基于PLC控制的交通灯设计.doc

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基于PLC控制系统的十字路口交通灯设计

摘要

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，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。

实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。

其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器件如门电路等的影响，调试工作极为不易，而单片机编程复杂不容易掌握，因此，最终我们选择了用可编程的控制器PLC来实现系统功能的设计，完成本次设计的题目。

关键字：

PLC；交通灯；程序；控制要求

目录

第1章绪论 1

1.1交通灯的发展史 1

1.2交通灯的概述与研究意义 2

1.3PLC的概述 3

1.4PLC的发展 4

1.5可编程序控制器的结构及工作原理 5

1.6PLC的选择 8

1.6.1扩展模块的选用 8

1.6.2确定所选PLC 8

第2章系统的方案设计 11

2.1方案研究与选择 11

2.1.1方案比较 11

2.1.2方案选择 11

2.2控制要求分析 11

2.3设计步骤 12

2.3.1现场图 12

2.3.2交通灯运行阶段图 13

2.3.3PLCI/O分配图 16

2.3.4流程图 16

2.3.5时序图 18

2.3.6程序 19

2.4编程注意事项 20

2.4.1定时器的使用 20

2.4.2闪烁程序的编制 21

2.5实验仿真 21

2.6系统可行性阐述 25

设计小结 26

致谢 27

参考文献 28

附录 29

附录:

完整程序图 29

第1章绪论

1.1交通灯的发展史

19世纪初，在英国中部的约克城，红绿装分别代表女性的不同身份。

其中着红妆的女人代表我已经结婚了，而着绿装的女人则是未婚者。

后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车扎人的事故，于是人们受到红绿装的启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在英国伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师师德.哈特设计，制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红绿两色的提灯—煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。

在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲的牵动皮带转换提灯的颜色。

后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。

不幸的是只面试23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。

从此，城市的交通灯被取缔了。

知道1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过这时已是“电气信号灯”。

稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。

随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红黄绿三种标志）于1918年诞生。

它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生使城市交通大为改善。

黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电气公司任职员。

一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一声冷汗。

回到宿舍，他反复琢磨，终于想到了在红绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。

他的建议立即得到有关方面的肯定。

于是红黄绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。

中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海英租界。

从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化，自动化上不断地更新，发展和完善。

1.2交通灯的概述与研究意义

随着生活的质量越来越高，车辆也越来越多，随之而来的交通事故也发生的更加频繁。

十字路口更是拥挤不堪,基于交通灯控制要求也就越来越高，交通灯的设计有很多实现的方法，从交通灯的重要性看来,交通灯工作一定要稳定可靠。

据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控（不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况），这样必然产生如下弊端:

当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。

智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。

出于便捷和效果的综合考虑，我们也可以采用这种方案来控制交通路况:

制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。

具体如下:

在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。

比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。

再者随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等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速道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耦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，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。

通过分析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，阐述交通灯控制系统的工作原理，从而给出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。

1.3PLC的概述

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制成功第一台PLC，将其应用于美国通用汽车白动装配生产线上，取得了极大的成功。

人们根据这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻辑控制的情况，称这种新的工业控制装置为可编程序控制器（ProgrammableLogicController），简称为PLC。

白1969年第一台可编程序逻辑控制器面世以来，目前可编程序控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。

早期PLC是为取代继电逻辑控制而设计，是用于开关控制，具有逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能。

进入20世纪70年代之后，出现了微处理器。

它的体积小、功能强、价格便宜，很快被用于可编程序控制器，使PLC的功能增强、工作速度加快、体积减小、可靠性提高、成本下降。

现代可编程序控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数据处理、运动控制等功能，模控制器的功能已不限于逻辑运算，还具有连续模拟量处理、高速计数、远程I／O和网络通信等功能，因而用PLC是不能描述其多功能的特点的。

1980年，美国电气制造商协会（NEMA）给它一个新的专业名称为“ProgrammableControl—let”，简称PC。

1982年国际电工协会IEC专门为PC下了严格的定义。

然而PC这一缩写在我国早已成为个人计算机的代名词，为避免造成名词术语混乱，在我国仍沿用PLC来表示可编程序控制器。

1.4PLC的发展

可编程序控制器（PLC）是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置，是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。

进入二十世纪八十年代以来，随着微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广阔，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制中。

我国在七十年代末期开始对PLC进行研究、生产和应用。

在近十年来，取得了非常好的成绩。

特别是在应用方面，随着国力的增强和生产力的提高，PLC已经渗透到了各个领域。

在生产方面，为了提高生产效率和工业的自动化，我们引进了许多在世界上都处于领先技术的成套设备，如上海宝钢集团上马的第一期工程中，就采用了250台PLC，二期工程中有采用了180台。

再如，总部坐落在北京的神华集团，其下属神东公司，其优质煤的日产量在世界首屈一指，所使用的采煤设备是当前世界最好的三家公司的最新产品，因而大量地使用PLC等先进技术。

还有三峡工程、秦川电站、天津开发区的康师傅方便面生产线等都用了PLC控制。

现在PLC不但应用于冶金、矿业、机械、轻工等工业自动控制中，在其他领域它也有着广泛地应用。

例如，市政建设中的水处理，沥青、混凝土的拌和；日常生活中的电梯、车库的自动化管理等、货物存取等；商业中的自动售货机，啤酒罐装及酿酒等；另外还在环保、娱乐业中也有应用。

早期的可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC），主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。

目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。

国外著名的ＰＬＣ生产厂家有:

施耐德公司，Quantum、Premium、Momentum等；

罗克韦尔（A-B公司），SLC、MicroLogix、ControlLogix；

西门子公司，SIMATICS7-400/300/200系列；

GE公司；

日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。

1.5可编程序控制器的结构及工作原理

　　可编程序控制器是以中央处理器为核心的数字式电子、电气自动控制装置，其实质是一种工业控制专用计算机。

目前可编程序控制器的品种很多，各种不同型号的产品结构也各不相同。

但其基本组成原理却基本相同，即均以中央处理器为核心，并辅以外围电路和I／O单元等硬件所组成。

1.PLC的基本组成

　　PLC实质上是一种工业控制计算机，PLC与计算机的组成十分相似。

只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口，以及更直接的适应于控制要求的编程语言。

从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入／输出（I／O）接口、电源等组成，可编程序控制器的基本组成如图2—1所示。

2.PLC各部分的作用

（1）中央处理器（CPU）

　　与一般计算机一样，CPU是PLC的核心部件，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。

它解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能。

　　具体地说，CPU主要完成下列工作。

　　①接收，存储用户通过编程器等输入设备输入的程序和数据。

②用扫描的方式通过I／O部件接收现场的状态或数据，并存入输人映像存储器或数据存储器中。

　　③诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。

　④PLC进入运行