十字路口交通信号灯控制系统设计.doc

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1、十字路口交通信号灯控制系统设计摘 要PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的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和位置的自动控制中。此设计将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，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。【关键词】：交通灯 PLC 自动控制1.1 研究目的和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

2、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。 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

3、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：脱机手动工作；联机自动就地工作；上机控制的单周期运行方式；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；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：PLC具有很高

4、的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；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；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。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S7-2

5、00系列中最高档次.2.PLC的基础PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程 。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

6、个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术，计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置 。在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此它的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。2.1.PLC的特点PLC具有以下主要特点： 1. 可靠性高，抗干扰能力强2. 控制系统结构简单，通用性强3. 编程方便，易于使用4. 功能完善5. 设计、施工、调试的周期短6. 体积小，维护操作方便2.2.PLC的结构和工作原理2.2.1. PLC的基本结构在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理

7、都基本相同。用PLC实施控制，其实质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，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。 1. 中央处理器(CPU) 中央处理器(CPU)一般由控制器运算器和寄存器组成。它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和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是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不序地进行工作。用户程序和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。

8、 CPU的主要任务如下： (1) 按PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。 (2) 用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。 (3) 诊断电源或PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。 (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，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定的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的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。 2. 存储器 PLC

9、的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。 (1)系统存储器 系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。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具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。其主要内容包括3个部分：系统管理程序、 用户指令解释程序和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和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。PLC使用的存储器有3种类型：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和可擦除可编程只读存储器(EEPRO)。3. 输入/输出

10、接口单元PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。 4. 扩展接口和通信接口PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。(2)通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现”人-机”或”机-机”之间的对话。5. 电源部分PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位PLC的中央处理器、存储器等。电路提供5V、+-12V、2

11、4V等直流电源使PLC能正常工作。6. 编程设备编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。7. 其他部件有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。2.2.2. PLC的工作原理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的考虑。1. PLC的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、用户程序执行阶段和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的CPU以一定的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

12、子状态存入对应的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，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。(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，先上后下的步序逐句扫描。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的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的

13、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的状态在（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的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。2. PLC对输入/输出的处理规则PLC对输入/输出的处理规则如下：输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上有个刷新期间的通/断状。3 西门子S7-200系列PLC的硬件单元西门子公司的PLC产品包括S7-200、S7-300、S7-400、LOGO、HM

14、I人机界面、工业网络、工业软件等。S7系列PLC具有体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高的优点。S7系列PLC产品可分为微型PLC（S7-200）、小规模性能要求的PLC（S7-300）和中高规模性能要求的PLC（S7-400）等。其中S7-200系列的PLC的出色主要表现在以下几个方面：1.极高的可靠性2.极丰富的指令集3.易于掌握4.便捷的操作5.丰富的内置集成功能6.实时特性7.强劲的通信能力8.丰富的扩展模块S7-200系列PLC主要由下面几个部分组成。1. 基本单元基本单元又称为CPU模块，有的也称为主机或本机。它包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等

15、，是PLC的主要部分。2. 扩展单元S7-200 CPU22*系列PLC具有2到7个扩展模块，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。 3. 特殊功能模块当需要完成某些特殊功能的控任务时，需要扩展模块和功能模块。它是完成某种特殊控制任务的一些装置。4. 相关设备为了充分利用系统硬件和软件资源而开发的相关设备，主要包括编辑设备、网络设备和人机操作界面等。5. 为了能够更好地使用以上设备开发的配套程序。它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等几大类构成。3.1 主机S7-200 CPU22*系列的CPU模块主要包括一个中央处理器、电源、通信口及I/O接口。它的主要作用有：执行程序；从现场设

16、备中采集信号；输出控制信号；驱动外部负载。S7-200 CPU22*系列的PLC具有以下5种不同的结构配置：(1)CPU221具有6个输入点和4个输出点，共计10个I/O点。无扩展能力。有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，2个独立的输入端，可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。程序和数据存储容量较小，适用于少点的控制系统。(2) CPU222具有8个输入点和6个输出点，共计14个I/O点。1个模拟量电位器，最多可扩展10AI/AO点。4KB用户程序区和2KB数据存储区。有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个R

17、S485通信/编程口，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。可以进行一定模拟量的控制和2个模块的扩展。(3)CPU224具有14个输入点和10个输出点，共计24个I/O点。2个模拟量电位器，最多可扩展35AI/AO点。8KB用户程序区和5KB数据存储区。有6路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，有7个扩展模块。它具有更强的模拟量处理能力，是S7-200系列产品中使用最多的。(4)CPU226。具有24个输入点和16个输出点，共计40个I/O点。2个模拟量电位器，最多可扩展35AI/AO点。8KB用户程序区和5KB数

18、据存储区。有6路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，2个RS485通信/编程口。它主要用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。(5)CPU226XM。这是西门子公司推出的一种增强型主机。它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。3.1.1 CPU的主要特点1. 内部集成的具有强劲的通信能力的PPI接口是S7-200的用户口，CPU接口物理特性为RS485，可在三种方式下工作。(1)PPI方式：通过PPI方式，S7-200系列PLC与计算机之间或者是PLC相互之间可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。(2)MPI方式：通过MPI方式，S7-200可以

19、通过内置接口连接到MPI网络上，它可以与S7-300/S7-400CPU进行通信。(3)自由口通信方式；通过自由口通信方式，S7-200系列PLC可以与任何通信协议公开的其他设备、控制器进行通信。2. 丰富的内置集成功能(1)集成的24V负载电源，可直接连接到传感器和变送器(2)对于不同的设备类型，其CPU各有2个类型，具有不同的电源电压和控制电压。(3)中断输入，允许以极高的速度对过程信号的上升沿作出响应。(4)具有4到6个高数计数器（30KHZ）。(5)2路脉冲输出由于控制步进电机，或伺服电机的运动，从而实现对目标的定位任务。3. 丰富的扩展模块对数字量和模拟量扩展模块可方便选用。4. 具

20、有易于掌握，便捷的操作以及丰富的指令集。3.1.2 存储系统S7-200系列PLC的存储系统由RAM和EEPROM两种类型的存储器构成，CPU模块内部配备了一定容量的RAM和EEPROM。同时，S7-200系列PLC的CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。在CPU模块内部的超级电容和电池模块用于长时间的保存数据，用户数据可通过主机的超级电容存储若干天。3.2 扩展单元当CPU需要进行某种特殊的功能控制或其I/O的扩展，通常I/O扩展包括I/O的点数扩展和功能模块的扩展两类。 1. I/O扩展模块 S7-200系列PLC提供了五大类扩展模块：(1)数字量输入扩展模板EM221（8路扩展输入）

21、。(2)数字量输出扩展模板EM222（8路扩展输出）。(3)数字量输入和输出混合扩展模板EM223（8I/O，16I/O，24I/O）。(4)模拟量输入扩展模块EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间25uS，分辨率为12位。(5)模拟量输入扩展模块EM235，每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间25uS，D/A转换时间100uS，分辨率均为12位。 2. 热电偶/热电阻扩展模块3.3 特殊功能模块S7-200系列PLC的特殊功能模块有数字量扩展模板、模拟量扩展模块、热电偶/热电阻扩展模块、通信扩展模块和现场设备接口模块。 1.

22、 数字量扩展模板2. 模拟量扩展模块3. 热电偶/热电阻扩展模块EM231为常用的热电偶/热电阻扩展模块。其功率损失为1.8W，15位加符号位，WM231 AI4热电偶有4模拟量输入点，EM231 AI2 热电阻有2模拟量输入点。4. 通信扩展模块EM277 JPROFIBU-DP模块是常用的通信扩展模块，它用于PLC现场总线通信连接。其波特变化范围为960011500波特。5. 现场设备接口模块CPU243-2通信处理器是AS-I主站连接部分，专用于S7-200 CPU22*，连接的同时显著增加了S7-200可利用的I/O点数。3.4 内部软元件用户使用的PLC中的每一个I/O、内部存储单元

23、、定时器和计数器都称为软元件。它的特点是；它具有继电器的特性，但它没有机械性的特点，它的最大的优点是其触点可以无限次使用，并且它们的寿命长。编程时，用户只要记住软元件的地址就可以了。下面对软元件介绍一下。1. 输入继电器（I） 它是PLC用来接收用户设备输入信号的接口。 2. 输出继电器（Q）它是用来将输出信号传送到负载的接口。3. 通用辅助继电器（M）通用辅助继电器又称为内部标志位存储器，它的作用和继电接触器控制系统的中间继电器相同，它是用来保存控制继电器的中间操作状态。4. 特殊继电器（SM） 特殊继电器是指用来存储系统的状态变量有关的控制参数和信息的具有特殊功能的辅助继电器。特殊标志位存

24、储器能以位、字节、字或双字来存取。CPU224的SM的位地址编号范围为SM0.0SM179.7，共180个字节。常用的特殊存储器的用途如下：(1) SM0.0 运行监视。SM0.0始终为1状态。当PLC运行时可以利用其触点驱动输出继电器，在外部显示程序是否处于运行状态。(2) SM0.1 初始化脉冲。(3) SM0.3 开机进入RUN时，接通一个扫描周期，可在启动操作之前，给设备提前预热。(4) SM0.4、SM0.5 占空比为50%的时钟脉冲。当PLC处于运行状态时，SM0.4 产生周期为1min的时钟脉冲，SM0.5产生周期为1S的时钟脉冲。(5) SM0.6 扫描时钟，一个扫描周期ON，

25、另一个为OFF，循环交替。(6) SM0.7 改造方式开关位置指示，开关放置在RUN位置时为1。(7) SM1.0 零标志位，运算结果=0，该位置1。(8) SM1.1 溢出标志位，结果溢出或为非法值时，该位置1。(9) SM1.2 负数标志位，运算结果为负数时，该位置1。(10) SM1.3 被0除标志位。5. 变量存储器（V）变量存储器主要用于存储变量。它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。6. 局部变量存储器（L） 局部变量存储器和变量存储器十分相似，都是用来存储变量的存储器。区别在于局部变量存储器用来存放局部变量，而不存储

26、全局变量。局部变量存储器位存取的地址编号范围为L0.0L63.7，它可以按位、字节、字、双字直接寻址。7. 顺序控制继电器（S）通常用在顺序控制或步进控制中，并与其指令一起使用以实现顺序或步进控制功能流程图的编程。8. 定时器（T）它是累计时间增量的内部器件，作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。其设定时间由程序设置。定时器的定时精度分别为1ms、10ms和100ms三种。 9. 计数器（C）计数器用于累计计数输入端接收到的由断开到接通的脉冲个数，主要用于对产品进行计数或进行特定功能的编程。计数器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用，其设定值由程序赋予。计数器的地址编号范围为C0C255。1

27、0. 模拟量输入映像寄存器（AI）和模拟量输出映像寄存器（AQ）11. 高速计数器（HC）12. 累加器（AC）3.5 基本指令S7-200系列PLC的基本指令包括常用指令、堆栈操作指令、计数指令、定时器指令、比较指令和程序控制指令等。 1. 触点指令 触点指令包括逻辑取和线圈驱动指令，它有两种连接形式，即串联和并联。 (1)逻辑取和线圈驱动指令。指令格式为：LD 取指令；LDN 取反指令；= 线圈输出指令。 (2)触点串联指令。指令格式为：A 常开触点串联：AN 常闭触点串联。 (3)触点并联指令。指令格式为：O 常开触点并联：ON 常闭触点并联。 2. 逻辑电路块的连接指令 电路块连接指令

28、主要有两种形式：串联电路块的并联指令和并联电路块的串联指令。串联电路块的并联指令其格式为：OLD；并联电路块的串联指令其格式为：ALD。3. 置位，复位指令 置位指令的格式为：S bit, N;复位指令的格式为：R bit N。 4. 取反指令 其格式为：NOT。 5. 逻辑入栈LPS、逻辑出栈LPP和逻辑读栈LRD指令 逻辑入栈LPS的功能是用于生成一条新的逻辑母线，右侧为新的逻辑块，是分支电路逻辑块的开始。 逻辑出栈LPP的功能是用于LPS产生新母线右侧的最后一个逻辑块，结束LPS开始的这个分支电路逻辑块。 逻辑读栈LRD的功能是用于LPS开始的分支电路逻辑块中第二条逻辑块，本身不进行任何

29、进栈和出栈操作。6. 计数器指令 增计数器指令CTU：其指令格式为：CTU Cx, PV。x为计数器编号。 减计数器指令CTD：其指令格式为：CTD Cx, PV。x为计数器编号。 增减计数器指令CTUD：其指令格式为：CTUD Cx, PV。x为计数器编号。 7. 定时器指令接通延时指令TON：其指令格式为：TON Tx, PT。x为定时器编号。断开延时指令TOF：其指令格式为：TOF Tx, PT。x为定时器编号。有记忆接通延时指令TONR：其指令格式为：TOR Tx, PT。x为定时器编号。4 系统的设计与仿真4.1控制要求1.信号灯由一个按钮控制其启动，一个按钮控制其停止。2.信号灯分

30、为南北绿直行灯，南北绿左转，南北黄灯，南北红灯和东西绿直行灯，东西绿左转，东西黄灯，东西红灯 3. 东西南北方向主干道的红灯一直处于点亮状态，提示主干道上左转通行时直行禁止通行，直行通行时左转禁止通行，只有红灯亮时该方向车辆禁止通行。主干道车辆通行时交通灯信号的变化规律为：左转绿灯亮15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后直行绿灯亮（同时同方方向人行道绿灯亮），15秒后闪烁三次，黄灯亮2秒，然后绿灯全部熄灭，只有红灯亮，车辆禁止通行。按以上方式周而复始地工作。如表：表2 交通灯闪亮表 东西信号灯绿左转绿左转闪绿直行绿直闪黄灯亮红灯亮时间15s3s15s3s 2s 一直亮南北信号灯红灯亮绿左转绿左转闪

31、绿直行绿直行闪黄灯亮时间一直亮15s3s15s3s2s4.2 硬件设计4.2.1 表3交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表：输入信号输出信号名称 代号 输入编号启动按钮 SB1 I0.0停止按钮 SB2 I0.1名称 代号 输入点编号红灯R0 Y430 Q1.0南北绿左转灯B1 Y431 Q0.0南北绿直行灯 B1 Y432 Q0.1南北黄灯Y1 Y433 Q0.2南北红灯R1 Y434 Q0.3 东西绿左转灯 B2Y531 Q0.4东西绿直行灯 B2 Y532 Q0.5东西黄灯Y2 Y533 Q0.74.2.2 交通信号灯PLC控制I/O接口分配和输出信号时序图：图二 I/O接口分配图 图三 输出信号时序图4.3 软件设计4.3.1 交通信号灯PLC控制顺序功能图图四 交通信号灯PLC控制顺序功能图4.3.2 交通信号灯PLC控制梯形图