毕业设计说明书
交通信号灯PLC控制系统的设计
专业电气工程及其自动化
学生姓名孙敦峰
班级Z电气111
学号1160601147
指导教师朱学来
完成日期2015年6月5日
毕业设计说明书
独创性声明
本人声明所呈交的毕业设计说明书是本人在导师指导下进行的研究、设计工作后独立完成的。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，说明书中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究所做贡献集体和个人，均己在说明书中作了明确的说明并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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指导教师签名(手写):
日期: 年月日
交通信号灯PLC控制系统的设计
摘要：在路口设置交通灯能够对交通繁忙和拥堵进行有效的疏通，还可以使交通参与者的权利得到强有力的保障。目前我国城市中的交通信号控制系统都比较死板，不存在智能处理的功能。当前的交通灯采用传统的计时器作为控制核心，这种交通信号系统存给交通行驶带来诸多的不便。该设计采用PLC控制核心，实现交通信号灯的时间参数设置和倒计时显示。同时可以根据实际的交通情况，解决交通繁忙和交通堵塞的问题，使得整个交通控制最优化。
考虑到原来交通信号灯的弊端和设备的缺点与局限性，该设计采用可编程序控制器PLC进行整体控制，其主要原因是考虑到PLC具有操作简单易懂而且方便维修、性能可靠、编程灵活通用、体积小且使用寿命很长等一些的优点。在可靠性方面得到很大的提升，硬件设备的故障率减少，更重要的是实现了智能控制，根据实际需要更改放行时间参数，合理确定各路口交通信号灯之间的时间差，以及白天和夜晚两种模式的切换和快速时间调整，使控制系统变得更加便捷、灵活，有效的缩短了行驶车辆的等待时间，大大的提高十字路口的利用率，逐步实现科学化的管理。这样一个智能化的交通控制系统对城市现代化的建设有着很重要的意义。
关键字：交通事故; PLC;交通信号灯;智能化;控制系统
Design of Traffic Light Control System based on PLC Abstract: The installation of traffic lights at the junction with able to effectively clear, you can make right traffic participants get strong protection. At present, China's urban traffic signal control system are relatively rigid, intelligent processing function does not exist. Current traffic lights with traditional timer as the control, this traffic signal system memory to traffic with a lot of inconvenience. The design uses a PLC control core, realize the time parameter set of traffic lights and countdown display. At the same time according to the actual traffic conditions, solving problems, making the traffic control optimization.
Considering the shortcomings and limitations of the original traffic signal lights and the malpractice of the equipment, the design of the programmable controller PLC integrated control, the main reason is considered to the PLC and convenient and reliable performance, programming flexibility, small volume and the use of life is very long, some of the advantages.Has been greatly improved in reliability, the the intersection traffic signal, and day and night modes for and rapid time to adjust, so that the control system rate of the crossroads, the progressive realization of the scientific management. Such an intelligent traffic control system is very important for the construction of the city modernization.
Keywords: Traffic accident；PLC；Traffic lights；Intelligent；Control Systems
目录
1、概论 (1)
1.1交通灯的发展与研究意义 (1)
1.2当前国内外的交通现状 (1)
1.3课题设计内容 (2)
2、PLC简介 (3)
2.1 PLC的组成 (3)
2.1.1 PLC的硬件系统组成 (3)
2.1.2 PLC的软件系统组成 (6)
2.2 PLC的工作原理 (7)
2.2.1 PLC的工作方式 (7)
2.2.2 PLC的工作过程和特点 (8)
2.3 PLC的编程语言 (9)
2.3.1 编程语言的特点 (9)
2.3.2 编程语言的形式 (10)
2.4 PLC的扫描周期和响应时间 (11)
2.4.1 PLC的IO响应时间 (11)
2.4.2 PLC工作方式带来的特殊性 (11)
3、系统硬件设计 (11)
3.1硬件系统组成 (11)
3.2 IO地址分配 (12)
3.3 PLC选型 (12)
3.4 时间显示模块 (13)
3.5交通灯时间控制模块 (13)
4、系统软件设计 (14)
4.1编程软件简介 (14)
4.1.1三菱编程软件 (14)
4.1.2 PLC编程软件GX Developer的使用概述 (14)
4.2系统的工作原理 (16)
4.3 功能流程图 (18)
4.4.交通灯正常运行时序图 (19)
4.5梯形图设计 (20)
4.5.1状态转移图 (20)
4.5.2 数码管显示程序 (21)
4.5.3 计时程序 (23)
4.5.4 亮灯时间预置程序 (24)
5、系统仿真与调试 (24)
5.1仿真系统硬件接线 (24)
5.2系统程序调试 (26)
5.3 程序调试过程中遇到的问题 (28)
6、结束语 (29)
参考文献 (30)
致谢 (31)
附录 (33)
附录1设计图纸 (33)
附录2 系统综合程序 (34)
附录3 元器件清单 (45)
交通信号灯PLC控制系统的设计
1、概论
1.1交通灯的发展与研究意义
交通运输系统是社会经济的“血液循环系统”,是城市功能活动的命脉，是现代社会发展的一个重要表现，同时也是社会发展的重要依托。交通系统直接影响社会经济与生活的各个方面。随着我国交通事业的快速发展，各式各样的公交、运输汽车、私家车等的迅速增加，造成城市交通要道越来越拥堵，城市交通问题越来越突出。交通拥堵、环境污染和车辆行驶安全等一系列问题阻碍了社会和经济的可持续发展。
20世纪以前的交通信号灯控制系统，控制做法流程是：a.先进行调查现场车流量的总体情况；b.采用运用统计学的基本方法将两个不同方向交通灯的时间延时参数事先设置好；这样一个系统没有考虑到实际车流量的变化是一个不确定值，而且不同时间段不同交通路段的路况也是不确定的。因此，我们需要一种能够依据车流量、道路、时间段，甚至季节的变化情况来改变控制方式或者自动调节交通信号灯的时间长度的智能交通信号控制系统。这种交通信号控制系统可以解决车辆在十字路口滞留的问题，使交通变得通畅，便捷，很大程度上提高交通控制系统的工作效率。
设计采用可编程序控制器PLC进行整体控制，在可靠性方面得到很大的提升，硬件设备的故障率减少，更重要的是实现了智能控制，根据实际需要更改放行时间参数，合理确定各路口交通信号灯之间的时间差，使控制系统变得更加便捷、灵活，有效的缩短了行驶车辆的等待时间，大大的提高十字路口的利用率，对交通状况实现了科学化的管理。这样一个智能化的交通控制系统对城市现代化的建设有着很重要的意义！
1.2当前国内外的交通现状
当代世界各国大中小城市中普遍存在着车辆堵塞、道路拥挤、交通秩序混乱等
不和谐现象。总结起来，当前世界各国城市交通主要问题表现在如下特点和问题：
a.城市规模逐步扩大，运输压力沉重。第二次工业革命以来，世界各国取得了经济上的增长和大城市化规模的辉煌成就。城镇化水平越来越高，相继带来各国人民的出行和物资交流频繁，给城市交通带来沉重的压力。
b.机动车增长加快，道路容量不足。随着科技的进步，高性能的原材料产能不断增加，近十几年来城市里机动车数量迅速增长，私家车、出租车、面包车、货运车以至于公交车增幅度很大。而与之相对应的人均道路面积却一直处于低水平状态，尽管近十几年来已经有了很大发展，但是目前的交通状况依然呈现出拥挤状态。
c.公共交通萎缩，出行结构不合理。从20世纪80年代后期开始，私家车和出租车的不断增加，致使世界各国的城市公共汽车交通行业持续萎缩，从运营效率到经营管理，从服务水平到经济效益，这两个方面都出现了大幅度的衰退。另外公共交通事业遭受到来自其他行业的冲击，那些被转移出来的乘客被迫需要寻求其它出行方式，因而加剧出行结构不合理化。
1.3课题设计内容
本课题对基于PLC的交通信号灯控制系统进行科学的设计，以三菱系列的PLC为控制核心，设计并制作交通信号灯控制系统，用于十字路口的车辆交通管理。具体要实现的功能如下：
a.实现路口紧急处理
当交通道路严重堵塞时，用户可以及时的处理，按下紧急按钮后使用转换开关控制交通堵塞的一方。即只允许一个方向（交通堵塞的方向）车辆放行，另外一个方向等待。
b.实现倒计时数码显示
时间倒计时，能够让每个通行的人更好的把握时间，更安全的通过十字路口。
c.实现时间预置
实际的交通情况分为正常运行，交通繁忙和交通堵塞三种情况。正常运行时则无需特殊处理，当交通繁忙和交通堵塞时则需要特殊的处理，以减少司机等待时间，
缓解交通压力。当交通繁忙时调整东西方向和南北方向的绿灯亮灯时间，首先按下亮灯时间预置按钮，用户可根据不同方向的实际交通情况，将配合亮灯时间预置按钮使用的转换开关拨到需要设定绿灯亮灯时间的一方。根据白天和夜晚的实际车流流量的不同，分两种模式，白天运行白天模式，即红黄绿三色灯轮番交替点亮并计时显示；夜间由于车流量比较少，开启夜间模式，即东南西北四个方向的黄灯均为闪烁状态，行车人员可根据路况选择是否通行。
d.实现一般计时
根据需要计时时，只要按下计时开始按钮，系统即刻开始计时。
2、PLC简介
2.1 PLC的组成
2.1.1 PLC的硬件系统组成
用户根据PLC自身的特点，把它应用到各个领域并取得了瞩目的成绩。作为PLC的使用者，要正确的应用PLC去完成各项控制任务，首先一点就是要做到了解它的组成和工作原理。
无论是整体式、模块式还是混合式结构的PLC，其内部结构都相似，主要包括如下几部分：中央处理器，（CPU）、存储器、输入输出（IO）单元、输入输出扩展接口、通信接口、电源的等。
图2-1 PLC的基本结构图
a.中央处理器（CPU）
CPU是PLC的核心部分，即PLC的大脑，控制着这个系统的正常运行。它的具体作用如下:
能够接受和存储用户程序：
接受外部设备的最新状态和数据，存入相应的数据寄存区；
检查存储器、电源、IO的状态，诊断用户程序是否存在语法错误；
实现PLC之间或者上位机与PLC之间的通信；
执行监控程序和用户程序，完成指令的操作；
响应现场设备的请求。
PLC的运算速度越高，它的信息处理量就越大，CPU的位数越多，速度就越快。在FN2n系列的PLC中，CPU的芯片大都是采用表面封装技术的芯片，具有两片超大规模的集成电路。所以N2n系列的PLC在速度和集成度上都是极高的。
b.存储器
存储器主要用于存放可编程序控制器PLC的程序和数据，程序包括系统程序和用户程序。存储器主要包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储区，每一部分又由一定容量的只读存储器（ROM）、随机存取存储区（RAM）和可擦除只读存储器（EPROM）组成。
c.输入输出单元
输入输出单元的作用是PLC与外部设备之间信息的传递。此单元可分为输入输出接口和输入输出信号。
IO接口是PLC与输入输出设备连接的部件，输入接口用来接收和采集现场设备向PLC提供的信号。比如：按钮、选择开关、继电器触点和数字拨码开关等开关量输入信号与电位器、变送器和测速发电机等传送的模拟量输入信号。
输出接口是将主机处理过的结果经过输出电路驱动输出设备，例如接触器、电磁阀、指示灯等。
IO信号分为开关量和模拟量、数字量。开关量输入单元是把现场的各种开关信号转换成PLC能够处理的标准二进制信号。输入端供电电源类型不同，又可以把开关输入单元分为直流输入单元和交流输入单元。开关量输出单元是将PLC内部CPU处理过的微弱信号转换成外部现场执行机构的开关信号，如指示灯的亮与灭。模拟量输入单元是将模拟量信号转换成二进制数字信号，然后送给CPU模块进行数据处理和控制。像温度、速度、流量、位移等都是对应于电压或电流的模拟量，这些量通过一定的PID运算后，控制生产的过程。模拟量输出单元就是将PLC运算的数字信号转换为相应的模拟信号的电流输出信号或者电压输出信号，在通过信号转换成外部设备需要的信号进行控制设备。
d.输入输出扩展接口
输入输出扩展接口用于扩展输入输出点数和类型，当用户在使用PLC所需的输
入输出点数超过主机的点而不够时就要通过输入输出扩展接口将主机与输入输出扩展单元联接在一起供用户使用。
e.通信接口
通信接口是主机与用户实现人—机对话或者机—机对话的通道。PLC可以和编程器、显示器、打印机的等设备相连，构成多级局部网络或者多级分布式控制系统。该接口的功能是并行串行数据的交换、通信格式的识别、信号电平的转换以及数据传输的检验。
f.电源
PLC内部的CPU、存储器、输入输出接口都是需要直流电来供电，所以我们供给PLC的外围输入交流电都必须经过交直流转换电路转换后给PLC供电。很多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，为避免电源干扰，接口电路的电源回路是相互独立的。
2.1.2 PLC的软件系统组成
实际上PLC是一种工业控制计算机，不仅要有硬件系统，而且软件系统也是必备的，只有软件系统配合硬件系统才能完成某一项任务，两者是相辅相成的。PLC 的软件系统通常分为系统程序和用户程序。
a.系统程序
系统程序是可编程序控制器PLC的工作依据和基础，通常采用汇编语言编写，属于知识劳动成果，一般生产商都会固化在EPROM中，防止他人抄袭和篡改，用户不能直接读写干预。系统程序又分为系统监视程序与解释程序两种。顾名思义，系统监视程序是指监控PLC工作的程序。系统监控程序的主要工作是诊断PLC的工作状况以及PLC与外部的信息交换。解释程序是指用来解释用户编写的程序，使其能够在PLC中正常的运行。PLC开始启动后，由系统监控程序启动解释程序，
对用户程序进行解释，把原来用梯形图或者指令表编写的程序，解释成PLC的微处理器可以接受执行的程序，完成用户想要完成的目的，这一切的活动都在系统监视程序的监视下完成，防止出现错误。
b.用户程序
用户想要完成某项任务，就要编写PLC可以识别的任务指令，而这种用编程器或者编程软件编写的完整指令被称为用户程序。当编写好程序后，用户可以通过编程软件与PLC相连，把程序下载到PLC内部，当PLC上电检测后，就可以执行程序所要完成的任务。
2.2 PLC的工作原理
PLC其实是一种特殊的工业控制微型计算机，由于具有特殊的接口器件和监控软件，使得它的工作原理、编程语言与一般的计算机不同。另一方面，它作为继电器控制装置的替代品，这两者的运行方式也是大不相同的。这里通过PLC的工作方式展开对其工作原理的讲述。
2.2.1 PLC的工作方式
可编程序控制器PLC在结构形式上与微型计算机有很多相同的地方，但是微处理器是计算机的核心单元。由于PLC在工业控制过程中有着较强的逻辑运算关系，所以PLC并不采用微处理器的工作方式，即等待命令和中断的工作方式，而是采用一种循环扫描的工作方式。
可编程序控制器的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的工作方式，实际的含义是指输出线圈或逻辑线圈被接通或者断开时，直到本次扫描结束未进入下一个扫描周期之前，所有被扫描到的线圈上的触点均不会发生相应的动作。为了消除继电器控制装置的工作方式与PLC的运行方式之间的差异，PLC采用一种扫描技术，这种技术不同于微型计算机的工作方式。主要是根据继电器装置和PLC扫描程序的时间不同，即继电器装置触点动作的时间为100ms，而PLC扫描的时间小于100ms。运用这项技术，在对于IO响应时间不高的场合执行出来的结果和利用继电器执行出的结果并没有什么区别。
2.2.2 PLC的工作过程和特点
在给PLC供电后，才能进入正常的运行状态。PLC 采用的循环扫描方式不同于计算机工作的方式，通常包含输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段，扫描完成这三个阶段称为一个扫描周期，CPU会以一定的速度重复执行这三个阶段。
图2-2 PLC的扫描工作过程
a.输入采样阶段
PLC的全部输入端子的所有信号按顺序读入到响应映像区，这一过程称为采样。在一个工作周期内，采样结果的内容不会发生改变，在进入下一个工作周期的输入采样阶段，上一个周期内的采样结果被新读取的状态信息取代。
b.程序执行阶段
在程序执行阶段，CPU对用户的程序按照步序号，遵照从左到右，从上到下的扫描原则，逐条进行扫描、解释、执行。从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读取出元件的状态，并根据程序运算出结果，把运算的结果存储在输出映像寄存器和元件映像寄存器中。
c.输出刷新阶段
程序执行完毕以后，PLC将输出映像区的内容送入到输出锁存器中，成为PLC 的实际输出，再去驱动用户外部设备，这一过程就是输出刷新。
PLC在进行信息处理的工作过程中，必须遵循如下规律：
再输入刷新期间，各个输入端子的接通与断开决定着输入映像存储器的数据变化；
PLC内部程序的如何执行要根据用户下载到PLC内部编写的程序以及输入映像存储器和元件映像存储器里的内容来决定。在程序执行期间，输入映像存储器的内容不会随着程序的执行而发生变化，但是内部元件映像存储器和输出映像存储器里的内容是会随着程序的执行而变化的；
执行后，输出的结果决定着输出映像存储器的内容；
输出锁存器决定着所有输出端子的状态。
图2-3 PLC的扫描周期图
2.3 PLC的编程语言
2.3.1 编程语言的特点
PLC逻辑控制功能的实现必须通过编程语言来实现，随着PLC的不断发展，它的编程软件呈现多样化和高级化的发展趋势。PLC的编程语言是一种专门的符号语言，适应于PLC装置，既能满足编写容易，又能满足调试容易的要求。这种编程语言不同于高级语言和汇编语言。目前市场上现有的PLC种类较多，不同类型的PLC对应的编程软件也有所不同。其基本规律是同一厂家生产的PLC编程语言是可以通用。PLC型号虽各不相同，但是他们的编程语言有着相同的特点，比如：
a.图形式指令结构：为了易于理解和记忆，用户程序由图形的方式进行表达，程序中的指令全部由代表不同含义的图形符号共同组成。编程软件内拥有用户编程所需的独立运算功能编制成的象征性图形，用户可以根据实际的需要进行相应的编程。这种方法化抽象为直观、化复杂繁琐为易懂，备受广大用户的欢迎。
b.明确的变量常数：在编程中，图形符号相当于指令操作码，规定其运算功能，指令操作数可以由用户根据实际需要写入，PLC的产品型号决定着本产品的PLC 常数和变量的取值范围，详细的说明，可以参照使用说明书。
c.简化程序结构：用户编写的PLC程序结构简单，多为块式结构，功能块不同，完成的任务也不同。这样方便调试者对整个程序的控制功能和顺序进行维护和修改。
d.简化应用软件生成过程：我们需要的软件越简单越好。以往用高级语言和汇编语言编程时都要经过三步，即编辑、编译、链接。这样相对比较繁琐、复杂。我们需要的是一个编辑过程即可，其他的工作由系统软件自行完成。
f.强化调试手段：PLC程序调试由生产厂家提供了完善的硬件的条件，主要使
用编程器或者编程软件，使PLC与编程器上的输入输出按键、显示器连接，在内部编辑、调试、监控等在软件支持下，进行程序诊断和调试相对比较简单。
2.3.2 编程语言的形式
PLC拥有完整的编程语言，每一个生产厂家，甚至同一厂家生产的不同型号的PLC都具有适应该产品的编程语言。目前市场上的PLC最常用的编程语言有四种：梯形图编程语言、功能图编程语言、指令语句表编程语言、高级语言编程。
a.梯形图编程语言（LAD）
梯形图编程语言类似于继电装置控制电路，形象直观。是一种由图形符号组成的编程语言。习惯上成为“梯形图”。梯形图按“从左到右”，“自上而下”的顺序排列，最左边的竖线称为“起始母线”或者“左母线”，然后按照控制要求和规则连接各个“软触点”，最后以继电器线圈结束。目前，最受程序员欢迎的梯形图，是使用最多和最常见的一种编程语言。
b.指令语句表编程语言(STL)
指令语句表编程语言又称助记符语言，它类似于汇编语言，采用一些容易记忆的助记符来表示PLC的某种操作。它有操作符和操作数两部分组成，比汇编语言更直观易懂。虽然不如梯形图直观形象更易懂，但是方便键入。
c.功能图编程语言（SFC）
功能图编程语言是近些年来新出的一种比较新颖的编程方法，它像控制系统流程图一样的功能图来表达一个顺序控制过程，适合于“步进控制”。
d.高级语言编程
高级语言的更接近于人脑的思维，更加的通俗易懂，而且弥补了其他编程语言的不足之处。但是这种高级语言比较难掌握，需要很好的计算机基础和C语言知识，学习者的思维逻辑能力要很强。
2.4 PLC的扫描周期和响应时间
2.4.1 PLC的IO响应时间
输入输出的滞后时间就是PLC的IO响应时间，是指从PLC的外部输入信号发生变化直至相对应的输出设备发生变化的时间间隔，IO响应时间由输入电路的滤波时间、输出电路的滞后时间以及扫描工作方式所产生的滞后时间组成。
2.4.2 PLC工作方式带来的特殊性
a.IO响应滞后
在执行PLC的控制时，由于输入滤波与软元件的驱动时间等方面的原因，会造成IO响应滞后。
b.二重输出线圈的动作
当在同一程序中，多处使用同一个线圈，在执行程序时容易出现二重线圈动作，执行二重输出时，后面的输出继电器线圈优先动作。
3、系统硬件设计
3.1硬件系统组成
根据交通信号灯要实现的功能分析，此系统的核心元器件是PLC，还包括外围设备，即输入设备和输出设备。其中输入设备应该包含有启动按钮、停止按钮、亮灯时间预置按钮、紧急情况按钮、计时开始按钮、计时快速调整按钮分别为1个，当遇到交通堵塞时，按下紧急按钮后需要一个东西方向绿灯或者南北方向绿灯的转换开关；当亮灯按下亮灯时间预置按钮后需要一个东西方向亮灯时间预置或者南北方向亮灯时间预置的转换开关；亮灯时间预置这项功能需要两个4位BCD拨码盘来实现。输出设备包括东西南北四个方向的红绿黄信号灯各一盏，共12盏信号灯；因为为了能够让每个通行的人更好的把握时间，更安全的通过十字路口，系统有时间倒计时功能，时间显示部分采用共阳型7段数码管来显示，四个方向各需要2个，
共8个数码管。整个的硬件系统就要这些元器件按一定的顺序、位置连接在PLC 上，完成交通信号灯PLC控制系统的硬件设计。
3.2 IO地址分配
根据硬件系统的组成分析，可知其中输入点包括6个按钮需要6个输入点；一个转换开关占用两个输入接点，需要准备4个输入接点供两个转换开关使用。
时间预置采用的拨码盘需要占用8个输入接点，总共需要18个输入点。为了编程简单和节省输出点数，输出部分的东西方向和南北方向的信号灯以及数码管采用并联的方式。这样东西方向和南北方向的信号灯并联，12盏信号灯共需要6个输出点，节省6个输出点；东西方向和南北方向的数码管并联，8个数码管共需要14个输出点，节省14个输出点。整个系统的输出设备总共需要20是个输出点。进行PLC的IO点分配如下表：
表3-1 IO地址分配表
输入点（I）输出点（O）X0 启动按钮Y0 东西方向绿灯
X1 停止按钮Y1 东西方向黄灯
X2 紧急按钮Y2 东西方向红灯
X3 紧急转换开关K1东西绿灯触点Y3 南北方向绿灯
X4 紧急转换开关K1南北绿灯触点Y4 南北方向黄灯
X5 亮灯时间预置按钮Y5 南北方向红灯
X6 时间预置转换开关K2东西时间预置触点Y10~Y16 东西方向2位数码管X7 时间预置转换开关K2南北时间预置触点Y20~Y26 南北方向2位数码管
X20—X27 BCD拨码盘输入
X10 计时开始按钮
X11 计时快速调整按钮
3.3 PLC选型
综合硬件系统组成和IO地址分配的分析，可知此硬件系统共需要38个IO接