李园芳21110115课程设计多时段十字路口交通灯.doc

摘要
随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。解决好十字路口交通信号灯控制问题是保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。但现有的十字路口交通信号灯大都采用单片机或继电器实现，在发生故障是不能发出警报，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点。为了弥补原交通信号灯系统存在的种种缺点。
本文设计了基于PLC控制的十字路口交通信号灯控制系统，可以对交通灯实现高峰期及晚间两个时段进行分段控制。它们分别和各自的时序图相对应，从而控制交通灯的信号。城市道路交通信号控制是典型的开关量顺序控制，采用PLC能充分利用它的优点。
本文采用了基本指令和状态编程两种方法实现对十字路口交通灯的设计，通过时钟数据写入、时钟数据读出和时钟数据比较指令实现高峰时段和晚间时段的转换。
关键词：十字路口；交通信号灯；可编程控制器；时钟指令

目 录
绪论…………………………………………………………………….3
第一章 PLC的介绍…………………………………………….…..4
1.1 PLC的基本知识...........................................4
1.2 PLC的应用及系统功能....................................6
第2章 硬件选型和输入输出分配.............................8
2.1硬件选型.................................................8
2.2 I/0分配表...............................................9
2.3定时器/计时器分配表......................................10
2.4 PLC外部端子接线图.......................................10
第3章 系统总体方案分析与设计.................................11
3.1控制要求.................................................11
3.2方案分析.................................................12
3.3 方案设计................................................12
3.4 控制程序流程图..........................................13
3.5 状态转移图..............................................14
3.6 梯形图..................................................14
第4章 调试中遇到的问题和解决方法……………………………..19
第5章 收获与体会…………………………………………………..20
参考文献……………………………………………………………….21

绪 论
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[2]。
单片机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。

第一章 PLC的介绍
1.1 PLC的基本知识
1.1.1 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[3]。”
1.1.2 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[4]。

1.1.3 PLC的结构及基本工作原理

图1.2 PLC结构图
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 。微型机算机对输出、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[5]。
1.1.4 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

1.2 PLC的应用及系统功能
PLC的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1.2.1开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
1.2.2模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
1.2.3运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
1.2.4过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
1.2.5数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
1.2.6通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

第2章 硬件选型和输入输出分配
2.1硬件选型
由于根据控制要求所确定的输入点为三个、输出点为6个，控制开关输入的启、停信号和时钟初始化信号是输入信号；在交通灯布置图中，南北方向的三色灯，共六盏，同颜色的灯在同一时间亮、灭；所以，可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制。同理，东西方向的三色灯也依此设计，所以其占6个输出点。
在这里采用日本三菱公司的FX2N系列可编程控制器(见图2.1)，三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
它的特点是：系统配置即固定又灵活；编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方面都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。
除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII code印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。
三菱plc-FX2N-128MR-001 基本单元 带 64点输入/64点继电器输出FX2N-80MR-001 基本单元 带 40点输入/40点继电器输出z 基本单元 带 32点输入/32点继电器输出FX2N-48MR-001 基本单元 带 24点输入/24点继电器输出。

图2.1 实验室所用PLC

2.2 I/0分配表
控制信号
信号/元件名称
元件符号
地址编码
输入信号
校正当前时钟
SB1
X000
启动信号
SB2
X001
停止信号
SB3
X002
输出信号
南北方向绿灯
HL2-1、2-2
Y002
南北方向黄灯
HL3-1、3-2
Y003∕Y013
东西方向红灯
HL4-1、4-2
Y004
东西方向绿灯
HL6-1、6-2
Y006
东西方向黄灯
HL7-1、7-2
Y007∕Y017
南北方向红灯
HL8-1、8-2
Y010
表2.1 I/0分配表

2.3定时器/计时器分配表
文字符号
名 称
T0
南北红灯亮10s定时器
T1
南北绿灯亮32s定时器
T2,T3
构成南北绿灯周期为1s闪烁的定时器
C0
南北绿灯1s频闪的计数器
T4
南北黄灯亮5s定时器
T5
东西红灯亮10s定时器
T6
东西绿灯亮22s定时器
T7，T8
构成东西绿灯周期为1s闪烁的定时器
T9
东西黄灯亮5s定时器
C1
东西绿灯1s频闪的计数器
T10，T11
晚间时段黄灯1s频闪定时器
表2.2 定时器∕计时器分配表
2.4 PLC外部端子接线图
根据I/O表及PLC的配置图很容易就可以得到PLC外部端子接线图2-1如下所示：

图2.2 PLC外部端子接线
第3章 系统总体方案分析与设计
3.1控制要求
1、系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作；
2、控制对象：
东西方向红灯（R—EW）两个，南北方向红灯 (R—SN) 两个，
东西方向黄灯（Y—EW）两个，南北方向黄灯 (Y—SN) 两个，
东西方向绿灯（G—EW）两个，南北方向绿灯 (G—SN) 两个，
3、 控制规律：
（1）高峰时段，交通信号灯按时序图2.1运行；晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，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。
（2）高峰时段、 正常时段及晚上时段的时序分配按时序表3.1运行；
运行时段
运行时间
高峰时段
7点58分至8点
晚间时段
8点以后
表3.1时序表
图3.1 高峰时段时序图

3.2方案分析
本系统是一个十字路口交通灯的PLC控制系统，利用三菱公司的FX2N可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制。本系统具有一定的智能性，即它可以对交通灯按高峰期及晚间两个时段进行分段控制。
高峰期的控制方案为：
（1）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32秒，东西方向红灯继续亮；
（3）南北方向绿灯闪烁3秒，东西方向红灯继续亮；
（4）南北方向黄灯亮5秒；东西方向红灯继续亮；
（5）南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；
（6）东西方向绿灯亮22秒，南北方向红灯继续亮；
（7）东西方向绿灯闪烁3秒，南北方向红灯继续亮；
（8）东西方向黄灯亮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、北四个黄灯全部闪亮，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。

3.3 方案设计
本系统采用基本指令和状态编程两种方法进行编程。基本指令编程中采用调用主控指令的设计方案，通过主程序读取、计算并比较当前时间，根据对时间段的判断和分析来确定所调用的主控指令段。主控指令段分别是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，从而控制交通灯的信号。
状态编程采用跳转与循环结构，以高峰时段为主体，在相应状态位置进行时间判断，从而决定是否跳转进入晚间时段。

3.4 控制程序流程图
准备
SB2
初始化
写入系统时间7点58分
SB1
读取当前系统时间TIME
TIME<8点
运行高峰时段
是
否
SB3
是
停止程序
否
图3.2 控制程序流程图

3.5 状态转移图

图3.3 状态转移图
状态图说明：
最左边一列是主程序，用于控制高峰时段的交通灯以及进行PLC系统时间的写入以及判断，主要实现为：在S0状态下写入时间7点58分，在S22状态下读取时间并进行判断是否已到8点，如果时间到了8点则进入右侧晚间时段运行。

3.6 梯形图
3.6.1 主程序：
写入PLC系统时间程序段：

图3.4 写入时间程序段
复杂指令的介绍：
本段程序运用MOV指令和TWR指令进行系统时间的写入。如图3.4所示，首先当X000输入口输入脉冲上升沿时将时间2015年1月15日7点58分0秒写入D0到D5数据寄存器中，随后通过时钟写入指令TWR根据S(.)指定单元D0为起始号的6个连续单元中时间数据写入到可编程控制器内置的实时计数器（D8013-D8018）中。
判断时间程序段：

图3.5 判断时间程序段
本段程序介绍：
本段程序采用时钟数据读出指令TRD和时钟数据比较指令TCMP进行系统时间的读出与判断。时钟读出指令TRD将可编程控制器内置的实时计时器(D8013-D8019）的秒、分、时、日、月、年、星期七个数据读出，存入D(.)指定单元D10为起始号的7个连续单元中。时钟数据比较指令TCMP根据S(.)指定的时间常数8h0min0s与D13、D14、D15中设定的时、分、秒比较，分别根据比较结果大于、小于、还是一致，分别使M0=ON,M2=ON,M1=ON。从而当时间小于8点时，使辅助继电器M3得电，当时间大于等于8点时，使辅助继电器M4得电。 本程序采用M8000触点作为动作条件，使得时钟数据的读出与判断一直进行。
3.6.2高峰时段主控指令程序
南北方向红绿灯时间控制：

图3.6南北方向红绿灯时间控制程序
按下启动按钮X001并且当PLC系统时间到达8点时M3常开触点闭合使得辅助继电器M100得电并自保持，从而启动高峰时段的主控程序。本段程序的功能为：（1）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32秒，东西方向红灯继续亮；（3）南北方向绿灯闪烁3秒，东西方向红灯继续亮；（4）南北方向黄灯亮5秒；东西方向红灯继续亮；（5）南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮。
东西方向红绿灯控制：

图3.7 东西方向红绿灯时间控制程序
本段程序的功能为：（1）东西方向绿灯亮22秒，南北方向红灯继续亮；（2）东西方向绿灯闪烁3秒，南北方向红灯继续亮；（3）东西方向黄灯亮5秒，南北方向红灯继续亮。一次循环结束后将C0和C1计数器清零以准备下一次的循环计数，且C0和C1分别是对T3和T8的脉冲计数。
红绿灯控制：

图3.8红绿灯控制程序
本段程序通过定时器的触点和计数器的触点的串并联来实现对输出Y002到Y010的控制，使其从而达到高峰时段时序图的要求。最后通过时间继电器T9的得电使得主控程序第一行T9时间继电器的常闭触点断开，使得所有定时器复位，随后T9继电器的常闭触点又闭合进行下一次循环。

3.6.3晚间时段主控指令程序

图3.9 晚间时段控制程序
本段程序的功能为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，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。程序通过M4的常开触点进行主控程序段的控制，当PLC系统时间达到8点时M4常开触点闭合，M3常开触点断开，使得高峰时段主控程序断开，使得晚间时段主控程序得电运行。程序通过T10和T11时间继电器构成对黄灯的闪烁控制。

第4章 调试中遇到的问题和解决方法
在运行梯形图时，我一共遇到了两个问题：
问题（1）：无法使程序一直进行读出时间和判断时间。
解决方法：采用M8000常开触点作为读出时间和比较时间的条件，可以使得触点一直接通。
问题（2）：在晚间时段的主控程序中在点亮两个方向的黄灯时，程序出现双线圈问题。
解决方法：采用线圈Y013和线圈Y017，在PLC输出端将输出Y003和输出Y013并联，将输出Y007和输出Y017并联，从而解决双线圈问题。
在运行状态转移图时，我一共遇到了三个问题：
问题（1）：编译好的程序无法有效运行。
解决方法：在GX Developer软件中新建SFC图时，应该在一开始的块建立中应该选择梯形图，并且在里面输入M8002并且SET S0，这样程序才能有效运行。
问题（2）：在状态图编程时，在状态S22中无法跟梯形图中一样采用时钟比较指令TCMP。
解决方法：改成采用数据比较指令CMP,具体步骤如下图所示：

先采用时钟读出指令，实时时间的小时位存入寄存器D13，实时时间的分钟位存入寄存器D14，运用CMP指令将D13与8进行比较，将D14的内容与0进行比较，如果相等则M1=ON,M11=ON，线圈Y021得电。
问题（3）：用并列分支选择是否进入晚间时段时，程序有错无法运行。
解决方法：在S22状态中进行时钟数据的读出与比较，并且采用选择分支进行晚间时段的编写，程序即可正确运行。

第5章 收获与体会
通过此次课程设计，培养了我综合运用所学的基础理论课，技术基础课，专业课的知识和实践技能分析和解决实际工作中的一般工程问题的能力，使我建立了正确的设计思想学会了如何把几年来所学的理论知识运用到实践当中去。掌握了PLC控制系统的原理，并进一步巩固、扩大和深化了我所学的基本理论，基本知识和基础技能，提高了我的逻辑思维能力。
通过对PLC十字路口交通灯自动控制系统的设计，使我对所学PLC内容更加熟悉，在设计的过程中遇到了一些自己暂时还无法解决的问题，通过老师的帮助和查阅相关书籍，对遇到的问题进行分析解答，在这个过程中受益匪浅。
并且让我充分的意识到PLC在实际生活中有很多的用处，激起了我在今后的生活中继续学习和运用PLC的兴趣，我也希望我能够把它运用的生活当中比如自己改造家里的电器让它拥有更多的功能等等。
一个团队的合作同样很重要，对于不清楚的问题大家可以集体讨论。整个设计过程中我们这个小组配合的比较好，工作效率得到很大的提升。同时感谢辅导老师细心及时地辅导，使我们能及时解决设计过程中遇到的问题。
为期两周的设计快结束了，设计过程中有很多帮助过我的老师和同学，我首先要感谢我的指导老师曹老师，我们做课程设计时她给予了悉心的指导并且细心的找出我设计中的错误，然后引导我走向正确的设计方向。其次要感谢本次课程设计过程中我们小组成员给予的帮助，我们一起面对困难，解决困难，并教会我一些重要的知识要点，使我能够完成这次课程设计，谢谢你们。在此，谨向帮助过我的老师和同学致以诚挚的谢意和崇高的敬意。老师和同学们所体现出的治学严谨和科学研究的精神也是我学习的榜样将积极的影响我今后的学习和工作。

参考文献：
[1] 史国生. 电气控制与可编程控制技术. 北京：化学工业出版社，2010 P276~P278
[2] 董春露. 十字路口交通信号灯可编程序控制器控制. 《黑龙江科技信息》 2008年02期
[3] 李斯婷. 基于三菱PLC的城市十字路口交通灯控制系统. 《职业》 2013年26期
[4] 曹增英. 十字路口交通信号灯的PLC控制. 《科技资讯》 2009年27期
[5] 芦宝娟. 基于PLC的交通信号灯控制系统. 《硅谷》 2011年14期

22