1、控制系统综合课程设计南阳师范学院物理与电子工程学院基于PLC控制的交通信号灯的设计与实现 班 级： 姓 名： 学 号： 基于PLC控制的交通信号灯的设计与实现摘要：可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），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发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。交通信
2、号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定制器资源十分丰富，可对目前普遍使用的信号灯进行精准控制，特别对多岔路口的控制可以方便的实现。本文以单个十字路口交通灯为例，用PLC实现单个十字路口交通信号灯控制的方法。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。而且随着科技的发展，可编程控
3、制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。关键词：PLC控制器 交通灯 自动控制目 录前言 1第1章 PLC简述 11.1 概述 11.2 PLC的特点 21.3 PLC的应用 21.4 PLC的分类 21.5 PLC的结构 31.6 PLC的工作原理 3第2章 交通信号灯控制的实现 32.1 控制要求 32.2 交通灯工作时序图 42.3 i/o模块说明 52.4 i/o端口分配 6第3章 程序设计 63.1 设计流程 63.2 STL语言设计 73.3 梯形图设计 8结束语 11前言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
4、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。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
5、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。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。PLC可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该
6、系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器（PLC）在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。第1章 PLC简述1.1 概述 可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控
7、制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。1.2 PLC的特点1 可靠性高，抗干扰能力强；2 通用性高，使用方便；3程序设计简单，易学，易懂；4采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；5系统设计周期短；6安装简便，调试方便，维护工作量小；7对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产。1.3 PLC的应用目前，PLC在国内
8、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： （1）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。（2）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
9、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。 （3）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。 （4）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
10、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。 （5）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。 （6）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
11、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。1.4 PLC的分类1按PLC的结构形式分类：1）整体式；2）模块式。2按PLC的I/O点数分类：1）小型256点以下；2）中型256点以上，2048点以下；3）大型2048点以上。3按PLC功能分类：抵挡型，中挡型，高档型。1.5 PLC的结构PLC 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从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组
12、合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。图1 PLC基本结构框图1.6 PLC的工作原理PLC的工作方式：（1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。（2） 程序执行阶段：PLC对用户程序扫描。（3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。第2章 交通信号灯控制的实现2.1控
13、制要求十字路口的交通灯分为横向控制灯和纵向控制灯，每个方向有红、绿、黄3种颜色的控制灯，分别称为横向红灯、横向绿灯、横向黄灯和纵向红灯、纵向绿灯、纵向黄灯。本次设计的控制要求如下：1、信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。2、当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。3、南北红灯亮维持10秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持5秒。到5秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。2秒后，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持15秒。南北绿灯亮维持10秒，然后闪亮3秒后熄灭。然后南北
14、黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。4、依上、周而复始。图2 交通灯的面板示意图2.2 交通灯工作时序图 本次设计采用德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。图3 交通灯工作时序图2.3 I/0模块说明交通灯模拟控制面板上分为东西绿灯、黄灯和红灯，分别记为G1，Y1和R1；南北红灯、黄灯和红灯，分别记为G2，
15、Y2和R2。输入控制，依设计要求，只需要一个拨动开关即可，当开关拨上去时，系统启动；开关拨下时，系统停止。即输入只有一个：启动/停止；输出一共有六个：东西绿灯G1、东西黄灯Y1、东西红灯R1、南北绿灯G2、南北黄灯Y2、南北红灯R2。输入控制输出控制启动/停止横向绿灯横向黄灯横向红灯纵向绿灯纵向黄灯纵向红灯表1 I/O模块说明2.4 I/0端口分配序号I/O名称面板符号输入1I0.0启动/停止输出1Q0.1东西绿灯G12Q0.2东西黄灯Y13Q0.3东西红灯R14Q0.4南北绿灯G25Q0.5南北黄灯Y26Q0.6南北红灯R2表2 I/O端口分配第3章 程序设计3.1设计流程 图4 交通灯循环
16、点亮流程3.2 STL语言设计网络1：LD I0.0AN T47LPS= Q0.6LDN T38LDN T39AN T34OLDALD= Q0.1LRDTON T37, 100LRDA T37R Q0.6, 1= Q0.3LPPLPSTON T38, 50A T38AN T33TON T34, 50LRDA T34TON T33, 50LPPTON T39, 80网络2：LDN T37A T39= Q0.2网络3：LD T37LPSA T42R Q0.3, 1LRDTON T42, 150LRDLDN T43LDN T46AN T36OLDALD= Q0.4LPPLPSTON T43, 100
17、A T43AN T35TON T36, 50LRDA T36TON T35, 50LPPTON T46, 130网络4：LD T37LPSA T46AN T47= Q0.5LPPTON T47, 1503.2梯形图设计网络1：网络2：网络3：网络4：结束语通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。虽然有种种不如意，但通过本次设计，还是进一步熟悉了S7-200 PLC的工作原理及特性，掌握有关S7-200系列PLC基本的编程方法，熟悉梯形图及STL语言设计程序的一般方法及特点。在设计的过程中，再一次明白程序是在梯形图上一步一步改进而得，错了不要紧，关键是查找错误所在并能及时更正错误或是另想其他较好的方法来实现，收获不可谓不丰。 难免的，在设计时仍有许多的纰漏所在，如仅在实验室的条件下进行测验，没有经过实地条件的检测；没有考虑突发情况，例如程序突然混乱或是系统断电等的情况。但总体上该设计还是比较成功的。在此次设计过程中，对老师及同学的帮助致以感谢。
