十字路口交通信号灯 实训.doc

《十字路口交通信号灯PLC控制系统》
课程设计

教
案
讲
稿

姓 名： 学 号：
专 业： 09机电一体化 同组人员：
实训时间： 2011年 5月23日 —— 2011年 6月3日
指导教师： 黄会明、刘嘉

评定成绩：

目 录

一、课程设计的目的与任务要求
二、所需仪器设备
三、原理及内容
四、系统调试
五、 分析、总结
六、心得体会

十字路口交通信号灯PLC控制课程设计

专业 班级 姓名 学号
随着科技的飞速发展，可编程控制器系统的应用正在不断地走向深入，同时带动控制检测的发展。本实训主要是运用可编程控制器系统来实训一个十字路口交通信号灯PLC控制系统。实训主要采用的是日本三菱公司生产的一种小型整体式PLC。十字路口交通灯是城市的一项重要的设施，本次实训的十字路口交通信号灯PLC控制系统能使交通灯根据高峰时段、正常时段和晚上时段的控制规律进行控制。它能使城市的运行有规律，使市民的出行更加方便。
关键词：十字路口 交通灯   可编程控制器    高峰时段 正常时段 晚间时段
一、 课程设计的目的与任务要求
1、 实训目的：
通过十字路口交通灯PLC控制系统实训，使学生进一步熟悉有关PLC电气控制的原理知识，PLC的结构、组成、工作原理，掌握根据要求用PLC进行控制系统实训及控制程序实训方法和步骤，培养同学们工程意识和工程实践能力。
2、 实训任务及要求
（1） 控制对象有8个：
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。
（2） 系统工作受启动开关（按钮）控制。
（3） 系统设有手动、自动两种工作模式。自动运行时按自动控制规律运行，手动运行时，东、南、西、北四个方向全部闪亮（频率及占空比自定），东西、南北方向红绿灯及相关左转弯绿灯由人工控制，但应有互锁保护（如两个方向不能同时亮绿灯或红灯）。
（4） 自动控制规律：
A. 高峰时段、 正常时段及晚上时段的时序分配按时序图一运行(见附图)
B. 高峰时段按时序图二（见附图）运行， 正常时段按时序图三（见附图）运行，晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，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。

二、 所需仪器设备
可编程控制器FX1N-40MR和FX2N-64MR、THPLC-C型网络型可编程控制器实验装置、装有编程软件和开发软件的计算机一台

三、 原理与内容
1、实训思想
本次采用的是日本三菱公司生产的一种小型整体式PLC，PLC具有编程方法简单、容易掌握的特点。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图进行。在最初的梯形图中，主要由人们熟悉的常开触点、常闭触点和线圈、计时、计数等符号组成，对于使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员甚至技术工人所理解和掌握。
通过用PLC控制对三个时间段（高峰时间段7：00—8：15，16：30—19：00、正常时间段6:30—7:00,8:15—16:30,19:00—21:00、晚间时间段21:00—6:30）的交通信号灯进行更合理实训。该系统用PLC控制，由东西、南北两组，共16盏灯组成，每组由一对红灯、一对绿灯、一对黄灯、一对左转弯绿灯共8盏灯组成。
2、实训原理
（1）十字路口交通信号灯PLC控制系统实训流程图
图一：主程序流程图

手动控制子程 序
启 动
手动控制？
自动控制？
自动控制子程 序
Y
Y
N

启动开关，根据控制需要用转换开关选择手动控制或自动控制。然后根据选择是进入手动控制子程序，还是自动控制子程序。

图二：手动控制流程图
手动控制
L-SN开关闭合？

L-SN R-SN R-EW亮

Y-EW Y-SN闪亮
G-SN开关闭合？
G-EW开关闭合？

L-EW开关闭合？

G-SN R-EW亮
Y
N
G-EW R-SN亮
Y
N
N
L-EW R-SN R-EW亮
Y
Y
N

当选择进入手动控制时，直接根据需要，用输入端的开关按钮直接进行交通灯的状态控制。当转换开关接入手动状态的时候，东西、南北的黄灯闪亮。然后分别按下南北、东西绿灯的控制开关时，分别实现南北绿灯、东西红灯亮，东西绿灯、南北红灯亮，实现了南北，东西红绿灯的互锁；当按下南北、东西的左开关灯的控制开关时，东西左转弯灯、南北红灯、东西红灯亮，南北左转弯灯、南北红灯、东西红灯亮。

图三：自动控制流程图
当转换开关转换到自动控制状态时，程序按照要求时序图进行运行。

高峰时段
定时1h15min
自动控制
高峰时段
定时1h45min
正常时段
定时2h45min
晚间时段
定时10h
正常时段
定时8h15min
正常时段
定时30min

图四：晚上时段流程图
晚上时段
东西南北黄灯闪亮
其余灯熄灭

图五：高峰时段流程图高峰时段
红灯亮50s
红灯亮10s
左转灯亮5s
红灯亮10s
左转灯亮5s
闪5s
绿灯亮20s
绿灯闪5s
黄灯亮5s
绿灯亮30s
绿灯闪5s
黄灯亮5s
红灯亮40s
闪5s

图六：正常时段流程图正常时段
红灯亮45s
红灯亮10s
左转灯亮6s
红灯亮11s
左转灯亮5s
闪6s
绿灯亮24s
绿灯闪5s
黄灯亮5s
绿灯亮26s
绿灯闪4s
黄灯亮5s
红灯亮45s
闪4s

（2）流程图说明
根据系统实训的要求分自动控制和手动控制两种模式，在自动控制规律下，把一天的时间分为高峰时段、正常时段和晚上时段。为此我们又把流程图细分三个时段：晚上时段的流程图（如图四所示）、正常时段的流程图（如图六所示）和高峰时段的流程图（如图五所示）。
（3）I/O地址的分配
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所示：

表1 硬件配置表
名 称
数 量
THPLC-C型网络型可编程控制器实验装置（含PLC和编程电缆）
1
GX编程软件，FX仿真软件
2
PC机
1

表2 系统I/O分配表
输入设备
输入编号点
输出设备
输出编号点
启动开关
X000
东西红灯
Y000
停止开关
X007
东西左转弯灯
Y001
转换开关(自动/手动)
X001/X002
东西绿灯
Y002
南北绿灯
X003
东西黄灯
Y003
东西左转弯灯
X004
南北红灯
Y004
东西绿灯
X005
南北左转弯灯
Y005
南北左转弯灯
X006
南北绿灯
Y006

南北黄灯
Y007

(4)控制系统I/O接线图
根据I/O表及PLC的配置图很容易就可以得到PLC端子接线图如下所示：

（5）控制系统梯形图
本控制系统的控制原理是：用一路数字量的不同输入状态来判定是否对时钟进行初始化，用一路数字量的不同输入状态分别用作程序的启动和停止控制，每一方向有红、黄、绿及转弯四种信号灯，分别对应四位数字量输出，两个方向共有8位数定量输出；在某一方向用两个延时脉冲定时器分别控制该方向黄灯闪烁的亮、灭时间，根据道路人车流量多少，分别设置各信号灯亮灭时间的长短，通过6个定时器依次交替工作，就可实现各方向交通信号灯的顺序工作。本文所设计的软件由一个主程序和四个子程序（时钟初始化子程序，晚间时段交通灯控制子程序，正常时段交通灯控制子程序和高峰时段交通灯控制子程序）组成。主程序主要任务包括：读取两个开关状态，根据开关的不同状态做出相应的处理，当开关SB0闭合时则对时钟进行初始化，反之则不对时钟进行初始化；当开关SB1闭合时，则读取时钟值，并做处理，根据处理后的时钟值的大小判定当前时间是属于哪个时间段，并调用相应的交通灯控制子程序，反之，则停止程序的运行主程序流程图如图5所示。晚间时段的控制规律为：两个方向的四个黄灯均按亮0.4秒灭0.6秒的规律闪烁，其余的交通灯全灭程序中将用到两个定时器T37和T38，各定时器的功能如表3所示。正常时段的控制方案结构图如图6所示，程序中将用到8个定时T37-T44，各定时器的功能如表4所示。高峰时段的控制方案结构图如图7所示，程序中将用到8个定时T37-T44，各定时器的功能如表5所示。
该程序实现了信号由东西左转、东西直行、南北直行依次循环变化。其优势思路简单，容易理解，对时钟的校正以及各时段的起始时间和终止时间的修改方便。如路口要求在晚上10：00以后实行各方向黄色信号灯闪烁功能，只需要将实时采集PLC的时钟信号作为一个子程序的跳转条件，再增加一段闪光程序即可。如果需要将几个路口集中到一台PLC控制，根据实际需要的I/O点数，硬件上再增加相应的数字量输出模板即可。需要指出的是，用PLC实现城市道路关通信号控制，最好几个路口共用一套PLC，这样可以大大降低工程成本。

表3 晚间时段各定时器一个循环中的功能明细表
定时器
t0
t1
T2
T37
定时0.4秒
开始定时，黄灯亮
定时到，输出ON且保持；黄灯灭
开始下一次循环的定时
T38
定时1秒
开始定时
继续定时
定时到，输出ON，随即复位开始下一次循环的定时，黄灯亮。

表4 正常时段各定时器一个循环中的功能明细表
定时器
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
T37
定时10秒
开始定时,南北转弯灯、南北红灯、东西红灯亮。
定时到，输出ON且保持；南北转弯灯灭，南北绿灯亮，东西红灯继续亮。
ON
ON
ON
ON
开始下一个循环定时
T38
定时40秒
开始定时
继续定时
定时到，输出ON且保持；南北绿灯灭，南北黄灯闪烁，东西红灯继续亮。
ON
ON
ON
开始下一个循环定时
T39
定时45秒
开始定时
继续定时
继续定时
定时到，输出ON且保持；南北黄灯灭，东西转弯灯、南北红灯亮，东西红灯继续亮。
ON
ON
开始下一个循环定时
T40
定时55秒
开始定时
继续定时
继续定时
继续定时
定时到，输出ON且保持；东西转弯、东西红灯灭，东西绿灯亮，南北红灯继续亮。
ON
开始下一个循环定时
T41
定时85秒
开始定时
继续定时
继续定时
继续定时
继续定时
定时到，输出ON且保持；东西绿灯灭，东西黄灯闪烁，南北红灯继续亮。
开始下一个循环定时
T42
定时90秒
开始定时
继续定时
继续定时
继续定时
继续定时
继续定时
定时到，输出ON，随即复位开始下一次循环定时；东西黄灯、南北红灯灭，南北转弯灯、南北红灯、东西红灯亮。

表5 高峰时段各定时器一个循环中的功能明细表
定时器
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
T37
定时10秒
开始定时,南北转弯灯、南北红灯、东西红灯亮。
定时到，输出ON且保持；南北转弯灯灭，南北绿灯亮，东西红灯继续亮。
ON
ON
ON
ON
开始下一个循环定时
T38
定时45秒
开始定时
继续定时
定时到，输出ON且保持；南北绿灯灭，南北黄灯闪烁，东西红灯继续亮。
ON
ON
ON
开始下一个循环定时
T39
定时50秒
开始定时
继续定时
继续定时
定时到，输出ON且保持；南北黄灯灭，东西转弯灯、南北红灯亮，东西红灯继续亮。
ON
ON
开始下一个循环定时
T40
定时60秒
开始定时
继续定时
继续定时
继续定时
定时到，输出ON且保持；东西转弯、东西红灯灭，东西绿灯亮，南北红灯继续亮。
ON
开始下一个循环定时
T41
定时85秒
开始定时
继续定时
继续定时
继续定时
继续定时
定时到，输出ON且保持；东西绿灯灭，东西黄灯闪烁，南北红灯继续亮。
开始下一个循环定时
T42
定时90秒
开始定时
继续定时
继续定时
继续定时
继续定时
继续定时
定时到，输出ON，随即复位开始下一次循环定时；东西黄灯、南北红灯灭，南北转弯灯、南北红灯、东西红灯亮。

0≤Tim≤630
630＜Tim＜700
700≤Tim≤830
830＜Tim＜1630
1630≤Tim≤1900
1900＜Tim＜2100
2100≤Tim≤2359
调用SUBE子程序
调用SUBN子程序
调用SUBF子程序
调用SUBN子程序
调用SUBF子程序
调用SUBN子程序
调用SUBE子程序
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N
N
N
N
SB0闭合？
初始化时钟

SB1闭合？
读取时钟值并处理得Tim
不做处理
停止程序
Y
Y
N
N
图5 主程序流程图

图6 正常时段控制结构图

10—40s
0—10s
40—45s
45—55s
55—85s
85—90s
东西方向红灯、南北方向红灯和南北方向左转绿灯亮；其他灯灭。
南北方向绿灯亮,，东西方向红灯仍亮；其他灯灭。
南北方向黄灯闪烁,东西方向红灯仍亮；其他灯灭。
南北方向红灯、东西方向红灯和东西方向左转弯灯亮；其他灯灭。
东西方向绿灯亮，南北方向红灯仍亮；其他灯灭。
东西方向黄灯闪烁,南北方向红灯仍亮；其他灯灭。

图7 高峰时段控制结构图

10—45s
0—10s
45—50s
50—60s
60—85s
85—90s
东西方向红灯、南北方向红灯和南北方向左转绿灯亮；其他灯灭。
南北方向绿灯亮,，东西方向红灯仍亮；其他灯灭。
南北方向黄灯闪烁,东西方向红灯仍亮；其他灯灭。
南北方向红灯、东西方向红灯和东西方向左转弯灯亮；其他灯灭。
东西方向绿灯亮，南北方向红灯仍亮；其他灯灭。
图4 PCL端子接线图
东西方向黄灯闪烁,南北方向红灯仍亮；其他灯灭。

（6）指令表

四、系统调试
将上述程序综合起来，并进行调试，然后将其写入PLC中，确认端子接线无误后，交通灯系统可投入运行。从实际的效果展示，系统运行稳定，达到预期目标。同时，该系统只要稍加改动，便可应用于更多十字路口的交通灯控制。
程序调试中遇到的问题及解决方法
问题（1）：输完指令后执行程序，设置好控制输出的灯没有完全亮。
分析：说明控制该灯的步不正确或是死步。
解决方案：检查梯形图，发现东西方向的输出未写入梯形图，修改梯形图并转换为指令，插入到程序中，再运行程序，所有设置输出均正常。
问题（2）交通灯未出现闪烁，并且未进入到下一步状态
分析：说明控制该步转换条件的定时器有问题。
解决方案：重新分析定时器，发现时间设定有问题，更改后运行程序，能正常输出。
五、 分析、总结

六、 心得体会

参考文献
[1] 廖常初主编. PLC编程及应用. 北京:机械工业出版社，2003
[2] 周万珍、高鸿斌主编. PLC分析与设计应用. 北京:电子工业出版社，2004年1月
[3] 钟肇新、王灏主编. 可编程序控制器入门教程. 广州:华南理工大学出版社，1999年5月
[4] 温照方主编. SIMATIC S7-200可编程序控制器教程. 北京:北京理工大学出版社，2002年9月
[5] 张进秋、陈永利、张中民主编. 可编程控制器原理及应用实例. 北京:机械工业出版社，2004年1月

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