动信号灯的交通系统自动控制，主要设计意图就是为了充分考虑它所本身具有的对各种道路使用环境和道路适应能力强的功能特性，同时内部拥有许多的特殊定时器资源和特殊寄存器，特别是对多分岔道路口的交通情况进行自动化控制的方面，能够更加简单地进行自动化实现。目前大多数知名品牌的PLC内部都已经配备了实时监控功能，通过完全自动化的可编程和自动控制使该系统一个人即可对所有电子信息及信号灯具等采取全天候、无人化的远程管理。由于plc本身就已经完全具有了对道路通讯和运用互联网的主要功能，将同样一个位于高速公路上的各个道路通讯信号灯连接在一起所构成的每一个局域网都直接地组成了统一的道路调度和交通运行管理系统，可以大幅度地缩短普通汽车在高速道路上的正常通行和缩短等待停车时间，实现了更加科学化的道路管理综合以上优点，本设计采用可编程序控制器控制系统。2.4PLC的选型在PLC选型的时候，必须考虑用到的最大输入输出点数、扫描速度、存储容量、指令数、功能模块等很多因素。PLC的性价比也在选择时的考虑范围之内。2.4.1PLC之间的比较PLC的品牌有很多像西门子、三菱、松下等都是PLC的知名品牌，在PLC的选择方面对于西门子的PLC和三菱的PLC来说他们各有优势，三菱编程简答易懂西门子的比较抽象学习的难度大点，但是它们的指令数量不同总的来说它们的学习周期都是差不多的，而对于这个交通灯系统来说，不用设计多么复杂的程序而且用到的功能也不多，在价格和其他方面比较使用三菱的PLC来进行控制性价比会比较高。2.4.2确定PLC型号在这个设计中使用的是三菱PLC可编程控制器对交叉路口信号灯进行控制，鉴于PLC的一系列优点，特别是在可靠性和使用的方便程度方面使用PLC进行设计都是最合适的方案。根据交通灯系统设计的实际情况，CD4511译码器需要晶体管输出型PLC，输出点余量剩余等情况，确定了使用三菱FX2N系列PLC作为控制器的方案，选用日本三菱公司的可编程控制器（PLC）FX2N-48MT晶体管型输出及输入出点数都是24个。在三菱的FX系列中FX2N微型PLC是其中在控制器功能和速度方面都是最强的，拥有很多功能强大的数字指令，I/O扩展点数可以最大扩展到256个点[4]。2.5CD4511译码器CD4511是一个七段数码管码译码器，具有BCD转换功能和锁存控制等功能，其中a、b、c、d为译码器的输入端，a为最低位。a~g是7段输出，可驱动共阴LED数码管，LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障，CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图2.2所示。图2.2CD4511引脚图3交通控制系统的软件设计3.1交通灯的运行流程在这个交通灯模拟控制系统中用PLC来实现十字路口四个方向的通行顺序，他们每个方向用三种颜色的灯来进行信号的提示，他们分别为：★禁止通行灯 (亮时为红色)★警示灯 (亮时为黄色)★允许通行灯 (亮时为绿色)设计由一个数码管倒时器和东、西、南、北四个交通方向的信号灯组合来实现对十字路口的交通控制，系统开始运行的时间顺序大致为以下:首先是东西两个方向的绿灯和南北的红灯一起亮，绿灯闪烁熄灭之后则是东西方向的黄灯闪烁，黄灯闪烁结束后，东西方向的红灯和南北方向的绿灯共同点亮，南北方向之后的灯亮顺序与东西相同，这里就不一一讲述。交通路口示意图如下图3.1图3.1 交通灯路口示意图结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制流程如下图3.2所示，开始程序后，东西方向的绿灯和南北方向的红灯同时开始运行程序，按下图的顺序循环，直按停止程序为止。图3.2自动运行流程图如果在交叉口出现紧急情况，控制系统应能够快速切换，运行手动控制模式，实现人工控制，从而更好地保证道路交通的正常安全运行[5]。在遇到紧急情况时按需要旋转需要强行通行方向的旋钮就可以实现此功能，强通模式停止后，按启动按钮系统重新开始循环。图3.3 紧急强通流程图3.2PLC软件设计为满足控制要求需要用到的按钮为两个即起动按钮SB1和停止按钮SB2；用到两个旋钮即SA1、SA2；三菱FX2N系列的PLC一台；三色信号灯黄绿红交通灯各有四个、四个CD4511数码管译码器。3.2.1I/O分配表分析设计要求，编程用到的PLC的输入输出即I/O点数，如表3.1、3.2所示。表3.1输入分配表序号名称分配地址1启动按钮X0002停止按钮X0013南北强通旋钮X0024东西强通旋钮X003表3.2输出分配表序号名称分配地址1东西红灯Y0002东西绿灯Y0013东西黄灯Y0024南北红灯Y0035南北绿灯Y0046南北黄灯Y0057信号线Y108信号线Y119信号线Y1210信号线Y1311空置Y1412选通信号十位Y1513选通信号百位Y1614空置Y1715信号线Y2016信号线Y2117信号线Y2218信号线Y233.2.3PLC外部接线图由图3.4可见：起动按钮、停止按钮、南北强通旋钮、东西强通旋钮分别接到PLC继电器的输入端X0~X3的位置上并与COM口相连；而交通信号灯东西方向的红绿红三色灯分别接到PLC输出继电器的Y0~Y2的位置上并于COM相连；南北方向的红绿黄三色灯分别接到PLC的输出继电器的Y3~Y5的位置上并于COM口相连输出端的电源为AC220V，如果两个信号灯在使用一个输出继电器驱动时达不到良好的效果，可以考虑使用一个输出触点驱动一盏信号灯的方式。Y10~Y13与Y20~Y23接CD4511的信号线上，Y14~Y17为选通线分别输出的个、时、百、千位的数据，没有用到的可以空置但是不可以用来作为其他输出所用。图3.4PLC外部接线图3.3梯形图的设计现在的PLC和过去相比，在拥有过去基本逻辑指令的基础上升级了大量的功能指令，这些指令大大方便了用户，功能指令与的出现使得程序变得简洁，以前需要多条语句复杂组合起来才能实现的功能，现在只要一个功能指令就能实现同样的效果，让程序的编写变得简单起来[1]。3.3.1系统启动程序如下图3.5所示，按下X000，系统启动自动运行模式，按下X001停止自动运行模式，X002和X003为紧急情况下强行通行东西或南北方向的其中一个方向是开关，按下其中以个就可以停止自动运行模式，开始强通，两个同时按只能先运行第一次按下的，等其停止才能运行第二次按下的强通旋钮。图3.5启动程序梯形图3.3.2灯亮时间程序下图3.6为东西方向的各盏交通灯的灯亮时间梯形图，子只有在自动运行模式下才能运行这段程序。图3.6 东西方向灯亮时间梯形图3.3.3系统时钟调用程序如图3.7所示，在本设计中通过使用TRD指令（这个指令的功能是读出内置的实时系统时钟的数据，并放进由[D.]开始的7个字内），写入系统时钟到通用寄存器D100开始的七个寄存器中即D100~D106，按照现实的年份月份和时间星期分别存储。图3.7时钟调用梯形图3.3.4高峰时段程序在图3.8中，当寄存器D103（系统时间）的当前值大于或等于D7并小于D9的当前值时驱动M10（高峰时段线圈），或者是当寄存器D103（系统时间）的当前值大于或等于D17并小于D19的当前值时驱动M10（高峰时段线圈）。图3.8高峰时段时间范围梯形图3.3.5多段时间运行程序在下图3.9中，当M11（平时时段系统运行时间）为接通状态时，后面所接的指令持续执行，传送指令被连续执行在其中的数据被自动转换为二进制进行传送，K300传送给D30（东西红灯时间）;K250传送给D31（南北红灯时间）;K170传送给D32（东西绿灯时间）;K220传送给D33（南北绿灯时间）。图3.9平时运行时间梯形图在下图3.10中，当M10（高峰时段系统运行时间）为接通状态时，后面所接的指令持续执行，传送指令被连续执行在其中的数据被自动转换为二进制进行传送，K500传送给D30（东西红灯时间）;K400传送给D31（南北红灯时间）;K320传送给D32（东西绿灯时间）;K420传送给D33（南北绿灯时间）图3.10高峰时段时间梯形图3.3.6带锁存的七段数码管显示功能程序三菱PLCFX2N、FX3U系列等晶体管输出的PLC支持使用SEGL指令实现数码管显示的功能，搭配一个译码器自动转换为8421BCD码的格式给数码管实现时钟显示[8][9]，使用SUB指令把D30的数据减去T3中实时的数据保持到D40中，使用SEGL指令CD4511译码器自动编译实现数码管显示，程序如下图3.11。图3.11数码管显示梯形图3.3.7红绿灯运行程序在图3.12中在自动运行模式开始时，东西方向绿灯首先开始点亮，亮到T0时间开始闪烁，T1时间到绿灯停止闪烁转黄灯闪烁，黄灯闪烁T2时间后红灯点亮，南北方向和东西方向同时进行顺序是红灯开始到绿灯再到黄灯，和东西方向运行的原理相同，这里不再重复讲解。图3.12东西红绿灯梯形图详细程序见附录4交通灯控制系统仿真4.1仿真软件简介GXDeveloper是一款专业三菱PLC编程软件，这软件拥有非常不错的功能，它适用的范围是三菱PLC所有的系列，软件能够读取各种不同的编程器，能够连接不同的对象对梯形图进行设置，在这里能够根据所需开发的功能来进行设计，防止其他程序输入错误的情况。GXDeveloper这软件能够对数据快速进行复制，通过相关的数据来转换文档的格式。软件能够连接图形进行操作，这软件非常适合编程人员。4.2仿真软件使用GXDeveloper可以对程序进行编写、监视、仿真调试，能对PLC的进行读写。下面通过GXDeveloper的仿真讲述本设计的运行过程。（1）双击GXDeveloper图标（2）单击软件左上角，创建一个新的工程，选择“FXCPU”，类型选择“FX2N（C）”，“程序类型”点击“梯形图”。选择“设置工程名”，可以填写工程保存的路径(D:\基于PLC交通灯控制系统的设计)和名称(交通信号灯程序)，或者在编写好之后再确定保持位置。（3）在写入模式下，在需要输入元件的位置双击鼠标左键，弹出梯形图输入框，在下三角那选择元件符号，编辑栏中输入元件名，点击确定就可以把所输入的元件添加到光标位置。编辑过的梯形图颜色会变暗，在确定使用这段程序时，程序必须进行编译，在菜单栏选择“变换”，进行程序编译，或者直接按F4。在梯形图语法正确情况下，编译后梯形图变回原来的颜色，当语法错误时，程序将不能编译，系统会弹出提示框。（4）系统梯形图编写结束后，点击开始PLC模拟仿真，写入结束后，梯形图逻辑测试开始，梯形图有的触点变为蓝色，这是因为模拟测试开始后，自动默认为RUN模式，在仿真开始时，接通的软元件都会加亮显示。4.3仿真调试在交通灯顺序控制系统程序设计中，应首先根据GX开发软件的使用情况，在软件下进行仿真调试。在调试的过程中，观察系统的输入和输出动作与设计要求做对比，观察是否吻合。如果满足设计的要求，就可以进行硬件调试。如果不能满足要求，则说明程序的设计存在错误，需要及时修改。软件仿真除了验证所设计的程序是否正确外，最重要的是保证设备的安全。如果在设备中运行了错误的程序，在运行过程时可能会造成事故和设备的损坏。因此，软件模拟是必不可少的。根据GXDeveloper的使用方法，可以将交通信号灯的程序仿真如下:梯形图仿真页面如图4.1所示。图4.1梯形图仿真（2）使用仿真软件中的软元件监视功能，系统的工作过程如下图4.2所示，用仿真软件进行软元件监视，可以看到Y000~Y005在交替闪烁。a）形态1b）形态2c）形态3图4.2软件仿真（3）在图4.2中，双击启动按钮X000，Y001和Y003现有输出；之后Y001闪烁，闪烁结束后Y002开始闪烁Y003继续输出；Y002闪烁结束后Y000输出和Y004输出，这时完成半个循环，下以周期为Y004闪烁，闪烁结束后Y005闪烁；Y005闪烁结束后Y001输出和Y003输出，至此完成完整的一个循环。4.4调试结果通过PLC仿真软件对交通灯程序进行仿真调试，使用PLC的梯形图进行编写控制程序，简单明了的观察到了系统的整个运行过程，本设计具有的特点如下：简单化了设计过程，在今后想改变设计要求，只需要改变储存在通用数据寄存器中的数值就可以改变它的运行时间。对复杂的梯形图程序进行了简单化，使实现交通灯运行的程序更加直观。通过在不同时间段实现不同的时间分配可以在不同时间段运行不同的程序，以此实现多段运行功能。在调试程序时可以很简单的找到运行不合理的地方，进行更改也方便简单。在设计系统中发现设计还是