单时段十字路口交通信号灯PLC控制系统设计说明书.docx

课程设计说明书

设计题目：单时段十字路口交通信号灯PLC控制系统设计

内容摘要
随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。解决好十字路口交通信号灯控制问题是保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。但现有的十字路口交通信号灯大都采用单片机或继电器实现，在发生故障是不能发出警报，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点。为了弥补原交通信号灯系统存在的种种缺点，本文设计了基于PLC控制的单时段十字路口交通信号灯控制系统，使其在故障时系统能自动报警并自动关闭所有红、绿灯，转入提示报警方式。城市道路交通信号控制是典型的开关量顺序控制，采用PLC能充分利用它的优点。德国西门子公司的S7-200可编程控制器是积木式结构，安装比较方便，中央处理单元和信号模板有多种类型。该系统选用的可编程逻辑控制器是德国西门子公司的S7-200，具有一定的智能性。它结构紧凑，扩展性良好，指令功能强大，价格低廉，成为当代各种小型控制工程的理想控制器。
关键词：十字路口；交通信号灯；可编程控制器；提示警告
目 录
内容摘要 1
第1章 引言 1
第2章 PLC控制系统设计 3
2.1 系统简介与分析 3
2.2 硬件选型 3
2.3 I/O点的分配与编号 5
2.4 统接线图 6
2.5 控制流程图 7
2.6 梯形图 8
结 论 12
设计总结 13
致 谢 14
附录 语句表 15
参考文献 19

第1章 引言
本课题的设计内容是用PLC控制十字路口交通信号灯。其要求如下：
1.控制要求：系统工作受开关控制，启动开关“ON”则系统开始工作，启动开关“OFF”则系统停止工作，所有灯关闭。若因故障使东南西北的绿灯同时亮，系统能自动报警并自动关闭所有红、绿灯，转入提示警告方式。
2.控制对象：东西方向红灯（R—EW）两个；南北方向红灯 (R—SN) 两个；东西方向黄灯（Y—EW）两个；南北方向黄灯 (Y—SN) 两个；东西方向绿灯（G—EW）两个；南北方向绿灯 (G—SN) 两个；东西方向左转弯绿灯(L—EW)两个；南北方向左转弯绿灯(L—SN)两个，报警灯一个。
3.控制规律：
（1）系统24小时循环运行，工作规律按时序图运行（见附图），绿灯闪烁时按0.5秒间隔运行。
（2）提示警告方式运行时，控制规律为：东、南、西、北四个方向黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。
本文对十字路口交通信号灯控制本文对十字路口交通信号灯控制系统，运用可编程逻辑器件PLC做了软件与硬件的设计，能基本达到控制要求。系统仅实现了小型PLC系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试工作。如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多、更深入的研究。
可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC) 根据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：“可编程控制器是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。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，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，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。
由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。
PLC作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机，有其显著的特点。
(1) 可靠性高，抗干扰能力强 。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。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1/10~1/100，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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
(2) 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。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
(3) 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。
(4) 安装方便，扩展灵活。PLC采用标准的整体式和模块式硬件结构，现场安装简便，接线简单，工作量相对较小；而且能根据应用的要求扩展输入—输出模块或插件，系统集成方便灵活。各种控制功能通过软件编程完成，因而能适应各种复杂情况下的控制系统，也便于控制系统的改进和修正，特别适应各种工艺流程变更较多的场合。
(5) 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。
(6) 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1/2~1/10。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。
第2章 PLC控制系统设计
2.1 系统简介与分析
系统是一个十字路口交通灯的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制。本系统具有一定的智能性。其时序图所要实现的控制要求如下：
（1）东西向红灯，南北向红灯均亮55s；
（2）东西向绿灯，南北向绿灯均亮25s，闪5s；
（3）东西向黄灯，南北向黄灯均亮5s；
（4）东西向左转绿灯，南北向左转绿灯均亮5s，闪5s；
（5）按照同方向红灯差10s结束时左转亮5s闪5s完绿灯亮，绿灯亮完绿灯闪， 绿灯闪完黄灯亮再回红灯，依此循环。
（6）当提示警报时如任务书所示情况工作。

2.2 硬件选型
由于根据控制要求所确定的输入输出点分别为二个和九个，控制开关输入的启、停信号是输入信号，在交通灯布置图中，南北方向的三色灯，共六盏，同颜色的灯在同一时间亮、灭；所以，可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制。同理，东西方向的三色灯也依次设计。再加上东西方向左转的三色灯，共九盏，所以其占9个输出点。由于我是以一个路口信号单独控制为例，考虑到够用为准。所以我选择了CPU224这一具有较强控制功能的控制器。
在这里我采用德国西门子公司的S7-200可编程控制器，它是积木式结构，安装比较方便，中央处理单元和信号模板有多种类型。根据本系统输入点数及控制要求，中央处理单元可选用CPU224，该CPU板上本身具有10个数字量输入点，6个非隔离数字量输出点，最多能够带8个数字量信号模板，使用内部24V直流电源为输入回路供电，输出为晶体管式的硬件连接方式。
电源模块将交流电源转换成供CPU，存储器等所有扩展模块使用的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心，它的好坏直接影响到PLC的稳定性和可靠。S7-200属于小型PLC，电源模块与CPU模块封装在一起，通过连接总线为本机和扩展模块提供+5V（DC）电源。同时，还可通过端子向外输出一个+24V（DC）电源，供本机输入点和扩展模块继电器线圈使用。需注意的是，从资料中我了解到，外部电源不可与S7-200的传感器电源并联使用。否则，将会导致两个电源的竟争而影响它们各自的输出，缩短其使用寿命，使得一个或两个电源同时失效，使PLC系统产生不正确的操作。正确的使用方法是S7-200的传感器电源和外部电源应该在不同的点上提供电源，而两者之间只能有一个会共连接点。
另外，在硬件选型时，我还选择了完成现场测试及软件编程时所需的一些其他设备。
综上，得到系统硬件配置如表2-1所示：

表2-1 硬件配置表
名 称
数 量
DC24V电源
1
CPU224
1
PC/PPI编程电缆
1
STEP7编程软件
1
PC机
1

2.3 I/O点的分配与编号
分析PLC的输入和输出信号,在满足控制要求的前提下,要尽量减少占用PLC的I/O点。由系统控制要求可见，由控制开关输入的启、停信号是输入信号。由PLC的输出信号控制各指示灯的亮、灭。在交通灯布置图中，南北方向的三色灯，共六盏，同颜色的灯在同一时间亮、灭；所以，可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制。同理，东西方向的三色灯也依次设计。再加上东西方向左转的三色灯，共九盏，所以其占9个输出点。由此可得系统I/O分配如表2-2所示：

表2-2 系统I/O分配表
控制信号
设备/器件名称
元件符号
地址编码
输入信号

启动信号
SB1
I0.0
停止信号
SB2
I0.1
输出信号
东西方向绿灯
HL1-1、1-2
Q0.0
东西方向黄灯
HL2-1、2-2
Q0.1
东西方向红灯
HL3-1、3-2
Q0.2
东西方向左转绿灯
HL4-1、4-2
Q0.3
南北方向绿灯
HL5-1、5-2
Q0.4
南北方向黄灯
HL6-1、6-2
Q0.5
南北方向红灯
HL7-1、7-2
Q0.6
南北方向左转绿灯
HL8-1、8-2
Q0.7
报警灯
HL9
Q1.0

2.4 系统接线图
控制系统接线图如图2-1所示：

图2-1 系统接线图

2.5控制流程图
本系统的控制流程图如图2-2所示：

启动开
东西红灯亮55s
东西绿灯亮25s
东西绿灯闪5s
东西黄灯亮5s
南北左转弯绿5s
南北左转弯闪5s
南北绿灯亮5s
南北绿灯闪5s
南北黄灯亮5s
东西左转弯绿5s
东西左转弯闪5s
结束
南北红灯亮55s

图2-2 控制流程图
2.6 梯形图
控制系统梯形图如图2-3所示：

图2-3 梯形图

语句表见附录结 论
城市交通灯控制系统采用了PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性高、维护方便、使用简单、通用性强等特点，PLC还可以联成网络，根据实测各十字路口之间的距离，车流量和车速等，合理确定各路口信号灯之间的时差，把N台PLC联网到一台控制电脑上，以方便操作、管理和监控，从而极大的提高城市道路交通管理能力，减少交通事故的发生。
在控制方法方面，定时控制不太适合于交通流量有很大变化的交叉口的控制。因此本系统只适合于交通流量不太大的路口。相信随着时间的推移交通信号灯的控制将发展得更完善。
设计总结
通过此次课程设计，培养了我综合运用所学的基础理论课，技术基础课，专业课的知识和实践技能分析和解决实际工作中的一般工程问题的能力，使我建立了正确的设计思想学会了如何把几年来所学的理论知识运用到实践当中去。掌握了PLC控制系统的原理，并进一步巩固、扩大和深化了我所学的基本理论，基本知识和基础技能，提高了我的逻辑思维能力。
通过对PLC十字路口交通灯自动控制系统的设计，使我对所学PLC内容更加熟悉，在设计的过程中遇到了一些自己暂时还无法解决的问题，通过老师的帮助和查阅相关书籍，对遇到的问题进行分析解答，在这个过程中受益匪浅。
并且让我充分的意识到PLC在实际生活中有很多的用处，激起了我在今后的生活中继续学习和运用PLC的兴趣，我也希望我能够把它运用的生活当中比如自己改造家里的电器让它拥有更多的功能等等。
一个团队的合作同样很重要，对于不清楚的问题大家可以集体讨论。整个设计过程中我们这个小组配合的比较好，工作效率得到很大的提升。同时感谢辅导老师细心及时地辅导，使我们能及时解决设计过程中遇到的问题。
致 谢
本次课程设计过程中，我首先要感谢我的指导老师王宗才老师，他平日里工作繁多，但在我做课程设计的每个阶段都给予了我悉心的指导并且细心的找出我设计中的错误，然后引导我走向正确的设计方向。其次要感谢本次课程设计过程中我们小组成员给予的帮助，没有他们的帮助，我不会如此顺利得完成本次课程设计，在此，向他们至以真诚的感谢，尤其是曾祥印同学，我要特别感谢他。老师和同学们所体现出的治学严谨和科学研究的精神也是我学习的榜样将积极的影响我今后的学习和工作。
附录 语句表
TITLE=程序注释
Network 1 // 网络标题
// 系统启动与停止
LD I0.0
O M0.0
AN I0.1
= M0.0
Network 2
// 各方向红黄绿灯及报警灯工作
LD M0.0
LPS
AN Q1.0
AN T40
TON T37, +550 东西方向红灯亮55s
LRD
A T37
TON T38, +250 东西方向绿灯亮25s
LRD
A T38
TON T39, +50 东西方向绿灯闪5s
LRD
A T39
TON T40, +50 东西方向黄灯亮5s
LRD
A T42
TON T41, +550 南北方向红灯亮55s
LRD
AN Q1.0
AN T37
TON T43, +50 南北左转绿灯亮5s
LRD
A T43
TON T44, +50 南北左转绿灯闪5s
LRD
A T44
TON T47, +250 南北方向绿灯亮25s
LRD
A T47
TON T48, +50 南北方向绿灯闪5s
LRD
A T48
TON T42, +50 南北方向黄灯亮5s
LRD
AN Q1.0
A T42
TON T49, +50 东西方向左转绿灯亮5s
LRD
A T49
TON T50, +50 东西方向左转绿灯闪5s
LRD
A Q1.0
AN T46
TON T45, +4
LPP
A T45
TON T46, +6 1s时钟脉冲
Network 3
// 设定各灯的工作情况
LD M0.0
LPS
AN T37
AN Q1.0
= Q0.2 东西方向红灯工作
LRD
LD T38
A SM0.5
AN T39
LD T37
AN T38
OLD
ALD
AN Q1.0
= Q0.0 东西方向绿灯闪烁/亮
LRD
LD T39
AN T40
LD Q1.0
AN T45 东西方向黄灯亮/报警灯闪
OLD
ALD
= Q0.1
LRD
LD T43
A SM0.5
AN T44
LD T37
AN T43
OLD
ALD
AN Q1.0
= Q0.7 南北左转绿灯闪烁/亮
LRD
LD T47
A SM0.5
AN T48
LD T44
AN T47 南北方向绿灯亮/闪烁
OLD
ALD
AN Q1.0
= Q0.4
LRD
LD T48
AN T42
LD Q1.0
AN T45
OLD
ALD
= Q0.5 南北方向黄灯亮/报警灯闪烁
LRD
LD T49
A SM0.5
AN T50
LD T42
AN T49
OLD
ALD
AN Q1.0
= Q0.3 南北左转绿灯闪烁/亮
LRD
A T42
AN Q1.0
= Q0.6 南北红灯亮
LPP
LD Q0.0
A Q0.4
O Q1.0
ALD
= Q1.0 东西、南北绿灯同时亮，报警灯工作

参考文献
[1]王宗才.机电传动与控制.北京:电子工业出版社，2011
[2]程子华.PLC原理与实例分析.北京:国防工业出版社，2006
[3]廖常初.PLC编程及应用.北京: 机械工业出版社，2005
[4]郁汉琪.机床机器及可编程控制器实验课程设计指导书.北京：高等教育出版社，2001
[5]弥洪涛.可编程序控制器（PLC）原理及应用.北京：中国水利水电出版社，1999
[6]胡学林.电气控制及PLC.北京：冶金工业出版社，1997
[7]陈忠华.可编程序控制器与工业自动化系统.北京：机械工业出版社，2002
[8]陈在平、赵相宾.可编程序控制器技术及应用系统设计.北京：机械工业出版社，2002
[9]苏中.基于PC结构的可编程序控制器.北京：机械工业出版社，2005
[10]罗伟、邓木生.PLC及电气控制.北京：中国电力出版社，2009