交通信号灯PLC控制系统设计

电气及自动化课程设计报告

题 目： 交通信号灯PLC控制系统设计

学生姓名： 学生学号：

年 级： 2014级 专 业： 自动化 班 级： 14自动化1班 指导教师：

机械与电气工程学院制

2017年5月

交通信号灯PLC控制系统设计

机械与电气工程学院自动化专业

1 前言

随着我国经济的飞速发展，城市人口越来越多，居民出行次数和机动车拥有量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡等问题日趋严重。人们经常会为道路拥挤，交通秩序混乱，出行时间过长等城市交通问题倍感苦恼，例如：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。因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。如何才能保持城市交通的安全便捷、高效畅通和绿色环保，已成为政府规划的一个重要问题。

通过对十字路口交通灯控制系统的设计与制作，使我们进一步巩固和加深了对所学的基础理论，基本技能和专业知识的认识掌握。同时也培养自身综合运用所学过的基础理论，基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，更使我们受到了PLC系统开发的综合训练并且掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思路。更重要的是，通过对十字路口交通灯系统的每个环节的实际操作锻炼了勇于探索，刻苦钻研的工作作风。 1.1 PLC的基本知识

早期的可编程控制器主要是用来代替继电器控制系统的，因此功能较为简单，只能进行开关逻辑控制，称为可编程控制器（programmable logic controller），简称PLC。随着电子技术，计算机技术和通行技术的快速发展，20世纪70年代后期微处理器被用作可编程控制器的中央处理器，从而较大的扩展了可编程控制器的功能。可编程控制器有开关逻辑，模拟量控制，高速计数，PID贿赂调节，远程I/O和网络通信等功能。1980年，美国电气制造协会正式将其命名为可编程控制器，简称PC。1987年2月，国际电工委会对PLC的具体含义做出了明确的定义：在工业环境的背景之下，一种常用来做数字运算操作的电子系统，它既可以进行逻辑运算、顺序控制，也可以进行定时、计数、数字运算等操作。虽然它中间的运算是采用的数字模式，但是它的输入和输出还是采用模拟的信号。这种可编程控制器，可以控制各类生产的过

第 1 页

程。

1.2 PLC的基本结构 1.2.1中央处理器（CPU）

与通用计算机一样，中央处理单元（CPU)是PLC的核心部件，它的主要作用是控制整个系统协调一致的运行。它解释并执行用户及系统程序，完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能，它的主要功能有以下几点。 （1）接收、存储用户通过编程器等输入设备输入的程序和数据。

（2）以扫描方式接收来自输入单元的输入变量，状态数据，并存入相应的数据存储区（输入映像寄存器）。

（3）利用错误检验技术监控存储和通信状态、诊断内部电路的工作状态、电源状态和用户编程中的语法错误。

（4）执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和存储，并根据数据处理结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。 （5）响应各种外围设备的要求。 1.2.2存储器

存储器一般分两种：系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序。它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需的资源，I/O存储器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。常用的存储器类型有CMOS RAM、EPROM、EEPROM。由于系统程序用来管理PLC系统，用户不能直接存储，因此PLC产品中所说的存储类型极其容量，是指用户程序存储器而言。PLC中所配用的用户存储器的容量大小具有较大的差别，其中小型的PLC在8K以下，而大型的PLC可以达到256K。

1.2.3输入/输出(I/O)模块

输入模块和输出模块简称I/O模块，它是联系外部设备和CPU模块的桥梁。PLC的对外功能模块，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映

第 2 页

输入信号状态，输出点反映输出存储器状态。输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。PLC有多种I/O模块，常见有数字I/O模块、模拟量I/O模块、快速响应模块、高速计数模块PID控制模块等。 1.2.4电源

PLC配有开关式稳压电源模块，用来将外部供电电源转换成使PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源模块。 1.2.5编程器

编程器用来生成用户程序，一般分为手持式编程器和图形编程器。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的PLC编程。或者用于现场调试和维护。图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程，又可脱机编程，操作方便，功能强。现在，很多PLC都可以用计算机作为编程工具，在计算机上直接生成和编辑梯形图或指令表，并可以实现其转换。最重要的是这种程序可以存盘或者打印，也可通过网络远程传送。 1.3 PLC型号的选定以及可行性分析

本设计拟采用三菱FX2——64MR——001型PLC，此型号是PLC家族中最先进的PLC之一。它具有一些显著的特点：最大范围的包容了标准特点、程序执行更快、全面补充了通信功能，适合世界各个国家不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，因此在选定的过程中，它有着广泛的选定范围。它的各方面参数如下：I/O总数为64、输入数目为32、输出数目为32、型号为漏型。采用24V、400mA的直流电源，它优良的快速断开端子块使得接着线缆也可以更换单元，并且它的远程维护功能使得远处的编程软件可通过调制解调器通信来监测、上传、卸载程序和数据。与其他PLC相比，本PLC价格便宜，功能齐全，除了有着速度、逻辑、定位等优越之处而且还安装简单，维修方便。本设计中的十字路口东西南北四个方向各有一个光点计数器来统计通过车子的数量，再加上启动开关和停止开关总共需要6个接口。而东西南北方向各有红绿黄灯一个，一共有交通信号灯18个，也就是需要18个输出接口。据此看来，如果通过选择三菱FX2——64MR——001型PLC，根据实际情况完全能够满足

第 3 页

要求。

2 控制方案设计 2.1设计思路

如图1是十字路口交通信号灯示意图，本系统的控制对象有八个，东西方向红灯两个，南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个，南北方向红黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个，本控制系统分为高峰时段和正常时段进行控制。

图 1十字路口交通信号灯示意图

2.2方案分析

本系统是一个多时段十字路口交通灯的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯交通灯进行控制。本系统具有一定的智能性，即它可以对交通灯按高峰期、正常期及晚间几个时段进行分段控制。高峰、正常及晚间时段的时序分布见图2。

第 4 页

高峰时段的控制方案为：

(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35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25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。 正常时段的控制方案为：

（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。 晚间的控制方案为：

东、南、西、北四个黄灯继续闪亮，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。

图 2高峰、正常及晚上时段的时序分布

第 5 页

图 3高峰时段时序图

图 4正常时段时序图

第 6 页

2.3方案设计

系统采用主程序调用子程序的设计方案，通过主程序计算比较当前时间，进而根据对时间段的判断和分析来调用子程序段。子程序段分别是正常时间段、高峰时间段和晚间时间段，它们分别和各自的时序图相对应，见上面的图2、图3和图4从而控制交通灯的信号。 3 控制系统设计 3.1输入输出点分配表

为了将十字路口交通灯的控制关系用PLC控制器实现，PLC需要2个输入点（启动

开关、转换开关），12个输出点选择FX2N-64MT型的PLC。

表1 输入/输出点分配

输入/输出点分配 输入信号 名称 启动按钮 停止按钮 输出信号 输入点编号 X0 X1 代号 SB1 SB2 名称 直行红灯（南北） 直行黄灯（南北） 直行绿灯（南北） 左转红灯（南北） 左转黄灯（南北） 左转绿灯（南北） 直行红灯（东西） 直行黄灯（东西） 直行绿灯（东西） 代号 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 HL6 HL7 HL8 HL9 输出点编号 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 Y11 左转红灯（东西） HL10 左转黄灯（东西） HL11 左转绿灯（东西） HL12 注：表中所有直行绿灯和左转弯灯都分别由9个发光二极管和一个电阻串联而成,所组成的简单电路。

3.2.1十字路口交通灯的I/O接线图

根据十字路口交通灯的输入输出点分配表，画出如图5所示的PLC控制系统的I/O接线图。

第 7 页

图 5 PLC控制系统的I/O接线图

3.2.2十字路口交通灯的电路接线图

根据十字路口交通灯的实际连线，画出如图6所示的十字路口交通灯的接线图。

图 6 十字路口交通灯的接线图

第 8 页

3.3十字路口交通灯的程序设计

根据十字路口交通灯的控制关系写出如图7所示的程序。

第 9 页

图 7 十字路口交通灯的PLC程序

在图7中，Y0控制南北红灯，Y1控制南北绿灯，Y2控制南北黄灯，Y3控制东西红灯，Y4控制东西绿灯，Y5控制东西黄灯。为了控制各个时间段，选用T0~T5为控制正常时间段的定时器，T6~T11为控制高峰时段的定时器。 3.4元器件清单

第 10 页

硬件名称 可编程控制器（PLC） 中间继电器 低压断路器 熔断器 转换电源 发光二极管 3.5交通灯实物接线仿真图 根据程序仿真出实物接线图，如下面的图8所示。

型号 三菱FX-2N-48MR 220V.5A DZ47-60 C10 RT18-32 32A.380V 220VAC~24DC 2V 数量 1台 16个 1个 1个 1个 多量

图 8 实物接线仿真图

第 11 页

4 十字路口交通灯的程序调试 4.1编辑思路

本组的课程设计是用PLC控制十字路口交通灯，用PLC控制可以实现更多功能，同时也比较简单。由于现在越来越多的人拥有自己的汽车，从而使交通变得繁忙，而早晚上下班时间更是交通的高峰期，同时也是为了适应不同路段的交通繁忙程度，所以本组设计了正常时段、高峰时段和晚间时段可以切换的程序，从而使本组设计的实用性更强。

4.2控制系统的程序调试步骤

(1)对于比较复杂的控制系统，需要绘制系统流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。由于本控制系统简单就可以省略这一步。

(2)设计梯形图。这是程序设计关键的一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 (3)将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。 (4)对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。 4.3调试过程遇到的问题及解决办法

(1)在起初情况，按下转换开关，根据设计的要求，应该有“南北红灯”、“南北左转弯红灯”、“东西绿灯”，由于设计中未考虑周全，当按下转换开关“X1”时，不仅“南北红灯”“南北左转弯红灯”、“东西绿灯”亮，而且“南北绿灯”、“东西红灯”也亮，断电后对程序进行检查，发现把程序转换到高峰时段后，没有对T0终止，所以才会出现灯亮混乱的情况。

(2)设计中T0——T5为一个周期，当程序处在早上八点之后的正常时段时，程序运行了一个周期后，T5没有被复位，检查得知是因为对T0的分段控制不当。对程序进行修改后，调试后都正常。 5 总结及心得体会

本组设计的是十字路口交通灯PLC控制系统设计与调试，由于这个课题和我们的生活很紧密，所以这让我们做起来相对简单一点。俗话说万事开头难，一开始我们没有头绪，但是在老师的指导之下，我们慢慢就理解了，然后就开始了设计。我们设计的十字路口交通灯的功能是，不同时段的交通状况不同的所以本次设计就分为正常时段、高峰时段和晚间时段。首先我们自己研究普通的十字交通灯，在了解透彻的情况下，老师有跟我们具体讲解这次设计的思路。把具体的要求给我们，然后又给我们提

第 12 页

出了可能会遇到的问题让我们加以注意。分析这些问题之后，我们就开始准备工作。首先我们做硬件设计，先画原理图和硬件接线图，在老师的指导下，我们顺利的完成了。然后就是确定元器件型号，列元器件清单，之后就是设计元器件的位置，使电路看起来整齐美观。接下来就是把元器件按照原理图连接起来，这一步一定要小心，因为元器件很容易损坏，而且一定要细心，因为电路很容易连错，而且错误不容易检查出来。老师帮我们检查之后就调试，结果成功，硬件的接线是正确的。下面就是软件设计，在编写程序之前，我们先对基本的电路进行分析，在理解之后，我们就考虑怎样进行正常时段、高峰时段和晚间时段的跳转，老师也带领我们一起分析，起初我们设计的程序出现了错误，该亮的灯没有亮，该灭的灯没有灭，而且不能进行跳转，在老师的一次一次的分析下，我们对程序进行修改，实验最终成功。

第 13 页

6 参考文献

[1] 康华光.电子技术基础数字部分[M].北京:高等教育出版社,2005.

[2] 阎石.数字电子技术基础(第五版)清华大学教研组[M].高等教育出版社,2006. [3] 毛瑞丽.数字电子技术基础及应用[M].机械工业出版社,2010.

[4] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第四版)清华大学教研组[M].高等教育出版社,2006. [5] 张新喜.Multisim 10电路仿针与应用[M].机械工业出版社,2011. [6] 李金平.电子系统设计(第2版)[M].电子工业出版社,2012. [7] 黄虎.电子系统设计[M].北京航空航天大学出版社,2009 [8] 余小平.电子系统设计[M].北京航空航天大学出版社,2010. [9] 张金.电子系统设计基础[M].电子工业出版社,2011. [10] 张金.现代电子系统设计[M].电子工业出版社,2001. [11] 方承远.工厂供电控制技术.机械工业出版社，2000. [12] 吕景泉.可编程控制器及其应用.机械工业出版社，2005. [13] 闫坤.电器与可编程控制器应用技术.清华大学出版社，2007. [14] 钟肇新.可编程控制器原理及应用.华南理工大学出版社，1997. [15] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京航空航天大学出版社，2003. [16] 郁汉琪，郭键.可编程序控制器原理及应用.中国电力出版社，2004. [17] 周美兰.PLC电气控制与组态设计.科学出版社，2003.

[18] 催亚军.可编程控制器原理及程序设计.电子工业出版社，1993. [19] 王也仿.可编程控制器应用技术.机械工业出版社，2001. [20] 王丹利.可编程序控制器原理与应用.西北工业大学出版社，1996.

第 14 页

指导教师评语 指导教师签字： 成绩（60%） 年 月 日 答辩过程及评价 答辩小组签字： 成绩（40%） 年 月 日 院综合意见 分管院长签字（盖章）： 综合成绩 年 月 日 第 15 页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4big.html