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基于PLC的交通灯控制电路设计.doc

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.61M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    基于 PLC 的交通灯控制电路设计 摘要: 自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样， 从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子 电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少 的工具和手段，现在，交通控制更是趋向智能化方向发展，LED 交通信号灯在持续发光、 雨淋、灰尘等恶劣的气候条件下，仍然能保持较好的工作性能，而且价格更低廉。本文主要 通过西门子 PLC 控制交通红绿灯。 关键词：智能化 自动化 西门子 PLC 交通控制 Abstract: Since the birth of traffic lights, the circuit in its internal control system have continually been improved, also began to design methods varied, so that traffic lights become more intelligent. In particular, in recent years, with electronics and the rapid development of computer technology, electronic circuit analysis and design methods have greatly improved, electronic design automation has become a modern electronic system in an indispensable tool and means now, more traffic control Trend is the development of intelligent, LED traffic lights in the continuing luminescence, rain, dust and other adverse weather conditions, can still maintain good work performance and lower prices. In this paper, Siemens PLC control traffic through the traffic lights Key words: Intelligent Automation Siemens PLC traffic control 目录 第一章 绪论 1.1 交通信号灯的作用与研究意义……………………………….3
    1.2 PLC 的产生与发展 ………………………………………… 4 1.3 PLC 的发展趋势 …………………………………………… 5 1.4 PLC 的应用领域 …………………………………………… 6 1.5 PLC 在我国的应用 ………………………………………… 8 第二章 交通信号控制系统 …………………………………….. 8 2.1 十字路口交通控制实际情况………………………………...8 2.2 结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验………………..9 2.3 系统流程图………………………………………………….9 第三章 可编程控制器程序设计…………………………………12 3.1 可编程控制器的选择……………………………………..12 3.2 使字路口交通灯模拟控制时序图………………………..12 3.3 可编程控制器端口 I/O 分配……………………………..15 3.4 程序梯形图………………………………………………15 3.5 程序设计………………………………………………..23 第四章 总结………………………………………………………25 参考文献 …………………………………………………… ……26 致 谢 ………………………………………………………… ….27 第一章 绪论 1.1 交通信号灯的作用与研究意义 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。 根据交通灯工艺控制要求与特点，我们采用了德国西门子公司 S7-200 型 PLC。 西门子 PLC 有小型化、高速度、高性能等特点，是 S7-200 系列中最高档次的 超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设 备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的， 能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控 制灯实现控制。 本系统采用 PLC 是基于以下四个原因： ①PLC 具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在 30 万小时以上； ②编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现； ③抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳 定，我们选择了能④够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC； 近年来 PLC 的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。 1.2 PLC 的产生与发展 在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用 广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点， 特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
    1968 年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不 断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能 做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。 于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、 价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制 过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。 1969 年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成 功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得 很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。 早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代 传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20 世纪 70 年代中期微处 理器技术应用到 PLC 中，使 PLC 不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、 数据传送和数据处理等功能。 20 世纪 80 年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展， 16 位和 32 位微处理器应用于 PLC 中，使 PLC 得到迅速发展。PLC 不仅控制功 能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵 活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使 PLC 真正成为 具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的 多功能控制器。 自从第一台 PLC 出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制 PLC，并得到 了迅速的发展。目前，世界上有 200 多家 PLC 厂商，400 多品种的 PLC 产品， 按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派 PLC 产品都各具特 色，如日本主要发展中小型 PLC，其小型 PLC 性能先进，结构紧凑，价格便宜， 在世界市场上占用重要地位。著名的 PLC 生产厂家主要有美国的 A-B （Allen-Bradly）公司、GE（General Electric）公司，日本的三菱电机（Mitsubishi Electric）公司、欧姆龙（OMRON）公司，德国的 AEG 公司、西门子（Siemens） 公司，法国的 TE（Telemecanique）公司等。 我国的 PLC 研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外 的 PLC。此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC 的应用逐年增多，并取
    得显著的经济效益，PLC 在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水 平起到了巨大的作用。目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产 PLC，如 辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门 A-B 公司 等。 从近年的统计数据看，在世界范围内 PLC 产品的产量、销量、用量高居工业控 制装置榜首，而且市场需求量一直以每年 15%的比率上升。PLC 已成为工业自 动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。 1.3 PLC 的发展趋势 1．向高速度、大容量方向发展为了提高 PLC 的处理能力，要求 PLC 具有更好 的响应速度和更大的存储容量。目前，有的 PLC 的扫描速度可达 0.1ms/k 步左 右。PLC 的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的 PLC 最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。 2．向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型 PLC 比较多，为了适应市场的 多种需要，今后 PLC 要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向 发展。现已有 I/O 点数达 14336 点的超大型 PLC，其使用 32 位微处理器，多 CPU 并行工作和大容量存储器，功能强。小型 PLC 由整体结构向小型模块化结 构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型 PLC，最小配置的 I/O 点数为 8～16 点，以适应单机及小型自动控制的需要，如 三菱公司α系列 PLC。 3．PLC 大力开发智能模块，加强联网通信能力 为满足各种自动化控制系统的 要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程 I/O 模块、通信和人机接口模块等。这些带 CPU 和存储器的智能 I/O 模块，既扩 展了 PLC 功能，又使用灵活方便，扩大了 PLC 应用范围。加强 PLC 联网通信 的能力，是 PLC 技术进步的潮流。PLC 的联网通信有两类：一类是 PLC 之间联 网通信，各 PLC 生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是 PLC 与计算机之 间的联网通信，一般 PLC 都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信 能力，PLC 生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系 统，PLC 已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。 4．增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明：在 PLC 控制系统的故 障中，CPU 占 5%，I/O 接口占 15%，输入设备占 45%，输出设备占 30%，线
    路占 5%。前二项共 20%故障属于 PLC 的内部故障，它可通过 PLC 本身的软、 硬件实现检测、处理；而其余 80%的故障属于 PLC 的外部故障。因此，PLC 生 产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统 的可靠性。 5．编程语言多样化 在 PLC 系统结构不断发展的同时，PLC 的编程语言也越来 越丰富，功能也不断提高。除了大多数 PLC 使用的梯形图语言外，为了适应各 种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、 与计算机兼容的高级语言（BASIC、C 语言等）等。多种编程语言的并存、互补 与发展是 PLC 进步的一种趋势。 1.4 PLC 的应用领域 PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十 多年来，PLC 的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几 有关元件的价格大大下降，使得 PLC 的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增 强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、 采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和 娱乐等行业。PLC 的应用范围通常可分成以下 5 种类型： （1）顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领域，也是最适合 PLC 使用的领域。它 用来取代传统的 继电器顺序控制。PLC 应用于单机控制、多机群控、生产自动 线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨 床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。 (2)运动控制 PLC 制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴 位置控制模块，在多数情况下，PLC 把描述目标位置的数据送给模块，其输出 移动一轴或数据到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加 速度，确保运动平滑。 （3）过程控制 PLC 还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液 位和速度。PID 模块提供了使 PLC 具有闭环控制的功能，即一个具有 PID 控制 能力的 PLC 可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID 控制算 法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。
    （4）数据处理 在机械加工中，PLC 作为主要的控制和管理系统用于 CNC 和 NC 系统中，可以完成大量的数据处理工作。 （5）通信网络 PLC 的通信包括主机与远程 I/O 之间的通信、多台 PLC 之间的 通信、PLC 和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。 PLC 与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系 统。 1.5 PLC 在我国的应用 虽然我国在 PLC 生产方面比较弱，但在 PLC 应用方面，我国是很活跃的，近 年来每年约新投入 10 万台套 PLC 产品，年销售额 30 多亿人民币，应用的行业 也很广。 在我国，一般按 I/O 点数将 PLC 分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）： 微型：32 I/O 小型：256 I/O 中型：1024 I/O 大型：4096 I/O 巨型：8192 I/O 在我国应用的 PLC 系统中，I/O64 点以下 PLC 销售额占整个 PLC 的 47%， 64 点~256 点的占 31%，合计占整个 PLC 销售额的 78%。 在我国应用的 PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现百花齐放的态势，但从 行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美 PLC 居多，小型控制 系统、机床、设备单体自动化及 OEM 产品采用日本的 PLC 居多。欧美 PLC 在 网络和软件方面具有优势，而日本 PLC 在灵活性和价位方面占优势。 我国的 PLC 供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM 用户、最终用户。其中，大部分 PLC 是通过分销商和系统集成商达到最终用户 的。
    第二章 交通信号控制系统 2.1 十字路口交通灯控制实际情况 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 东西人行道 红 45S 绿 27S 绿闪 3S 红 60S 东西主干道 红 45S 直行绿 27S 直行绿闪 3S 左转绿 10S 左转绿闪 3S 黄 2S 南北人行道 绿 27S 绿闪 3S 红 60S 循环控制方式 交通灯变化顺序表（单循环周期 90 秒） 1．1 南北向（列）和东西向（行）主干道均设有直行绿灯 27S，直行绿灯闪 亮 3S，左行绿灯 10S，左转绿闪 3S，黄灯 2S 和红灯 45S。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。 1．2 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行 人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直 行绿灯点亮时点亮，当东西主干道直行绿灯闪亮是东西行人道绿灯也要对应闪 亮，其它时间为红灯。 2 .2 结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验。 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： ● 禁止通行灯 （亮时为红色） ● 准备禁止通行灯 （亮时为黄色） ● 直通灯 （亮时为绿色） 另外行人道东西南北每面都有 2 个控制灯,分别为： ● 禁止通行灯 ● 直通灯 （亮时为红色） （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， 2．1 南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯 10S，绿灯闪亮 2S （亮 0.1 灭 0.1）,黄灯 2S 和红灯 14S。当南北主干道红灯点亮时，东西住干道 应依次点亮绿灯，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。
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