PLC交通信号灯模拟控制系统设计

PLC交通信号灯模拟控制系统设计

自从交通灯诞生以来，其内部的电路操纵系统就不断的被改进。设计方法也开始多种

多样，从而使交通灯显得更加智能化。

可编程操纵器(PLC)以微处理器为核心，普遍使用根据继电接触器操纵系统电气原理图

编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活，而且结构简单，

抗干扰能力强。西门子可编程操纵器指令丰富，能够接各类输出、输入扩充设备，有丰富

的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备与通信设备更是符合交通灯操纵系统的要求与特

点，能够方便地联网通信。

本文选择西门子可编程操纵器S7-200为核心部件，着重进行硬件接口设计，利庄梯形

图与语句表进行编程，实现了十字路口交通灯操纵系统的自动化。

关键词PLC；交通操纵；自动化

目录

第1章绪论................................................3

第2章可编程程序操纵器（PLC）............................5

2.1PLC概述.......................................................5

2.1.1PLC的进展历程.......................................5

2.1.2PLC的进展趋势.......................................6

2.1.3PLC的应用...........................................7

2.2PLC的硬件结构...............................................8

2.3PLC的工作原理...............................................9

第3章系统设计...........................................11

3.1操纵要求.....................................................11

3.2系统硬件设计.................................................11

3.2.1十字路口的系统框图..................................11

3.2.2工作原理图............................................12

3.3、编程设计....................................................13

3.3.1流程图................................................13

3.3.2信号灯操纵编程元件表.................................14

3.3.3梯形图................................................15

结论语....................................................17

致谢......................................................18

参考文献.........................................................19

第1章绪论

1.1课题背景

1858年，在英国伦敦要紧街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号

灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特

在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿

两以旋转式方形玻璃提灯构成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”v1869年1月2日，

煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿

灯由红绿黄三色圆形的投光器构成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停

止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带操纵的红绿灯与红外线红绿灯。带操

纵的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩

音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人

踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长

一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，关

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。1968年，联合国《道路

交通与道路标志信号协定》对各类信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的

车辆能够宜行，左转弯与右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都务必

让合法地正在路口内行驶的车辆与过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红

灯的车辆务必在交叉路口的停车线后停乍。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停

车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时能够进入交叉路口。

1.2研究目的与意义

在十字路口设置交通灯能够对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强

有力的保障。但是随着社会、经济的快速进展，原先的交通灯操纵系统已经不能习惯现在

日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯操纵系统，使其习惯现在的交通状况，成为研究的

课题。

传统的十字路口交通操纵灯，通常的做法是：事先通过车辆流量的调查，运用统计的

方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，

有的路口在不一致的时段甚至可能产生很大的差异。即使是通过长期运行、较适用的方案,

仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排看长队等候通过。

这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能习惯迅猛进展的交通现

状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况刍习惯操纵的交通灯。

目前，大部分城市中十字路口交通灯的操纵普遍使用固定转换时间间隔的操纵方法。

由于十字路口不一致时刻车辆的流量是复杂的、随机的与不确定的，使用固定时间的操纵

方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，使

用不依靠数学模型的模糊操纵方法设计交通灯操纵器，能较好地解决这个问题。另外随着

众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各类电磁干扰日益严重，为保证交通操

纵的可靠、稳固，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满

足当前高度自动化的需要。可编程操纵器交通灯操纵系统集成自动操纵技术、计量技术、

新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过

程进行集中监视、操纵管理与分散操纵；充分汲取了分散式操纵系统与集中操纵系统的优

点，使用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。

可编程操纵器交通灯操纵系统的特点；

①脱机手动工作；

②联机自动就地工作；

③上机操纵的单周期运行方式；

④由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动操纵；

⑤自动启动、自动停机操纵方式。

近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。

本系统使用PLC是基于下列四个原因：

①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故隙时间都在30万小时以上；

②编程能力强，能够将模糊化、模糊决策与解模糊都方便地用软件来实现；

③抗干扰能力强，目前空中各类电磁干扰口益严重，为了保证交通操纵的可靠稳固，

我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PIC

根据交通信号灯系统的要求与特点，我们使用了德国西门子公司S7-2(X)型PLC西门子PLC有小

型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程操纵器指

令丰富，能够接各类输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备与通信设备是

系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序操纵器(PLC)对十字路口交通操纵灯实

现操纵。

1.3本文的要紧工作

第一章，回顾交通灯的历史，随着社会经济的进展，交通管制的要求越来越高，使用

可编程程序操纵器来代替中间继电器与过程操纵的微型矶，设计开发了交通灯操纵系统，

才会满足稳固可靠的交通操纵系统需求。

第二章，叙述了可编程程序操纵器的产生、进展、应用的历程，通过论述可编程程序

操纵器的各类优点、卓著性能、结构、原理，有一个感性的总体认识。

第三章，结合交通灯操纵系统的要求，进行硬件、程序设计，从要紧部件的选择、流

程的分析、程序思路的产生来完成本次设计任务。

第四章，通过对系统的调试与检测，再进行系统性梳理，将隐藏的不足之处加以修正

与完善，确保系统能顺利运行。

第2章可编程程序操纵器（PLC）

2.1PLC概述

可编程序操纵器（ProgrammabieLogicController,缩写PLC）是以微处理器为基础，

综合计算机、通信、联网与自动操纵技术而开发的新一代工业操纵装置。可编程序操纵器

是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为习惯多品种.小批量生产的需要，生产.

进展起来的一种新型的工业操纵装置PLC从1969年问世以来，尽管至今还不到40年，

但由于其具有通用灵活的操纵性能.简单方便的使用性能，能够习惯各类工业环境的可靠

性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工

业机械人技术并称之现代工业自动化技术的四大支柱。可编程序操纵器在我国的进展与应

用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高

传统工业装备水平与技术能力的重要设备与强大支柱。随着全球一体化经济的进展，努力

进展可编程序操纵器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序操纵器技

术，应该是广大技术人员努力的方向。

2.1.1PLC的进展历程

在可编程操纵器出现前，在工业电气操纵领域中，继电器操纵占主导地位，应用广泛。

但是电器操纵系统存在体积大、可靠性低、查找与排除故障困难等缺点，特别是其接线夏

杂、不易更换，对生产工艺变化的习惯性差。

1968年美国通用汽车公司（G.M）为了习惯汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化

的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业操纵器，它能做到尽可能减少

重新设计与更换电器操纵系统及接线，以降低成本，缩短周期。因此就设想将计算机功能

强大、灵活、通用性好等优点与电器操纵系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成

一种通用操纵装置，而且这种装置使用面向操纵过程、面向问题的“自然语言”进行编程,

使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世

界上第一台可编程操纵器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从

此这项技术迅速进展起来。

20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速进展，16

位与32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速进展。PLC不仅操纵功能增强，同时可

靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程与故隙检测更加灵活方便，而且具有通信与

联网、数据处理与图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑操纵、过程操纵、运动操纵、

数据处理、联网通信等功能的名符事实上的多功能操纵器。

PLC的进展过程大致能够分为如下几个阶段：

1970—1980年：PLC的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各类类型的顺

序操纵器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被

淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速进展.

推广。PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、

有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。

1980—1990年：PLC的普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断

下降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的价格.品种开始系列化，同时形成了固定

I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种连续至今的基本结构模型。PLC的

应用范围开始向顺序操纵的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的要紧产品有F.F1.F2小

型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。

1990—2000年，PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，

PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各类

特殊操纵的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单•的顺序操纵向现场操纵拓展。此

外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。三菱公司本阶段的要紧产品有FX小

型PLC系列产品,AIS/A2US/Q2A系列中,大型PLC系列产品等。

2000年至今：PLC的高性能与网络化阶段。在木阶段，为了习惯信息技术的进展与工

厂自动化的需要，PLC的各类功能不断进步。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位

数的同时，开发了适用于过程操纵，运动操纵的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始

涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速进展，PLC不仅

能够连接传统的编程与通入/输出设备，还能够通过各类总线构成网络，为工厂自动化奠

定了基础。三菱公司本阶段的要紧产品有FX小型PLC系列产品（包含最新的FX3u系列产

品），Qn,QnPH系列中,大型PLC系列产品等。

2.1.2PLC的进展趋势

从当前产品技术性能来看，PLC进展趋势仍然要紧表达在体积的缩小与性能的提高两

大方面。

①体积小型化。电子产品体积的小型化是微电子技术进展的必定结果。现代PLC不管

从内部元件构成还是硬件、软件结构都已经与早期的PLC有了很大的不一致，PLC体积被

大幅度缩小。

②性能的提高。PLC的性能要紧包含CPU性能与I/O性能两大方面。

可编程序操纵器在我国的进展状况如下：

（1）我国可编程序操纵器的进展与国际上的进展是完全不一致的，国际上可编程序

操纵器的进展是从研制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序操纵

器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。大致可划分为下述三个阶段：

①可编程序操纵器的初级认识阶段（70年代后期到80年代初期）国际上可编程序

操纵器的进展，首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，因此我国对可编程序操纵器的认

识始于70年代后期到80年代初期的成套设备引进中，当时的上海宝钢一期工程中有多

项工程引进了十几种机型约200多台可编程序操纵器。这些可编程序操纵器用于原料码

头到高炉、轧钢、钢管等整个钢铁冶炼与加工生产线上，取代了传统的继电器逻辑系统，

并部分取代了模拟量操纵与小型DDC系统。继宝钢一期工程后，国内许多厂家陆续引进

的设备与生产线大都配备了可编程序操纵器，其应用范围包含电站、石油化工、汽车制造、

港口与码头等各领域。正是在成套设备引进过程中，我们打开了眼界，熟悉认识了可编程

序操纵器，这也促进了可编程序操纵器在我国的进展。

②可编程序操纵器的引进应用与消化移植阶段(80年代初期到90年代初期)80年代

初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时，国外原装的可编程序

操纵器开始涌入国内市场。许多部门与单位相继引进可编程序操纵器并自己设计构成操纵

系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、造纸、橡胶与精细

化工等工业领域。

③可编程序操纵器的广泛进展阶段(90年代初期到现在)进入90年代，我国的可

编程序操纵器进入了广泛正展阶段，要紧表现在下列几个方面：

(2)政府重视

可编程序操纵器的进展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工业部的领导下，于

1991年成立了可编程序操纵器行业协会。可编程序操纵器行业协会在政府与企事业之间

起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了根据。同时可编程序操纵器的标准化工

作也受到了有关部门的重视，于1993年成立了可编程序操纵器标准化技术委员会，为我

国可编程序操纵器的进一步进展打下了基础。

2.1.3PLC的应用

1PLC的应用领域

(1)顺序操纵这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。它用来取

代传统的继电器顺序操纵。PLC应用于单机操纵、多机群控、生产自动线操纵等。比如：

注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水

线及电梯操纵等。

(2)运动操纵PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或者伺服电机的单轴或者多轴位

置操纵模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置.的数据送给模块，其输出移动一轴或者

数据到目标位置。每个轴移动时，位置操纵模块保持适当的位置与加速度，确保运动平滑。

(3)过程操纵PLC还能操纵大量的过程参数，比如：温度、流量、压力、液位与速

度。PID模块提供了使PLC具有闭环操纵的功能，即一个具有PID操纵能力的PLC可用于

过程操纵。当过程操纵中某个变量出现偏差时，PID操纵算法会计算出正确的输出，把变

量保持在设定植上。

(4)数据处理在机械加工中，PLC作为要紧的操纵与管理系统用于CNC与NC系统中，

能够完成大量的数据处理工作。

(5)通信网络PLC的通信包含主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、

PLC与其他智能操纵设备(如计算机、变频器、数控装置)之间的通信。PLC与其他智能

操纵设备一起，能够构成“集中管理、分散操纵”的分布式操纵系统。

2PLC在我国的应用

尽管我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每

年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广。

在我国，通常按I/O点数将PLC分为下列级别(但不绝对，国外分类有些区别)：

微型：32I/O

小型：256I/O

中型：1024I/O

大型：4096I/O

巨型:8192I/O

在我国应用的PLC系统中,1/064点下列PLC销的额占整个PLC的47%,64点~256

点的占31%,合计占整个PLC销售额的78%.

2.2PLC的硬件结构

PLC实质是一种专用二工业操纵的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上

分，PLC分为固定式与组合式(模块式)两种。固定式PLC包含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包含CPU模块、

I/O模块、内存、电源模块、底板或者机架，这些模块能够按照一定规则组合配置。其结

构如图2-1所示。

中央处理单元(CPU)是PLC的操纵中枢，它按照PLC系统程序给予的功能接收并存储

从编程器键入的用户程序与数据、检查电源、存储器I/O与警戒定时器的状态；并能诊断

用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以行描的方式接收现场各输入装置的

状态与数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，通过

命令解释后，按指令的规定执行逻辑或者算数运算的结果送入I/O映象区或者数据寄存器

内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或者输出寄存器内

的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。

船

编程

输输

入出

电电

路路

瑞|

存储

程序

系统

电源

构图

的结

PLC

2-1

理

作原

的工

PLC

2.3

者逻辑

线圈或

个输出

假如一

式，即

行方

的运

程序

用户

扫描

逻辑

顺序

使用

PU则

的C

PLC

务

作，

即动

能立

）不可

触点

常闭

或者

常开

含其

点（包

有触

的所

线圈

开，该

者断

通或

被接

线圈

作。

会动

时才

触点

到该

扫描

必等

程序

描用户

PLC扫

，而

以上

100ms

常在

间通

作时

的动

触点

各类

装置

操纵

电器

到继

考虑

式r-

运行方