课设报告

沈阳航空航天大学

课 程 设 计

（论文）

题目 十字路口交通灯控制系统

班 级 24070201 学 号 2012040702014 学 生 姓 名 关新宇 指 导 教 师 苏晓雯

沈阳航空航天大学

课 程 设 计 任 务 书

课 程 名 称 控制系统课程设计 院（系） 自动化学院 专业 自 动 化 班级 24070201学号 24070201 学生姓名 关新宇 课程设计题目 十字路口交通灯控制系统 课程设计时间 2015 年 12 月 14 日至 2015 年 12 月 25 日 课程设计内容及要求

十字路口交通灯分1、2两组，工作时序图如下：

南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯南北绿灯南北黄灯

1、实现交通信号灯的东西和南北方向的红、绿、黄灯控制，并实现东西和南北方向的红灯显示功能。

2、根据车流情况分别调整两个方向的时间。 3、实现定时工作，比如说让系统工作10分钟。 4、当出现紧急情况时，东西或者南北方向的绿灯亮。 5、当按停止按钮，所有的灯都熄灭。 具体要求如下：

1. 根据控制对象的控制要求完成PLC程序设计并调试成功。 2. 应用组态王软件完成上位机监控程序。 3. 完成课程设计说明书。

22s5s3s22s6s3s指导教师 年 月 日 负责教师 年 月 日 学生签字 年 月 日

目 录

0. 前言.................................................... 错误！未定义书签。 1. 总体方案设计............................................................. 6 2. PLC的介绍 .............................................. 错误！未定义书签。 2.1 PLC的基本知识 .................................... 错误！未定义书签。 2.1.1 PLC产生和定义 ............................... 错误！未定义书签。 2.1.2 PLC的基本组成 ................................................ 7 2.1.3 PLC的结构及基本工作原理 ...................................... 7 2.1.4 PLC的特点 .................................................... 4 2.2 PLC的应用与前景 ................................................... 4 2.十字路口交通灯的介绍..................................... 错误！未定义书签。 2.1 十字路口交通灯的原理............................................... 5 2.1.1 十字路口交通灯的原理及示意图.................................. 6 3.软件设计................................................. 错误！未定义书签。

3.1 编程软件介绍....................................... 错误！未定义书签。 3.2 混料器的控制要求 ................................... 错误！未定义书签。 3.3 混料器的程序流程图 ................................. 错误！未定义书签。 3.4 混料器的程序设计及分析 ............................. 错误！未定义书签。 4. 混料器监控界面的设计.................................................... 14

4.1 组态软件的概述 ..................................................... 14 4.2 定义数据词典 ....................................................... 14 4.3 混料器控制系统界面的制作 ........................... 错误！未定义书签。

4.4 组态王画面中各控件的脚本画面 ....................... 错误！未定义书签。 4.5组态王监控显示...................................... 错误！未定义书签。 4.6 建立动画连接命令语言的编写 ......................... 错误！未定义书签。 5. 调试.................................................... 错误！未定义书签。

5.1下位机的调试........................................ 错误！未定义书签。 5.2上位机对下位机的调试................................ 错误！未定义书签。 6. 课设总结以及进一步想法.................................. 错误！未定义书签。 参考文献：................................................. 错误！未定义书签。 附录1 PLC总程序.......................................... 错误！未定义书签。 附录2 子程序 ............................................. 错误！未定义书签。

十字路口交通灯控制系统

关新宇 沈阳航空航天大学自动化学院

摘 要: 针对近年来城市交通的拥挤现象，特别是驾驶员违章严重、交通事故频发、车辆尾气污染等问题，介绍集计算机、信息、电子及通讯等众多高新技术手段于一体的智能交通指挥中心控制系统。该系统的安装及使用，大大缓解了城市道路堵塞现象、提高了道路的通行能力。减少了驾驶员违章的次数，抑制了交通事故的发生、同时能够减轻车辆尾气排放，从而对降低环境污染起到了不可低估的作用[1]。

分析现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。

关键字：PLC；双机通信；交通灯；组态王。

0. 前言

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、

路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。 不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭，据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。

单片基控制系统设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并

且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，所以使用可编程控制器，其主要原因是因为PLC具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。

本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。

1. 总体方案设计

本次的课程设计是用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，从而使交通变得很繁忙，而早晚上下班时间更是交通的高峰期，同时也为了适应不同路段的交通繁忙程度，所以本课程设计了正常时段和高峰时段可以切换的程序，还有定时，以及突发情况改变亮灭状态，从而使本组设计的实用性更强。本课设是使用PLC下位机控制与组态王上位机控制结合，编写程序设计状态，首先确定了六个控制量，南北红、黄、绿灯；东西红、黄、绿灯。因为状态可以重叠所以设定六个输出量Q0.0~Q0.6（Q0.3为报警灯后删），然后设计梯形图，用定时器和常开常闭触点完成思路，进行循环操作。

2. 硬件设计

2.1 PLC的基本知识 2.1.1 PLC产生和定义

1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国数字设备公司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（programmable logic controller）。

80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为PC（programmable controller）即可编程控制器。国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：

“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围

设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。”

2.1.2 PLC的基本组成

目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的PLC以及同一家生产的不同型号的PLC其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍PLC各组成部分及作用。

编程器

输 入 电 路 系统程序存储器 用户程序存储器 电源 中央处理器（CPU） 输出电路 图1 PLC硬件结构组成框图

2.1.3 PLC的基本工作原理

PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编好程序后，编程器将程序键入PLC的用户存储器中存储。PLC的控制功能就是运用用户程序来实现的。

PLC运行程序的方式与微型机算计相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000存储地址所存放的第一条拥护指令开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址好递增的方向顺序执行拥护程序，直到END指令结束。然后再从头开始，并周而复始的重复，直至到停机或运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。我们把PLC这种执行程序的方式成为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输出，输出信号的处理与微型机算机不同 。微型计算机对输出、输出信号实时处理。而PLC对输出、输出信号是集中批处理。PLC扫描工作方式分为三个阶段：输出采样、程序执行、输出刷新。

2.1.4 PLC的特点

PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的特点而设计制造和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的优点。 1) 可靠性高，抗干扰能力强 2）通用性强，使用方便

3) 采用模块化结构，使系统组合灵活方便 4) 编程语言简单、易学，便于掌握 5) 系统设计周期短 6) 对生产工艺改变适应性强

7) 安装简单、调试方便、维护工作量小 8）体积小、重量轻、功耗低 2.2 PLC的应用与前景

为了适应市场的各方面的需求,各生产厂家对PLC不断进行改进,推出功能更加强大、结果更加完美的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方向发展：一个向超小型、专用化和低价格的方向发展，以进行单机控制；另一个是向大型化、高速化、多功能化和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要。

2.3 十字路口交通灯设计

如图2.1是十字路口交通信号灯示意图, 本系统的控制对象有六个，分别为东西方向红灯两个，南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个。本控制系统律分为高峰时段和正常时段进行控制。

正常时段(8时~16时、18时~6时)：

南北红灯亮维持30秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持22秒。到22秒时，东西绿灯闪亮，闪亮5秒后熄灭，在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持3秒。到3秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。

东西红灯亮维持31秒，南北绿灯亮维持22秒，然后闪亮5秒后熄灭，同时南北黄灯亮，维持3秒后熄灭。这时南北红灯又亮，东西绿灯又同时亮，如此周

而复始。

同时该系统可以完成以下几个功能：1、根据车流情况分别调整两个方向的时间。

2、实现定时工作，比如说让系统工作10分钟。3、当出现紧急情况时，东西或者南北方向的绿灯亮。4、当按停止按钮，所有的灯都熄灭。

R Y G 北 R Y 西 R Y G G R Y G 东 南 图2 十字路口交通信号灯的示意图

2.3.1 输入输出点分配表

根据实验要求，应有五个个输入控制变量，六个输出变量。它们分别为控制启动的变量I0.0，控制停止的变量I0.1，控制紧急摁钮的变量I0.2，控制东西、南北的状态变量I0.3、I0.4。控制南北绿灯的Q0.0,控制南北黄灯的Q0.1，控制南北红灯的Q0.2，控制东西红灯 的Q0.4，东西黄灯的Q0.5，控制东西红灯的Q0.6。

输入信号 停止按钮 I0.1

图3 I/O分配表

2.3.2 PLC控制系统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3.1所示的PLC控制系统I/O接线图。

Q0.0I0.0（启动） SB0 Q0.1I0.1（转换） SB1 Q0.2Q0.4PLC Q0.5Q0.624V

图4 PLC控制系统I/O接线图

2.3.3十字路口交通灯控制系统梯形图

图5 十字路口交通灯的控制梯形图

该系统是通过定时器还有常开常闭触点完成的，定时器时钟频率都是100ms，东西南北绿灯闪烁是通过两个定时0.5s的定时器产生脉冲完成，并且完成根据车流情况分别调整两个方向的时间的功能，当出现紧急情况时，东西或者南北方向的绿灯亮时，是设置了一个紧急情况开关I0.2，当东西方向车流多或者有特殊情况必须使此方向绿灯常亮时，拨下开关I0.3，完成东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮的动作，当紧急情况过去后就再次拨下I0.2，紧急情况解除，回到正常状态。同理，当南北方向有特殊情况时，先拨下I0.2，再拨下I0.4，即可完成动作。而实现定时工作，比如说让系统工作10分钟的功能时，在系统最开始加了一个定时器T49，计时600s，并与状态M0.0相连，这样就会使整个系统定时十分钟工作。

首先按下启动开关I0.0，定时器T49开始计时十分钟；同时T37，T43开始计时，而此时初始状态是Q0.2，Q0.4接通，即南北红灯亮，东西绿灯亮。经过

22秒后，T43计时完毕，不再计时，Q0.4断电，而此时T43常开触点闭合，此时启动绿灯闪烁系统，T45常开触点闭合，Q0.4接通；T45常开触点断开，Q0.4断电，进行闪烁，而时间控制由T44计时5秒。当T44常闭触点断开时，闪烁结束。T44常开触点闭合，Q0.5亮，即东西黄灯亮，接下来，T44常开触点闭合，T42计时3s，3s后，T42常闭触点断开，Q0.5灭，即东西黄灯灭。东西黄灯工作后，此时刚好经过30s，定时器T37断开，南北红灯熄灭，T37常开触点闭合，Q0.6接通，东西红灯亮，同时Q0.6常开触点闭合，Q0.0接通，南北绿灯亮。此时此刻完成一个周期的动作。下一个周期即是顺序相反，道理相同。

3.软件设计

3.1 组态软件的概述

MCGS组态软件

MCGS(Monitor and Control Generated System)即监视与控制通用系统，它是由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一款组态软件。MCGS主要为工程技术人员快速构造和生成上位机人机界面，它可在Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统下良好运行。

MCGS操作简单，它不需要你具有专业的计算机编程技术，就算你对计算机编程一点也不明白你也能够通过短时间的学习编译一个运行可靠的人机界面。此次设计选用MCGS做上位机界面主要是因为他的可靠性以及简单易学。

MCGS组态软件使用广泛，现已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，并在这些领域里面发挥了积极的作用。 3.2 定义数据词典

变量名 启动开关 停止开关 紧急开关 东西走向开关 南北走向开关 南北绿灯 南北黄灯 变量类型 I/O离散 I/O离散 I/O离散 I/O离散 I/O离散 I/O离散 I/O离散 寄存器 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 Q0.0 Q0.1 南北红灯 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 I/O离散 I/O离散 I/O离散 I/O离散 图 6 数据词典变量表

Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5

3.3新建工程

启动“组态王”工程管理器，选择菜单“文件\\新建工程”或单击“新建”按钮。按照新建工程向导一步步的建立一个新的工程路径，并按自己要求设定工程文件目录。并将把新建工程设定为组态王当前工程。本设计新建的工程名为：十字路口交通灯控制系统。如图7所示。

图7 新建一个工程

3.4组态王与S7-200PLC通信连接

在组态王工程浏览器树型目录中选择设备，在右边的工作区中出现了“新建”图标，双击“新建”图标，弹出“设备配置导向”对话框。由于本次设计是采用软件编程与仿真的，需要连接PLC设备，因此新建的设备选用的是西门子S7-200设备，如图15和图16所示。

然后为设备选择连接的串口：COM1口。设备定义完成后,由于定义的是一个真实plc设备，所以串口通讯参数必需设置，否则会导致通讯失败。如图17、图18、图19和图20所示是具体依次通信连接参数设置。

图8 连接设备选择

图9 连接设备选择

图10 设置设备逻辑名称

图11 选择通信口

3.5监控画面建立

单击“画面”定义及命令语言工程栏，开始创建画面，输入画面名称，选择画面位置、画面风格及类型，在画面位置一栏输入需要创建的画面的宽度高度等数值。本设计创建的画面名称依次为：十字路口交通灯控制系统监控画面。 动画连接 给图形对象定义动画连接是在“动画连接” 对话框中进行的。在组态王开发系统中双击图形对象，弹出动画连接对话框。图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分数等，一个图形对象又可以同时定义多个连接。把这些动画连接组合起来。然后全部存入，与PLC连接后，切换到VIEW 即可对十字路口交通灯控制系统进行监控。

4. 联合调试

4.1 组态王十字路口交通灯控制系统主画面

图 12 主画面

此时红绿黄灯都处于熄灭状态，当按下I0.0，系统启动。 4.2 状态1

图 13 状态1画面

此时按下I0.0，系统启动，南北红灯亮，东西绿灯亮。 4.3 状态2

图 14 状态2画面

此时绿灯已经闪烁完毕，黄灯开始亮。而后按照之前设定好的程序进行灯的亮灭。 4.4 状态3

图 15 状态3画面

此刻按下紧急按钮I0.2，全体灯都熄灭，为下步为哪个方向调整做出准备。 4.5 状态4

图 16 状态4画面

此时假设东西方向出现紧急情况，必须让东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，所以此刻按下东西方向紧急开关，使产生这种状态。 4.6 状态5

图 17 状态5画面

此时假设南北方向出现紧急情况，必须让南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，所以此刻按下南北方向紧急开关，使产生这种状态。 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。这是程序设计的关键一步，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。 4.7 调试过程遇到的问题及解决方法

在起初情况，按下转换开关，根据设计的要求,应该亮的灯有“南北红灯”、“东西绿灯”，由于设计中未考虑周全，当按下转换开关“I0.0”时，不仅“南北红灯”、“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，发现程序设计有失误，所以才会出现灯亮混乱的情况。

5．课设总结

通过本次的课程设计，我对PLC及组态王的知识有了更加深刻的了解及掌握。在这其中不仅让我深化了所学的知识，更重要的是让我整合整个大学学习阶段的所有本专业的所学知识点，实现了知识的融合，调动了我的思维，真正让我

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