多功能交通灯监控系统设计.docx

多功能
交通灯监控系统设计

设计任务: 多功能交通灯监控系统设计

引 言

随着城市机动车量的不断增加，自上世纪80年代后期，许多大城市如北京、上海等出现了交通超负荷运行的情况。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，缓解交通拥堵状况，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。传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结构复杂，可靠性低，故障率高，较难实现功能的变更。而可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活方便等优点。
特别是由PLC作为控制器件实现的控制系统，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，可方便地设置定时时间，编程容易，功能扩展方便，修改灵活等，并且有完善的自诊断和显示功能，维修工作极为简单。交通信号灯的出现，使交通灯得以有效管制，对疏导交通流量，提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路管理的先进化和科学化，采用PLC实现交通灯管制的控制系统更为合理。
通过F940GOT画面可以监视各种设备并改变PLC数据。GOT内置了系统画面，可以提供各种功能，而且还可以创建用户定义画面。同时GOT还具有画面显示、画面操作、监视、数据采样报警等功能。
本设计就是基于PLC编程通过GOT运行调试完成对交通信号灯的控制要求。使其在日常生活中得到广泛应用，起到了重要的交通疏导作用。
目录
第一章 PLC控制交通灯的设计要求…………...4
一、 交通灯控制要求...………………………………….4
二 、系统设计的思路…...……………………………….5
第二章 系统硬件设计………………………….....6
一、PLC的选型与配置…………………………………….……6
1、PLC的结构…………………………..…………6
2、 PLC选型的基本原则…………………………………7
二、外围硬件设置 ………………………………………………7
1、开关选择 ………………………………………………7
2、I/O分配及接线图 ……………………………………8
第三章 系统程序设计及调试 …………………….......9
一、系统顺序功能图 ……………………………………………………….9
第四章 触摸屏与PLC通信 ………………………........11
一、三菱F940-SWD触摸屏与PLC通信 …… ..……….11
二、触摸屏画面的设计 ……………………………………………….12
第五章 收获与体会 ……………………………..15
鸣谢……………………………………………….17
附录……………………………………………….18
参考文献………………………………………….19

第一章 PLC控制交通灯的设计要求
一、 交通灯控制要求
1、当启动开关接通时，十字路口交通灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有的信号灯全部熄灭。十字路口交通灯控制时序图如图1-1所示。

（１）正常时序（单循环周期111S）
按下起动按钮，南北直行、左行红灯同时点亮56S，然后，直行绿灯亮28S，黄灯闪4S，直行红灯亮23S，直行绿灯开始亮时，左行红灯亮32S，左行绿灯亮23 S；按下起动按钮，东西直行绿灯亮28S，黄灯闪4S，红灯亮23S，东西直行绿灯开始亮时，左行红灯亮32S，左行绿灯亮23S；然后是东西直行、左行红灯同时点亮56S。
（２）急车强通控制方式
急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，按正常循环时序控制，有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止，将急车强通开关断开，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3次。随后按正常时序控制。
２、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向直行绿灯点亮3S后才允许点亮，最后3S绿闪，其他时间为红灯；同样，东西人行道通行绿灯于东西直行绿灯点亮3S后才允许点亮，最后3S绿闪，其它时间为红灯。
３、在南北方向和东西方向上各采用两个七段码显示器设计倒计时模块，要求能指示各方向的计时时间，即南北方向先开始倒计时直行红灯56S，绿灯28S，黄灯闪4S，红灯23S；左行红灯亮32S，左行绿灯亮23S。东西方向与此相同。
４、利用F940触摸屏监控交通灯的运行状态，使GT软件设计交通灯操作面板、监控画面。
二、 系统设计的思路
由控制要求我们可知本程序设计大致分为两部分(如图1-2)，第一部分为正常行车控制系统（包含七段码显示器设计倒计时模块）；第二部分为急车强通控制系统。而正常行车控制系统是有四个并行分支组成，分别控制南北方向车道、东西方向车道和南北方向人行道、东西方向人行道。急车强通控制系统是有两个选择分支组成，即南北方向强通和东西方向强通。
第二章 系统硬件设计
一、PLC的选型与配置
1、PLC的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机相似，从结构上分，PLC分为固定式和组合式两种。固定式PLC包括CPU板I/O扳、显示面板、内存电源模块，这些元素组成一个不可拆的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、底板或机架，这些模块可以按照一定的规则组合配置。
PLC基本结构框图

图2-1 PLC结构框图
2、PLC选型的基本原则
所选PLC应能够满足控制系统的功能需要。一般从系统功能、PLC的物理结构、指令和编程方式、PLC的存储容量、响应时间、通信联网和电源的选择等方面进行综合考虑。
1、 它有基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。扩展单元用于增加PLC的I/O点数，内部设有电源。扩展模块用于增加PLC的I/O点数，内部无电源，所有电源有基本单元或扩展单元供给。特殊功能单元是一些专门用途的装置，如高速计数单元、位置控制单元、通信单元等。
2、 FX2N基本单元见下表。

表2-1 FX2N系列的基本单元
AC电源，DC24V输入
输入点数
输出点数
扩展可用点数
继电器输出
晶闸管输出
晶体管输出
FX2N-16MR

FX2N-16MT
8
8
24~32
FX2N-32MR
FX2N-32MS
FX2N-32MT
16
16
24~32
FX2N-48MR
FX2N-48MS
FX2N-48MT
24
24
48~64
FX2N-64MR
FX2N-64MS
FX2N-64MT
32
32
48~64
FX2N-80MR
FX2N-80MS
FX2N-80MT
40
40
48~64
FX2N-128MR

FX2N-128MT
64
64
48~64

二、外围硬件设置
1、开关选择
选择开关的依据为开关一定要安全、可靠便捷。根据本设计的要求，我们在此选择LA39钥匙开关，此开关设计精巧、规格齐全、安装方便、外观美观、动作可靠。其中动作可靠是它最大优点。只有专人专钥匙才能通过它控制系统，从而保证了系统的正常运行。
2、I/O分配表及接线图

设计采用FX2N-48MR系列的PLC作为交通灯系 统的控制主机。I/O接线图如图2-3:

第三章 系统程序设计及调试

一、系统顺序功能图
1994年5月，国际电工委员会公布了PLC的常用的5种编程语言：顺序功能图、梯形图、指令表、功能模块及高级语言。其中，最常用的是：顺序功能图、梯形图和指令表3种编程语言。
多通道交通灯控制系统要求复杂，用计程序比较麻烦，因此本设计采用顺序功能图进行编程，顺序功能图程序比较简单，且调试运行比较方便。该系统流程图3-1所示。

从图3-1和图3-2所示可知，用S0代表初始步，初始化脉冲M8002在PLC进入RUN状态将其激活，复位S20步到S40步所用程序，且为下一步的得电做好准备；表示开关KA1断开时将其激活，复位S20步到S40步所用程序；由于开关KA1(X0)处于接通在强通结束时T16将其激活，恢复正常行车控制系统； 的作用是在接通开关KA2接通时将其激活，为下一步的得电做好准备。当启动开关KA1(X0)接通时,同时激活并行序列的开始步，即S20（南北方向车道包含倒计时步、S24（东西方向车道包含倒计时）步、S28（南北方向人行道）步和S32（东西方向人行道）步，然后每分支都按照自己的控制规律运行。由于交通灯不断循环，所以在每分支结束时，都返回到各分支的首步，重新开始下一个周期的循环。将开关KA2（X1）接通时激活S36步且复位S20步到S35步所用程序，进入急车强通控制系统，若将开关KA3（X2）接通就选择了南北方向强通。若将开关KA4(X3)接通就选择了南北方向强通。
第四章 触摸屏与PLC通信

一、三菱F940-SWD触摸屏与PLC通信

图4-1 GOT、PLC、计算机之间的通信
作为PLC的图形操作终端，GOT必须与PLC联机使用，通过操作人员的手指与触摸屏上的图形元件的接触发出PLC的操作指令或者显示PLC运行的各种信息。
GOT中存储与显示的画面是通过计算机运行专用的编程软件设计的，设计好后下载到GOT中。F940GOT有两个连接口，如4-1图所示，一个计算机连接的RS-232连接口，用于传送用户画面，另一个与PLC等设备连接的RS-422连接口，用于与PLC进行通信。这两种通信用的电缆都要采用专用电缆。F940GOT-SWD需要外部DC24电源供电。

二、触摸屏画面的设计
根据多车道交通灯系统的控制要求及触摸屏和PLC软元件分配，触摸屏的设计画面图4-2所示：
1、 系统菜单画面

图4-2 系统菜单画面
该画面是整个系统的进入画面，通过此画面可以进入系统各个显示模块。“进入画面”“制作简介”“模拟画面”“控制画面”均为触摸键，点击可进入相应模块。
2、 制作简介界面
该画面作为系统的一个简单制作画面，主要向用户说明系统的设计名称、设计人、设计指导老师及设计时间等。其中“上页”“首页”“下页”键为触摸键，点击分别进入首页画面、欢迎画面和模拟画面。

3、 交通灯系统仿真画面和控制面板画面
交通灯模拟画面和控制柜画面是触摸屏画面设计的核心，它既包含系统的控制画面，也包含了系统的监控和模拟仿真画面。该画面与程序紧密结合能够实现实际十字路口多通道交通灯的仿真，画面形象，简单易懂。

3、 程序下载运行及仿真调试
程序下载运行及仿真步骤：
（1）按要求连接好通信线，即触摸屏RS-232接口与计算机RS-232接口连接，触摸屏RS-422接口与PLC接口连接。将制作完成的画面下载到GOT中，操作步骤如下：选择“通信—下载至GOT”“监视数据”开始数据下载操作。若画面写入后，观察触摸屏显示是否与计算机画面一直，如显示“画面显示无效”，则可能是触摸屏中“PLC类型”项不正确，设置为FX系列，在进入“HPP状态”，此时可以读出程序，说明PLC与触摸屏通信正常。
（2）将PLC运行开关打至“RUN”位置，可进行模拟仿真调试。
第五章 收获与体会
通过这次毕业设计，我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题的锻炼机会。使我在PLC的基本原理、PLC应用系统开发过程中，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都向前迈了一大步。在设计过程中，经常会遇到各种问题和困难，理论和实际总是有这样那样的差异，理论上能够通过的实际并不一定能够实现，因此这方面要耗费很多时间。
趁着做课程设计的机会，我对课本知识有了巩固和加强，平时学习时不理解的功能指令，这次设计中得到了充分的运用，使我对很多元件的功能有了更多的认识。这次毕业设计使我懂得了理论和实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践结合起来，从理论中得出结论，才能真正去指导实际，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。同时在设计过程中发现了自己的不足之处，对以前所学知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，致使这次设计花费了很多时间。
鸣 谢
从二月初到现在，为了完成基于PLC和触摸屏控制的多功能多通道交通灯监控的毕业设计课题，我一直在努力搜集PLC控制和触摸屏方面的相关资料，使自己在这方面储备了更多的知识。短短的时间里，学到了许多新东西，在大学期间能有这样的自主设计机会非常难得，通过不断的努力学习，使我在大学期间学到的专业知识得到总结和运用。但由于自己的专业知识有限，时间紧张，任务繁重，最后能够完成设计任务，我要在这里感谢帮助我、与我共同进退的人。
在本次设计中，感谢李晓波老师、郭艳萍老师以及陈冰老师对我的悉心指导。感谢你们对我的设计提供的宝贵意见，使我在设计过程中大胆构思，力求创新。同时，感谢所有对我提供帮助的同学们，使我的设计更加完善。在此，我向各位领导老师及同学致以衷心的感谢！

参考文献
[1] 郭艳萍. 电气控制与PLC应用[M] 北京：人民邮电出版社，2010.
[2] 郭艳萍. 电气控制与PLC实训[M] 北京：北京师范大学出版社，2008.
[3] 张 弛. 触摸屏应用技术[M]
[4] 陈亚林. PLC、变频器和触摸屏实践教程[M] 南京: 南京大学出版社

附 录：

致 谢
我首先感谢电子科技大学软件学院给我们新疆班的学生提供的这次攻读硕士学位的难得的机会，衷心感谢指导老师罗克露教授，能够成为罗老师的学生真的是我最大的荣幸，她严谨的治学态度，认真的工作作风，正直的为人方式都无不让我对她充满了深深的敬意。没有罗老师的帮助和指点，我的论文不可能完成，在罗老师的指引下我才对自己的论文有了越来越清晰的思路，也才能顺利地完成这次答辩。
    其次要感谢电子科技大学给我们上课的老师们，他们到新疆来给我们新疆班上课，这些老师渊博的学识，严谨的治学态度，勤奋的工作作风，科学的研究方法使我受益匪浅，他们在平时的学习中给予我很多帮助和启发。谨在此向他们表示衷心的感谢。这三年时间的学习对我有许多启发，对我的专业提高也有很大的帮助。

谢谢财经大学计算机科学与工程学院副院长郭文强教授，他对我的学习和科研工作给予了很大的帮助和支持，在我的科研工作和论文撰写中，他们都给我提出了宝贵的意见和建议，在此表示深深的谢意
    还有许多要感谢的人，要感谢的话。就让我把感谢放在心里，用以后的点滴进步来报答吧。