PLC在交通信号灯中的应用.docx

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PLC在交通信号灯中的应用

南京信息职业技术学院

毕业论文

作者王铮熠

学号21314D39

系部机电学院

专业机电一体化技术

题目PLC在交通信号灯中的应用

指导教师苏根发

评阅教师

完成时间：

2016年5月20日

毕业论文中文摘要

摘要：

可编程控制器（PLC）在工业自动化上有着极为重要的地位，广泛地应用于各个行业，本文着重介绍PLC技术在交通信号灯上的应用，此次论文主要内容包括交通信号灯的工作模拟图、时序图和梯形图。

可编程控制器（PLC）以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型工业控制装置。

城市交通灯系统使用的PLC要有可靠性高、维护方便、用法简单、通用性强等特点。

关键字：

PLC，十字路口，交通信号灯

毕业论文外文摘要

Abstract：

Programmablecontroller（PLC）inindustrialautomationhasaveryimportantposition,iswidelyusedinvariousindustries,thispaperintroducestheapplicationofPLCtechnologyinthetrafficlights,thethesismainlyincludestrafficlightsworksimulationdiagram,sequencediagramandladderdiagram.Programmablecontroller（PLC）basedonmicroprocessor,acombinationofcomputertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologyanddevelopedanewtypeofindustrialcontroldevice.UrbantrafficsystemusePLCshouldhavehighreliability,convenientmaintenance,usagesimple,theversatility,etc.

Keywords:

PLC,intersection,trafficlights

引言................................................................1

第一章可编程逻辑控制器（PLC）的介绍................................2

1.1什么是PLC................................................2

1.2PLC的基本结构............................................3

1.3PLC的工作原理............................................4

第二章PLC与交通信号灯之间的关系..................................5

2.1交通信号灯的作用和意义....................................5

2.2交通信号灯工作模拟图......................................7

2.3白天夜间模式切换..........................................7

第三章交通信号灯控制系统设计......................................8

3.1交通信号灯时序图..........................................8

3.2交通信号灯程序梯形图......................................9

3.3可编控制器I/O端口分配...................................11

第四章系统软硬件调试.............................................13

4.1硬件调试.................................................13

4.2软件调试.................................................13

4.3运行调试.................................................13

结论...............................................................14

致谢...............................................................15

参考文献...........................................................15

引言

随着科学的发展，人类的进步。

生活质量的不断提高，车辆也越来越多，交通事故频发，地面交通面临着巨大的问题。

而这些交通事故又有80%是发生在十字交叉路口。

因此，十字交叉路口这个事故发生源不得不引起人们的高度关注。

随着交通技术，电子技术的发展，人们设计出适应各种需要的交通检测器、信号控制器、交通信号灯。

而此次论文选题也是为了更好的阐述PLC技术在交通信号灯中的重要作用，以及PLC技术对于人类生活不可或缺的意义。

第一章可编程逻辑控制器（PLC）的介绍

1.1什么是PLC

随着微型处理器、计算机和数字通信技术的发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域中。

现代社会要求制造业对市场需求能做出最快的反应，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。

可编程控制器（PLC）就是顺应这一要求而出现的以CPU为核心的通用工业控制装置，它综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术等现代科技技术，具有可靠性强、控制功能强、体积小巧、配置良好、重量轻以及使用方便的优点，在工业生产中获得了广泛的应用，成为了在工业自动化领域中最重要、应用最多的一种控制器。

PLC的定义：

可编程逻辑控制器简称PLC，是ProgrammableLogicController的缩写。

PLC现在已成为实现工业自动化的主要手段之一，与Robot、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。

国际电工委员会（IEC）在1987年2月颁布了PLC的标准草案，草案对PLC作了如下定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作电子装置，专为在工业环境应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储直行进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数运算等指令，并能通过数字式或模拟式的输入/输出来控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都是按照为了与工业控制系统连成一个整体，扩充其功能的原则设计的。

”

由以上定义可知：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子装置，是直接应用于工业环境，用程序来改变控制功能，使其与工业控制系统连成一体的工业计算机。

1.2PLC的基本结构

PLC控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。

其中包括有中央处理器、存储器、电源、程式输入装置、输入\输出回路。

中央处理器

中央处理单元（CPU）是PLC控制器的控制中枢。

它按照PLC控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O设备以及警戒定时器的状态，就能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，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，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

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。

为了进一步提高PLC控制器的可靠性、稳定性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成系统，或采用三CPU的系统。

这样，即使有一个CPU出现故障，由于还有别的CPU，整个系统仍能正常运行。

存储器

存储系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存储应用软件的存储器称为用户程序存储器。

电源

PLC控制器的电源在整个系统中起着十分重要得作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC控制器直接连接到交流电网上去。

程式输入装置

负责提供操作者输入、修改、监视程式用作的功能

输入\输出回路

负责接收外部输入元件信号和负责接收外部输出元件信号

1.3PLC工作原理

当PLC控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC控制器以扫描方式快速地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的对应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，假如输入状态和数据发生变化，I/O映象区中相应的单元状态和数据也不会改变。

因此，假如输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入都能被读入。

用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC控制器就进入了输出刷新阶段。

在此期间，CPU都按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出保存电路，经过输出电路驱动相应的外部设置。

这时，才是PLC控制器的真正输出。

同样的几张梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。

另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑同时运行的结果有所区别。

当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略不计的话，那么二者之间区别就不大了。

一般来说，PLC控制器的扫描周期包括自我诊断、通讯等，一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

第二章PLC与交通信号灯之间的关系

2.1交通信号灯的作用和意义

在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等，都是交通信号。

交通信号是在道路上无法实现分离原则的地方，主要在道路交叉口上，用来在时间上给交通车辆分配通行权的一种交通指挥措施。

交通信号灯采用依次显示不同灯色来指挥交通的通行或停止。

随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差别，各自给信号灯赋予不同的含义。

我国目前使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下:

（1）绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行。

（2）黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行通道的行人，可以继续通行。

（3）红灯亮时，不准车辆、行人通行。

（4）绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。

（5）黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。

随着城市机动车数量的不断增加,许多大城市出现了交通超负荷运行的情况,所以,如何采用合适的控制方法,成为了交通运输管理和城市规划部门迫切需要解决的问题。

而采用交通信号灯不乏为一个有用的方法。

根据交通问题的控制要求和特点,我们采用S7-200。

具有小型化,高速度,高性能等特点,S7-200指令丰富,可以接各种输入\输出设备。

本系统就是应用可编程控制器（PLC）对十交通信号灯进行实体控制,本系统采用PLC是由于以下四个原因:

（1）PLC具有很高的可靠性,抗干扰能力。

通常的平均无障碍时间都在30多万小时以上；

（2）系统设计周期不长，易于维护，易于改造，实用性强，功能完善；

（3）抗干扰能力强，具有自我检查功能，为了保证交通控制的可靠稳定,我们选择了能够在恶劣的电磁感染环境下正常工作的PLC；

（4）今年来PLC的性价比有大幅度的提升。

2.2交通信号灯工作模拟图

如下图1

图1

2.3白天夜间模式切换设计

白天与晚上的转换开关为自动开关。

用光敏电阻或者光敏二极管、三极管组成光亮检测电路，光亮检测电路的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器会根据光亮度的输出信号的高低信号，这个信号经过延时电路后可作为白天与夜晚的自动转换开关信号。

这样天黑了一段时间后交通信号灯就会自动转换为夜间模式，而到了白天也会过了一段时间后交通信号灯变为白天模式。

第三章交通信号灯控制系统设计

3.1交通信号灯时序图

控制要求：

（1）系统要受开关控制：

启动开关ON系统工作；启动开关OFF系统则停止工作。

（2）控制对象有八个：

东西方向的直行红灯两个，东西方向直行黄灯两个，东西方向直行绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个。

南北方向直行红灯两个，南北方向直行黄灯两个，南北方向直行绿灯两个，南北方向左转绿灯两个，正常时段控制按钮一个，晚上时段控制器按钮一个。

（3）控制规律：

正常时段时序图如下，晚上时段规律为：

东西南北方向黄灯闪烁，其余交通灯全部熄灭。

正常时段时序图如下图2

图2

2交通信号灯梯形图

指令表

0

LD

X000

7

LD

M1

16

ANI

T2

1

OR

M0

8

OUT

T0

17

OUT

T1

2

ANI

X001

11

LD

M1

K5

3

OUT

M0

12

ANI

T0

20

LD

T1

4

LD

M0

13

OR

T1

21

OUT

T2

5

ANI

T7

14

OUT

Y000

K5

6

OUT

M1

15

LD

T0

24

LD

T2

25

OUT

C0

37

ANI

T3

48

ANI

T6

K2

38

OUT

Y003

49

ANI

C1

28

LD

C0

39

LD

T3

50

OUT

T5

29

OUT

T3

40

OUT

T4

K5

K20

K20

53

LD

T5

32

ANI

T3

43

LD

T3

54

OUT

T6

33

OUT

Y001

44

ANI

T4

K5

34

LD

T3

45

OR

T5

57

LD

T6

35

OUT

Y002

46

OUT

Y004

58

OUT

C1

36

LD

M1

47

LD

T4

K2

61

LD

C1

62

OUT

Y005

63

OUT

T7

66

LDI

M1

67

RST

C0

K20

68

RST

C1

71

END

梯形图如下图3

图3

3.3可编控制器I/O端口分配

根据控制要求，X0为启动按钮，X1为白天正常时段控制按钮，X2为晚上控制按钮。

Y0为东西方向红灯，Y1为东西方向绿灯，Y2为东西方向黄灯，Y3为东西方向左拐绿灯，Y4为南北方向红灯，Y5为南北方向绿灯，Y6为南北方向黄灯，Y7为南北方向左拐绿灯。

如图4

图4

白天正常时段启动按钮X1，动作状态从S3向S20转换，南北方向直行绿灯Y5亮，25秒后定时器T0运作，动作状态从S20转换为S21，南北方向直行了车灯熄灭，0.5秒后，T2运作，动作状态从S21转换为S22，南北方向绿灯亮，计数器CO工作，0.5秒后南北方向绿灯熄灭，闪烁中，S21和S22的动作反复，技术区CO触电一接通，向S23转移，南北方向黄灯Y6亮，5秒钟后，T4接通，状态向S24转移，南北方向左转弯绿灯Y7亮，5秒钟后，T5接通，状态转向S25，0.5秒后,T6触电接通，南北方向左转直行绿灯亮，同事计数器C1开始工作，0.5秒之后，T7接触点接通，南北方向直行左转弯绿灯熄灭，闪烁中S25和S26反复，计数器触电一接通，南北方向左转弯等Y7熄灭，状态转向S27。

以上就是南北方向红灯、黄灯和直行左转弯绿灯的工作状态。

状态转向S27之后，东西方向绿灯Y1亮，保持接通，25秒之后，定时器T8运作，运作状态从S27到S28，东西方向直行绿灯熄灭，0.5秒后，T10触电被接通，状态从S28向S29转换，东西方向绿灯Y1亮，同事计数器C2开始计数，0.5秒后,T11触电被接通，东西方向绿灯Y1熄灭，闪烁中S28和S29的动作反复，计数器C2触电一被接通状态转向S30，东西方向黄灯Y2亮，5秒后T12触点被接通，状态转向S31，东西方向直行左转灯Y3亮，5秒后T13触点接通，状态转向S33，东西方向直行左转灯Y3亮，同时计数器C3开始计数，0.5秒后，T15触点接通，东西方向直行左转弯等Y3熄灭，闪烁中，S32和S33动作反复，计数器C3触点一接通，东西方向直行左转弯灯Y3熄灭以上就是东西方向红灯、黄灯和直行左转弯灯的工作状态。

晚上

启动按钮X2，状态从S3想S36转移，黄灯Y2和Y6亮，0.5秒后，T16触电被接通，状态被转向S37，黄灯Y2和Y6熄灭，0.5秒后，T17触电被接通，状态从S40直接转向S3，程序进入想一个循环。

第四章系统软硬件调试

4.1硬件调试

将两组同色灯连在一起，各个发光二极管的阳极通过保护电阻接到+5V的电源上，发光二极管的阴极接到单片机的P1口用89C52单片机的P1.0—P1.5共六根输出线控制各色交通灯的点亮与熄灭；在车道上有无车连的信号输入给P1.6、P1.7口。

4.2软件调试

软件调试采用分段调试的方法，先进行模糊算法的子程序调试，因为没有实际传感器的输入量，在调试过程中，用软件模拟出两组输入量，也就是给内存变量直接赋予数值。

调试完子程序后在结合主程序一起调试。

过程中，特别要注意内存地址是否有冲突，以及有些内存变量的及时清零。

4.3运行调试

软硬件调试完毕后，我们吧控制柜移动到室外，使其24小时连续运行，对车流量进行不断输入，对系统进行测试。

以及看系统对光亮度的判断是否正确。

然后每隔一小时记录一次，看结果是否完全符合时序图的设计要求。

当确定此系统运行稳定可靠便可以用于道路口指挥交通了。

总结

交通领域的发展速度越来越快，信号灯是我们日常生活出行安全的重要保障，他是当今箭筒领域不可缺少的设备，我们在每一条道路上几乎都可以看到交通信号灯，设置在两条路或者多条撸的插口位置，使来往的车辆和行人可以有秩序的行驶，可以让大家根据交通信号灯的指示来安全的通过道路，如果没有了交通信号灯，交通系统就会瘫痪，通行的车辆和行人就没有规则可守，发生极大的混乱于威海，正确的使用遵守交通信号灯还可以大量的较少交通事故的发生率，以及可以减少交警的工作量节约了人力成本，还可以提高车辆出行的安全，交通信号灯在我们的日常生活中已经成为了不可以缺少的一部分。

交通信号灯不仅给人类生活提供了方便、安全。

他的耗电也是很小的，但是却可以发出非常大的光亮，不但节约电力资源还方便驾驶员看清交通信号灯的指示。

一个正常的交通信号灯一般可以使用超过10W小时，非常耐用，可以极大方面的减少成本和人力。

利用透光镜片的表面和倾斜面设计，是的交通信号灯的表面不易积灰，外壳也具有良好的放水防尘功能，并且有很好的阻燃性，可以极大的提高交通信号灯的使用寿命和使用质量，保证了交通的持久和安全性。

致谢

在这里我首先要感谢我的指导老师苏老师，在我一开始拿到这个题目的时候我毫无头绪，感觉什么都能写，但是感觉什么又都写不出来，在我没有去找老师帮助之前简直是寸步难行，但是进过苏老师的指导我开始对我的这个题目开始有了头绪，慢慢的通过我自己在网上和书籍的查阅，我的思路也慢慢变的清晰。

这和苏老师一直在身旁的指导也是分不开的，渐渐的我用我以前所学的专业知识，和一些我对PLC的理解，慢慢的我的论文就这样写好了。

在我写好的那一瞬间，我感受到了满满的成就感。

感觉有一种守得云开见月明的舒畅感，回想起来，这种过程还是挺享受的。

在这里我再次感谢苏老师和那些给过我帮助的人。

谢谢！

参考文献

【1】廖常初《可变程序控制器的编程方法与工程应用》

【2】戴仙金《西门子S7-200系列PLC应用于开发》

【3】张立科《PLC应用开发技术与工程实践》

【4】夏辛明《可变程序控制器技术与应用》

【5】石建华《PLC应用技术》

【6】高春甫贺新升《三菱可编程序控制器应用技术》

【7】曹桂玲《电气控制及可编程控制器应用》

【8】姜新桥《PLC应用技术小牧教程》