畢業設計（論文）題目：基于PLC的交通信號燈控制系統系部：信息技術系專業：低壓電器的制造與檢測學號：120313124學生姓名：饒建飛導師姓名：陳忠海導師職稱：二○一四年十二月（填寫時間要用中文） 溫州科技職業學院畢業設計（論文）第19頁【摘要】:針對近年來城市交通的擁擠現象，特別是駕駛員違章嚴重、交通事故頻發、車輛尾氣污染等問題，介紹集計算機、信息、電子及通訊等眾多高新技術手段于一體的智能交通指揮中心控制系統。該系統的安裝及使用，大大緩解了城市道路堵塞現象、提高了道路的通行能力。減少了駕駛員違章的次數，抑制了交通事故的發生、同時能夠減輕車輛尾氣排放，從而對降低環境污染起到了不可低估的作用。分析現代城市交通控制與管理問題的現狀，結合城鄉交通的實際情況闡述了交通燈控制系統的工作原理，給出了一種簡單實用的城市交通燈控制系統的硬件電路設計方案。【關鍵詞】:交通控制交通燈PLC控制機【Abstract】:Inrecentyears,forurbantrafficcongestion,especiallydriversofseriousviolations,thefrequenttrafficaccidents,vehicleexhaustpollution,introducedthesmall-computer,information,electronicsandcommunicationsandotherhigh-techmeansinoneoftheintelligenttrafficcontrolcenterSystem.Thesystem,andtheuseofandgreatlyeasetheurbanroadcongestion,increasedroadcapacity.Toreducethenumberofillegaldriverstocurbtheoccurrenceoftrafficaccidentsandatthesametimetoreducevehicleemissions,thusreducingenvironmentalpollutionHaveplayedaroleshouldnotbeunderestimated.Analysisofthemodernurbantrafficcontrolandmanagementofthestatusquo,combinedwiththeactualsituationofurbanandruraltransportonthetrafficlightcontrolsystemworkingprinciple,givenasimpleandpracticalurbantrafficlightcontrolsystemhardwaredesign.【Keywords】:trafficcontroltrafficlightsPLCcontrol目錄序言 41PLC的概述 51.1PLC的產生和定義 51.2PLC的基本組成 52PLC的硬件與工作原理 72.1PLC的硬件結構 72.2CPU模塊中的存儲器 82.3PLC的工作原理 83PLC的特點與應用領域 103.1PLC的特點 103.2PLC的應用領域 113.3PLC的前景 114PLC的程序設計基礎 114.1PLC中的程序結構 115應用PLC設計十字路口交通燈 135.1十字路口交通燈的原理及示意圖 135.2設計系統流程圖 145.3IO分配表 145.4模擬控制時序圖 155.5梯形圖： 155.6指令表 155.7監控組態圖 16小結 17致謝 18參考文獻 19附錄 20序言隨著社會經濟的發展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關系的協調，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統是用于城市交通數據監測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統，它是現代城市交通監控指揮系統中最重要的組成部分。不同的城市有不同城市的問題，但共性就是混合交通流問題。在交叉口如何解決混合交通流中的相互影響或彼此的相互影響，就是解決問題的關鍵！隨著我國城市化建設的發展，越來越多的新興城市的出現，使得城市的交通成為了一個絕對主要的問題。同時隨著我國經濟的穩步發展，隨著城市機動車量的不斷增加，人民的生活水平日漸提高，越來越多的汽車進入尋常老百姓的家庭，據不完全統計，目前我國城市里的十字路口交通系統大都采用定時來控制(不排除繁忙路段或高峰時段用交警來取代交通燈的情況)。單片機控制系統設計時硬件和軟件均要設計，抗干擾性能差，不通用，并且需要有接口電路與之配套，價格中等，制造較難。程序的設計中，分析控制交通的多種原理，用傳統的方法實現難度較大，所以使用可編程控制器，其主要原因是因為PLC具有簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長等一系列的優點。本設計介紹了應用PLC實現十字路口交通信號燈的自動控制。通過對交通信號燈的控制要求分析，對PLC控制系統進行了軟、硬件設計，并通過實驗證明該系統簡單、經濟、運行可靠，具有很高的實用價值。1PLC的概述1.1PLC的產生和定義1968年由美國通用汽車公司（GE）提出，1969年有美國數字設備公司（DEC）研制成功，有邏輯運算、定時、計算功能稱為PLC（programmablelogiccontroller）。80年代，由于計算機技術的發展，PLC采用通用微處理器為核心，功能擴展到各種算術運算，PLC運算過程控制并可與上位機通訊、實現遠程控制。被稱為PC（programmablecontroller）即可編程控制器。國際電工委員會（IEC）在1985年對PLC做了如下定義：“可編程控制器（ProgrammbleLogicController,PLC）是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則來設計。”從以上定義中可以看出，PLC是一種用程序來改變控制功能的工業控制計算機，除了能夠完成各種各樣的控制功能外，還有與其它計算機智能設備通信聯網的功能。PLC是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。1.2PLC的基本組成目前，可編程控制器的產品很多，不同的廠家生產的PLC以及同一家生產的不同型號的PLC其結構個不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它們都是以微處理器為核心的結構，其功能的實現不僅基于硬件的作用，而更靠軟件的支持。PLC的主機由微處理器（CPU）、存儲器（EPROM、ROM）、輸入/輸出模塊、外設I/O接口、通信接口及電源組成。下面分別介紹PLC各組成部分及作用。1.2.1CPU模塊CPU模塊主要由微處理器（CPU芯片）和存儲器組成。在PLC控制系統中，CPU模塊相當于認的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號，執行用戶程序，刷新系統的輸出；存儲器用來儲存程序和數據。1.2.2I/O模塊輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱為I/O模塊，它們相當于人的眼、耳、手、腳，是聯系外部現場設備和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、數字撥碼開關、限位開關、接近開關、光電開關、壓力繼電器等來的開關量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發電機和各種變送器提供的連續變化的模擬量電流電壓信號。開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等輸出設備；模擬量輸出模塊用來控制調節閥、變頻器等執行裝置。CPU模塊的工作電壓一般是5V，而PLC外部的輸入、輸出電路的電源電壓較高，例如DC24V和AC220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內部電路和外部的I/O電路。I/O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉換與隔離的作用。1.2.3編程器編程器用來生成用戶程序，并用它來編輯、檢查、修改用戶程序，監視用戶程序的執行情況。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它的體積小，價格便宜，一般用來給小型PLC編程，或者用于現場調試和維護。使用編程軟件可以在計算機屏幕上直接生成和編輯梯形圖或指令表程序，并且可以實現不同編程語言之間的相互轉換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網絡或電話線，還可以實現遠程編程和傳送。1.2.4電源PLC使用AC220V電源或DC24V電源。內部的開關電源為各模塊提供不同電壓等級的直流電源。小型PLC可以為輸入電路和外部的電子傳感器（例如接近開關）提供DC24V電源，驅動PLC負載的直流電源一般由用戶提供。2PLC的硬件與工作原理2.1PLC的硬件結構根據硬件結構的不同，可以將PLC分為整體式、模塊式和混合式。2.1.1整體式PLC整體式又叫做單元式或箱體式，它的體積小、價格低，小型PLC一般采用整體式結構。整體式PLC將CPU模塊、I/O模塊和電源裝在一個箱型塑料機殼內，S7-200稱為CPU模塊。其前蓋下面有模式選擇開關、模擬量電位器和擴展模塊連接器。S7-200系列PLC提供多種具有不同I/O點數的CPU模塊和數字量、模擬量I/O擴展模塊供用戶選用。CPU模塊和擴展模塊用扁平電纜連接，可以選用全輸入型或全輸出型的數字量I/O擴展模塊來改變輸入、輸出點的比例。整體式PLC還配備有許多專用的特殊功能模塊，例如模擬量輸入、輸出模塊、熱電偶模塊、位置控制模塊和通信模塊等，使PLC的功能得到擴展。2.1.2模塊式PLC大、中型PLC一般采用模塊式結構，它由機架和模塊組成。模塊插在模塊插座上，后者焊在機架中的總線連接板上，有不同槽數的機架供用戶選用，如果一個機架容納不下選用的模塊，可以增設一個或數個擴展機架，各機架之間接口模塊和電纜相連。用戶可以選用不同檔次的CPU模塊、品種繁多的I/O模塊和特殊功能模塊，對硬件配置的選擇余地較大，維修時更換模塊也很方便。整體式PLC每一I/O點的平均價格比模塊式的便宜，小型控制系統一般采用整體式PLC。但是模塊式PLC的硬件組態方便靈活，I/O點數的多少、輸入點數與輸出點數的比例、I/O模塊的種類和塊數、特殊I/O模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式PLC大得多，維修時更換模塊、判斷故障范圍也很方便，因此較復雜的、要求較高的系統一般選用模塊式PLC。2.2CPU模塊中的存儲器存儲器分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器。系統程序相當于個人計算機的操作系統，它使PLC具有基本的智能，能夠完成PLC設計者規定的各種工作。系統程序由PLC生產廠家設計并固化在ROM（只讀存儲器）中，用戶不能讀取。用戶程序由用戶設計，它使PLC能完成用戶要求的特定功能。用戶程序存儲器的容量以字節（B）為單位。PLC使用以下幾種物理存儲器：2.2.1隨機存取存儲器（RAM）用戶可以用編程裝置讀出RAM中的內容，也可以將用戶程序寫入RAM，因此RAM又叫讀/寫存儲器。它是易失性的存儲器，它的電源中斷后，儲存的信息將會丟失。RAM的工作速度高、價格便宜、改寫方便。在關斷PLC的外部電源后，可以用鋰電池保存RAM中的用戶程序和某些數據。鋰電池可以用1~3年，需要更換鋰電池時，由PLC發出信號，通知用戶。現在部分PLC仍然用RAM來儲存用戶程序。2.2.2只讀存儲器（ROM）ROM的內容只能讀出，不能寫入。它是非易失性的，它的電源消失后，仍能保存儲存的內容。ROM用來存放PLC的系統程序。2.2.3可以電擦除可編程的只讀存儲器（EEPROM）EEPROM是非易失性的，但是可以用編程裝置對它編程，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取優點，但是寫入數據所需的時間比RAM長得多。S7-200用EEPROM來存儲用戶程序和需長期保存的重要數據。2.3PLC的工作原理2.3.1用觸點和線圈實現邏輯運算在數字量控制系統中，變量僅有兩種相反的工作狀態，例如高電平和低電平、繼電器線圈的通電和斷電、觸點的接通和斷開，可以用邏輯代數中的1和0來表示，在波形圖中，用高電平表示1狀態，用低電平表示0狀態。用繼電器電路或梯形圖可以實現“與”、“或”、“非”邏輯運算。用多個觸點的串、并聯電路可以實現復雜的邏輯運算。繼電器的線圈通電時，其常開觸點接通，常閉觸點斷開；線圈斷電時，其常開觸點斷開，常閉觸點閉合。梯形圖中的位元件（例如PLC的輸出點Q）的觸點和線圈也有類似的關系。2.3.2PLC的操作模式2.3.2.1操作模式PLC由兩種操作模式，即RUN（運行）模式與STOP（停止）模式。在RUN模式下，通過執行反映控制要求的用戶程序來實現控制功能；而在STOP模式下，CPU不執行用戶程序，我們可以使用編程軟件來創建和編輯用戶程序，設置PLC的硬件功能，并將用戶程序和硬件設置信息下載到PLC中。如果有致命錯誤，在消除它之前不允許從STOP模式進入RUN模式。PLC操作系統儲存非致命錯誤供用戶檢查，但是不會從RUN模式自動進入STOP模式。I/O響應時間:指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統有關輸出端信號的改變所需的時間。PLC的I/O響應時間為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。為了能實現繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計算機的運行方式（掃描技術）。以上兩個主要原因，使得PLC的I/O響應比一般微型計算機構成的工業控制系統慢一些，其響應時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期。2.3.2.2用模式開關改變操作模式CPU模塊上的模式開關在STOP位置時，將停止用戶程序的運行；在RUN位置時，將啟動用戶程序的運行。模式開關在STOP或TERM（Terminal，終端）位置時，電源通電后CPU自動進入STOP模式；在RUN位置時，電源通電后自動進入RUN模式。2.3.2.3用STEP7-Micro/WIN編程軟件改變操作模式用編程軟件控制CPU的操作模式必須滿足下面的兩個條件：在編程軟件與PLC之間建立起通信連接。將PLC的模式開關放置在RUN模式或TERM模式。在編程軟件中單擊工具條上的運行按鈕，或執行菜單命令“PLC”—“RUN”（運行），將進入RUN模式。單擊停止按鈕，或執行菜單命令“PLC”—“STOP”（停止），將進入STOP模式。2.3.2.4在程序中改變操作模式在程序中插入STOP指令，可以使CPU由RUN模式進入STOP模式。2.3.3PLC的基本工作原理PLC是一種存儲程序的控制器。用戶根據某一對象的具體控制要求，編好程序后，編程器將程序鍵入PLC的用戶存儲器中存儲。PLC的控制功能就是運用用戶程序來實現的。PLC采用循環掃描的方式來進行工作，即在PLC通電并完成了對硬件和軟件的初始化之后，用戶程序反復不斷地執行，以使PLC的輸出及時的響應隨時可能變換的輸入信號，直到PLC停機或者切換到STOP狀態為止。這種周而復始的循環工作方式稱為掃描工作方式。PLC在RUN工作模式下，采用周期循環掃描、分時操作的工作方式，不斷地采集輸入信號、執行用戶程序以刷新系統輸出；同時，完成內部處理和通信服務等工作。掃描工作當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。3LC的特點與應用領域3.1PLC的特點PLC是綜合繼電器接觸器控制的優點及計算機靈活、方便的特點而設計制造和發展的,這就使PLC具有許多其他控制器所無法相比的優點。（1）編程方法簡單易學（2）功能強、性價比高（3）硬件配套齊全、用戶使用方便、適應性強（4）可靠性高，抗干擾能力強系統的設計、安裝、調試工作量少（6）維修工作量小，維修方便（7）體積小，能耗低，易于集成3.2PLC的應用領域PLC廣泛地應用在很多的部門，隨著其性能價格比的不斷提高，PLC的應用范圍不斷擴大，主要有以下幾個方面：數字量邏輯控制這是PLC最基本最廣泛的應用。其輸入輸出均為開關量信號，控制過程與繼電器控制系統最為接近，控制成本低廉，可靠性極高。可以用于單臺設備，也可用于自動生產線，還可用于民用或家庭場合。運動控制使用專用的運動控制模塊，實現直線運動、圓周運動等場合的位置、速度等過程控制，廣泛應用于各種機械的加工場合。閉環過程控制通過PLC的模擬量A/D、D/A模塊，可以完成模擬量和數字量之間的相互轉換，實現對溫度、壓力、流量等連續變化的模擬量的PID（比例－積分－微分）閉環過程控制。廣泛應用于塑料加工、鍋爐控制等設備控制。數據處理現代PLC具有數學運算、數據傳輸、數據轉換、排序、查表等功能，可能實現數據采集、分析和處理，大大增強了PLC自動控制系統的功能。通信聯網經通訊端口，可以實現PLC之間、PLC與其它智能設備（如計算機、變頻器、數控裝置等）之間通信，組成功能強大的“分散控制、集中管理”的分布式自動控制系統（DCS系統），為現代工業自動化生產提供強有力的控制支持。3.3PLC的前景為了適應市場的各方面的需求,各生產廠家對PLC不斷進行改進,推出功能更加強大、結果更加完美的新產品。這些新產品總體來說，朝兩個方向發展：一個向超小型、專用化和低價格的方向發展，以進行單機控制；另一個是向大型化、高速化、多功能化和分布式全自動網絡化方向發展，以適應現代化的大型工廠、企業自動化的需要[6]。4PLC的程序設計基礎4.1PLC中的程序結構（1）可編程序控制器是專為工業生產過程的自動控制而開發的通用控制器，編程簡單是它的—個突出優點，它沒有采用計算機程序語言，而是開發了面向控制過程、面向問題、簡單直觀的PLC編程語言。程序由兩部分組成：操作系統，由PLC的生產廠家提供，它支持用戶程序的運行；用戶程序，由用戶為了完成特定的控制任務而編寫的應用程序。PLC的編程語言標準IEC61131-3規定了下述5鐘編程語言：順序功能圖，梯形圖，功能塊圖，指令表和結構文本。其中較為常用的有順序功能圖、梯形圖和指令表。順序功能圖，是一種位于其它編程語言之上的圖形語言，用來編寫順序控制程序。它為我們提供了一種組織程序的圖形方法。步、轉換和動作是順序功能圖中的三種主要元件。梯形圖程序是使用的最多的PLC圖形編程語言。梯形圖程序由觸點、線圈和用方框表示的功能塊組成。觸點代表邏輯輸入條件，例如外部的開關、按鈕和內部條件等。線圈通常代表邏輯輸出結果，用來控制外部的指示燈、交流接觸器和內部的標志位等。功能塊圖用來表示定時器、計數器或者數學運算、數據處理等指令。PLC的梯形圖也稱之為電路或程序，是一種軟件信息，反映PLC的輸入輸出邏輯控制關系的程序軟件。需要注意的是，與傳統的繼電器控制系統的梯形圖電路不同，PLC的梯形圖不是真正的物理硬件電路，不能把他們當做硬件電路來對待。指令表程序，指令是程序中的最小獨立單位，用戶程序是由若干條順序排列的指令而構成。一條指令一般由一個操作碼和一個操作數組成，操作數由標識符和參數組成。操作碼定義要執行的功能，它告訴CPU該執行什么操作；操作數為執行該操作所需要的信息，它告訴CPU用什么去做。一般情況下，指令的操作數在PLC的存貯器中。（2）S7-200的控制程序由主程序、子程序和中斷程序組成。主程序：是程序的主體，每個項目都必須并且只能有一個主程序。在主程序中可以調用子程序和中斷程序。子程序：子程序是可選的，僅在被其它程序調用時執行。同一個子程序可以在不同地方被多次調用。使用子程序可以簡化程序代碼和減少掃描時間。中斷程序：用來及時處理與用戶程序的執行時序無關的操作，或者不能事先預測何時發生的中斷事件。中斷程序不是由用戶程序調用，而是在中斷事件發生時由操作系統調用。中斷程序由用戶編寫。5應用PLC設計十字路口交通燈5.1十字路口交通燈的原理及示意圖在十字路口的東西、南北主干道上裝設紅燈、綠左轉、綠直行和黃燈，控制機動車輛和非機動車輛，人行斑馬線上裝設紅、綠燈控制行人。其控制過程為：(1)系統啟動后，南北紅燈全亮35秒；與此同時東西直行綠燈亮20秒,東西左轉彎紅燈亮；(2)東西燈亮20秒后開始閃爍，周期為1秒(滅0.5秒，亮0.5秒)，閃亮3秒。(3)東西直行綠燈閃亮3秒后變成黃燈亮，維持2秒；(4)東西直行黃燈亮2秒后變成紅燈亮；同時東西左轉彎綠燈亮，維持10秒；(5)東西左轉彎綠燈亮10秒后變成紅燈亮;(至此東西方向全是紅燈亮，維持40秒)；同時南北方向直行控制紅燈滅，綠燈亮。維持20秒；南北左轉彎繼續紅燈亮.；(6)南北直行綠亮20秒后開始閃爍，周期為1秒(滅0.5秒，亮0.5秒)，閃亮3秒；(7)南北直行綠燈閃亮3秒后變成黃燈亮，維持2秒；(8)南北直行黃燈亮2秒后變成紅燈亮；同時南北左轉彎綠燈亮，維持10秒；(9)南北左轉彎綠燈亮10秒后變成紅燈亮

(至此東西方向全是紅燈亮)；同時東西方向直行控制紅燈滅綠燈亮；東西左轉彎繼續紅燈亮。(10)循環執行上述1到9步，實現對交通信號燈的控制。該系統屬于連續循環工作的控制系統，要求系統啟動后能夠周期性地連續循環工作，故系統中設置兩個輸入信號分別控制系統的啟動和停止。PLC選用三菱F1—40MR基本單元，I/O接口數為24/16。根據系統的控制模型和控制要求可畫出系統中各輸出信號的控制時序如圖三所示。5.2設計系統流程圖5.3IO分配表為了將十字路口交通燈的控制關系用PLC控制器實現，PLC需要1個輸入點作為啟動、停止開關，10個輸出點。交通信號燈控制系統的IO分配表。IO分配名稱代號名稱代號南北直紅Y1東西直黃Y12南北直黃Y2東西直綠Y13南北直綠Y3東西轉彎紅Y14南北轉彎紅Y4東西轉彎綠Y15南北轉彎綠Y5啟動/結束按鈕MO東西直紅Y115.4十字路口交通燈模擬控制時序圖5.5梯形圖：根據控制系統的順序功能圖，采用以轉換條件為主要的設計方法，可以編寫得到該十字路口交通燈的PLC控制系統的梯形圖，見附錄一。5.6指令表該十字路口交通燈的PLC控制系統的指令表，見附錄二。5.7監控組態圖小結本次設計的是十字路口交通燈PLC控制系統設計與調試，由于這個課題和我們的生活聯系很緊密，所以這讓我做起來相對簡單一點。俗話說萬事開頭難，一開始我沒有頭緒，但是在老師和同學的指導下，我慢慢的就理解了，然后就開始了設計。首先我自己研究課題中的十字交通燈的基本要求，在了解透徹的情況下，就去查閱各種資料，然后初步確定了要以時間計時為轉換條件來進行各工部間的聯系