基于PLC的交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于 PLC 的交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 城市交通燈控制采用的可編程控制器具有可靠性高、維護(hù)方便，用法簡單、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，本文用三菱 FX2n 系列的可編程控制器控制十字路口信號燈來說明可編程控制器硬件、軟件的設(shè)計(jì)目 錄1 緒論.11.1 引言.11.4本課題主要研究內(nèi)容 .12 PLC 功能簡介.22.1概述 .22.2 PLC 的工作原理.22.3主要功能 .24 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).44.1 交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .44.1.1 PLC 選擇.44.1.2 可編程控制器 I/O 端口分配 .54.1.3 PLC 的外部接線圖.64.2交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .64.2.1 十字路口交通燈

2、模擬控制時序圖.64.2.2 流程圖 .64.2.3 程序梯形圖.85 總結(jié).101 緒論1.1 引言十字路口的紅綠燈指揮著行人和車輛的安全運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)紅綠燈的自動指揮能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自動化的重要標(biāo)志之一。可編程序控制器(PLC)是一種新型的通用的自動控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體,具有專能加強(qiáng)、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了的 PLC 產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)交通燈的自動控制。1.4 本課題主要研究內(nèi)容按照城市交通控制的需要，本文討論了用 PLC 實(shí)現(xiàn)正常時序、 正常時序控制時，南北方向紅燈時,東西方向綠燈

3、，20 秒后綠燈閃亮 3 秒緊接著黃燈閃亮 2 秒，變紅燈。南北方向紅燈直接變綠燈，25 秒后綠燈閃亮 3 秒，接著黃燈閃亮 2 秒，然后變紅燈，東西方向紅燈變綠燈。這是一個完整的工作周期。2 2 PLC 功能簡介2.1 概述可編程序控制器（PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小、功能強(qiáng)、靈活通用與維護(hù)方便等一系列的優(yōu)點(diǎn)。特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，受到用戶的青睞。因此在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一?？删幊绦蚩刂破魇且环N存儲器控制器，支持控制系統(tǒng)工

4、作的程序存放在存儲器中可編程序控制器的分類：PLC 的種類很多，其實(shí)現(xiàn)的功能、內(nèi)存容量、控制規(guī)模、外型等方面均存在較大的差異。因此，PLC 的分類沒有一個嚴(yán)格的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而是按照結(jié)構(gòu)形式、控制規(guī)模、實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行大致的分類。（1）按結(jié)構(gòu)形式分類（2）按控制規(guī)模分類（3）按實(shí)現(xiàn)的功能分類2.2 PLC 的工作原理2.3 主要功能3 交通信號控制系統(tǒng)分析3.1 十字路口交通燈控制實(shí)際情況描述（1）南北方向綠燈和東西方向的綠燈不能同時亮；如果同時亮，則應(yīng)自動立即關(guān)閉信號燈系統(tǒng)，并立即發(fā)出報(bào)警信號。 （2）系統(tǒng)工作后，首先南北紅燈亮并維持 25s；與此同時，東西綠燈亮，并維持 20s 時間，到 20s

5、 時，東西綠燈閃亮，閃亮 3s 后熄滅。（3）在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮并維持 2s，然后東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時南北紅燈熄滅，南北綠燈亮。 （4）東西紅燈亮并維持 30s；與此同時，南北綠燈亮并維持 25s；然后，南北綠燈閃亮 3s 后熄滅。 （5）南北綠燈熄滅時，南北黃燈亮維持 2s 后熄滅；同時南北紅燈亮，東西綠燈亮。至此，結(jié)束一個工作循環(huán)。3.2 十字路口交通燈的路況畫出模擬圖3-1 交通燈示意圖西北東南4 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1.1 PLC 選擇 一、PLC 機(jī)型和容量的選擇步驟與原則PLC 的選擇主要應(yīng)從 PLC 的機(jī)型、容量、I/O 模塊、

6、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。 選擇時主要考慮以下幾點(diǎn)： 1、合理的結(jié)構(gòu)型式 PLC 主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。 整體式 PLC 的每一個 IO 點(diǎn)的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式 PLC 的功能擴(kuò)展靈活方便在 IO 點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、IO 模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 3、相應(yīng)的功能要求 一般小型(低檔)PLC 具有邏輯運(yùn)算、定時、計(jì)數(shù)等功能，對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。 對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶 AD 和D

7、A 轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔 PLC。 對于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔 PLC。但是中、高檔 PLC 價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。 4、響應(yīng)速度要求 PLC 是為工業(yè)自動化設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次 PLC 的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用 PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應(yīng)該慎重考慮 PLC 的響應(yīng)速度，可選用具有高速 IO 處理功能的PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的 PLC 等。 5、系統(tǒng)可靠性的要求 對

8、于一般系統(tǒng) PLC 的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。 二、PLC 容量的選擇步驟與原則 PLC 的容量包括 IO 點(diǎn)數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。 1、IO 點(diǎn)數(shù)的選擇 PLC 平均的 IO 點(diǎn)的價格還比較高，因此應(yīng)該合理選用 PLC 的 IO 點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的 IO 點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。 通常 IO 點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實(shí)際需要，再加上10%15%的裕量來確定。 2、存儲容量的選擇 用戶程序所需的存儲容量大小不僅與 PLC 系統(tǒng)的功能有關(guān)，而且還與功能實(shí)現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。一個有經(jīng)驗(yàn)的程序員

9、和一個初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時，其程序量可能相差25%之多，所以對于初學(xué)者應(yīng)該在存儲容量估算時多留裕量。 PLC 的 IO 點(diǎn)數(shù)的多少，在很大程序上反映了 PLC 系統(tǒng)的功能要求，因此可在 IO 點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲容量后，再加20%30%的裕量。 存儲容量(字節(jié))開關(guān)量 IO 點(diǎn)數(shù)10模擬量 IO 通道數(shù)100三、本系統(tǒng)選擇的 PLC 本次交通燈設(shè)計(jì)采用的是來自 FX 的 FX2N 可編程控制器。 產(chǎn)品規(guī)格：FX CPU 單元在編程環(huán)境等方面，它不僅具備了以往的小型 PLC所具有的功能，盡可能使安裝空間最小化，并實(shí)現(xiàn)了具有 10 點(diǎn)-100 點(diǎn)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的彈性構(gòu)成。而且還可

10、連接可編程控制終端，創(chuàng)造了尚無前例的靈活運(yùn)用。它不僅可以替代繼電器控制柜，就是作為小型控制器或在傳感器應(yīng)用中，亦能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場不同的需求，AC 電源輸入，繼電器輸出，能加擴(kuò)展單元。4.1.2 可編程控制器 I/O 端口分配根據(jù)對交通指揮信號燈系統(tǒng)控制要求分析，系統(tǒng)采用自動控制方式，輸入有系統(tǒng)開啟、停止按鈕信號和強(qiáng)通車按鈕信號；輸出有東西方向、南北方向各兩組指示信號和故障指示驅(qū)動信號。由于每一個方向的兩組指示燈中，同種顏色的指示燈同時工作，為了節(jié)省輸出點(diǎn)數(shù)，可采用并聯(lián)輸出方法。由此可知，該系統(tǒng)所需的輸入點(diǎn)數(shù)為，輸出點(diǎn)數(shù)為，全部是開關(guān)量，則可將 I/O 分配用表 4-1 表示。表 4-1 交通指揮

11、燈的 I/O 分配表輸入元件輸入地址輸出元件輸出地址開啟按鈕 SB10.00南北綠燈 F01.05停止按鈕 SB20.01南北黃燈 F11.060.02南北紅燈 F21.010.03警燈（故障指示）F31.07東西綠燈 F41.02東西黃燈 F51.03東西紅燈 F61.044.1.3 PLC 的外部接線圖根據(jù)上述 I/O 表可知，I/O 所需點(diǎn)數(shù)只有 11 點(diǎn)，故選用 FX 微型 PLC 即可。PLC 外部輸入輸出的信號接線如圖 4-2 所示。其中，每一方向的兩組指示燈中，同種顏色的指示燈并聯(lián)，用 PLC 的同一個輸出點(diǎn)。4-2 外部輸入輸出的信號接線圖4.2 交通燈控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.2.

12、1 十字路口交通燈模擬控制時序圖 交通指揮信號燈控制系統(tǒng)工作時，對指揮燈的控制要求按一定時序進(jìn)行，如圖 4-3 所示。4-3 十字路口交通信號燈控制時序圖4.2.2 流程圖啟動開關(guān)東西綠燈亮東西紅燈亮南北紅燈亮東西綠燈閃南北綠燈閃東西黃燈亮南北綠燈亮南北黃燈亮南北主干道25S25S3S2S20S3S2S 30S東西主干道啟動開關(guān)南北紅燈亮東西紅燈亮東西綠燈閃東西綠燈亮南北綠燈閃南北綠燈亮南北人行道東西人行道25S25S 5S20S5S30S4-6 正常時序流程圖啟動開關(guān)南北紅燈亮南北綠燈南北綠燈閃14S10S4S東西綠燈亮東西綠燈閃東西紅燈亮10S4S14S東西行人道南北行人道結(jié)束4.2.3

13、程序梯形圖4.2.3.1 正常時序梯形圖根據(jù)對交通信號燈的控制要求及 PLC 控制系統(tǒng)的 I/O 分配的定義，可對 PLC 進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，其梯形圖如圖 6-5 所示。下面對所設(shè)計(jì)的梯形圖作說明如下：供信號燈閃光控制用的方波發(fā)生器有定時器 TIM001 和 IR 繼電器 1.00 組成，方波發(fā)生器產(chǎn)生周期為 1s(接通 0.5s，斷開 0.5s)的方波脈沖。當(dāng)啟動開關(guān)和上時，0.00 接通，使 1.01 和 1.02 接通，南北紅燈亮、東西綠燈亮，TIM002 開始計(jì)時（計(jì)時時間為 20s） 。計(jì)時時間到，TIM002 的動合觸點(diǎn)閉合，其動斷觸點(diǎn)斷開，通過 1.00、TIM003 使 1.

14、02 按照 1.00 的通斷周期通斷，東西綠燈閃光，TIM003 開始計(jì)時。當(dāng)東西綠燈閃亮 3 次（時間為 3 秒）時，TIM003 計(jì)時到，其動斷觸點(diǎn)斷開，使 1.02 斷開，東西綠燈閃光熄滅。TIM002 的動合觸點(diǎn)閉合使 1.03 接通，東西黃燈亮，TIM004 開始計(jì)時（計(jì)時時間為 2s） 。計(jì)時時間到時 TIM004 的動斷觸點(diǎn)斷開，使 1.01、1.03 斷開，南北紅燈熄滅、東西黃燈熄滅。TIM004 的動斷觸點(diǎn)閉合，使 1.04、1.05 接通，東西紅燈亮、南北綠燈亮，TIM005 開始計(jì)時（計(jì)時時間為 25s） 。計(jì)時時間到時 TIM005 的動合觸點(diǎn)閉合，其動斷觸點(diǎn)斷開，通過

15、 1.00 和TIM006 的動斷觸點(diǎn)使 1.05 按照 1.00 的通斷周期通斷，南北綠燈閃光，TIM006 開始計(jì)時。計(jì)時 3s 到時 TIM006 的動斷觸點(diǎn)斷開，使 1.05 斷開，南北綠燈閃光熄滅。TIM006 的動合觸點(diǎn)閉合，使 1.06 接通，南北黃燈亮，TIM007 開始計(jì)時（計(jì)時時間為 2s） 。計(jì)時時間到時 TIM007 的動斷觸點(diǎn)斷開，使 1.05 和 1.06 斷開，東西紅燈和南北黃燈熄滅，同時使 TIM002、TIM003、TIM004、TIM005、TIM006、TIM007 計(jì)時器全部復(fù)位（斷開） ，于是 TIM004 的動斷觸點(diǎn)及 TIM002 的動斷觸點(diǎn)都閉合

16、，分別使南北紅燈亮和東西綠燈亮，開始第二周期的動作，以后周而服飾地進(jìn)行。當(dāng)停止開關(guān)閉合時，1.01 和 1.02 及全部計(jì)時器斷開，使全部輸出繼電器斷開，全部信號燈熄滅。當(dāng) 1.02 和 1.05，也就是東西綠燈和南北綠燈同時點(diǎn)亮?xí)r，報(bào)警電路接通，系統(tǒng)報(bào)警，應(yīng)立即關(guān)閉交通燈，進(jìn)行故障處理。當(dāng)系統(tǒng)需要停止時，按下 0.01 即可。5 總結(jié) 其實(shí)交通現(xiàn)場實(shí)況車輛的流量是變化的，本設(shè)計(jì)只是對其路燈起到一個開關(guān)的作用，即開關(guān)量控制系統(tǒng)。由于所學(xué)知識及能力有限，無法對其路燈進(jìn)行智能化控制。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在 PLC 的基本原理、PLC 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，以及在常用編程設(shè)計(jì)思路技巧（特別是匯編語言）的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后成為合格的應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 5 平志韓.可編程序控制器及其在包裝機(jī)械中的應(yīng)用初探.1989. 26 段然.可編程控制技術(shù)采樣機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.西北工業(yè)大學(xué)，2001. 3 8 路林吉,王堅(jiān)，江龍康.可編程控制