毕业论文_基于PLC等的交通信号控制系统设计.doc

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1、 业业 设设 计计 一种基于 PLC 的交通信号灯的控制系统设计 系 部 信息工程系 专业名称 电气自动化技术 指导教师 学生姓名 二一年十二月 表表 1 2011 届毕业设计（论文）任务书 题目名称一种基于 PLC 的交通信号灯的控制系统的设计 课题来源自定指导教师 起止日期2010.11.292010.12.31 设计内容、主要技 术参数与工作量 （计算说明书、论 文字数、图纸张数、 外文翻译、计算机 应用） 按下启动按钮后，东西向绿灯亮 30s 后闪烁 3s 灭，黄灯亮 2s 灭，红灯亮 1 分钟灭，然后循环往复；对应东西向绿灯、黄灯亮时，南北向红灯亮，东西 向红灯亮 2s 后南北向变成

2、绿灯，绿灯亮 53s ，闪烁 3s 灭，黄灯亮 2s 灭，接 着红灯亮。 课题要求及目标 按要求设计出这一控制系统，选择合适的 PLC 机型，画出硬件原理图，编写 程序，并按时完成 50008000 字的设计说明书。 使用的工具软件CAD，PLC 编程软件，OFFICE 办公软件。 提交的设计资料 1 控制流程图； 2. 硬件接线图； 3. 源程序代码； 4. 设计说明书。 进进 度度 计计 划划 阶段日期阶段日期计划完成工作量计划完成工作量指导教师检查意见指导教师检查意见备注 2010.11.29-12.8 查阅资料编写流程图 12.9-12.15 画出硬件接线图 12.16-12.24 编

3、写源程序代码 12.25-12.31 整理资料撰写设计说明书 自动化 教研室 2010年 11 月 25 日 摘 要 当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。 解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。但现 在有的交通信号灯控制系统都是单一的固定时序控制，不能够根据实际交通状况进 行调节控制。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给 予技术革新。城市交通灯控制采用的可编程控制器具有可靠性高、维护方便，用法 简单、通用性强等特点，本文用欧姆龙 CP1E 的可编程控制器控制十字路口信号灯来 说明可编程控制器硬件、软件的设

4、计。 关键词： 欧姆龙 CP1E ；交通灯； 智能控制 目 录 第一章引言.1 1.1 PLC 简介.1 1.2 PLC 工作原理.3 1.3 PLC 主要功能.4 1.4 课题研究背景 7 第二章基于 PLC 的交通信号灯的控制系统设计的实现.9 2.1 需求分析 9 2.2 流程图 9 2.3 I/O 端口分配10 2.4 PLC 机型选择10 2.5 原理图 .12 2.6 布置图 .12 2.7 接线图 .12 2.8 源程序 .12 第三章总结13 致 谢.14 参考文献.15 附录.16 附录一 原理图 16 附录二 布置图 17 附录三 接线图 18 附录四 源程序 19 附录五

5、 元器件明细表 21 1 第一章 引言 1.1 PLC 简介 可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技 术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、 灵活通用与维护方便等一系列的优点。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境 的能力，受到用户的青睐。因此在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应 用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。 可编程序控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的程序存放在存储器 中利用程序来实现逻辑控制，完成控制任务。在可编程控制器构成的控制系统中， 要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制

6、系统的要求，然 后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器 中。系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容 加以解释并执行。根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结 果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。可编程控制器是利用软件来实现控 制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。它是一种专 为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它的内部存储器可以执行 逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模 拟式的输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是在继电器控

7、制逻辑基础 上，与 3C 技(Computer Control Communication)相结合，不断发展完善的。目前已 从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。 PLC 早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大 . 可 编程控制器(Programmable Logical Controller)简称 PC 或 PLC，是 60 年代末发明 的工业控制器件，是美国数字公司(DEC )为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用 于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC 软硬 件水平与规模也发生了质与量的变化，其

8、控制技术也朝着智能化方向不断发展，同 时推动了先进制造技术的相应发展。现代 PLC 已经成为真正的工业控制设备。最初， PLC 主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子(SIEMENS) 公司、BBC 公司就开始研制 PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。 70 年代初，日本的 OMRON 也推出了他们的 PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、 日电等公司也先后加入了 PLC 制造者的行列。70 年代中期，美国和西德首先出现了 微电脑化的小型 PLC。由于 PLC 是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量 生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制

9、所设计，所以具有极好的抗 干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制， 所以在机械制造业深受欢迎。小型 PLC 开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶 2 机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微 机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋 势。据国外资料介绍:1982 年美国 PLC 用户中，有 48%来自自动程序操作部门(如汽 车、拖拉机工业、机械工业等)、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自 冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。近年来，随着我国对外开 放，日、美、西德等

10、国生产的 PLC 己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重 视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台 PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用 了美国和德国的 PLC。 可编程序控制器的分类： PLC 的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较 大的差异。因此，PLC 的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、控制 规模、实现的功能进行大致的分类。 （1）按结构形式分类 PLC 按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。整体式 PLC 外观上是一个 长方形箱体，又称为箱式 PLC。组合式 PLC 在硬件构成上具有一定的灵活性，其规 模可以像拼积木一样的进行组合，构成具有

11、不同控制规模和功能的 PLC，因此这种 PLC 又称为积木式 PLC。 整体式 PLC：整体式 PLC 的 CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内，这种结 构的特点是：结构简单，体积小，价格低；输入输出路数固定，实现的功能和控制 规模固定，灵活性较低。 组合式 PLC：组合式 PLC 为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线 槽，每个总线槽可安装一个 PLC 模块，不同的模块实现不同的功能。PLC 的 CPU、存 储器和电源等做成一个模块，该模块在总线版上的安装位置一般来说是固定的，而 且该模块也是构成组合式 PLC 所必需的。其他的模块根据 PLC 的控制规模、实现的 功能选取，安装

12、在总线版的其他任一总线槽上。组合式 PLC 安装完成后，需进行登 记，使 PLC 对安装在个总线上的模块进行确认。组合式 PLC 的总线板又称为基版。 组合式 PLC 的特点是系统构成灵活性高，可构成具有不同控制规模和功能的 PLC； 价格较高。 （2）按控制规模分类 输入输出的总线数，又称 I/O 点数，是表征 PLC 控制规模的重要参数。因此， 按控制规模对 PLC 分类时，可根据 I/O 点数的不同大致分为小型、中型和大型 PLC。 小型 PLC：I/O 点数较少，在 256 点以下的 PLC。 中型 PLC：I/O 点数较多，在 256 点以上、2048 以下的 PLC。 大型 PLC

13、：I/O 点数较多，在 2048 点以下的 PLC。 3 （3）按实现的功能分类 按照 PLC 所能实现的功能的不同，可以把 PLC 大致的分为低档、中档、和高档 机三类。 低档机：具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的 算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。 中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、 数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。 高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。函 数、表格、CRT 显示、打印机打印等功能。 一般地，低档机多为小型 PLC，采用整体式机构；中档机可为大、中

14、、小型 PLC，其中小型 PLC 多采用整体式结构，中型和大型 PLC 多采用组合式结构；高档机 多为大型 PLC，采用组合式结构。目前，在国内工业控制中应用最广泛的是中、低 档机。 1.2 PLC 工作原理 CPU 连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU 的扫描周期包括读输入、 执行程序、处理通信请求、执行 CPU 自诊断测试及写输出等内容。 PLC 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它一直周而复始地循环扫 描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户 程序不运行时，PLC 也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写 输出这几部分内容

15、。典型的 PLC 在一个周期中可完成以下 5 个扫描过程。 1.自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC 都具有自监视功能。自监视功能主要由时间监视器完成。WDT 是一个硬件定时器， 每一个扫描周期开始前都被复位。WDT 的定时可由用户修改，一般在 100200ms 之 间。其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。 2.与网络进行通信的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的 PLC 系统才有通信扫描过程，这一过程用于 PLC 之间及 PLC 与上位计算机或终端设 备之间的通信。 3.用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包

16、换扫描 过程。该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的 长短，会影响过程所用的时间. 4.读输入与写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一时间，每个扫描周 期内都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。CPU 在处理 用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的运算的结果也不直接送到实际 4 输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：一个为输入映像寄存器，另一个为 输出映像寄存器。用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放 在输出映像寄存器中。在输入扫描过程中，CPU 把实际输入点的状态锁入到输入映 像寄存器；在输出过程中，CPU 把

17、输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。为了现 场调试方便，PLC 具有 I/O 控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放 IO。封锁 IO 就是关闭 IO 扫描过程。 在读输入阶段，CPU 对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状 态锁入输入映像寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CPU 按照先左后右、先 上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态 执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器中。在程序执行期间，即使输 入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变输入端子状态变化只能 在下一个工作周期的输入阶段才被集中读入。在写输出阶段，将输出映像

18、寄存器的 状态集中锁定到输出锁存器，再经输出电路传递到输出端子。 由上述分析得出循环扫描有如下特点： (一) 扫描过程周而复始地进行，读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。 (二) 输入映像寄存器的内容是设备驱动的，在程序执行过程中的一个工作周期 内输入映像寄存器的值保持不变，CPU 采用集中输入的控制思想，只能使用输入映 像积存的值来控制程序的执行。 (三) 程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值，而 在程序执行阶段，输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件，同时又可 以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。此时的修改不会影 响输出锁存器的现在

19、输出值，这是与输入映像寄存器完全不同的。 (四)对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。由于输 出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件，所以程序的下一个扫描周期的集中输 出结果是与编程顺序有关的，即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值，这是 编程人员要注意的问题。 各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是 PLC 的主要缺点。 各 PLC 厂家为了缩小延迟采取了很多措施，编程人员应对所使用型号的 PLC 的延迟 时间的长短很清楚，它是进行 PLC 选型时的重要指标。 1.3 PLC 主要功能 PLC 的外部设备中，最重要的就是编程器，它用来对用户程序进行写入，检

20、查， 修改和调试，也可以在线监视 PLC 的运行，它经过编程器接口与 CPU 联系，完成人 5 -机对话。目前，有很多 PLC 都可以利用 微型计算机作为编程工具，这时应配上相 应的编程软件及接口，由于微机的强大功能，使 PLC 的编程和调试更为方便。 另外，PLC 的外部设备中还包括打印机：在用户程序编制阶段用来打印带注解 的梯形图或指令语句表程序，以利于维修和系统的改造 ；外存储器：存储部分程序 或改变生产工艺流程时需要调用的程序，它所存的程序也可重新装入内存，有利于 PLC 的内存程序的恢复；EPROM 写入器：用语将用户程序写入到 EPROM 中去，它提供 了一个非易失性的用户程序保存

21、方法。 PLC 是一种微机控制系统，工作原理也与微机相同，但它在应用时一般将其等 效成输入，输出和内部控制电路三部分。输入部分用于接受被控设备的信息或操作 命令等外部信息或操作命令等外部输入信息。输入接线端是 PLC 与外部的开关，按 钮，传感器转换信号等连接的端口，每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈 号即输入接点号，这个由接到输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由 PLC 的电 源部件提供，也可由独立的交流电源供给，每个输入继电器可以有无数多个内部触 电（动合，动断的形式均可） ，供用户设计 PLC 的内部控制电路时使用。 内部控制电路是是用户根据控制要求编制的程序，作用是运算和处理由

22、输入部 分得到的信息并判断应产生哪些输出。PLC 的程序一般用梯形图表示，而梯形图是 以继电器控制的电气原理图演变而来的，PLC 中的动合、动断触点、线圈等概念与 继电器控制电路相同，在 PLC 内部还有定时器、技术器、移位器、内部辅助继电器 等。继电器控制系统中没有器件，他们的线圈自动合，动断触点只能在 PLC 内部控 制电路中使用，如要与外部电路相连，则必须通过输出部分。 输出部分作用是驱动外部负载，在 PLC 内部，有若干能与外部设备直接相连的 输出继电器（有继电器形、双向硅形，晶体管形等三种形式） ，它也有无限多个软件 实现的动合，动断触点，可在 PLC 内部控制电路中使用，但对应每个

23、输出只有一个 硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载，外部复杂的驱动电源接 在输出公共端（COM）上。 总之，在使用 PLC 时，可以把输入端为一个继电器线圈，其相应的继电器结点 可以在内部控制电路中使用，而输出端又可以等效为内部输出继电器的一个动合触 点，驱动外部设备。 PLC 一般采用循环扫描方式工作，在 PLC 加电后，先进行初始化处理、开始运 行之后，串行的执行器存储器中的程序。PLC 的内部工作过程用图表示为如本章末 之图： 用 PLC 设计一个控制系统时，必须知道有一个输入信号后 PLC 要经过多长时间 才能有一个对应的输出信号，这样才能精确的解决系统各个不见之间配合问

24、题。从 PLC 受到一个输入信号到 PLC 向输出端输出一个控制信号所需的 PLC I/O 响应时间， 一般在设计系统时都要对此进行一定的考虑。 6 顺序控制是 PLC 最基本、应用最广泛的领域。由于它具有编程设计灵活、速度 快、可靠性高、成本低、便于维护等优点，所以在实现单机控制、多机群控制、生 产流程控制中可以完全取代传统的继电器接触器控制系统。如：有色冶金行业的冶 炼厂和选矿厂的物料输送及配料、井下采矿皮带输送系统、选矿厂球磨机及各润滑 站系统、冶炼厂余热锅炉振打系统、电收尘输灰系统、冶炼厂转炉本体联锁和加料 系统等，其它行业如汽车生产线、印刷机械、加工机床、包装机以及日常生活的电 梯控

25、制等。 用于顺序控制的 PLC 编程语言既不同于高级语言，也不同于汇编语言，它是面 向现场、面向问题、面向用户的简单直观的程序控制语言。它可分为逻辑型和动作 型两大类。前者可由传统的继电器电路变换而来，如梯形图；后者由机械设备动作 变换而来，如流程图。梯型图同继电器电路相似，易于掌握，便于维修。在顺序控 制中应用的较为广泛。即使不经过特殊的培训，一般工程技术人员也能很快掌握。 对于过程控制的模拟量均采用硬件电路构成的 PID 模拟调节器来实现开、闭环控制。 而现在完全可以采用 PLC 控制系统，选用模拟量控制模块，其功能由软件完成，系 统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现

26、复杂的控制和先 进的控制方法，可以同时控制多个控制回路和多个控制参数。例如生产过程中的温 度、流量、压力、速度等。 功能说明： （1） 逻辑控制功能 逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是 PLC 的最基本功能之一。PLC 设置有 “与” （AND） 、 “或” （OR） 、 “非” （NOT）等逻辑指令，根据外部现场（开关、按钮或 其它传感器）的状态，根据指定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控 对象（电磁阀、电机等） 。因此，PLC 可代替继电器进行开关控制，完成接点的串联、 并联、串并联、并串联等各种连接。另外，在 PLC 中一个逻辑位的状态可以无限次 的使用，逻辑关系的修改和变更

27、也十分方便。 （2） 定时控制功能 定时控制功能是 PLC 的最基本功能之一。PLC 中有许多可供用户使用的定时器， 其功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编 程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。程序执行时， PLC 将根据用户用定时器指令指定的定时器对某个操作进行限时或延时控制，以满 足生产工艺的要求。 （3） 计数控制功能 计数控制功能是 PLC 的基本功能之一。PLC 为用户提供了许多计数器，计数器 记到某一个数时，产生一个状态信号，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。 计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中进行修改

28、。程序执行时， 7 PLC 将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计 数，以完成对某个计数过程的计数控制。 （4）步进控制功能 PLC 为用户提供了若干个移位寄存器，可以实现由时间、计数或其他指定逻辑 信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进 行下一道工序。有些 PLC 还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作 指令，编程和使用都极为方便。 （5）数据处理功能 PLC 大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、 数据移位、数制转换、译码编码等操作。中、大型 PLC 数据处理功能更加齐全，可 完成开方、P

29、ID 运算、浮点运算等操作，还可以和 CRT、打印机相联、实现程序、数 据的显示的打印。 （6）回路控制功能 有些 PLC 具有 A/D、D/A 转换功能，可以方便的完成对模拟量的控制和调节。 （7）通讯联网功能 有些 PLC 采用通讯技术，实现远程 I/O 控制、多台 PLC 之间的同位链接、PLC 与计算机之间的通讯等。 （8）监控功能 PLC 设置了较强的监控功能，利用编程器或监视器，操作人员对 PLC 有关部分 的运行状态进行监视。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并 可以根据需要改变 PLC 内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调试和维护提 供了极大的方便。 （9

30、）停电记忆功能 PLC 内部的部分存储器所使用的 RAM 设置了停电保持器件（如备用电池等） ，以 保证存储器中信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆， 以保持 PLC 断电后的数据内容不变。PLC 电源恢复后，可以在原工作基础上继续工 作。 （10）故障诊断功能 PLC 可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常 情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。PLC 的故障自诊 断功能大大提高了 PLC 控制系统的安全性和可维护性。 1.4 课题研究背景 8 1-1 交通灯示意图 随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事

31、故频发，交 通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。交通问题不仅在发展中国家，就 在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最 有效办法是提高路网的通信能力。但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建 道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。因此，无限制 地修建道路难满足日益增长的交通需求。与此同时，通过限制车辆增加削减交通需 求也受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。事实上，由于交通系统是一个相 当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上 解决问题。 早在 19 世纪，人们就开始研究交通信号，用信号指挥车通行

32、，控制车辆进出交 叉口的次序。据文献记述，早在 1868 年，英国伦敦的威斯特明斯特(Westminster)街 就安装了红、绿色两色的交通信号灯。到 1917 年，美国的盐湖城开始使用由人工控 制的红、黄、绿 3 色的信号灯。1925 年，这种由人工控制的 3 色信号灯也首次出现 在英国伦敦的皮克路口。次年，英国人研制出了自己的自动控制信号机。 道路交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如 何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。在这一系统中，道路不仅 仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。只有对这一 系统的组成及其运行机理进行科学客

33、观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和 控制对策，从而保障系统的有效运行。 随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因 此，自 80 年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期， 它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速路的 系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上 的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通 9 状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城 市高速道路，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理

34、和 城市规划部门待解决的主要问题。 10 第二章 基于 PLC 的交通信号灯的控制系统设计的实现 2.1 需求分析 按照城市交通控制的需要，本文讨论了用 PLC 实现交通信号灯正常时序控制方 式。 正常时序控制时，按下启动按钮后，东西向绿灯亮 30s 后闪烁 3s 灭，黄灯亮 2s 灭， 红灯亮 1 分钟灭，然后循环往复；对应东西向绿灯、黄灯亮时，南北向红灯亮，东 西向红灯亮 2s 后南北向变成绿灯，绿灯亮 53s ，闪烁 3s 灭，黄灯亮 2s 灭，接着 红灯亮。 2.2 流程图 2-1 主程序流程图 按下启动开关，程序进入正常运行。 11 2.3 I/O 端口分配 表 2-1 交通信号灯的

35、 I/O 分配表 输入元件输入地址输出元件输出地址 开启按钮 SB1I0.00东西红灯Q100.00 关闭按钮 SB2I0.01东西黄灯 Q100.01 东西绿灯 Q100.02 南北红灯 Q100.03 南北黄灯 Q100.04 南北绿灯 Q100.05 2.4 PLC 机型选择 随着 PLC 技术的发展，PLC 产品的种类也越来越多。不同型号的 PLC，其结构形 式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧 重。因此，合理选用 PLC，对于提高 PLC 控制系统的技术经济指标有着重要意义。 PLC 的选择主要应从 PLC 的机型、容量、I/O 模块、电源模块、特

36、殊功能模块、 通信联网能力等方面加以综合考虑。 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下， 力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： (1)、合理的结构型式 PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式 PLC 的每一个 IO 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小一般 用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式 PLC 的功能扩展灵活方便 在 IO 点数、输入点数与输出点数的比例、IO 模块的种类等方面选择余地大， 且维修方便，一般于较复杂的控制系统。 (2)、相应的功能要求 一般小型(低档)PLC 具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只

37、需要开关量控 制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带 AD 和 DA 转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档 PLC。 对于控制较复杂，要求实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制 规模大小及复杂程度，选用中档或高档 PLC。但是中、高档 PLC 价格较贵，一般用 12 于大规模过程控制和集散控制系统等场合。 (3)、响应速度要求 PLC 是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次 PLC 的响应速度一般都能满 足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用 PLC，或者某些功能或信号有特殊的速 度要求时，则应该慎重考虑 PLC 的响应速

38、度，可选用具有高速 IO 处理功能的 PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的 PLC 等。 (4)、系统可靠性的要求 对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否 采用冗余系统或热备用系统。 PLC 的容量包括 IO 点数和用户存储容量两个方面。 (1)、IO 点数的选择 PLC 平均的 IO 点的价格还比较高，因此应该合理选用 PLC 的 IO 点的数量， 在满足控制要求的前提下力争使用的 IO 点最少，但必须留有一定的裕量。 通常 IO 点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15% 的裕量来确定。 (2)、存储容量的选择 用户程序所

39、需的存储容量大小不仅与 PLC 系统的功能有关，而且还与功能实现 的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂 功能时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕 量。 PLC 的 IO 点数的多少，在很大程序上反映了 PLC 系统的功能要求，因此可在 IO 点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%30%的裕量。 存储容量(字节)开关量 IO 点数10模拟量 IO 通道数100 根据上述 I/O 表 2-1 可知，I/O 所需点数只有 2 个输入，6 个输出点，故本次交 通灯设计采用的是来自 OMRON CP1EE20DRA 可编

40、程控制器，12 输入，8 输出。 产品规格：CP1E CPU 单元在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型 PLC 所 具有的功能，尽可能使安装空间最小化。而且还可连接可编程控制终端，创造了尚 无前例的灵活运用。它不仅可以替代继电器控制柜，就是作为小型控制器或在传感 器应用中，亦能适应生产现场不同的需求，AC 电源输入，继电器输出，能加扩展单 元。 13 2.5 原理图 外部输入输出的原理图见（附录一） 。其中，每一方向的两组指示灯中，同种颜 色的指示灯并联，用 PLC 的同一个输出点。 2.6 布置图 布置图见（附录二） 2.7 接线图 接线图见（附录三） 2.8 源程序 交通灯控制的 PL

41、C 梯形图见（附录四） 供信号灯闪光控制采用 P_1s 即 1S 时钟脉冲位，产生周期为 1s(接通 0.5s，断 开 0.5s)的脉冲。 当启动开关和上时，0.00 接通，使 100.02 和 100.03 接通，东西绿灯亮、南北 红灯亮，TIM000 开始计时（计时时间为 30s） 。计时时间到，TIM000 的动合触点闭 合，其动断触点断开，通过 P_1s、TIM001 使 100.02 按照 P_1s 的通断周期通断，东 西绿灯闪光，TIM001 开始计时。当东西绿灯闪亮 3 次（时间为 3 秒）时，TIM001 计 时到，其动断触点断开，使 100.02 断开，东西绿灯闪光熄灭。TI

42、M001 的动合触点 闭合使 100.01 接通，东西黄灯亮，TIM002 开始计时（计时时间为 2s） 。计时时间到 时 TIM002 的动断触点断开，动合触点闭合，使 100.01 断开，东西黄灯熄灭， 100.00 接通，东西红灯亮。同时 TIM002 的动合触点闭合使 TIM003 接通计时 2S，TIM003 计时时间到，其动合触点闭合、动断触点断开，南北红灯熄灭、南北绿 灯 100.05 亮。TIM004 开始计时（计时时间为 53s） 。计时时间到时 TIM004 的动合触 点闭合，其动断触点断开，通过 P_1s 和 TIM005 的动断触点使 100.05 按照 P_1s 的

43、通断周期通断，南北绿灯闪光，TIM005 开始计时，当南北绿灯闪亮 3 次（时间为 3s）时，TIM005 的动断触点断开，使 100.05 断开，南北绿灯闪光熄灭。TIM005 的 动合触点闭合，使 100.04 接通，南北黄灯亮，TIM006 开始计时（计时时间为 2s） 。 计时时间到时 TIM006 的动断触点断开，使 100.00 和 100.04 断开，东西红灯和南北 黄灯熄灭，同时使 TIM000、TIM001、TIM002、TIM003、TIM004、TIM005、TIM006 计 时器全部复位（断开） ，于是 TIM003 的动断触点及 TIM000 的动断触点都闭合，分别

44、使南北红灯亮和东西绿灯亮，开始第二周期的动作，以后周而复始地进行。 14 第三章 总结 由于本人用的是欧姆龙的 PLC，还不太熟悉，这在编程中给我带来了很多麻烦， 很多指令不知如何去写。我只好再去查看它的使用手册。经过不懈努力，最后终于 把程序编出来了，虽然还可能存在一些问题设计，但是心情还是很愉快的。 其实交通现场实况车辆的流量是变化的，本设计只是对其路灯起到一个正常时 序时的控制。由于所学知识及能力有限，无法对其路灯进行智能化控制。我就对其 它智能化控制路灯作一些原理上的介绍。 (1)行人道红绿灯和主干道红绿灯的对应关系 因为实际的红绿灯控制中行人道的红绿灯和主干道的红绿灯是有这一定的对应

45、 关系的，所以在编程前一定要理清它们，这样有利于在编程时简化程序、减少 PLC 不必要的运算 。 (2)盲人脉冲按键按下时要实现功能的同时不影响和它没关系的主干道 盲人在东西南北的行人道同时通过十字路口的情况不会经常出现，可以说是非 少的，如果我们要把盲人脉冲分开东西控制和南北控制使他不影响和它没关系的主 干道就可以使车辆行走更加通顺减少车辆堵塞的情况。要实现这样的功能就要在脉 冲按键按下时不影响他们的计时程序只在对应的主干道红绿灯输出程序上进行插入 常闭继电器以此把输出程序断开 (3)手动车流控制按键的控制方式 手动车流控制按键是对相应的主干道绿灯延长的进行控制，但不能使它在按下 时使改变当

46、时的红绿灯显示情况，如现在是南北红灯东西绿灯时按下南北绿灯延长 按键就不能使它变成南北绿灯东西红灯。这就涉及到了一个请求和响应的关系。 通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全 面系统的锻炼。使我在 PLC 的基本原理、PLC 应用系统开发过程，以及在常用编程 设计思路技巧（特别是汇编语言）的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合 格的应用型人才打下良好的基础。 15 致致 谢谢 在我的毕业论文写作过程中,特别是在论文的修订阶段, 王书青老师的悉心指导,言 传身教,才让自己在困顿中不言放弃,在迷茫中毅然前进。 在大学生活即将话上句号时,在我们即将告别这个白衣飘飘的

47、年代的时刻,告别 我们与樱花相伴的青春岁月时,我内心是如此的激动不已,如此的依依不舍,在这里我 感谢几年来培养我的母校,感谢任课老师,感谢所有关心我的人。有了母校浓厚的文 化底蕴的严谨的学术氛围，有了老师们的教诲和指点，我才能在自己的青春舞台上 激扬文字，指点江山，才取得了长足的进步，才能在阳光和雨露的滋润下茁壮成长。 最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！祝你们永远幸福快 乐！ 16 参考文献参考文献 1 李国厚.PLC 原理与应用.清华大学出版社，2005.7 2 高钦和.可编程控制器应用技术与设计.人民邮电出版社,2001.3 3 路林吉.PLC 应用开发技术与工程实践.人

48、民邮电出版社,1999.5 4 陈立定,吴玉香,苏开才 电气控制与可编程控制器 华南理工大学了版社，2001. 2 5 齐从谦,王士兰.PLC 技术及应用.机械工业出版社，2000. 8 6 欧姆龙公司. OMRON CP1E 可编程序控制器编程手册,2003.12 7 http:/ 17 附录 附录一 原理图 北红 南红 北黄 南黄 北绿 南绿 西红 东红 西黄 东黄 西绿 东绿 启动 Q100.05 Q100.04 Q100.03 Q100.02 Q100.01 Q100.00 COMCOM I0.00 SB1 CP1E-E20DR-A 24V 2 3 4 5 6 7 8 24V 0 24

49、V L N 0+24 +- 1 9 停止 SB2 I0.01 18 附录二 布置图 135 600 550 50 SB1 SB2 XT1 QF P ?25*2 XT2 155 600 550 250 PLC 505080505097 86 170 50 50 54 35 25 25 5025 25 25 50 19 附录三 接线图 SB23 0 9 3 I0.01 Q100.05 Q100.04 Q100.03 Q100.02 Q100.01 Q100.00 COM COM I0.00 CP1E-E20DR-A 2 4 5 6 7 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 北绿 南绿 北黄 南黄 北红 南红 西绿 东绿 西黄 东黄 西红 东红 0 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 0 4 N 0+24 +- 1 QF NPE L 电源进线 0 2 3 4 5 6 7 8 0 2 SB1 L 1 9 20 附录四 源程序 21 22 附录五 元器件明细表 序号符号元件名称型号规格件数作用 1PLC PLC CP1E-E20DR-A 24V1 编程 2P 电源 S-75-242