南京工程学院
康尼学院
本科毕业设计（论文）
题目：城市十字路口交通信号灯的PLC控制器设计专业：自动化
班级：------------学号：-----------------------学生姓名：
指导教师：刘启新副教授
起迄日期：2010.3～2010.5
设计地点：工程实践中心
Graduation Design (Thesis) Design of Urban Crossroads Traffic Signal by PLC Controller
By
MA Longfei
Supervised by
Associate Prof. LIU Qixin
Department of Automation Engineering
Nanjing Institute of Technology
June, 2010
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。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应适合社会实际情况。这是选择制作十字路口交通灯的目的。
可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，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，编程容易，功能扩展方便，修改灵活,而且结构简单，抗干扰能力强。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更是符合交通灯控制系统的要求与特点，能够方便地联网通信。
本文选择西门子可编程控制器S7-200为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了十字路口交通灯控制系统的自动化。每个路口采用LED数码管，倒计时显示，使得计时功能更加直观。
关键词：西门子；PLC；交通信号灯；控制；LED；倒计时
Abstract
Since the inception of traffic lights, its internal control system on the circuit to be continuously improved.Design began to diversity, so that even more intelligent traffic lights.Traffic control as an integral part of the traffic signals should also be suitable for the actual social situation.This is the choice making crossroads, traffic lights. Programmable Logic Controller (PLC) microprocessor core, based on commonly used electrical relay contactor control system ladder diagram compiled programming language, programming is easy, convenient features extend, modify and flexible, and simple, anti- interference ability.Siemens PLC instruction rich, you can take a variety of output, input expansion device with rich special expansion devices, including analog input devices and communications equipment is according to the traffic light control system requirements and features, the ability to easily network communication.
This choice of Siemens S7-200 programmable controller as the core components, hardware interface design focuses on the use of ladder and statements table programming, a crossroads of traffic light control system automation.Each intersection with LED digital tube, countdown display, making timing more intuitive functionality.
Key word:siemens; PLC; traffic lights; control; LED;countdown
目录
第一章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 研究目的与意义 (1)
1.3 本文的结构 (3)
第二章系统设计方案的选择 (4)
2.1 认识PLC与单片机 (4)
2.1.1 PLC概述 (4)
2.1.2 单片机概述 (4)
2.2 初步区别PLC与单片机 (5)
2.2.1 回顾二者的发展历程与基本概念 (5)
2.2.2 初步得出的几个结论 (5)
2.3 工作原理 (6)
2.3.1 PLC工作原理 (6)
2.3.2 单片机工作原理 (7)
2.4基本结构 (7)
2.4.1 PLC的基本结构 (7)
2.4.2 单片机的基本结构 (7)
2.5对比总结 (8)
第三章总体任务分析与I/O口分配、元器件选型 (9)
3.1 任务分析 (9)
3.2 输入/输出地址分配表以及定时器元件 (10)
3.3 PLC选型 (11)
3.4 倒计时模块选型 (13)
3.4.1 常用译码器 (13)
3.4.2 LED七段数码显示器 (15)
3.5 电气接线图 (15)
第四章交通信号灯的PLC控制器详细设计过程 (18)
4.1 交通信号灯控制系统动作流程图 (18)
4.2 十字路口交通信号灯控制的梯形图及语句表 (18)
4.3 倒计时控制程序梯形图及语句表 (23)
第五章仿真调试 (28)
5.1 仿真程序使用 (28)
5.2 仿真程序调试 (30)
第六章总结 (32)
致谢 (33)
参考文献 (34)
附录A 程序指令表 (35)
附录B 程序梯形图 (38)
附件毕业论文光盘资料
第一章绪论
1.1 引言
1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。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。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
1.2 研究目的与意义
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，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。
传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红
灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。
目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
可编程控制器交通灯控制系统的特点：
1. 脱机手动工作；
2. 联机自动就地工作；
3. 上机控制的单周期运行方式；
4. 由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；
5. 自动启动、自动停机控制方式。
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。
本系统采用PLC是基于以下四个原因：
1. PLC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，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
根据交通信号灯系统的要求与特点，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。
1.3 本文的结构
本文以十字路口交通灯的研发工程项目作为应用背景，对西门子S7-200系列PLC进行了研究。全文共分为六章，各章的主要内容如下：
第一章扼要地介绍了交通灯的历史，项目研究的目的与意义，还有全文结构；
第二章从发展历史、工作原理、基本结构进行对PLC与单片机的对比，阐述了选择PLC的理由；
第三章对十字路口交通灯的任务进行了分析，确定了输入/输出管脚分配，原器件选型。并给出了具体的控制方案，以及时序图。
第四章是详细的设计过程，包括程序流程图、交通灯和倒计时模块的梯形图及语句表，同时做出相应解释。
第五章程序的仿真。
第六章总结全文的研究工作，给出存在的问题和进一步研究的方向。
第二章系统设计方案的选择
对于从事控制系统设计的人，在很多时候都会面临在核心控制元件的选择上究竟是采用PLC还是单片机的问题。由于对于很多控制任务和要求无论采用单片机方案还是PLC方案都能够完成，所以我们要详细分析对于一个具体的设计任务，究竟哪种方案能够实现用相对较低的设计成本达到更为理想的控制效果。要找到这个问题的答案，我们就必须仔细研究单片机与PLC的联系和区别。
2.1 认识PLC与单片机
2.1.1 PLC概述
可编程序控制器（Programmabie Logic Controller,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要，生产发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。
2.1.2 单片机概述
单片机也被称为微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使
用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
2.2 初步区别PLC与单片机
2.2.1 回顾二者的发展历程与基本概念
电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、集成电路到大(超大)规模集成电路共四个阶段。即通常所说的第一代、第二代、第三代和第四代计算机。现在广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，因此它属于第四代计算机。而单片机则是微型计算机的一个分支。它是指把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、基本输入/输出接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机。从而实现微型计算机的基本功能，也就是我们使用的单片机。而PLC是什么呢？PLC的英文全称是Programmable Logic Controller可编程序逻辑控制器。在二十世纪六十年代，美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应汽车型号的不断翻新，想寻求一种能够取代传统继电器控制的装置，于是它在公开招标中提出了著名的GM10条。在次年，美国数字设备公司研制成功第一台PLC。应用于美国通用汽车自动装配线上，取得了极大的成功。日本和西欧国家随后也相继引进或研制成功了可编程控制器。可编程控制器出现以后名称混乱，而且由于其初期在功能上只能进行逻辑控制，因此被称为可编程逻辑控制器。随着技术的发展，很多厂商开始采用单片机或8086系列微机作为中央处理器，使其不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制，进而又实现了运动控制、数据处理和通信联网等功能。所以可编程逻辑控制器后又被更名为可编程控制器(Programmable Controller简称PC),但由于与个人电脑(Personal Computer)叫法重叠，所以现在仍然保留着PLC这种叫法。
2.2.2 初步得出的几个结论
1. PLC和单片机的本质是一样的，它们的发展都是基于微处理技术，它们实质上都是计算机。
2. PLC是建立在单片机之上的一种产品，因为很多PLC内部就使用了单片机(虽然也有一些PLC内部的微处理器没有使用单片机，但却使用了与单片机很类似的其它智能芯片譬如8086等)。
3. 由第二个结论我们可以进一步推出：PLC比单片机“大”，即“体积大”、“功能完善”。实际上，PLC内部使用的单片机芯片一般都是工业级的，而且其它构成元件也都经过了标准化处理，所以PLC的稳定性和抗干扰性要远远优于普通的民用级单片机芯片。
4. 也正因为PLC比单片机“大”，所以价格昂贵。同样的任务若单片机与PLC
都能完成，显然采用PLC方案会增加控制系统的成本。而体积大有时也会限制PLC的应用，比如像手机或者计算器这样的便携式电子产品内部的控制系统的设计与研发就只能采用单片机方案。
2.3 工作原理
2.3.1 PLC工作原理
PLC(Power Line Communication)即电力线通信是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。迄今，PLC技术已经有几十年的发展历史，在技术发展的各个阶段，电力系统已经得到了不同的应用。在高压输电网（35kV以上）、中压输电网（10kV-35kV）以及低压(10kV以下)的各个领域，数据传输的通讯数率不断提高。现阶段，在低压配电网上传输数率已由1Mbps发展到2Mbps、14Mbps、24Mbps、45Mbps甚至达到100Mbps和200Mbps的高速率，传输距离可达300米。在中压配电网传输技术方面，高于10Mbps数据信号的设想和方案也日益引起人们的重视并开发成功。
PLC的工作原理：电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。
为了解决以上低压配电网中各因素对数据传输的影响，在国际范围内，低压配电网的高速数据通信普遍选择了正交频分复用技术OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）作为核心调制技术。OFDM技术采用多路窄带正交子载波，同时传输多路数据，每路信号的码元时间较长，可以避免码元间干扰。通过动态选择可用的子载波，该技术可以减少窄带干扰和频率的谷点的影响。OFDM技术起源于二十世纪六十年代，主要用于军用高频通信系统。70年代，随着离散傅立叶变换来实现多载波调制技术的提出，以及近年来数字信号处理(DSP)技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术被广泛应用于民用通信系统中。目前在无线局域网已经采用了该技术，第四代移动通信（4G）中将采用OFDM技术。
PLC的几种接入方案
在低压配电网数据传输系统一般情况下，由头端（HE）和用户端（CE）组成。头端一般安装在配电变压器低压出线端，它主要实现PLC高频信号和传统的宽带通信信号的互相转换。PLC头端的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注入和提取高频PLC信号；另一侧通过传统电信接入方式，如xDLS、光纤或以太网等连
接至Internet。用户侧称为“电力猫”的设备，主要由接口、调制解调和耦合等三部分组成。用户的计算机通过以太网接口或USB接口、普通话机通过RJ-11接口与“电力猫”相连。实现高速上网、IP电话以及IP视频等多媒体接入服务。
2.3.2 单片机工作原理
单片机是一片IC芯片，单片机与普通集成电路的区别就在于除了具备特定硬件功能外，单片机还会执行软件程序，按照人们预先设计好的逻辑流程去完成人们预期的任务。首先，特定功能是指单片机的基本功能如输入/输出端口，即I/O口；中断功能；定时器/计数功能。现代的单片机品种大都带有增强的功能如A/D变换功能，对多种通讯协议的支持功能，最重要的是所谓的ISP即In System Program，中文叫在系统编程。具有此种功能的单片机片上带有一定容量的Flash存储器，例如4k或是8K，有上万次的可擦写寿命。这样人们只要一根ISP下载线即可实现不用拔下单片机芯片，不用繁琐的擦写烧录过程，瞬间即可更新程序。
2.4基本结构
2.4.1 PLC的基本结构
PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，它按照用户程序存储器中预先编制的控制程序，通过输入接口采入现场信息，执行逻辑或数值计算，进而通过输出接口控制各种执行机构动作。
作为一种以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机，它的硬件配置与一般微机装置类似，主要由中央处理单元（CPU模块）、信号输入/输出模块、电源和编程器部分组成，如图2.1所示。
图2.1 PLC结构图
2.4.2 单片机的基本结构
单片机是一个大规模集成电路芯片，其上集成有CPU、存储器、I/O口(串行口、
并行口)、其它辅助电路(如中断系统，定时/计数器，振荡电路及时钟电路等)。基本结构框图如图2.2。
图2.2 单片机结构图
2.5对比总结
由以上分析可以得出如下结论：
1. 因为体积小而且廉价，所以单片机方案适合大批量重复生产的民用消费品。特别是仪器仪表以及小型控制系统。
2. PLC比单片机更适合于工作母机控制和工业过程控制。
3. 对于单项工程或者重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高、可靠性好。但成本较高。
4. 对于量大的配套项目采用单片机系统具有成本低、效益高的优点．但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。
5. 在单片机方案和PLC方案都适用的前提下，若控制系统对于稳定性和抗干扰性要求很高，即使设计成本较高也应采用PLC方案。
因为PLC有可靠性高、抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适应性强；易学易用；系统设计、建造工作量小，维护方便，改造容易的特点。所以选择PLC设计交通灯是比较合理而有效的。
第三章总体任务分析与I/O口分配、元器件选型
3.1 任务分析
城市交通指挥系统中的许多设备也需要实现自动化控制，PLC在其中的应用也越来越多。以交通指挥信号灯的控制为例，它用于维持城市交通道路十字路口的交通秩序，在每个方向都有红、黄、绿三种指挥灯，信号灯受一个启动开关控制，当按下启动按钮，信号灯系统开始工作，直至按下停止按钮开关，系统停止工作。
图3.1就是城市交通指挥信号灯的一个简单示意图。本例就此系统，讨论PLC 在交通指挥信号灯自动控制中的应用问题。
图3.1 路口交通信号灯示意图
在交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制按一定的时序要求进行，如表3.1所示。
表3.1 交通信号灯的具体控制要求
根据表3.1可知。
●东西方向绿灯和南北方向绿灯不能同时亮。
●系统工作后，首先南北方向红灯亮并维持25秒；在此同时，东西方向绿灯亮，并维持20秒时间，到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。
●在东西方向绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持2秒；到2秒时，东西方向黄灯熄灭，东西方向红灯亮，同时南北方向红灯熄灭，南北方向绿灯亮。
●东西方向红灯亮，并维持25秒；在此同时，南北方向绿灯亮，并维持20秒；然后南北方向绿灯闪亮3秒后熄灭。
●南北方向绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持2秒后熄灭；同时南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮。至此，结束一个工作循环。
两个方向的信号灯，应按上面的要求周而复始地进行工作。其时序如图3.2所示。
图3.2 十字路口交通信号灯控制的时序图
交通灯还应需要具有倒计时功能，方便司机判断剩余时间以便做出选择。倒计时每一个方向需要两个数码管分别表示十位和个位，一共八个。此外，还需要译码器与LED数码管连接，进行译码节省输出端口。
3.2 输入/输出地址分配表以及定时器元件
该控制器输入/输出地址分配表以及定时器元件如表3.2所示。
3.3 PLC选型
根据对交通指挥信号灯控制系统控制要求的分析，系统采用自动工作方式，其
输入信号有系统开启、停止按钮信号；输出信号有东西方向、南北方向各两组指示灯驱动信号。由于每一方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为节省输出点数，可采用并联输出方法。倒计时模块使用译码器减少PLC的输出，东西方向和南北方向的两组数码管均可采用并联。由此可知，系统所需的输入点数为1，输出点数为24，全部是开关量。
根据以上分析，可以选用西门子公司的S7-200系列PLC。S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见表3.3
查阅上表可选择S7-200CPU226(见图3.3（a）)，欠缺的输出端口可以再接EM系列扩展。所学过的课程中只有EM222的8点输出产品可用（见图3.3（b））。
图3.3（a）S7-200CPU226外形图
图3.3（b）EM222外形图
3.4 倒计时模块选型
倒计时采用PLC输出BCD码，由译码器译码后传给七段数码管。
3.4.1 常用译码器
在数字系统中，常常需要将运算结果用人们习惯的十进制显示出来，这就要用到显示译码器。显示译码器主要用来驱动各种显示器件，如LED、LCD 等，从而将二进制代码表示的数字、文字、符号“翻译”成人们习惯的形式，直观地显示出来。
目前用于显示电路的中规模译码器种类很多，其中用得较多的是七段显示译码器。它的输入是8421BCD码，输出是由a、b、c、d、e、f、g构成的一种代码，我们称之为七段显示码。根据字形的需要，确定a、b、c、d、e、f、g 各段应加什么电平，就得到两种代码对应的编码表。七段显示码被送到七段显示器显示。图3.4为CD4511芯片引脚图，各引脚说明见表3.4.，真值表见表3.5。
图3.4 CD4511芯片引脚图
表3.5 译码器真值表