[毕业设计精品]基于PLC的交通灯控制系统设计.doc

目录1 绪论11.1 交通灯的设计背景11.2现代城市路口交通灯控制技术现状11.3 我们设计的交通的要求和实现的功能22 PLC的介绍和使用32.1 PLC概述及国内外情况32.2 PLC 的特点32.3 PLC的发展、趋势及未来张望42.4 PLC的应用领域53 交通灯控制电路的设计73.1 PLC正常时序图（3.1 图1）73.2 急行的时序图（东西强通（3.2 图2）和南北强通（3.2 图3）73.3 I/O地址分配83.4 主程序流程图（3.4 图4）93.5 主程序主要T型图（如下图）93.6正常时序的说明123.7 强通时序的说明123.8 运行效果134 综合调试145 总结156 参考文献16附录17附录1 实物图17附录2主控程序流程图18附录3 硬件连接图19附录4 T型图201绪论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,是专能加强、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。因此,本文介绍了欧姆龙的PLC 产品来实现交通灯的自动控制。1.1 交通灯的设计背景随着我国社会经济的发展，城市化、城镇化进程的加快，道路交通堵塞问题日趋严重，如何对交通进行合理的管理和调度而尽可能减少堵车现象成为目前我国很多地方尤其是特大城市急需解决的问题，显然交通灯在其中起着不可或缺的作用。本文就控制交通灯的方法进行了讨论，分析了各种方案的性价比，并用软、硬件加以实现。在车流量较大的地段即便有人行横道，行人也很难通过马路。行人自控指示灯系统可以有效的改善这种状况。特别是像北京这样的大都市，经济飞速发展，车辆繁多，人口密集。缓解交通已成为当务之急。该系统利用红灯,黄灯,绿灯来指挥车辆和行人，以达到车辆停止，行人通行的目的,减少了交通拥挤现象,为行人节省了时间,即保证行人过马路时的安全，也减轻了交管部门的负担。我们所做的交通灯是根据宽平大桥的红绿灯而设计的，宽平大桥时具有四个车道的重要交通路口。1.2现代城市路口交通灯控制技术现状道路通交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。在这一系统中，道路不仅仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高澎路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。1.3 我们设计的交通的要求和实现的功能完成四路口正常时序控制对路面进行控制：南北方向红灯时，南北方向红箭头亮，东西绿灯亮，东西红箭头亮35s，之后，东西绿箭头亮。东西方向红灯时同理。具有特殊情况（急救、消防等）时的强制通道开关功能。急车强通时：发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通，另外方向禁止通行，让急救或者消防的车通过之后再恢复到正常的时序当中。强通信号是有传感检测的，但是我们设计的时候不可能把传感器拿来用，我们就用一个标准值来检测值来比较，判断出大于、小于和等于来控制有无急行和那个方向的急行。大于时东西进入强通方式，等于时正常时序，而小于时就切换到南北强通方式。无急车时，信号灯按正常时序控制；有急车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通时为止。时间倒计时功能。将各路口的灯的亮灭时间用LED倒计时显示出来。我们主要控制各个灯的亮的最后十秒的时间 ，其他的时间不显示出来，原因是模拟台上只有一个LED显示，这样就只能显示一位，所以只能记每灯亮的最后十秒。2 PLC的介绍和使用2.1 PLC概述及国内外情况PLC = Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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。世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。2.2 PLC 的特点可靠性高，抗干扰能力强 PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。硬件配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造 PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3 PLC的发展、趋势及未来张望发展迅速，产品更新换代；开发各种智能化模块，不断增强过程功能；PLC与个人计算机（PC）结合；通信联网功能不断增强；发展新的编程语言，增强容错功能。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。2.4 PLC的应用领域目前，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。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。 模拟量控制 在工业生产过程当中，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。 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。 过程控制 过程控制是指对温度、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。 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。 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。3交通灯控制电路的设计3.1 PLC正常时序图（3.1 图1） 3.1 图 13.2急行的时序图（东西强通（3.2 图2）和南北强通（3.2 图3） 3.2 图 2 3.2 图33.3 I/O地址分配东西南北的红绿黄灯都控制东西方向和南北方向的直行情况，而东西南北的红绿黄箭头则控制东西方向和南北方向的左转的情况。当东西方向的红箭头亮时禁止东西方向的车辆左转弯，东西方向的绿箭头亮时允许东西方向的车辆左转弯，南北方向亦是如此。下面便是端子的地址分配表（3.3 表1）。 3.3 表 1注：有的实验台上并没有12.00-12.07输出端口，为了解决这个问题，在显示正常工作的情况下，可以将显示端口LED_A-LED_G接的端口给予控制人行灯的亮灭。3.4 主程序流程图（3.4 图4） 3.4 图43.5 主程序主要T型图（如下图） （3.5 图5、3.5 图6、3.5图7、3.5图8、3.5图9、3.5图10、3.5图11） 3.5 图5 3.5 图6 3.5 图 7 3.5 图8 3.5 图93.5 图10 3.5 图113.6正常时序的说明 我们设计的交通灯一个完整的周期有122秒。我们设定一个周期内只有20秒的时间允许车辆进行左转弯。红箭头代表禁止左转弯，绿箭头代表允许左转弯，黄箭头代表注意。按下0.01让电路处于断开状态，再按下0.00电路就开始正常工作，0到35秒南北红灯、南北红箭头（亮的时候代表东西方向的车不能左转弯）、东西绿灯和东西红箭头（亮的时候代表南北方向的车不能左转弯）亮，这是东西方向直走，南北方向不通车，这时南北人行绿灯亮，允许人通过，计数到25秒时，LED开始显示10秒倒计时，东西方向和南北方向都不允许做转弯。35秒到55秒之间，南北红灯、南北红箭头、东西绿灯、东西绿箭头和南北人行绿灯亮，这时东西方向直走，南北方向不通车，这时南北人行绿灯亮，允许人通过，计数到45秒的时候LED开始倒计时，南北方向的车允许左转弯。55秒到57秒东西方向的黄灯和东西的黄箭头闪烁，行人和车辆注意。57秒到95秒南北方向绿灯、南北红箭头东西红灯和东西红箭头、东西方向人行绿灯亮，这时东西方向禁止通车，南北方向允许车辆通过，东西方向和南北方向的车辆不允许左转弯，东西方向的人可以通过。95秒到97秒南北方向黄灯闪烁。97秒到115秒，南北红灯、南北绿箭头、东西红灯、东西绿箭头、东西人行绿灯亮，这时东西的车辆可以左转弯，东西南北方向的人可以通过，到105秒是LED开始倒计时。115秒到117秒南北红灯闪烁。117到122秒，南北红灯、南北绿箭头、东西红灯、东西红箭头、东西南北的人行绿灯亮，这时东西方向的车辆可以左转弯，东西方向和南北方向的人都可以通过。3.7强通时序的说明 强通的周期是15秒，包括十秒显示，每个周期都检测有没有强通的信号输入，若有则先执行强通，然后恢复到正常时序当中。南北强通时，南北绿灯、东西红灯亮，这个过程10秒，有十秒倒计时，进行南北强通，10秒到13秒时南北黄灯闪烁，让车辆注意，最后2秒南北黄灯亮。东西强通的时候，东西绿灯和南北红灯同时亮，（10秒）此时东西的急行车可以通过，之后东西绿灯闪烁（3秒），最后都切换到正常时序中。正常时序是从15秒开始到122秒结束的过程，描述与3.7的描述一样。3.8 运行效果 我们的T型图能够实现完成四路口正常时序控制对路面进行控制：南北方向红灯时，南北方向红箭亮，东西绿灯亮，东西红箭头亮35s，之后，东西绿箭头亮。东西方向红灯时同理。具有特殊情况（急救、消防等）时的强制通道开关功能。急车强通时：发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通。急车强通信号受强通开关控制：无急车时，信号灯按正常时序控制；有急车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通时为止。时间倒计时功能。将各路口的灯的亮灭时间用LED倒计时显示出来。 PLC输出点分别控制着两个信号灯，如果PLC输出点的输出电流不够大,可以用一个输出点驱动一盏信号灯,也可以在PLC输出端增设中间继电器,由中间继电器再 去驱动信号灯.可以对是否有急通做出判断，并且采取相应的措施。4 综合调试调试环境我们使用的版本是cx-programerm 5.0。本系统具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。PLC还具有功能强，适应面广的特点，现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，数值运算和数据处理等功能。今天的PLC已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发展，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。从而受到了大家的认可。在调试的过中我们曾遇到这样一个问题，强通过后时序和正确的时序对不上经仔细检查发现强通的定时器和正常时序的定时器不是同时开始计数，才导致了这个错误，改了之后就达到了我们预期的效果。还有就是模拟台上的口不够，我们在做完显示之后就在T型图上去了，然后进行其他的的调试，如东西方向的红绿黄灯和拐弯红绿黄灯，南北方向的红绿黄灯和拐弯红绿黄灯，还有人行通道上的两个人行灯。5 总结今天的PLC已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发展，不仅在交通灯中控制自如，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。由PLC控制十字路口的指示灯,维护方便,可按需要随意修改指示灯亮的时间,更是体现了城市管理工作的现代化。PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式“信号灯进行精确控制，特别对于多岔路口的控制可方便地实现。目前大多数品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，所以将同一条路上的信号灯组成一局域网功进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。我国人口众多交通路道拥挤已严重制约经济快速持续发展，影响人们的日常生活。本系统作为城市十字路口交通信号的控制系统，为我国“智能交通系统“全面开展提供了有利的支持，具有一定的实践价值。设计的过程中，我们有一个缺陷那就是实际的模拟台上的IO口不够，所以不能完整的显示出我们要达到的效果，若能够有足够的段子，就可以完整的显示出来，和宽平大桥的时序控制很是相似。6 参考文献1 韩顺杰等.电器控制技术.北京大学出版社,20022 路林吉.PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社,1999.53 平志韩.可编程序控制器及其在包装机械中的应用初探.1989. 24 廖常初，PLC梯形图程序的设计方法与技巧。电工技术，1998。5 廖常初，PLC梯形图的顺序控制设计法。电子技术杂志。20016 何衍庆,俞金寿.可编程控制器原理及应用技巧.化学工业出版社，20017 廖常初，可编程控制器应用技术（第3版）。重庆：重庆大学出版社，1998。8 陈宇.可编程控制器基础及编程技巧.华南理工大学出版社，2000. 19 王永华等.现代电气控制及PLC应用技术.北京航空航天大学出版社,2000 10 廖常初，可编程控制器的原理及其应用。电子技术，1990。待添加的隐藏文字内容1附录附录1 实物图北面的红绿灯东面的红绿灯南面的红绿灯西面的红绿灯附录2主控程序流程图附录3 硬件连接图附录4 T型图