基于PLC控制的十字路口交通灯设计.docx

《可编程逻辑控制器》课程设计任务书
——供09级电气工程及其自动化、电气工程与自动化、自动化专业学生用
引言：《可编程逻辑控制器》课程设计是该课程的一个重要教学环节，既有别于毕业设计，又不同于课堂教学。它需要学生统筹运用所学基本理论、基本方法对现实生活中的实际系统进行设计和调试。
一、 设计题目四：十字路口交通灯的控制
本设计要求熟练使用西门子公司的S7-200系列产品各基本指令和部分应用指令，根据控制要求进行PLC梯形图编程，解决十字路口交通灯控制的问题。
二、 系统工作过程说明
图1是一个十字路口的交通灯模拟示意图，R、Y、G分别代表红灯、黄灯、绿灯。红灯亮表示相应方向的车停止行进，绿灯亮表示相应方向的车可以通行，绿灯闪烁、黄灯亮表示短暂的时间后相应方向的车将改变行进状态，提醒司机朋友做好准备。

图1 十字路口的交通灯模拟示意图
如图1所示，本设计具体要求完成以下工作过程：
（1）按一下“启动”按钮，信号灯控制系统开始工作，设此时南北向红灯亮，东西绿灯亮，按一下“停止”按钮，所有信号灯都熄灭。
（2） 南北红灯亮维持30秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，东西绿灯并维持24秒。到24秒时，东西绿灯以2Hz的频率闪烁，闪烁3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持3秒。东西黄灯亮3秒后熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。
（3）东西红灯亮维持40秒。南北绿灯亮维持34秒后以以2Hz的频率闪烁，闪烁3秒后熄灭。在南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮，维持3秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
（4）完成（2）、（3）的整个过程为一个周期，当“启动”按钮按下时，可以周而复始的工作，直至按下“停止”按钮，整个系统才停止工作。
（5）东西绿灯和南北绿灯不能同时亮，东西红灯和南北红灯不能同时亮，否则则自动关闭系统并发出报警信号。
三、 设计步骤：
（1）对系统进行需求分析，确定I/O点数，分配I/O地址；
（2）画出PLC硬件接线图；
（3）绘制PLC梯形图；
（4）绘制时序图；
（5）简述工作过程。
四、 课程设计报告：
1、报告内容：
本报告内容包括7个部分，具体如下：
（1） 封面；
（2） 摘要、关键词（摘要要综述性概括设计的任务、过程、结论，200-300字，关键词3-8个）；
（3） 课程设计任务书；
（4） 正文（设计过程，包括需求分析、硬件接线图、梯形图、工作过程描述等）；
（5） 总结
（6） 参考文献（包括在设计过程中查询过的文献资料）；
（7） 附录（包括附图、程序等）。
2、报告格式：
（1） 摘 要 标题——加粗，宋体二号字，居中；
内容——宋体小四号字，1.5倍行距
关键词 标题——加粗，宋体小四号字，居左；
内容——宋体小四号字，关键词之间以分号隔开
——分页
（2） 正文
正 文 标题——居中，加粗宋体三号字
内容——宋体小四号字，1.5倍行距
——分页
（3） 总 结 标题——居中，加粗宋体二号字
内容——宋体小四号字，1.5倍行距
——分页
（4） 参考文献 标题——居中，加粗宋体二号字
内容——宋体小四号字，1.5倍行距
格式：[序号]作者姓名.书名（不用书名号）.出版社.出版日期
如：
——分页
（5） 附 录 标题——居中，加粗宋体二号字
内容——宋体小四号字，1.5倍行距
3、其他要求：
（1）论文中涉及到的贴图，一律需要在贴图正下方居中位置用宋体五号字体注明序号及名称，如：图1 贴图名称；涉及到的表格，一律需要在表格正上方居中位置用宋体五号字体注明序号及名称，如：表2 数据结构表；
（2）正文部分要求在10页以上；
（3）论文中所有正文中文部分采用小四号宋体字，全角中文标点。英文和数字一律采用半角，英文采用小四Times New Roman字体， 半角标点符号。
（5）论文一律用A4纸打印，页边距采用A4默认的页边距，即：上、下为：2.54厘米；左、右为：3.17厘米。

4、报告模版
（见另外一个文档）

总体设计
2.1总体概述
城市交通信号控制是通过对交通流的调节、警告和诱导以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好地利用现有运输能力，提高交通流的安全性、快速性和舒适性。目前，就我国大多数城市而言，已经建立了多种交通信号控制系统，与此同时，其中利用定时控制的比例较大。
20世纪20年代，人们把各种继电器、定时器、接触器以及触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械设备，这是传统的继电器控制系统。随着工业的发展，设备和生产过程越来越复杂。对于复杂的系统继电器控制系统存在两个缺点：一个是可靠性差，另一个是灵活性差。
因此在实现十字路口交通灯控制的时候我们将目光转向了更为有效的控制装置——PLC。
可编程控制器简称——PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一。
将PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的信号灯进行精确控制。目前大多品牌PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。
鉴于设备的限制，我们选择PLC中的S7-200来实现这一功能。

2.2总体设计思想
当启动按钮按下后，南北主干道处于红灯状态，东西道路处于绿灯可通行状态。
期间，南北红灯持续25S，我们使用定时器T39来实现，T39定时完成以后，T40开始定时30S，用于东西红灯的定时。这样，整个控制系统一个周期55S。南北亮红灯的同时，东西亮绿灯，持续20S，利用定时器T41实现，随后，东西绿灯闪烁3S，用定时器T42实现。闪烁完成后，东西黄灯亮2S，利用定时器T43实现功能。
在南北红灯定时完成后，南北绿灯定时25S，用定时器T44完成，然后是3S的绿灯闪烁电路，用定时器T45实现，闪烁定时到了以后，南北黄灯进行2S的定时，用定时器T46实现。
至此，控制系统的定时已经完成。在设计过程中，考虑到安全因素，我们加入报警系统，即出现东西、南北同时绿灯或者同时黄灯或者同时红灯时，报警灯亮，工作人员断开启动按钮，进行维修和调试。
经过分析，十字路口交通灯在工作过程的一个周期过程中，将会出现以下6种状态：
1. 南北红灯亮，东西绿灯持续亮；
2. 南北红灯亮，东西绿灯闪烁；
3. 南北红灯亮，东西黄灯亮；
4. 南北绿灯亮，东西红灯亮；
5. 南北绿灯闪烁，东西红灯亮；
6. 南北黄灯亮，东西红灯亮。
另外，若出现同色灯同时亮的情况，报警灯亮。

图2.1十字路口交通灯实验台实图

2.3工作过程示意图

南北绿灯闪烁
南北黄灯亮
南北绿灯亮
东西黄灯亮
东西红灯亮
东西绿灯闪烁
启动
南北红灯亮
东西绿灯亮
25S
20S
3S

25S
2S

图2.2十字路口交通灯工作过程

3S
3S
30S
南北黄灯亮

2.4十字路口交通灯时序图

东西黄
东西红
南北绿
南北
黄
20S
3S
2S
25S
3S
2S
30S
20S
3S
2S
ON
OFF
图2.3 十字路口交通灯时序图
25S
南北红

启 动
东西绿

3硬件系统设计
3.1PLC型号选定
从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点1个，开关量输出点7个，如果选用CPU222 / PLC，也需要扩展单元 PLC，参照西门子S7-200系列特性（见附录），选用主机为CPU224（14 输入/10继电器输出）。

图3.1 S7-200 CPU 主要技术指标

3.2PLC的地址分配
1ms: T32,T96
10ms: T33~T36, T97~T100
100ms: T37~T63, T101~T255

表3.1交通灯PLC的输入输出点数分配表
地址
外部设备
I0.0
启动/停止按钮
Q0.0
南北主干道红灯
Q0.1
东西红灯
Q0.2
南北主干道绿灯
Q0.3
东西绿灯
Q0.4
南北主干道黄灯
Q0.5
东西黄灯
Q0.6
报警灯

3.3PLC的接线

SD
I0.0
COM
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
南北R
东西R
南北G
东西G
南北Y
东西Y

P
L
C

图3.2 PLC接线图

4程序设计
4.1程序梯形图
4.1.1绿灯闪烁电路
注：利用T37、T38自锁控制灯的闪烁

4.1.2南北红灯与东西红灯的定时控制

4.1.3东西绿灯、绿灯闪烁、黄灯的定时控制

注：东西绿灯、绿灯闪烁、黄灯顺序出现，利用定时器的互锁控制，即T41定时的完成控制T42的开启，T42的完成控制T43的开启。

4.1.4南北绿灯、绿灯闪烁、黄灯的定时控制

注：南北绿灯、绿灯闪烁、黄灯顺序出现，利用定时器的互锁控制，即T44定时的完成控制T45的开启，T45的完成控制T46的开启。

4.1.5交通灯亮灭的工作控制

注：Q0.0连接南北红灯 Q0.1连接东西红灯
Q0.2连接南北绿灯 Q0.3连接东西绿灯
Q0.4连接南北黄灯 Q0.5连接东西黄灯

4.1.6报警灯电路
注：若出现东西、南北道路交通灯同色情况立即报警。

4.2程序语句表（）
步序
助记符
操作数
0
LD
I0.0
1
AN
T38
2
TON
T37,+5
3
LD
T37
4
TON
T38,+5
5
LD
I0.0
6
AN
Q0.6
7
AN
T40
8
TON
T39,+250
9
LD
T39
10
TON
T40,+300
11
AN
Q0.6
12
AN
T39
13
A
I0.0
14
TON
T41,+200
15
LD
T41
16
TON
T42,+30
17
LD
T42
18
TON
T43,+20
19
LD
T39
20
TON
T44,+250
21
LD
T44
22
TON
T45,+30
23
LD
T45
24
TON
T46,+20
25
AN
T39
26
AN
Q0.6
27
A
I0.0
28
=
Q0.0
29
LD
T39
30
=
Q0.1
31
LD
Q0.0
32
AN
T41
33
LD
T41
34
AN
T42
35
A
T37
36
OLD

37
=
Q0.3
38
LD
T42
39
AN
T43
40
=
Q0.5
41
LD
Q0.1
42
AN
T44
43
LD
T44
44
AN
T45
45
A
T37
46
OLD

47
=
Q0.2
48
LD
T45
49
AN
T46
50
=
Q0.4
51
LD
Q0.0
52
A
Q0.1
53
LD
Q0.2
54
A
Q0.3
55
OLD

56
LD
Q0.4
57
A
Q0.5
58
OLD

59
=
Q0.6

5程序调试及结果分析
调试过程中对原程序图三处进行了调试和更改。
调试一：（下面三个错误均为一个类型的错误）

图5.1东西绿灯工作，调试前的梯形图

图5.2南北绿灯工作，调试前的梯形图

图5.3报警电路，调试前的梯形图
现象描述：交通灯的绿灯不亮，但可以闪烁。
结果分析：梯形图中一个输出只能出现一次，亦只识别一次。
调试方法如下：

图5.4东西绿灯工作，调试后的梯形图

图5.5南北绿灯工作，调试后的梯形图

图5.6报警电路，调试后的梯形图

调试二：（下面两个错误均为一个类型的错误）

图5.7南北红灯定时，调试前的梯形图

图5.8南北红灯工作，调试前的梯形图

现象描述：拨动I0.0启动/停止按钮无反应。
结果分析：没有启动/停止按钮，工作如出现无法立即停止。
调试方法如下：梯形图在相应位置加上启动/停止按钮。

图5.9南北红灯定时，调试后的梯形图

图5.10南北红灯工作，调试后的梯形图
6总结
通过对十字路口交通灯控制系统的设计，我收益颇丰。知识层面上，加深了对PLC的认识，掌握了一些常用的指令，例如灯的闪烁电路。通过直行交通灯（无转弯）的工作过程的分析，画出其时序电路，进而对其I/O点的分配，选择CPU，程序设计，程序调试，说明书的编写，这一套完整的步骤走下来，对一个论文的书写也有了大概的把握。
通过课程设计，不光是知识储备上有了增加，对这门课程也产生了浓厚的兴趣。或许是我们现在接触的还很浅，但我认为PLC设计是一个有趣的过程，从你拿到题目在手，你分析题目，思考其可能实现的方法，包括上网、上图书馆去搜集材料，回头再进行学习，根据手中现有的资料去对应地编写程序。回头上实验台将你编写好的程序进行编译、下载，运行，观察其实现情况。我这次主要是进行了两种类型的调试过程，一个是多次使用同一个输出导致其不识别，因而在实现过程中南北和东西的绿灯均不亮，另一个是在南北红灯定时和工作的过程中未添加启动按钮I0.0，因此启动按钮失去了效用，并且交通灯的实现过程有些混乱。在调试完成后，工作过程如你想象中进行时，心底确实有一种成就感，课程设计增长的是知识，更是对将来实际工作时的锻炼。

7 参考文献
[1]高钦和. 可编程控制器应用技术与设计实例 人民邮电出版社，2004
[2]张立科. PLC应用开发技术与工程实践 人民邮电出版社，2005
[3]邓兴钟等. 机电传动控制（第四版） 华中科技大学出版社，2007
[4]S7-200中文系统手册，1999

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