十字路口交通灯的PLC顺序控制.doc

摘 要
近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，针对具体应用对象的特点，配以其它器件来加以完善。
电气控制与PLC是本学期新开的一门技术课，也是非常重要的一门课，对于以后的工作有很大的帮助。为了能更好的认识和理解PLC方面的知识，以便能更好的掌握PLC这门技术。
PLC课程组决定让我们完成一份PLC课程设计说明书。这一周是PLC课程设计周，我要全面的投入课程设计当中，按时完成一份完整的并排版打印好的《PLC课程设计》说明书。
本课程设计是我经历了一周的时间，花费了很多的精力才完成的。
我设计的题目是“十字路口交通灯的PLC控制”,此次设计主要内容包括:工作过程分析,梯形图,接线图,电气原理图及情况说明,由于是第一次写PLC课程设计,经验还不是很丰富,可能写的还不是很完美,还望任课老师们及同学们提出宝贵的意见和建议。
关键词：十字路口，交通灯，PLC
目 录
摘要 ………………………………………………………………………… 1
一、课题背景 ……………………………………………………………… 3
1、课题背景 …………………………………………………………………… 3
2、研究目的和意义 …………………………………………………………… 3
3、本文的主要工作 …………………………………………………………… 5
二、已知情况、控制要求、设计要求 ………………………………………… 6
1、已知情况 …………………………………………………………………… 6
2、控制要求 …………………………………………………………………… 6
3、设计要求 …………………………………………………………………… 7
三、总体设计思路 …………………………………………………………… 8
四、程序设计及调试 ………………………………………………………… 9
1、PLC的选型及I/0分配图 ………………………………………………… 9
2、拟定程序的SFC顺序功能图 …………………………………………… 10
3、梯形图、程序工作过程简析及编程元件明细表 ……………………… 11
五、电气设计 ………………………………………………………………… 16
1、PLC外部接线原理图 …………………………………………………… 16
2、交通灯顺控设备电气接线线原理图 …………………………………… 16
六、安装、接线、及系统联合测试 …………………………………………… 17
七、后期工作 ………………………………………………………………… 18
1、操作过程简要说明 ……………………………………………………… 19
2、常见故障及排除方案 …………………………………………………… 19
3、编写并提交（课程）设计说明书 ………………………………………… 20
八、尚存在的问题及方案建议 ……………………………………………… 21
九、课程设计总结 …………………………………………………………… 22
十、致谢 ……………………………………………………………………… 23
十一、参考文献 ……………………………………………………………… 24
新华书店十字路口交通灯的PLC
一、课题背景
1、课题背景
1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。 1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。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。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
2、研究目的和意义
在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。
传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。
目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
可编程控制器交通灯控制系统的特点：
①脱机手动工作；
②联机自动就地工作；
③上机控制的单周期运行方式；
④由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；
⑤自动启动、自动停机控制方式。
近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。
本系统采用PLC是基于以下四个原因：
①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；
②编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；
③抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。
3、本文的主要工作
首先，回顾交通灯的历史，随着社会经济的发展，交通管制的要求越来越高，采用可编程程序控制器来代替中间继电器和过程控制的微型机，设计开发了交通灯控制系统，才会满足稳定可靠的交通控制系统需求。
然后，叙述了可编程程序控制器的产生、发展、应用的历程，通过论述可编程程序控制器的各种优点、 卓越性能、结构、原理，有一个感性的总体认识。
然后，结合交通灯控制系统的要求，进行硬件、程序设计，从主要部件的选择、流程的分析、程序思路的产生来完成本次设计任务。
然后，通过对系统的调试和检测，再进行系统性梳理，将隐藏的不足之处加以修正和完善，确保系统能顺利运行。
二、已知情况、控制要求、设计要求

图1. 示意图
1、已知情况
交通灯的布置，其工作过程（工作循环）如图1-1所示，元件动作状态如表1-1所示。
2、控制要求
绿1亮
红2
黄1闪
红2
绿2亮
红1
10s
黄2闪
红1
10s
3s
3s
(步1)
(步3)
(步2)
(步4)

图2. 工序图
交通灯控制系统的控制要求如下：
(1) 信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
(2) 南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。
(3) 南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。
(4)东西红灯亮维持25S。南北绿灯亮维持25S。然后闪烁3S，熄灭。同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
(5) 周而复始
3、设计要求
根据生产设备工作方面及其它方面的需要，本次设计要达到如下设计要求：
(1)       要求本次设计的控制装置采用PLC技术实现;
(2)       要能完全满足控制要求；
(3)       要按照电气设计惯例，提供短路、过载、联锁等故障保护措施；
(4)       本次设计的控制装置应由操作屏、电气控制箱（柜）等部分组成，要尽量与生产设备进行一体化安装，具体安装尺寸另行商定；
(5)     操作屏上要有完整的信号指示，包括对各工作步的指示，以及电源、启动、停止、故障等指示；

三、总体设计思路
根据已知情况、控制要求、设计要求，本液压组合机床的 PLC-控制装置的设计可按照“大而化小，分而治之”的思路，划分为以下5个部分，依序进行，各部分的设计任务分配如下:
(1) 程序设计及调试
拟采用切换法，完成程序的设计，并在实验室环境中进行模拟调试；
(2)电气设计
完成电气线路原理图、元件位置图、接线图、互连图、元件明细表的设计；
(3)*柜屏设计
完成电气元件安装图、控制箱（柜）、操作的设计
(40*安装、接线、联合测试
完成电气元件的安装、接线、并对程序与线路进行联合测试；
(5)后期工作
说明操作过程、拟定常见故障排除方案、编写设计说明书等。
下面按照这个总体设计思路的任务安排，逐步展开。
四、程序设计及调试
1 、PLC选型及I/O分配图
根据设计要求、控制要求，选定PLC的型号为：
EC -16M 16R
它是我国科威公司生产的E系列PLC(与三菱FX2N系列兼容)，拥有16路输入、16路(继电器)输出，而本例实际只需要15路输入、13路输出，输出留有约1/3的余量，输出所留余量超出1/3，完全满足要求；拥有8K步的内存容量，而本例用户程序的容量估计在20步左右，完全够用；支持内置CANbus、485、232通信功能，有利于今后与其它设备进行联网通信。
图3是十字路口交通灯的I/0分配图。

图3. I/O分配图
2、拟定程序的SFC顺序功能图
拟定程序的SFC顺序功能图如图3所示。

图3. 程序的SFC顺序功能图

程序中，各定时器的定时顺序如表1所示。
表1. 定时器定时顺序
定时器
时段1.1
时段1.2
时段1.3
时段1.4
时段2.1
T1
循环1
时段1定时

循环2
时段1定时
T2

循环1
时段2定时

T3

循环1
时段3定时

T4

循环1
时段4定时

3、 编程——PLC十字路口交通灯装置顺控程序、程序工作过程简析、编程元件明细表
本顺控程序的初始程序、切换程序、定时程序及输出程序的梯形图分别如图4～图7所示。

图4. 十字路口交通灯-初始程序-梯形图

图5. 十字路口交通切换程序-SFC图、梯形图

图6. 十字路口交通灯定时及动作程序-梯形图

图7. 十字路口交通灯定时及动作程序-梯形图（晚间只亮黄灯方案，有缺陷）

由上述可得十字路口交通灯的指令表如图9所示。

图9. 十字路口交通灯顺控程序-指令表
本程序中所用到的PLC内部的编程元件及其作用如表2所示。
表2. PLC编程元件明细表
编程元件
作用
X0
起动及循环起点
Y2
南北绿输出
Y1
南北黄输出
Y0
东西红输出
Y12
东西绿输出
Y11
东西黄输出
Y10
南北红输出
M10
中间继电器，把X0的状态保持
T1
东西绿定时
T2
东西黄定时
T3
南北绿定时
T4
南北黄定时

五、电气设计
1、 PLC外部接线原理图
PLC外部接线原理图如图10所示。

图10. PLC外部接线原理图

2、 交通灯顺控设备电气接线线原理图
交通灯顺控设备电气接线线原理图如图11所示。

图11. 交通灯顺控设备电气接线线原理图

六、 安装、接线、及系统联合测试
按照元件安装图安装元件；参考原理图，按照接线图完成“板内接线”；参考原理图，按照互连图，完成板间、柜间接线。
最后，对程序系统与电气系统进行联合测试，详细步骤略。
如不满足要求，再回去修改程序或检查接线，直到满足要求为止
七、 后期工作
1、操作过程简要说明
(1) 信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
(2) 南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。
(3) 南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。
(4)东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮维持25S。然后闪烁3S，熄灭。同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
(5) 周而复始。
2、常见故障及其排除方案
(1)检查PLC[RUN]→P0[按一下]，绿1红2[点亮]?
没有点亮：程序错误
解决方案：程序重编
(2)检查PLC能否完成1个工作流程?
不能：程序错误
解决方案：程序重编
(3)检查PLC能否从最后1步(黄)回到步1(绿)开始新一轮循环?
不能：程序错误
解决方案：程序重编
(4)P1[按一下]，待进行到最后1步(黄2)之后，不再做新一轮循环?
不能：预停程序错误
解决方案：修改预停程序
3、编写并提交(课程)设计说明书
“课程设计说明书”应包括以下内容：
(1)封面
(2)课程设计任务书
(3)摘要
(4)目录
(5)已知情况、控制要求、设计要求
(6)总体设计思路
(7)程序设计及调试
(8)电气设计
(9)*安装、接线、联合测试
(10)后期工作
(11)课程设计总结
(12)致谢
(13)主要参考文献及资料
八、尚存在的问题及方案建议
本设计方案虽然“设计简约，考虑面广，满足要求”，但至少存在以下2个问题尚未解决：
(1)       电源问题：在设计过程中，为了简化操作过程，对PLC未加装分电源开关，这样不利于操作。
(2)       PLC电源净化问题：科威PLC供电电压为AC180-260V,适应电源范围较宽，可直接从低压电网取用220V电源；但为了减弱电网对PLC的干扰，仍应加装电压净化元件，如电源滤波器、隔离变压器等。
建议采取以下方案解决：
(1)       针对电源问题，建议加一个电源分开关来解决。
(2)       针对PLC电源净化问题，建议加装电源滤波器或隔离变压器的方案来解决。
课程设计总结
PLC和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的是一个由三个部分组成的浇灌系统。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。
    通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
     通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。
     在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。
致谢

这次课程设计基本上涵盖了我们所学习的PLC程序的大部分知识点，课程设计题目要求不仅要求对课本知识有较深刻的了解，同时要求程序设计者由较强的思维能力和操作动手能力。这次课程设计使我对PLC程序的编程、程序的录入、以及在上机操作调试有了很大的提高。大部分同学只关心程序运行的结果，而对程序的创新丝毫不在意。这是非常不可取的，因为往往在动脑思考创新中我们会有更多收获，学到更多的知识。做课程设计不仅让我们修补了以前学习的漏洞，也让我明白了一个道理：学习好PLC这门技术，需要自己对它有兴趣，而且要自己肯于动手操作实验。
最后该感谢帮助我的同学和老师。首先该感谢这门课程任教的胡老师给我们精心的讲解和适用的资料。感谢同学们对我学习上的交流和帮助，还得感谢学校给我们这样的一个自己动手设计的好机会！
参考文献
[1]电气控制与PLC应用，胡汉文 丁如春 主编，人民邮电出版社，2009
[2]可编程控制器应用技术，张万忠主编，化学工业出版社，2002
[3]机电电气自动控制（修订版），陈远龄主编，重庆大学出版社出版，2005
[4]十字路口交通灯的PLC控制，来自三笔网
[5]可编程控制器原理及应用教程，王晖 孙玉峰 王文华 主编，清华大学出版社出版，2004

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