丁字路口交通信号灯的PLC控制系统设计.docx

哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计

题 目：丁字路口交通信号灯的PLC 控制系统设计
专业年级：
学生姓名：
学 号：
指导教师：

哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计（论文）评语
学生姓名：
学 院：哈尔滨理工大学荣成学院 专业：机电一体化
任务起止时间：
毕业设计（论文）题目：
丁字路口交通信号灯的PLC控制系统设计
指导教师对毕业设计（论文）的评语：

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评阅教师对毕业设计（论文）的评语：

评阅教师签名： 评阅教师职称：
答辩委员会对毕业设计的评语：

答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为：
答辩委员会主席签名： 职称：
年 月 日
哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计（论文）任务书
学生姓名：
学 院：哈尔滨理工大学荣成学院 专业：机电一体化

毕业设计（论文）题目：
丁字路口交通信号灯的PLC控制系统设计
毕业设计工作内容：
1.设计一个丁字路口交通指挥信号灯PLC控制系统，灯的供电电压为220V。
2.明确对控制系统的要求，进行工作过程分析
3.确定控制系统的形式，进行控制系统输入、输出参数的确定
4.确定控制系统方案
5.绘制所需的种类图及编制技术文件
资料：
1 肖宝兴主编.西门子S7-200 PLC的使用经验与编程技巧.机械工业出版社.2008年9月
2 袁仁光编著.可编程控制器应用技术与实例.华南理工大学出版社.1997年6月.
3 霍罡，樊晓兵等编著.欧姆龙CP1H PLC应用基础与编程实践.机械工业出版社.2008年1月.
4 廖常初主编. PLC编程及应用. 机械工业出版社，2003

指导教师意见：

签名：
年 月 日
系主任意见：

签名：
年 月 日

目 录
目 录 I
前 言 1
第一章 绪论 2
1.1 本课题研究的背景 2
1.2 本课题研究的意义 2
第二章 PLC的定义及工作原理 4
2.1 PLC的定义 4
2.2 PLC的结构 4
2.3 PLC的工作原理 5
第三章 丁字路口信号灯PLC控制系统设计 6
3.1控制对象及要求 6
3.1.1 控制对象 6
3.1.2 控制要求 7
3.2 系统简介 7
3.3 硬件选型 8
3.4 系统I/O分配表 8
3.5 软件设计 9
3.6 实验步骤 10
3.7 由顺序功能图绘出的PLC梯形图 11
3.8 根据梯形图写出的指令 14
结 论 17
致 谢 18
参考文献 19

前 言
交通是一个城市经济的动脉，它不但体现了一个城市的发展活力，也直接与老百姓的生活息息相关。随着我国经济的高速发展，人们对私家车、公交车的需求越来越大。相应地，我国进入WTO以后，我国经济贸易与世界接轨，汽车业关税大大降低，使很多人都能负担得起，买私家车已经不再是遥不可及的梦。但是，车辆的增加无疑会对我国城市交通系统带来沉重的压力。而交通灯在这个交通环境中起着一个重要的角色，交通灯能有效地缓解城市的交通压力，减少交通事故；交通灯能为当地人民出行节省大量时间，创造出更多的社会价值；交通灯为交通顺畅提供了保障，对当地经济起着一个不可估量的作用。
绪 论
1.1 本课题研究的背景
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。马路上经常会看到这种现象:一旦整个路口的交通信号灯出现故障，若没有交警的及时疏导，该路口就会塞得一塌糊涂，甚至造成严重的交通事故。原交通信号控制大都采用继电器实现，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点,越来越不能适应城市道路交通高速发展的要求。另外，根据人车流量的多少，可能随时增加路口的交通信号，比如增加转弯或人行道交通信号，原有系统的制约性就更加明显了。为了弥补原交通信号灯系统存在的以上缺点，我们引入了基于PLC控制的交通信号灯控制系统。
本文对丁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。
1.2 本课题研究的意义
城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。
交通控制研究的发展旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。
交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产，安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。
生活中常见的是丁字路口交通灯，本课题为相对少见的丁字路口信号的的设计，颇具实用性。

第二章 PLC的定义及工作原理
2.1 PLC的定义
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愈来愈大的作用。
2.2 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相同。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。

PLC的基本结构框图如下2-1所示：

接口部件输出

输入接口部件

中央处理单元
CPU板

现场信号

电 源 部 件

图2-1 plc基本结构图

2.3 PLC的工作原理
1输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入通断状态，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。

第三章 丁字路口信号灯PLC控制系统设计
3.1 控制对象及要求
3.1.1 控制对象
本系统的控制对象有八个，分别是：
东西方向红灯（R—EW）两个；
南北方向红灯 (R—SN) 一个；
东西方向黄灯（Y—EW）两个；
南北方向黄灯 (Y—SN) 一个；
东西方向绿灯（G—EW）两个；
南北方向绿灯 (G—SN) 一个；
东西方向左转弯绿灯(L—EW)一个；
南北方向左转弯绿灯(L—SN)一个。
说明：R代表红色，Y代表黄色，G代表绿色，L代表左，E、W、S、N分别代表东西南北。

图3-1 丁字路口交通灯示意图
3.1.2 控制要求
1 系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作；
2 交通信号灯按图3-2所示时序控制
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6

图3-2 信号灯时序控制
3.2 系统简介
本系统是一个丁字路口交通灯的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对丁字路口的交通灯进行控制。
控制方案为：
1、 南北方向左转弯灯和南北方向红灯同时亮10秒，同时东西方向红灯亮；
2、 南北方向绿灯亮30秒，东西方向红灯继续亮；
3、 南北方向黄灯闪烁5秒；东西方向红灯继续亮；
4、 东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；
5、 东西方向绿灯亮30秒，南北方向红灯继续亮；
6、东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第（1）步依次循环。
3.3 硬件选型
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。在这里我们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，另外还具有如位控单元、PD调节等特殊功能模块。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。
综上，得到系统硬件配置如表3-1所示：
表3-1 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
3.4 系统I/O分配表
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，东西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，南北方向的三色灯也依次设计。再加上东西方向左转和南北方向左转的两色灯共八盏，所以其占8个输出点。由此可得系统I/O分配如表3-2所示：

表3-2 系统I/O分配表
输入/输出
设备/器件名称
I/O地址
符号名
数据类型
输入
控制按钮
I0.0
SB1
BOOL

输出
东西方向绿灯
Q0.0
Q1
DINT
东西方向黄灯
Q0.1
Q2
DINT
东西方向红灯
Q0.2
Q3
DINT
南北方向绿灯
Q0.3
Q4
INT
南北方向黄灯
Q0.4
Q5
INT
南北方向红灯
Q0.5
Q6
INT
东西方向左转弯灯
Q0.6
Q7
INT
南北方向左转弯灯
Q0.7
Q8
INT
3.5软件设计
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。该程序实现了信号由东西左转、东西直行、南北左转依次循环变化。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。
3.6 实验步骤
（1）由实验内容和分析控制过程，得出控制规律，根据以上分析绘出顺序功能结构，如下图：
图3-4 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。

3.7由顺序功能图绘出的PLC梯形图

3.8 根据梯形图写出的指令

结 论

1.交通灯控制在交通运输领域有着非常重要的作用。本文完成了基于PLC交通灯控制系统的设计与模拟。包括通行方案的设计，系统的硬件模拟、软件编程与仿真调试等。在论文完成过程中，主要做的工作有：
（1）确定交通系统具体的通行方案，规定“丁”字路口车辆的行止状态。
（2）以西门子公司的S7-200PLC为核心进行系统硬件设计，输出控制交通信号灯亮灭状态。
（3）采用梯形图语言对系统的软件编程，便于编写、调试、修改和增删，系统软件的编制采用了模块化的设计方法。
2.设计过程遇到的难点分析
其实现场实况车辆的流量是变化的，本设计只是对其路灯起到一个开关的作用，即开关量控制系统。由于所学知识及设备有限，无法对其路灯进行智能化控制，所以在编程时就没把智能控制这一块加上去，再加上编程软件无法下载，在画梯形图、电气控制图、程序图等方面遇到很多的困难，再加上时间资源有限，不能更详细深入的分析。
3.设计收获和体会
通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理、PLC应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧（特别是汇编语言）的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

致 谢

通过本次毕业设计，我在指导老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，另外,此次毕业设计还获得了各位任课老师和同学、室友的大力支持。在此，我忠心感谢各位老师以及各位同学的指导、支持和帮助，在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位的帮助。

参考文献

1 肖宝兴主编.西门子S7-200 PLC的使用经验与编程技巧.机械工业出版社.2008年9月.
2 袁仁光编著.可编程控制器应用技术与实例.华南理工大学出版社.1997年6月.
3 霍罡，樊晓兵等编著.欧姆龙CP1H PLC应用基础与编程实践.机械工业出版社.2008年1月.
4 廖常初主编. PLC编程及应用. 机械工业出版社，2003.
5 周万珍，高鸿斌主编. PLC分析与设计应用. 电子工业出版社，2004年1月.
6 钟肇新、王灏主编.可编程序控制器入门教程.华南理工大学出版社，1999年5月.
7 温照方主编. SIMATIC S7-200可编程序控制器教程. 北京理工大学出版社，2002年9月.
8 张进秋，陈永利，张中民主编. 可编程控制器原理及应用实例. 机械工业出版社，2004年1月.
9 蔡行健，黄文玉等主编.深入浅出西门子S7-200PLC.北京航空航天大学出版社，2003年.
10 廖常初主编.PLC应用技术问答.机械工业出版社.2006年.
11 李辉主编.S7-200PLC编程原理与工程实训.北京航空航天大学出版社，2008年.
12 罗宇航主编.流行PLC使用程序及设计.西安电子科技大学出版社，2006年.