电气工程与自动化专业PLC课程设计：十字路口红绿灯控制系统详解

电气工程与自动化专业PLC课程设计：十字路口红绿灯控制系统详解

电气电子信息工程学院《电气控制与PLC课程设计》设计报告名称：十字路口红绿灯设计专业名称：电气工程及其自动化班级：学号：姓名：**教师：**时间：2013年6月3日—6月2013年12月14日 设计地点：K3-218PLC实验室 摘要 PLC可编程控制器是以微处理器为基础，集计算机技术、自动控制技术和通信技术于一体的新型工业控制器。控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛应用于工业过程和位置的自动控制。据统计，可编程控制器是工业自动化设备中最常用的设备。专家认为，可编程控制器将成为未来工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，而PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC对使用环境的适应性强，内部定时器资源非常丰富，可以对目前常用的“渐进式”交通信号灯进行精确控制，尤其是多路交叉口的控制可以轻松实现。因此，PLC越来越多地应用于交通灯系统中。可以缩短车辆通行的等待时间，实现科学管理。本设计中还引入了EDA来模拟路口红绿灯的闪烁和车辆通行，形象地展示了PLC在红绿灯系统中的实际应用。 【关键词】： 十字路口交通灯 PLC 摘要控制装置，是一种基于微型推进器、综合计算机技术、自动控制技术和技术的控制装置，具有结构简单、编程方便、可靠等高等优点，在商业运行和定位自动控制中得到了广泛的应用，统计表明，可编程控制器是目前最先进的控制装置。 sstonekinmddoikmenti在工业上的应用、T专家认为可编程控制器将是重要基础设备的主要手段，此外，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的重要道具、因为PLC对环境的适应能力强、同时其内部其资源极其丰富，对当前通用的控制精度进行了很多“进化型”信号灯的控制，特别是多路叉控制，因此将现有的PLC应用于红绿灯系统中，可以减少车辆的普遍等待时间，实现科学化的管理，在本设计中，还制作了EDA模拟路口交通信号灯闪烁和车辆停车通过的情况，直观地展示了PLC在交通信号灯系统中的实际应用，[关键词]十字路口交通信号灯PLC交通信号灯的作用和意义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、路之间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控、交通信号灯控制和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的最重要组成部分。随着城市机动车保有量的不断增加，北京、上海、南京等许多大城市都出现了交通超载的情况。因此，自20世纪80年代末以来，这些城市纷纷修建城市快速路。高速公路建设完成后，前期也有效改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长，加上对高速公路缺乏系统的研究和管控，高速公路并没有充分发挥出应有的作用。城市快速路的结构特点也决定了城市快速路的交通条件必然受到快速路与普通道路耦合的制约。因此，如何采用适当的控制方法，最大限度地利用耗巨资修建的城市快速路，缓解主干道和匝道、城区及周边地区的交通拥堵，已成为交通管理和城市规划日益紧迫的问题。部门。为了解决主要问题，根据过程控制要求和运输等特点，我们采用了日本三菱公司的FX2N_48MR。三菱PLC具有小型化、高速、高性能的特点。三菱可编程控制器指令丰富，可连接各种输入输出扩展设备。具有丰富的专用扩展设备，其中模拟量输入设备和通讯设备是系统的组成部分。能够通过互联网轻松通信是必要的。

本系统采用可编程控制器（PLC）来控制路口交通管制等。本系统采用PLC的原因有以下四个：（1）PLC具有较高的可靠性和抗干扰能力。通常平均无故障时间在30万小时以上； (2)系统设计周期短、易于维护、易于修改、功能齐全、实用性强； (3)抗干扰能力强，具有硬件故障自检功能，目前空气中的各种电磁干扰日益严重。为了保证交通控制可靠稳定，我们选用了能在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC； (4)近年来，PLC的性能价格比有了很大的提高，使得实际应用成为可能。 1.PLC基础知识。 PLC是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），是指基于计算机技术的新型工业控制装置。 1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中，对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算、专门为工业环境使用而设计的电子系统。它采用一种可编程存储器，内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，通过数字或模拟输入/输出来控制各类机械或机械设备。生产过程。

可编程控制器及其相关外部设备的设计应遵循易于与工业控制系统集成为一体、易于扩展其功能的原则。简而言之，可编程控制器是专门为工业环境应用而设计的计算机。它是集传统继电器技术、计算机技术和通信技术于一体而开发的新型控制装置。在国内具体的工业应用中，由于不是针对具体的工业应用，其硬件应根据实际需要进行配置，其软件应根据控制要求进行编写。随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也得到了迅速发展。其发展过程大致可分为三个阶段[1]。 1.早期的PLC 早期的PLC被称为可编程逻辑控制器。此时PLC的主要功能只是执行原本由继电器完成的顺序控制、定时等。早期PLC的性能优于继电器控制装置。其优点包括简单、易于安装、体积小、能耗低、故障指示和可重复使用。其中，PLC特有的编程语言——梯形图，一直沿用至今。 2、中期PLC 此时，PLC产品已采用16位、32位高性能微处理器，并已实现多处理器多通道处理。通讯技术，即PLC的应用得到进一步发展。

硬件方面，除了保留原有的开发模块外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块以及各种特殊功能模块。它还扩大了存储器容量，增加了各种逻辑线圈的数量，并提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的范围更广。软件方面，还增加了算术运算、数据处理和传输通讯、直接诊断等功能。 3、近年来，由于PLC中VLSI技术的快速发展，微处理器的价格大幅下降，普遍提高了各类PLC所用微处理器的档次。为了提高PLC的处理速度，各厂家还开发了专门的逻辑处理芯片。全球有200多家生产PLC产品的厂家，其中比较著名的有美国的AB、GE，三菱（MI TSBISHI），欧姆龙，日本的松下，德国的西门子等。韩国有三星（SUMSU NG）、LG等。 1.1 PLC 的特点 PLC 具有以下主要特点： 1、可靠性高、抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造。内部电路采用先进的抗干扰技术，可靠性高。

由于PLC模块均采用大规模、超大规模集成电路，I/O接口电路均采用光电隔离；结构上，防潮、防尘、抗震等均经过精心考虑；硬件上采用隔离滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施；软件中采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。以上使得PLC具有较高的抗干扰能力。 2、控制系统结构简单，通用性强。在PLC控制系统中，只需将相应的信号线连接到PLC的输入/输出端子上即可。无需连接继电器等低压电器和大量复杂电路。获得了硬件接线线路，大大简化了控制系统的结构。 ，PLC输入/输出可直接接交流220V、直流24V等强电，负载能力强。 3、编程方便，使用PLC作为通用工业控制计算机，是工矿企业的工业控制设备。其界面简单，编程语言易于工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近。只需使用PLC的少量开关逻辑控制指令即可轻松实现继电器电路的功能。

它为不熟悉电子电路、计算机原理和汇编语言的人们使用计算机进行工业控制打开了大门。 4、随着功能的完善，PLC已形成大、中、小型各种规格的系列产品。可应用于各种规模的工业控制场合。现代PLC除了具有逻辑处理功能外，大多还具有完整的数据计算能力，可应用于各种数字控制领域。近年来，大量PLC功能单元的出现，使PLC渗透到位置控制、温度控制、数控等各种工业控制中。 PLC内部有多种控制功能，如：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PID控制、数据控制、通讯和网络以及其他特殊功能模块。 5、设计、施工、调试周期短。 PLC采用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备的外部接线，大大缩短了控制系统的设计和施工周期，使维护变得更加容易。更重要的是，可以通过改变程序来改变同一设备的生产工艺。这非常适合多品种、小批量的生产场合。 6、体积小，维护操作方便。 PLC体积小、重量轻、安装方便。不需要特殊机房，可直接运行在各种工业环境中。使用时只需将现场各种设备连接到PLC相应的I/O端子上，即可投入运行。

各模块上均设有运行及故障指示装置，方便用户了解运行状态和查找故障。 1.2 PLC 的结构和工作原理 1.2.1 PLC 的基本结构 各种类型的PLC 中，其组成结构和工作原理基本相同。利用PLC实现控制的本质是按照一定的算法进行输入/输出转换，并以物理方式实现这种转换并将其应用到工业现场。 PLC是专门为工业现场设计的，采用典型的计算机结构。它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路组成[2]。 1、中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）一般由控制器运算单元和寄存器组成。它们都集成在一颗芯片上，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路连接。与通用计算机一样，CPU是PLC的核心。它指挥PLC按照PLC中系统程序分配的功能有序地工作。用户程序和数据预先存储在存储器中。当PLC处于运行模式时，CPU以循环扫描的方式执行用户程序。 CPU的主要任务如下： (1)根据PLC系统程序分配的功能，接收并存储编程器输入的用户程序和数据。

(2)利用扫描接收现场输入设备的状态和数据，并将其存储到输入图像寄存器或数据寄存器中。 (3)诊断电源或PLC内部电路的工作状态以及编程过程中的语法错误。 (4) PLC进入运行状态后，从内存中一一读取用户。程序被命令解释后，根据指令指定的任务产生相应的控制信号，以分时的方式打开和关闭相关的控制电路并执行数据。访问、转移、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中指定的逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果，替换相关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信的控制。 2、存储器 PLC 的存储器包括两部分：系统存储器和用户存储器。 （1）系统存储器 系统存储器是指用于存储PLC系统程序的存储器。由PLC厂家编写并固化在ROM中，用户不能直接更改。它使PLC具备基本功能，能够完成PLC设计者指定的各种任务。其主要内容包括系统管理程序、用户命令解释程序、标准程序模块和系统调试三部分。 (2) 用户存储器 用户存储器由两部分组成：用户程序存储器和数据存储器。它的主要任务是存储用户用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序，用于特定的控制任务。

PLC使用三种类型的存储器：随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和可擦除可编程只读存储器（EEPRO）。 3、输入/输出接口单元PLC的输入输出信号类型可以是开关量、模拟量、数字量。输入/输出接口单元大致可分为两部分：一部分是与受控设备连接的接口电路，另一部分是输入输出图像寄存器。 4、扩展接口和通讯接口 PLC 具有扩展接口和通讯接口的能力，其功能如下： (1) 扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块连接到基本单元，这意味着使PLC配置更加灵活，满足不同的控制。获取系统要求。 (2)通讯接口的作用是通过这些通讯接口可以连接显示器、打印机等设备、PLC或计算机，实现“人机”或“机机”之间的对话。 5、PLC的电源部分一般采用220交流电源，内部开关电源包含PLC的中央处理器、存储器等。该电路提供5V、+-12V、24V等直流电源使PLC正常工作。 6、编程设备 编程设备的功能是让用户对程序进行编译、编辑、调试和监控。 7.其他部件 有些PLC还可以具有ER ROM写入器、存储卡和其他外部设备，以增强PLC的存储容量和扩展功能。

1.2.2 PLC 工作原理 PLC 在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面做了特殊考虑[2]。 1. PLC有3个工作阶段。 PLC投入运行时，其工作过程一般分为三个阶段：输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。以上三个阶段为一个循环。在整个运行期间，PLC CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (1)输入采样级PLC。在输入采样阶段，首先扫描所有输入端，并将每个输入端的状态存储在相应的输入分量图像寄存器中。此时，输入组件映像寄存器被刷新，然后进入用户程序执行阶段。在用户程序的执行阶段或输出阶段，输入分量映像寄存器与外界隔离。无论输入端信号如何变化，输入分量图像寄存器都保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段。未获取输入端的新内容。改写。 (2)用户程序执行阶段。根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC逐步扫描，先左后右，先上后下。当指令涉及输入/输出时，PLC从输入映像寄存器中读取前一级所采用的对应输入端子状态，并从输出映像寄存器中读取对应的输出映像寄存器的当前状态。然后进行相应的运算，并将运算结果存入组件图像寄存器中。对于组件镜像来说，每个组件的状态随着程序的执行而变化。

(3)输出刷新阶段。所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态（开/关）在输出刷新阶段传输到输出锁存器，输出以一定的方式驱动外部负载。对于I/O点较少、用户程序较短的小型PLC来说，集中采样、集中输出的工作方式在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的抗干扰能力。提高系统可靠性。 2. PLC 输入/输出处理规则 输入/输出处理规则如下： 输入映像寄存器的数据取决于刷新期间输入端子板上各输入点的开/关状态。 2、交通灯信号控制系统 2.1 路口交通灯控制实际情况南北主干道：绿灯4S右转，绿灯4S左转，绿灯10S直行，黄灯2S，红灯20S； b.东西向人行道：红30S，绿10S； c.东西向主干道：红灯20S，右转绿灯4S，左转绿灯4S，直行绿灯10S，黄灯2S； d.南北人行道：红色30S；绿色10S； e.循环控制方式； f.红绿灯变化顺序表（单周期周期40秒）。 2.1.1 南北（列）、东西（行）主干道设置10S直行绿灯、4S右转绿灯、4S左转绿灯、黄灯。 2S，红灯20S。

南北主干道红灯亮时，东西主干道右转绿灯、左转绿灯、直行绿灯、黄灯；反之，东西主干道红灯亮时，南北主干道右转灯应依次亮。绿灯亮，绿灯左转，绿灯、黄灯直行。 2.1.2 南北向、东西向人行道设置绿灯通行、红灯禁止通行。南主干道直行绿灯亮时，南北向人行道绿灯亮10秒，其他时间红灯亮30秒。东西向主干道直行绿灯亮时，东西向人行道绿灯亮，其他时间为红灯。 2.2 结合路口红绿灯的路况模拟控制实验 PLC 红绿灯模拟模块中，东、西、北、南主干道两侧各有 3 个控制灯，分别是： ● 无红绿灯（亮时为红色） ● 准备禁止 交通信号灯（亮时为黄色） 通灯（亮时为绿色） 另外，人行道两侧各有2个控制灯，分别为东、西、北、南： ● 禁止交通灯（红灯亮） ● 通过灯（亮时绿色） 红绿灯模拟控制系统根据路口红绿灯的实际情况设计如下： 2、3 流程图启动开关 南北转右绿灯 4S 南北转左绿色 4S 南北直行 绿色 10S 南北黄色 2S 南北红 20S 东西向红 20S 东西向右转 绿色 4S 东西向左转 绿色 4S 东西向直行 绿色10S 东西向黄色 2S 主路 三、可编程控制器编程 3.1 可编程控制器 I/O 端口分配 3、2 程序梯形图 南北主路绿灯 Y001 东西主路绿灯 Y011 黄灯亮南北主干道 Y002 东西主干道黄灯 Y012 南北主干道红灯 Y003 东西主干道红灯东西向主干道 Y013 南北方向绿灯右转 Y004 东西方向绿灯右转 Y014 南北左转绿灯 Y005 东西左转绿灯 Y015 南北人行道绿灯 Y006 东-西人行道绿灯 Y016 南北人行道红灯 Y007 东西人行道红灯 Y017 控制开关 X024 末端启动开关 南北人行道红灯南北人行道绿色 10S 南北人行道红色 22S 东西人行道红色 28S 东西人行道绿色 10S 东西人行道红色 2S 末端人行道 3、3 程序语句总结 经过两周的 PLC 设计，我已经学习和巩固了PLC课程比较深入。我不仅从理论上掌握了课堂上没有学到的知识，而且在实践中拓宽了知识面。让我们对专业知识有了更全面的认识，更清楚地认识到我们专业知识的实用性是如此之强。通过日常生活中学到的知识，我们可以自己解决许多有趣的实际生产问题。这不仅培养了我们的兴趣爱好，而且对我们以后的发展也起到了一定的作用。至关重要的作用。在这次设计中，我们遇到了一些问题，也收获了很多意想不到的知识。每次突破一个难题，我们都会感受到久违的满足感。我们甚至对发现问题感到莫名的兴奋。当看到自己设计的路口红绿灯调试成功时，我很有成就感。我们几天前设计的