基于plc交通信号灯控制系统设计机电一体化.doc

xx职业技术学院
毕业设计开题报告

题目：基于PLC交通信号灯控制系统设计

系 别：电子电气工程系
专 业： 机电一体化
班 级： 1 3机电二班
姓 名： x
学 号：xxx
指导教师： xx

2015年 4 月02日

本课题的现状与发展趋势、主要研究内容、方法及预期目标、课题进度计划、已收集的资料目录等。
一、本课题的现状与发展趋势:
PLC可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一,PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时,PLC本身还具有通讯联网功能,将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理,可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理。
二、主要研究内容:
1、了解交通灯系统原理及过程。
2、选择系统运行方式。
3、确定输入/输出设备，选择PLC；分析确定系统方案，画出设计合理的PLC控制系统。
7、根据设备的控制要求，画出系统的时序图、梯形图、指令表。
9、整理技术资料，完成系统监控调试。
三、方法及预期目标:
1、详细分析交通灯系统的工作原理及工艺流程。
2、了解PLC的工作原理
3、设计交通灯系统
5、确定各种输入输出设备及被控制对象与PLC的连接方式，设计PLC控制系统的硬件设计
6、根据PLC系统的设计要求进行系统的硬件连接，进行软件的整体设
计以及处理子程序。
8、制作后，经不断修改达到动作准确无误后，进行调试，完成设计要求。
四、课题进度计划:
2015.04.02---2015.04.10：查找资料，进行初步分析，撰写开题报告；
2015.04.11---2015.04.25：根据设计要求分析基于PLC交通灯的程序设计；
2015.04.26---2011.05.12：根据基于PLC交通灯的设计工作原理画出流程图并编译成PLC梯形图；
2015.05.13---2015.05.31：收集基于PLC交通灯设计的资料，对软硬件进行设计；
2015.06.01---2015.06.15：进行上机调试，找出问题，进行修改，并改进设计；
2015.06.16---2015.06.20：整理修理论文，准备答辩。
五、已收集的资料目录
[1] 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用（第二版）.重庆大学出版社；
[2] 廖常初. 可编程序控制器应用技术（第三版）.重庆：重庆大学出版社，1998
[3] 台方 《可编程序控制器应用教程》北京：中国水利水电出版社；
[4] 常斗南 《可编程序控制器》原理·应用·实验北京。
[5] 徐国林.PLC应用技术 [M].北京：机械工业出版社，2007
指导教师意见：

指导教师：
年 月 日
所在专业教研室审查意见：

教研室负责人：
年 月 日

xx职业技术学院毕业设计中期检查表
系：电子电气工程系专业：机电一体化　　 填表日期：2015年5月15日
毕业设计题目：基于PLC的交通信号灯控制系统设计
学生姓名
xx
学号
xx
班级
13机电二班
导师姓名
xx
教研室

起止时间
2015 年4月2日至2015年 6月20日
地点
校内
寝室，图书馆
校外
家中
文献、资料检索阅读：　5　篇；是否具备独立查阅文献资料的能力　是 　。
开题完成情况：　好（　）　　较好（　）　　一般（　） 　差（　）　未完成（　）
学 习 态 度: 好（　）　　较好（　）　　一般（　）　　差（　）
出勤情况：出勤记载是否详实　　　；请假次数：　　　　，缺席次数：　　　　。
毕业设计（论文）的进度（与任务书进度相对照）：正常（　）　　过快（　）　　偏慢（　）
中期检查综合评价：

存在问题和改进措施：

中期检查结论：好（　）　　较好（　）　　一般（　）　　差（　）
注：1．本表由教师填写，交系保存备查；
2．本表仅供参考，各系根据检查需要，可对检查内容进行必要的调整。

　　　　　　　　　　　　教研室主任：　 　　　

xx职业技术学院
Sichuan Vocational and Technical College

毕业设计鉴定表

题 目
基于PLC的交通信号灯控制系统设计

所属系部
电子电气工程系
所属专业
机电一体化
所属班级
13机电2班
学 　号
xx
学生姓名
xx
指导教师
xx
起讫日期
2015.04.02——2015.6.20

xx职业技术学院教务处制

xx职业技术学院
毕业设计任务书
题 目

基于PLC交通灯控制系统毕业设计
所属系部
电子电气工程系
所属专业
机电一体化
所属班级
13机电二班
指导教师
xx
学生姓名
xx
学 　号
xx
一、毕业设计内容与要求
内容：1、对交通灯控制系统的方式进行分析，定控制要求；
2、PLC实现自动控制设计；
3、硬件设计；
4、软件设计5、打印毕业设计。
要求： 1、熟悉交通灯控制要求；
2、制定基于PLC交通灯的控制方案；
3、设计控制系统的硬件电路的原理图；
4、调试程序；
5、打印毕业设计。
二、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等）
在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的的交通灯系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况，可编程控制器交通灯集成自动控制技术、计量技术、新传感技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品。充分吸收了分散式控制系统和集中系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活，组态方便。
三、主要参考文献
[1] 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用（第二版）.重庆大学出版社；
[2] 廖常初. 可编程序控制器应用技术（第三版）.重庆：重庆大学出版社，1998
[3] 台方 《可编程序控制器应用教程》北京：中国水利水电出版社；
[4] 常斗南 《可编程序控制器》原理·应用·实验北京。
[5] 徐国林.PLC应用技术 [M].北京：机械工业出版社，2007
系部审核意见

签 名：
年 月 日
注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交所属系部毕业设计（论文）领导小组审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档。

xx职业技术学院
学生毕业设计答辩情况记载表
题 目
基于PLC的交通信号灯控制系统设计
所属系部
电子电气工程系
所属专业
机电一体化
所属班级
13级机电二班
指导教师
xx
学生姓名
xx
学 　号
xx
成员
姓 名
专业技术职务或职称
所属单位或部门
本人签字

答辩时间

记录人

答辩小组提出的主要问题及学生回答问题情况
1、 在十字路口交通灯控制中，你选用的灯具是哪种类型，有什么优点？
发光二极管。优点：价格便宜、经济实惠且耐用
2、PLC控制系统中要用直流电源，现常用哪种直流电源？有什么优点？
直流24v电源，可以显著的减少来自减少来自交流电源的干扰，在交流电源消失时，也能保证PLC的正常工作。
3、试述PLC的定义？
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、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和输出，控制各种类型的机械或生产过程

答辩小组组长签名：
(至少三个问题) 年 月 日

xx职业技术学院
毕业设计综合评定表
题 目

基于PLC的交通信号灯控制系统设计
所属班级
机电二班
指导教师
姓名
xx
学生姓名
xx
职称
副教授
学 号
xx
部门
电子电气工程系
指导教师评语

指导教师：
年 月 日
答辩小组评语

总评成绩：

答辩小组负责人：
年 月 日

xx职业技术学院
毕 业 设 计

题目：基于PLC交通信号灯控制系统设计

系 别： 电子电气工程系
专 业： 机电一体化
班 级： 13级机电二班
姓 名： xx
学 号： xx
指导教师： xxx
完成时间： 2015年06月

摘 要

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，路三者的关系的协调，已经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中最重要的组成部分。
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如，北京，上海，南京等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，它们也曾有效的改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速公路的系统的研究和控制，高速道路没有充分的发挥出预期的作用。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和普通道路耦合出交通状况的制约。所有，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，缓解主干道和匝道，城区与周边地区的交通拥堵现状，越来越成为交通运输管理和城市规划部门额待解决的主要问题。
关键词：可编程控制器，交通信号灯，可靠性高

目 录
引 言 4
1、交通灯信号控制系统 5
1.1 十字路口交通灯控制实际情况 5
1.2 结合十字路口交通灯的路况模拟实验 5
2、 系统方案论证 7
2.1 PLC的特点 7
2.2 PLC控制交通灯的优点 8
3、 系统硬件设计 8
3.1 系统的输入/输出信号及PLC选型 8
3.2 十字路口交通灯模拟控制时序图 9
3.3 可编程控制器I/O口分配 10
3.4 PLC的外部接线图 11
4、 系统软件设计 11
4.1 流程图 11
4.2 程序梯形图 12
4.3 指令表 16
5、 结论 19
参考文献 20

引 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。 随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等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道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耦合处交通状况的制约。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，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。 交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合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PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。

1、交通灯信号控制系统

1.1 十字路口交通灯控制实际情况
A. 南北主干道：直行绿27S、直行绿闪3S、左转绿10S、左转绿闪3S、黄2S、红45S；
B. 东西人行道：红45S、绿27S、绿闪3S、红60S；
C. 东西主干道：红45S、直行绿27S、直行绿闪3S、左转10S、左转绿10S、左转绿闪3S、黄2S；
D. 南北人行道：绿27S、绿闪3S、红60S；
E. 循环控制方式；
F. 交通灯变化顺序表（单循环周期90秒）
1、 南北向（列）和东西向（列）主干道
南北向（列）和东西向（列）主干道均设有直行绿灯27S，直行绿灯闪亮3S，左行绿闪3S，黄灯2S和红灯4S。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪，左转绿灯，左转绿灯闪亮和黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪，左转绿灯，左转绿灯闪亮和黄灯。
2、 南北向和东西向人行道
南北向和东西向人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南北主干道直行绿灯点亮时点亮，当南北主干道直行绿灯闪亮时南北人行道绿灯也要应对闪亮，其他时间为红灯。东西人行道通行绿灯于东西主干道直行绿灯点亮时，当东西主干道直行绿灯闪亮是东西人行道绿灯也要相对闪亮，其他时间为红灯。
1.2 结合十字路口交通灯的路况模拟实验
在PLC交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有3个控制灯，分别为：
l 禁行通行灯 （亮时为红色）
l 准备禁行通行灯 （亮时为黄色）
l 直通行 （亮时为绿色）
另外人行道东西南北每面都有2个控制灯，分别为;
l 禁止通行灯 （亮时为红色）
l 直通灯 （亮时为绿色）
结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统如下:
当交通灯系统启动开关接通时。
1、 南北向（列）和东西向（列）主干道
南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯10S，绿灯闪亮2S（亮1灭1），黄灯2S和红灯14S。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。
2、南北向和东西向人行道
南北向和东西向人行道均设为绿灯和禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南北在主干道绿灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北人行道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。东西人行道通行绿灯于东西主干道绿灯点亮时点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西人行道绿灯也要对应闪亮 ，其他时间为红灯。

图1 交通灯示意图

2、 系统方案论证
2.1 PLC的特点
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
(1)可靠性:对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。
A. PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
B. PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR使可靠性提高。
C. PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
D. PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
E.在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件:采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。
F. PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波;软件自诊断;简化编程语言等。
(2)易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面:
A、操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
B、编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程。
C、维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
(3)灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面:
A.编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
B.扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
C.操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。
2.2 PLC控制交通灯的优点
PLC控制交通灯的优点有：
(1)在交通灯控制系统中采用PLC，用软件实现对其运行的自动控制，可靠性大大提高。
(2)控制系统结构简单，外部线路简化。
(3)PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。
(4)PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。
(6)更改控制方案时不需改动硬件接线。

3、 系统硬件设计
3.1 系统的输入/输出信号及PLC选型
根据I/O信号数量、类型以及控制要求，选择日本三菱公司的FX2N-32MR型PLC，其16个输入端子和16个输出端子能够很好的满足控制要求。
FX2N 型机具有以下几方面的优点：
(1)专用于开关量控制，其体积小，安装起来节省空间；
(2)其功能较强，具有2kHz的高速计数器，可作为定位控制的标准硬件使用;在指令方面，具有编码、译码、数据转换、可逆计数等功能。从结构上看：包括主机单元、I/O扩展单元、I/O链接单元、A/D转换单元、D/A转换单元等；
(3)采用的是箱体结构，其价格便宜，可靠性高；
(4)其任一种CPU箱和任一种扩展箱均可配置在一起，因此，用户可根据所需的I/0点数进行选件配置，使用灵活、方便。
3.2 十字路口交通灯模拟控制时序图

启动
南北红
东西绿
东西红
南北绿
10S
4S
14S

十字路口行人道交通灯模拟控制时序图

启 ON
动
OFF
南
北
红

东
西
绿

东
、 西
黄
东
西
红

南
北
绿

南
北
黄

2S 2S 10S 2S 2S 10S 2S 2S
10S
14S
十字路口主干道 交通灯模拟时序图

3.3 可编程控制器I/O口分配
根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启与停止按钮信号；输出有东西方向、南北方向各两组指示信号和故障指示驱动信号。由于每一个方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为了节省输出点数，可采用并联输出方法。由此可知，该系统所需的输入点数为2，输出点数为7，全部是开关量，则可将I/O分配用表3-1表示。

输入元件
输入地址
输出元件
输出地址
开启按钮SB1
X0
南北绿灯Y4
Y0
停止按钮SB2
X1
南北黄灯Y5
Y1

南北红灯Y6
Y2

警灯（故障指示）Y3
Y3

东西绿灯Y0
Y4

东西黄灯Y1
Y5

东西红灯Y2
Y6
交通信号灯的I/O分配表

3.4 PLC的外部接线图
根据上述I/O表可知，I/O所需点数只有9点，故选用CPM2AH微型PLC即可。PLC外部输入输出的信号接线如图3-1所示。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。

4、 系统软件设计

4.1 流程图

启动开关

东
南北红灯亮
西
主
东西绿灯亮
干
道 14S
南北 绿灯亮
南
10S 北
东西绿灯闪
主 2S
干 10S
14S 道
南北绿灯闪
2S
东西黄灯亮

2S
南北 黄灯闪
2S
东西红灯亮

结束

启动开关

东西 绿灯亮

南
南北红灯亮
北 东
人 西 10S
东西绿灯闪
行 人 14S
道 14S 行
南北绿灯
4S 道
4S
东西红灯亮
10S

南北绿灯闪

结束

交通灯模拟控制系统流程图

4.2 程序梯形图
根据对交通信号灯的控制要求及PLC控制系统的I/O分配的定义，可对PLC进行控制程序的设计，其梯形图如图所示

4.3 指令表

5、 结论

通过这次的的毕业设计，我进一步加强了动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过借鉴及在专业基础课上所学的知识设计了该系统控制程序。最重要的一点是要有虚心求教的精神，一个人不懂什么知识不重要，重要的是要有好的道德品质。软件系统的设计也是很重要的，尤其是对可编程逻辑器件的掌握及编程能力的锻炼是很有帮助的，在这方面，我们把自己编好的程序与他人交流，希望能够使程序最简以及自己需要改进的地方，做到取长补短，完善自我。
在此次的毕业设计中，我领会到一点：在当今世界中，要想立足于这个知识爆炸时代，就必须学会与他人合作，团结大家，不断的完善自己，加强自己。

参考文献

[1] 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用（第二版）.重庆大学出版社；
[2] 廖常初. 可编程序控制器应用技术（第三版）.重庆：重庆大学出版社，1998
[3] 台方 《可编程序控制器应用教程》北京：中国水利水电出版社；
[4] 常斗南 《可编程序控制器》原理·应用·实验北京。
[5] 徐国林.PLC应用技术 [M].北京：机械工业出版社，2007