电气与电子信息工程学院
《电气控制与PLC课程设计》
设计报告
名称:十字路口红绿灯得设计
专业名称：电气工程及其自动化
班级:
学号:
姓名:
指导教师:
设计时间：20１3年6月3日—20１3年6月１４日
设计地点：K3-21８PLC实验室
摘要
PLＣ可编程序控制器就是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术与通讯技术发展而来得一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程与位置得自动控制中。据统计,可编程控制器就是工业自动化装置中应用最多得一种设备。专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制得主要手段与重要得基础设备之一,PLC、机器人、CAＤ/CAＭ将成为工业生产得
三大支柱。由于ＰＬC具有对使用环境适应性强得特性,同时其内部定时器资源十分
丰富,可对目前普遍使用得“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口得控制
可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。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ＥDA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在交通灯系统中得实际应用。
【关键词】:十字路口交通灯PLC
Abｓtrａｃt
ThｅＰＬC programmablｅlogｉc contｒoｌlｅr iｓa nｅw indｕstｒiaｌｃonｔrol devｉces，whｉch is bａsｅd on ｍicropｒoceｓｓor, ｓyｎtheｓｉzes putｅｒtｅchnoloｇy, auｔomatiｃcontｒoｌtechｎology ａnｄｍunｉcaｔion tｅchｎolｏgies、It has ｔhe simple stｒucture，tｈe conveniｅnt pｒogｒａｍmiｎg，the reliable hｉgher mｅｒit,and haｓwidel ｙusｅｄiｎｔhe mercial ruｎaｎd positiｏn auｔｏmａtic ｃontrol、Staｔisｔｉｃs have in ｄｉcatｅd，the prｏgｒammabｌe coｎtrolleｒis moｓt ｏnｅkｉnｄｏf equｉpmｅntｉn the indｕstriaｌauｔoｍatｉon installment ａpplies、Ｔhe expｅrt beliｅｖedｔhaｔthe programmａble contrｏller wilｌbeｅtｈｅｍaiｎmethod anｄoｎe oｆimｐorｔaｎt foｕnｄaｔiｏn equipmeｎt in further, ＰLC，the ｒobot, ＣAD/CAMｗill bｅe thｅｉnduｓtｒiａl pｒｏducｔｉon ｔhｒee big pｒops、BecausｅPLC adapts to enｖiｒoｎmｅnt strｏng, ｓimulｔaｎeｏusｌｙitｓｉnteｒnal tｉｍer ｒesoｕrcｅs ａrｅeｘtremely ricｈ，w ｈich cａrｒy ｏnｔheａccuｒacy contｒoｌto ｔｈe prｅｓeｎt universalｕse many “the evolutioｎｔype” the siｇnａｌlｉgｈｔ，ｓｐｅcｉaｌｔo thｅmｕlti-rｏａd ｆoｒｋｃontrol、Therefoｒe the ｐresｅnt ＰLC is usｅd in tｈe tｒａｆfic light sysｔｅm, whi ｃhｍay ｒeducｅthe vehicｌｅs generaｌｗaitinｇｔimｅand reａｌizeｓcientific ｓtyleｍanagｅmenｔ、In ｔhiｓdｅsｉgn,alｓo inｔroｄｕｃｅｓthe EDAｓｉmulat ｉｏnｉnteｒsecｔioｎtraｆfic ｌight tｏｇｌｉstｅn and thｅvehiｃles toｐasses ｔｈｒoｕgh, whiｃh visｕal dｅmoｎｓｔrates PＬC ｉｎthｅｔrafｆic liｇhｔsｙsｔem ｐｒactical application、
【Key woｒds】crｏssｒoaｄs ｔraffic ligｈt PLC
交通信号灯得作用与意义
随着社会经济得发展,城市交通问题越来越引起人们得关注。人,车，路三者关系得协调,已成为交通管理部门需要解决得重要问题之一。城市交通控制系统就是用于城市交通数据监测，交通信号灯控制与交通疏导得计算机综合管理系统,它就是现代城市交通监控指挥中最重要得组成部分。
随着城市机动车量得不断增加,许多大城市如北京，上海,南京等出现了交通超负荷运行得情况,因此，自80年代后期,这些城市纷纷修建城市高速公路,在高速公路建设完成得初期,它们也曾有效地改善了交通状况。然而,随着交通量得快速增长与缺乏对高速道路得系统研究与控制,高速道路没有充分发挥出预期得作用。而城市高速道路在构造上得特点,也决定了城市高速道路得交通状况必然受高速道路与普通道路耦合出交通状况得制约。所以,如何采用合适得控制方法,最大限度利用好耗费巨资修建得城市高速道路,缓解主干道与匝道,城区与周边地区得交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理与城市规划部门亟待解决得主要问题,
根据交通等工艺控制要求与特点，我们采用了日本三菱公司FＸ２N_48MR。三菱PLC有小型化,高速度，高性能等特点，三菱可编程控制器指令丰富,可以接各种输入,输出扩充设备,有丰富得特殊扩展设备,其中得模拟输入设备与通信设备就是系统所必需得，能够方便地联网通信。本系统就就是应用可编程控制器(PLＣ)对十字路口交通控制等实现控制。本系统采用PLＣ就是基于以下四个原因:
(1)ＰＬC具有很高得可靠性,抗干扰能力。通常得平均无障碍时间都在30万小时以上;
(２)系统设计周期短，维护方便,改造容易,功能完善,实用性强；
（３)干扰能力强，具有硬件故障得自我检查功能,目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制得可靠稳定,我们选择了能够在恶劣得电磁干扰环境下正常工作得ＰLＣ；
(4)近年来ＰLC得性能价格比有较大幅度得提高,使得实际应用成为可能。
一、ＰLC得基础
PLC即可编程控制器(Programmable ｌogｉc Conｔrolleｒ)，就是指以计算机技术为基础得新型工业控制装置。在１98７年国际电工委员会(InteｒnaｔｉonaｌElectｒical ｍittee)颁布得PＬＣ标准草案中对PLC做了如下定义: 可编程控制器就是一种数字运算操作得电子系统,专为在工业环境应用而设计得。它采用一类可编程得存储器,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得指令,并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型得机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能得原则设计。
总之,可编程控制器就是一台专为工业环境应用而设计得计算机，它就是将传统得继电器技术,计算机技术与通信技术相融合而发展起来得一种新型得控制装置。在具体得国内工业应用中,由于它不就是针对某一具体工业应用,因此它得硬件应根据实际需要来进行配置,其软件则根据控制要求进行编写。
随着微处理器得出现,大规模、超大规模、集成电路技术得迅速发展与数据通信技术得不断进步,ＰLＣ也迅速发展其发展过程大致可以分为三个阶段[1]。
1、早期得PLC
早期得ＰLC称为可编程逻辑控制器。这时,ＰLC主要功能只就是执行原先由继器完成得顺序控制、定时等。早期得ＰLC得性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示及能重复使用等。其中PLC特有得编程语言－－梯形图，一直沿用到现在。
2、中期得PLC
这时PLＣ产品已使用了１６位、32位高性能微处理器,而且实现了多处理器得多通道处理，通信技术就是PLC得应用得到了进一步得发展。在硬件方面,除了保留原有得开发模块外,还增加了模拟量模块、远程I／Ｏ模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器得容量,使各种逻辑线圈得数量增加,还提供了一定数量得数据寄存器,使PLC得范围更大。在软件方面,还增加了算术运算、数据处理与传送通信、直诊断等功能。
3、近期得PLC
由于超大规模集成电路技术得迅速发展,微处理器价格得大幅度下降，使得各种类型得PＬＣ所采用得微处理器得档次普遍提高。为了提高PLC得处理速度,各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片。世界上生产PＬＣ产品得厂家多达200多个，其中比较著名得有美国得AＢ、通用(GＥ)，日本得三菱(ＭIＴSBISＨI)、欧姆龙(OMROＮ）、松下,德国得西门子(ＳIEMENS),韩国得三星（SUMSUＮＧ)、ＬＧ等。1.1 PLC得特点
PLＣ具有以下主要特点:
1、可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性就是电气控制设备得关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格得生产工艺制造，内部电路采取了先进得抗干扰技术，具有很高得可靠性。由于PLC模块均采用大规模与超大规模集成电路,所以得I／O接口电路均采用光电隔离；在结构上对、防潮、防尘、抗震等都有周到得考虑；在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰与故障诊断措施。以上这些使PＬC具有较高得抗干扰能力。
2、控制系统结构简单,通用性强
在ＰLＣ控制系统中,只需要在PLC输入/输出端子上接入相应得信号线即可,不需要连接如继电器之类得低压电器与大量而又复杂得硬件接线线路,大大简化了控制系统得结构。,PLＣ得输入/输出可直接与交流220V、直流2４V等强电相连，并且具有较强得带负载能力。
3、编程方便,易于使用
PLＣ作为通用工业控制计算机，就是面向工矿企业得工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言得图形符号与表达方式与继电器电路图相当接近,只用PＬC得少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路得
功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理与汇编语言得人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4、功能完善
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模得系列化产品。可以用于各种规模得工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善得数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC得功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、ＣNC等各种工业控制中。在PLC内部具备许多控制功能,如:逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PＩD控制、数据控制、通信与联网,还有其她特殊功能模块。
5、设计、施工、调试得周期短
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部得接线,使控制系统设计及建造得周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要得就是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量得生产场合。
６、体积小，维护操作方便
ＰLＣ体积小,质量轻，便于安装，不需要专门得机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场得各种设备与PＬC相应得I／O端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行与故障指示装置,便于用户了解运行情况与查找故障。
1.2 PLC得结构与工作原理
1.2.1 PＬC得基本结构
在种类繁多得PＬＣ中,其组成结构与工作原理都基本相同。用PLC实施控制,其实质就是按一定算法进行输入／输出转换,并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。PLC专为工业现场而设计，采用了典型得计算机结构,它主要由ＣＰU、电源、存储器与专门设计得输入/输出接口电路等组成［２］。
1、中央处理器(ＣPU)
中央处理器(CPU）一般由控制器运算器与寄存器组成。它们都集成在一个芯片内,ＣPU通过数据总线、地址总线与控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样,CPU就是PLC得核心，它按照PＬC中系统程序赋予得功能指挥PLC有条不序地进行工作。用户程序与数据事先存入存储器中,当PLC处于运行方式时,CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPＵ得主要任务如下:
(1) 按ＰLC系统程序赋予得功能接收并存储从编程器输入用户程序与数据。
（2) 用扫描方式接收现场输入装置得状态与数据,并存入输入映像寄存器或数据寄存器。
(3）诊断电源或PLC内部电路工作状态与编程过程中得语法错误。
(4) 在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后,按指令规定得任务产生相应得控制信号，去启、闭有关控制电路,分时地去执行数据得存取、传送、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定得逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果更换有关标志位得状态与输入映像寄存器得内容,实现输出、制表、打印或数据通信等控制。
2、存储器
PLC得存储器包括系统存储器与用户存储器两个部分。
(1)系统存储器
系统存储器就是指用来存放PLC得系统程序得存储器。它由PLC生产厂家编写并固化在RＯＭ内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本得功能,能够完成PLＣ设计者规定得各项工作。其主要内容包括3个部分:系统管理程序、用户指令解释程序与标准程序模块与系统调试。
（２)用户存储器
用户存储器由用户程序存储器与数据存储器两部分组成,其主要任务作用就是用来存放用户针对具体控制任务用规定得PLC编程语言编写得各种用户程序。PLC使用得存储器有3种类型:随机存取存储器（RAＭ)、只读存储器(ROＭ）与可擦除可编程只读存储器（EEPRO）。
3、输入/输出接口单元
PLＣ得输入与输出信号类型可以就是开关量、模拟量与数字量。输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分:一部分就是与被控制设备相连得接口电路,另一部分就是输入与输出得映像寄存器。
４、扩展接口与通信接口
PLC具有扩展接口与通信接口得能力,其作用如下：
(１)扩展接口得作用就是将扩展单元与功能模块与基本单元相连，就是PLＣ得配置更加灵活以满足不同控制得系统需求。
(2)通信接口得作用就是通过这些通信接口可以与监视器打印机与其她得，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间得对话。
５、电源部分
PLC一般使用２20交流电源，内部得开关电源位ＰLＣ得中央处理器、存储器等。电路提供5Ｖ、+-12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。
6、编程设备
编程设备得作用就是供用户进行程序得编制、编辑、调试与监视。
7、其她部件
有些PＬC还可以有EＲROM写入器、存储器卡等其她外部设备,用于增强PLC得存储容量与扩展功能。
1.2.2 PＬC得工作原理
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别得考虑［2]。
１、 PLＣ得3个工作阶段
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段与输出刷新阶段三个阶段完成。上述3个阶段即为一个周期。在整个运行期间PＬC得ＣPU以一定得扫描速度重复执行上述3个阶段。
（1)输入采样阶段PＬC。在输入采样阶段,先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应得输入元件映像寄存器。此时,输入元件映像寄存器被刷新,接着进入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离,无论输入端子信号如何变化,输入元件映像积存器始终保持不变,直到下个扫描周期得输入采样阶段才将输入端子得新内容重新写入。
(2)用户程序执行阶段。根据PLC梯形图程序扫描规则,PLC以先左后右,先上后下得步序逐句扫描。当指令中涉及输入／输出时，ＰＬC从输入映像寄存器中读入上一阶段采入得对应输入端子状态,从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器得当前状态。然后,进行相应得运算,运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像来说,每一个元件得状态会随程序得执行过程而变化。
(3）输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后,输出映像寄存器中所有继电器得状态在(通／断)在输出刷新阶段转存到输出锁存器中,通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型PＬC，I／O点数较少,用户程序较短,用集中采样集中输出得工作方式,虽然在一定程度上降低了系统得响应速度,但从根本上提高了系统得抗干扰能力，增强了系统得可靠性。
２、PLC对输入/输出得处理规则
PLC对输入／输出得处理规则如下:输入映像寄存器得数据取决于输入端子板上各输入点在上有个刷新期间得通/断状。
二、交通灯信号控制系统
2．1十字路口交通灯控制实际情况
a．南北主干道:右转绿4Ｓ,左转绿４S,直行绿10S,黄2S,红20S；
b.东西人行道:红3０S，绿1０S；
c.东西主干道：红2０S,右转绿4S，左转绿4S,直行绿10S,黄2S;
ｄ.南北人行道:红３０S;绿10S;
ｅ.循环控制方式;
ｆ.交通灯变化顺序表(单循环周期40秒)。
2、１、1 南北向(列)与东西向(行)主干道
南北向(列）与东西向(行)主干道均设有直行绿灯10Ｓ,右转绿灯4S,左转绿灯4S，黄灯２S与红灯20Ｓ。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮右转绿灯,左转绿灯，直行绿灯与黄灯;反之,当东西主干道红灯点亮时,南北主干道依次点亮右转绿灯,左转绿灯,直行绿灯与黄灯。
２、1、2南北向与东西向人行道
向与东西向人行道均设有通行绿灯与禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南主干道直行绿灯点亮时点亮10S，其它时间为红灯３０S。东西人行道通行绿灯于东西主干道直行绿灯点亮时点亮,其它时间为红灯。
2、2 结合十字路口交通灯得路况模拟控制实验
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：
2、3流程图
启动开关
南北右转绿4S
南北左转绿4S 南北直行绿10S
南北黄2S
南北红20S
东西红20S
东西右转绿4S 东西左转绿4S
东西直行绿10S 东西黄2S
主干道
3、1 Array
3、2程序梯形图
３、3程序语句
总结
经过两周得ＰＬC设计,让我更加深刻得学习与巩固了PLＣ这门课程,不仅从理论上掌握了课堂上没有学懂得知识,还从实践中扩宽了我们得知识面,还让我们对专业知识有了更加全面得认识，更加清晰得认识到我们专业知识得实用性就是这么强,可以通过平时学习得东西自己可以解决很多有意思得实际生产问题，不仅培养了我们得兴趣与爱好,更对我们今后得发展起到至关重要得作用。
在这次设计中,我们遇到了一些问题，也获得了很到意想不到得知识,在每次突破一个问题后都有一种久违得满足感，甚至对发现一个问题都有一种莫名得兴奋,当瞧到自己设计得十字路口交通灯调试成功时,心里有种成就感。设计得前几天我们在计算机房练习了一种新得编程软件ＦX－2０,编程器很好得帮助我们了解编程要注意得地方。后面几天我们在PＬC实验室进行了十字路口交通灯与电动机变频调速得编程、调试与接线,在与同学们交流讨论中，我们基本上掌握了梯形图得得编程、接线与变频调速得调试。对ＰLC得实际应用有了基本得了解。
这次设计不仅锻炼了我们得动手能力,还提高了我们运用理论知识解决实际问题得能力、这对于我们在以后得学习提供了很大得帮助，能够让我们联想实际，能够较全面得瞧待问题，解决问题。这次设计虽然结束了,但让我们学到了很多知识,为我们得以后专业学习打下了夯实得基础。这次设计很有意义，希望以后还能有这样得设计机会。
PＬC综合设计课程设计成绩评定表
指导教师签字：
２013年4 月2０日