基于可编程器件的交通控制器的设计
摘要：
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。
实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。我选择了用可编程的控制器PLC来实现系统功能的设计，完成本次课设的题目。
关键字：PLC 交通灯程序报告设计
Programmable devices based on the design of traffic controllers
ABSTRACT：As social and economic development, urban transportation is increasingly a cause for concern. People, vehicles and road the relations between the coordination of traffic management has become an important problem to be resolved. Urban traffic control system is used for urban traffic data monitoring, traffic signal control and traffic control of computer integrated management system, which is the modern urban traffic monitoring and command system, the most important part.
Intersection traffic light system to achieve control of many ways you can use standard logic devices, programmable logic controller, PLC, MCU and other programs to achieve. I chose to use programmable controller PLC to realize the system function design, complete set of this class title.
Key word:The PLC transportation light procedure report design
目录
第一章概述 (4)
第二章 PLC的基础知识 (5)
2.1 PLC的特点及应用 (5)
2.2 PLC的基本组成 (5)
2.3 PLC的工作原理 (7)
2.4 PLC的汇编语言 (7)
第三章 PLC控制交通灯系统 (10)
3.1 十字路口交通灯控制实际情况 (10)
3.2 结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验 (10)
3.3 十字路口交通灯流程图 (11)
3.4 交通灯硬件设计 (14)
3.5交通灯控制程序设计 (15)
第四章设计总结 (29)
致谢 (30)
附录 (32)
基于可编程器件的交通控制器的设计
06自动化杨兴树
指导老师：王杏进讲师
第一章概述
十字路口交通灯的控制，有效地解决了复杂的交通路况问题，保障了行人与车辆的安全，节省了大量的警力资源，维护了正常的交通集序。
实现十字路口交通灯系统的控制的方法很多，可以用标准逻辑器件、单片机、可编程序控制器PLC等方案来实现。其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器件如门电路等的影响，调试工作极为不易；单片机的开发周期长，对使用者的要求高，使用难。，可编程控制器PLC的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。同时，PLC本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。在该设计中，还引入F940触摸屏模拟十字路口红绿灯闪亮及车辆通行，十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。
第二章 PLC的基础知识
2.1 PLC的特点及应用
2.1.1 PLC的特点
PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便。其特点可以归纳为以下几点：
1．可靠性高，抗干扰能力强；
2．通用性高，使用方便；
3．程序设计简单，易学，易懂；
4．采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；
5．系统设计周期短；
6．安装简便，调试方便，维护工作量小；
7．对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产。
2.1.2 PLC的应用
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。
2.2 PLC的基本组成
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从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
一、CPU的构成
PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，
。
二、I/O模块：
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
三、电源模块：
有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V 的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。
四、底板或机架：
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
五、PLC 的外部设备
外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类
编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。
监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。
输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。
六、PLC的通信联网
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC 之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。
了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。
2.3 PLC的工作原理
PLC用户程序的执行采用循环扫描工作方式。它有两种基本工作模式，即运行模式（RUN）和停止模式（STOP）。
在运行模式中，PLC除进行内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段的周期扫描工作。
(1）输入采样阶段:在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。
(2）程序执行阶段：PLC对用户程序扫描。
(3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。
2.4 PLC的汇编语言
采用面向控制过程，面向问题，简单直观的plc编写横语言，常用的有：梯形图，语句表，功能图等。
1. 梯形图：由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但
梯形图编程语言功能更强更方便。
主要特点：
1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，
起使左母线。
2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”
3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。
4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。
2. 语句表：又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编程。例：下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例
图1 梯形图程序图例
它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，用以结束程序。
梯形图与助记符的对应关系：助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为：
地址指令变量
0000 LD X000
0001 OR X010
0002 AND NOT X001
0003 OUT Y000
0004 END
反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。
PLC的基本指令有输入输出指令（LD/LDI/OUT）；触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI）；电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）；程序结束指令（END）.
第三章 PLC控制交通灯系统
3.1 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. 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。
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。
3.2 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（亮时为红色）
●直通灯（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，
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。
2. 南北向和东西向行人道均设为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绿灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。东西行人道通行绿灯于东西主干道绿灯点亮是点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。
3. 除此之外另设两个功能，使用10个脉冲开关。实现让盲人可以方便通过十字路口和手动控制车流量。其中8个安装在人行道的两边当东西方向行走的盲人要过马路的时候，按下脉冲开关东西向行人道绿灯亮起，南北向主干道红灯闪亮，延迟10秒恢复原来的控制系统。南北向脉冲开关对应东西向功能相同，另外两个脉冲开可以控制车流量，当东西向主干道等待车量较多的时候，按下东西向控制脉冲开关，东西向主干道延长绿灯点亮时间到15秒。东西向行人道绿灯也要对应延长。南北向脉冲开关对应东西向功能相同。
3.3 十字路口交通灯流程图
3.4 交通灯硬件设计
3.4.1交通灯硬件及外围元器件的选择
根据信号灯的要求，所有器件有：三菱FX系列PLC，启动按钮SB1，停止按钮SB2，红黄绿色信号灯各4个，各种传感器以及若干导线。
3.4.2 PLC外部接线图的设计
输入，输出接口连线如下图所示：
由图可见启动按钮SB1接于输入继电器X0端，停止按钮SB2接于输入继电器X1端，东西方向绿灯接于输出继电器Y5端，东西方向黄灯接于输出继电器Y4端，东西方向的红灯接于输出继电器的Y3端，南北方向的绿灯接于输出继电器的Y2端，南北方向的黄灯接于输出继电器的Y1端，南北方向的红灯接于输出继电器的Y0端。将输出端的COM1和COM2用导线相连，输出端的电源为交流220V。如果信号灯的功率较大，一个输出继电器不能带动两只信号灯，可以采用一个输出点驱动一只信号灯，也可以采用输出继电器先带动中间继电器，再由中间继电器驱动信号灯。
图5 PLC输入，输出接口图3.5交通灯控制程序设计
3.5.1 十字路口交通灯模拟控制时序图
3.5.2 PLC的I/O分配与接线
1. PLC的I/O分配
2. PLC的I/O接线
图9 PLC的I/O接线图3.5.3 控制程序梯形图