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十字路口交通灯PLC控制系统设计与调试_毕业论文

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毕 业 设 计 论 文

十字路口交通灯PLC控制系统设计与调试

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论文提交日期：
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2008年12月18
V

【摘 要】: 针对近年来城市交通的拥挤现象，特别是驾驶员违章严重、交通事故频发、车辆尾气污染等问题，介绍集计算机、信息、电子及通讯等众多高新技术手段于一体的智能交通指挥中心控制系统。该系统的安装及使用，大大缓解了城市道路堵塞现象、提高了道路的通行能力。减少了驾驶员违章的次数，抑制了交通事故的发生、同时能够减轻车辆尾气排放，从而对降低环境污染起到了不可低估的作用[1]。
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硬件电路设计方案。
【关键词】: 交通控制 交通灯 PLC控制机

【Abstract】: In recent years, for urban traffic congestion, especially drivers of serious violations, the frequent traffic accidents, vehicle exhaust pollution, introduced the small-computer, information, electronics and communications and other high-tech means in one of the intelligent traffic control center System. The system, and the use of and greatly ease the urban road congestion, increased road capacity. To reduce the number of illegal drivers to curb the occurrence of traffic accidents and at the same time to reduce vehicle emissions, thus reducing environmental pollution Have played a role should not be underestimated.
Analysis of the modern urban traffic control and management of the status quo, combined with the actual situation of urban and rural transport on the traffic light control system working principle, given a simple and practical urban traffic light control system hardware design.
【Key words】: traffic control traffic lights PLC control

目 录
绪 论 1
第一章 PLC的介绍 2
1.1 PLC的基本知识 2
1.1.1 PLC产生和定义 2
1.1.2 PLC的基本组成 2
1.1.3 PLC的基本工作原理 3
1.1.4 PLC的特点 3
1.2 PLC的应用与前景 3
第二章 十字路口交通灯的介绍 4
2.1 十字路口交通灯的原理 4
2.1.1 十字路口交通灯的原理及示意图 4
2.2 电路中主要元器件的介绍 5
2.2.1 熔断器 5
2.2.2 中间继电器 5
第三章 应用PLC设计十字路口交通灯 6
3.1 输入输出点分配表 6
3.2 十字路口交通灯的接线图 6
3.2.1 PLC控制系统I/O接线图 6
3.2.2 十字路口交通灯的接线图 7
3.2.3 十字路口交通灯的实际接线图 8
3.3 十字路口交通灯的控制时序图 9
3.4 十字路口交通灯的程序设计 10
第四章 十字路口交通的程序调试 12
4.1 编程思想 12
4.2 控制系统的程序调试步骤 12
4.3 调试过程遇到的问题及解决方法 12
结 论 13
致 谢 14
参考文献 15

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绪 论
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。
不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，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制(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[2]。
单片基控制系统设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，所以使用可编程控制器，其主要原因是因为PLC具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。
本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。

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第一章 PLC的介绍
1.1 PLC的基本知识
1.1.1 PLC产生和定义
1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国数字设备公司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（programmable logic controller）。
80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为PC（programmable controller）即可编程控制器。国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：
“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计[3]。”
1.1.2 PLC的基本组成
目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的PLC以及同一家生产的不同型号的PLC其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍PLC各组成部分及作用[4]。
编程器
输出电路

输
入
电
路

中央处理器（CPU）

系统程序存储器
用户程序存储器
电源

图1.1 PLC硬件结构组成框图
1.1.3 PLC的基本工作原理
PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编好程序后，
编程器将程序键入PLC的用户存储器中存储。PLC的控制功能就是运用用户程序来实现的。
PLC运行程序的方式与微型机算计相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000存储地址所存放的第一条拥护指令开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址好递增的方向顺序执行拥护程序，直到END指令结束。然后再从头开始，并周而复始的重复，直至到停机或运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。我们把PLC这种执行程序的方式成为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输出，输出信号的处理与微型机算机不同 。微型机算机对输出、输出信号实时处理。而PLC对输出、输出信号是集中批处理。PLC扫描工作方式分为三个阶段：输出采样、程序执行、输出刷新[5]。
1.1.4 PLC的特点
PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的特点而设计制造和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的优点。
1) 可靠性高，抗干扰能力强
2）通用性强，使用方便
3) 采用模块化结构，使系统组合灵活方便
4) 编程语言简单、易学，便于掌握
5) 系统设计周期短
6) 对生产工艺改变适应性强
7) 安装简单、调试方便、维护工作量小
8）体积小、重量轻、功耗低
1.2 PLC的应用与前景
为了适应市场的各方面的需求,各生产厂家对PLC不断进行改进,推出功能更加强大、结果更加完美的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方向发展：一个向超小型、专用化和低价格的方向发展，以进行单机控制；另一个是向大型化、高速化、多功能化和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要[6]。

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第二章 十字路口交通灯的介绍
2.1 十字路口交通灯的原理
2.1.1 十字路口交通灯的原理及示意图
如图2.1是十字路口交通信号灯示意图, 本系统的控制对象有六个，分别为东西方向红灯两个，南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个。本控制系统律分为高峰时段和正常时段进行控制。
正常时段(8时~16时、18时~6时)：
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20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。到2秒时，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30秒，南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒后熄灭，同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭。这时南北红灯又亮，东西绿灯又同时亮，如此周而复始。
高峰时段（6时~8时、16时~18时）：
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20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。到2秒时，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40秒，南北绿灯亮维持35秒，然后闪亮3秒后熄灭，同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭。这时南北红灯又亮，东西绿灯又同时亮，如此周而复始。
Y0Y1Y2
Y0 Y1 Y2
Y4
Y3
Y5
Y3
Y4
Y5
北
东
南
西

图2.1 十字路口交通信号灯的示意图
2.2 电路中主要元器件的介绍
2.2.1 熔断器
① 作用
熔断器是一种简单的保护电器，串接于电路，当电路发生短路或过负荷时，熔体熔断自动断开电路，保护其他电气设备。
② 型号 8A
③ 符号
FU
④ 工作要求
熔体的额定电流要小于或等于熔断器的额定电流
熔断器的电压大于或等于被保护的工作电压
2.2.2 中间继电器
① 作用
中间继电器作用是用来传递信号或同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件，它的结构和交流接触器基本相同，只是电磁系统小些，触点多些。
② 型号 DC24V
③ 符号

线圈 常开触点 常闭触点
④ 工作要求
中间继电器实质是一种电压继电器，触点对数多，触点容量较大(额定电流5—10A)
⑤ 优点
体积小，动作灵敏度高，并在10A以下电路中可代替接触器起控制作用。

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第三章 应用PLC设计十字路口交通灯
3.1 输入输出点分配表
为了将十字路口交通灯的控制关系用PLC控制器实现，PLC需要2个输入点（启动开关、转换开关），6个输出点。为了使用方便，所以选择了FX2N-64MT型的PLC。

输入资源
输出资源
输入继电器
元件
作用
输出继电器
元件
作用
X0
SB
启动开关
Y0
HL1
南北红灯
X1
SB
转换开关　
Y1
HL2
南北绿灯

Y2
HL3
南北黄灯

Y3
HL4
东西红灯

Y4
HL5
东西绿灯

Y5
HL6
东西黄灯

表3.1 输入输出点分配表

3.2 十字路口交通灯的接线图
3.2.1 PLC控制系统I/O接线图
根据十字路口交通灯的输入输出点分配表，画出如图3.1所示的PLC控制系统I/O接线图。

COM
COM1
COM0
X0（启动）
Y4
Y5
Y3
Y2
Y1
Y0
SB1
X1（转换）
SB0
KA11
KA21
KA31
KA41
KA51
KA61
24V
PLC

图3.1 PLC控制系统I/O接线图
3.2.2 十字路口交通灯的接线图
根据十字路口交通灯的实际连线，画出如图3.2所示的十字路口交通灯的接线图。

接

线

柱
FU1
FU2
KA1
KA2
KA3
KA4
KA5
KA6
~220V
南北红灯
南北绿灯
南北黄灯
东西红灯
东西红灯
东西红灯

图3.2 十字路口交通灯的接线图
3.2.3 十字路口交通灯的实际接线图

图3.3 十字路口交通灯的实际接线图
3.3 十字路口交通灯的控制时序图
根据十字路口交通灯的控制关系画出如图3.3所示的时序图。
ON
X0
Y0

Y1

Y2

Y3
Y4

Y5

10 20 30 40 50 60 t/s
正常时段的控制时序图

高峰时段的控制时序图

X1
Y0

Y1

Y2

Y3
Y4

Y5

10 20 30 40 50 60 70 t/s
ON

图3.4 十字路口交通灯的控制时序图

3.4 十字路口交通灯的程序设计

图3.5 十字路口交通灯的控制梯形图

在图3.5中，Y0控制南北红灯，Y1控制南北绿灯，Y2控制南北黄灯，Y3控制东西红灯，Y4控制东西绿灯，Y5控制东西黄灯。为了控制各个时间段，选用T0~T5为控制正常时段的定时器，T6~T11为控制高峰时段的定时器
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第四章 十字路口交通的程序调试
4.1 编程思想
本组的毕业设计是用PLC控制十字路口交通灯，用PLC控制可以实现更多功能，同时也比较简单。由于现在越来越多的人拥有自己的汽车，从而使交通变得很繁忙，而早晚上下班时间更是交通的高峰期，同时也为了适应不同路段的交通繁忙程度，所以本组设计了正常时段和高峰时段可以切换的程序，从而是本组设计的实用性更强。
4.2 控制系统的程序调试步骤
1） 对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。由于本控制系统简单就可以省略这一步。
2） 设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。
3） 将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。
4） 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。
4.3 调试过程遇到的问题及解决方法
1） 在起初情况，按下转换开关，根据设计的要求,应该亮的灯有“南北红灯”、“东西绿灯”，由于设计中未考虑周全，当按下转换开关“X1”时，不仅“南北红灯”、“东西绿灯”亮，而且“南北绿灯”、“东西红灯”也亮，断电后，对程序进行检查，发现把程序转换到高峰时段后，没有对T0终止，所以才会出现灯亮混乱的情况。
2）设计中T0—T5为一个周期，当程序处在早上八点之后的正常时段时，程序运行了一个周期后，就不再循环了。断电后对程序进行检查，发现程序执行完一个周期后，T5没有被复位，检查得知是因为对T0的分段控制不当。对程序进行修改后，调试后都正常。

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结 论
本组设计的是十字路口交通灯PLC控制系统设计与调试，由于这个课题和我们的生活联系很紧密，所以这让我们做起来相对简单一点。
俗话说万事开头难，一开始我们没有头绪，但是在老师的指导下，我们慢慢的就理解了，然后就开始了设计。我们设计的十字路口交通灯的功能是，不同时段的交通状况不同，所以本次设计就分为正常时段和高峰时段。首先我们自己研究普通的十字交通灯，在了解透彻的情况下，老师又跟我们具体讲解这次设计的思想。把具体的要求给我们，然后又给我们提出了可能会遇到的问题让我们加以注意。
分析这些问题之后，我们就开始做准备工作。首先我们做硬件设计，先画原理图和硬件接线图，在老师的指导下，我们顺利的完成了。然后就是确定元器件的型号，列元器件清单去购买。之后就是设计元器件的位置，使电路看起来整齐美观。接下来就是吧元器件按照原理图连接起来，这一步一定要小心，因为元器件很容易损坏，而且一定要细心，因为电路很容易连错，而且错误不容易检查出来。老师帮我们检查之后就调试了，结果我们成功了，硬件的接线是正确的。
下面就是软件的设计了，在编写程序之前，我们先对基本的电路进行了分析，在理解之后，我们就考虑怎样进行正常时段和高峰时段的跳转，老师也带领我们一起分析，起初我们的程序出现了错误，该亮的灯没亮，该灭的等没灭，而且不能进行跳转，在老师一次又一次的分析下，我们对程序进行修改、试验，最后终于成功了。
在这几周的忙碌中，我学到了许多，虽然以前学过PLC，由于时间关系有些遗忘，这次设计正好加以温习，并且对于PLC有了进一步的了解。在老师、同学的帮助下，我们很快完成了设计，我认为本次设计不仅仅学到了许多知识，也很好的锻炼了我们的合作意识。
最后希望我们每个人都能够顺利的通过答辩，顺利的毕业。

致 谢
能够顺利完成这次PLC控制十字交通灯的毕业设计，首先要感谢我们的指导教师——某某老师，从接到毕业设计的课题一直到现在的论文写作，许老师都给了我们莫大的帮助。期间许老师的课比较多，但是她仍然在百忙之中抽出时间来给我们辅导，最让我觉得感激也非常歉意的是许老师还怀有身孕，由于我们在做设计的过程中遇到好多不懂的问题，但许老师一直都是很耐心的解释给我们听，直到我们弄懂为止。
其次，要感谢实验室的一些老师，因为在后期的调试过程，需要在试验室中进行，PLC的课程一直都排的很满，但是老师们都帮助我们找空教室用，最终才能够把程序调试成功,在此谢谢你们。
再次，也要感谢我同组的伙伴们，因为我们是一个团队，这项设计是要靠大家一起完成的。在此过程中，虽然我们有过争执，但所有的人都能够平静下来，每当遇到不懂的问题，其他的同学都会帮忙解决，因为我们互相理解、互相帮助，所以我们都学到了很多东西。
总之，感谢以上提到的每位老师和同学，在此，向你们表示我衷心的谢意！

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参考文献
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[4]孙同景.PLC原理及工程应用[D]. 北京:机械工业出版社,2008.P256
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[6]周波.胡修玉. 可编程控制器原理与应用[M].北京:国防工业出版社.2008.P122
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