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1、南京信息职业技术学院毕业设计论文作者 学号 系部 机电学院 专业 机电一体化技术 题目 道路交通信号灯控制系统分析与设计 指导教师 评阅教师 完成时间： 2013年 4 月 30日 毕业设计(论文)中文摘要道路交通信号灯控制系统分析与设计摘要:PLC作为一种使用广泛的工业控制装置，现在已经越来越多地应用于交通信号灯系统中，可实现交通信号系统的自动控制，缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。在本文的设计中，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在交通灯系统中的实际应用。关键词: 道路 交通信号灯 PLC控制 设计毕业设计(论文)外文摘要Title : Road t
2、raffic light control system analysis and designAbstract: PLC as a kind of widely used industrial control equipment, is now increasingly used in traffic lights system, which can realize automatic control of traffic signal system, shorten the vehicles waiting time, realize the scientific management. I
3、n the design of this paper, also introduced EDA simulation crossroads traffic lights ablaze and vehicle traffic, very vividly shows the practical application of the PLC in the traffic light system. Key words: Road traffic-lights PLC-control design目录1 绪论52 PLC的基础知识52.1PLC的特点62.2PLC的工作原理73 道路交通信号系统的设计
4、与仿真83.1 控制要求83.2 硬件设计83.2.1 交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表83.2.2 交通信号灯PLC控制硬件接线图93.3 软件设计93.3.1 交通信号灯PLC控制梯形图93.3.2 交通信号灯的PLC状态转移图控制程序113.3.3 程序说明123.3.4交通信号灯工作的时序波形图12结 论13参考文献151 绪论随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起们的关注。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。随
5、着城市机动车量的不断增加，许多大城市如南京、上海、北京等出现了交通超负荷运行的情况。因此，近二、三十年来这些城市纷纷修建城市高速道路。高速道路的建设有效地改善了交通状况。但是随着交通车量的快速增长，以及对高速道路的系统研究和控制的缺乏，高速道路没有充分发挥出它的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。特别是到了上下班的时候,许多车辆在路口浪费了很多的时间,
6、不仅给车主带了很多的麻烦也给交通部门带了不少麻烦。为了解决这些问题,国家政府也花了不少的心思和精力去研究,探讨。为了能有效地解决交通问题,直接有效的方法之一就是对交通灯进行了研究和改善,调整交通灯的时间控制和变换频率以及工作时间的控制,从而使交通更为畅通和安全,提高了交通灯的自身作用和价值。本文就是通过对典型路口交通状况进行研究调查，并采用PLC控制器实现对道路交通信号灯的智能控制。2 PLC的基础知识PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），它是以CPU为核心的新型工业控制装置，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
7、、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个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC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，其控制程序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，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内
8、部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。由于PLC模块均采用大规模与超大规模集成电路，所以的I/O接口电路均采用光电隔离;在结构上对、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑;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和故障诊断措施。以上这些使PLC具有较高的抗干扰能力。(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的信号线即可，不需要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路 ，大大简化了控制系统的结构。PLC的输入/输出可直接与交流220V、直流24V等强电相连，并且具有较强的带负载能力。(3) 编
9、程方便，易于使用PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的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、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制
10、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、通信和联网，还有其他特殊功能模块。(5) 设计、施工、调试的周期短PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的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、小批量的生产场合。（6）体积小，维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行
11、情况和查找故障。2.2 PLC的工作原理在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。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。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部分。这上述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
12、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，
13、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。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 道路交通信号系统的设计与仿真本人实地考察了江苏省句容市华阳东路十字路口和人民路十字路口的交通状况，观察并记录下交通信号灯的变化规律，并以此为依据设计出该类大流量交通路口交通灯的PLC控制系统。3.1 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)信号灯分为南北绿灯，南北黄灯，南北红灯和东西绿灯，东西黄灯，东西红
14、灯。 (3)南北红灯亮，并维持25S。当南北红灯亮时，东西绿灯也亮，维持20S后，东西绿灯闪烁3S后熄灭，然后东西黄灯亮2S后熄灭，接着东西红灯亮，南北绿灯亮。 (4)东西红灯亮，并维持30S。当东西红灯亮时， 南北绿灯也亮，维持25S后， 南北绿灯闪烁3S后熄灭，然后南北黄灯亮2S后熄灭，接着南北红灯亮， 东西绿灯亮。该路口交通灯按以上方式周而复始地工作。具体工作过程见下表1。表1 交通灯工作过程表东西 信号 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 红灯亮 时间 20S 3S 2S 30S 南北 信号 红灯亮 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 时间 25S 25S 3S 2S3.2 硬件设计3.2.1 交通信号灯PL
15、C的输入/输出点的分配表表2 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 输入点地址启动按钮 SB1 XOO0停止按钮 SB2 XOO1 名称 代号 输出点地址东西绿灯 HL1-1 HL1-2 Y000东西黄灯 HL2-1 HL2-2 Y001 东西红灯 HL3-1 HL3-2 Y002南北绿灯 HL5-1 HL5-2 Y004南北黄灯 HL6-1 HL6-2 Y005南北红灯 HL7-1 HL7-2 Y0063.2.2 交通信号灯PLC控制硬件接线图图 1硬件接线图由图可见：起动按钮SB1接于输入继电器XO端，停止按钮SB2接于输入继电器X1端，东西方向的绿灯接于输出
16、继电器Y0端，东西方向黄灯接于输入继电器Y1端，东西方向的红灯接于输出继电器Y2端，南北方向绿灯接于输出继电器Y4端，南北方向的黄灯接于输出继电器Y5，南北方向红接于输出继电器Y6。将输出端的COM1及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。3.3 软件设计 设计交通信号灯的PLC梯形图和指令语句控制程序。3.3.1 交通信号灯PLC控制梯形图图 2 梯形图控制程序交通灯工作时，PLC处于运行状态。按动起动按钮SB1，则辅助继电器M1
17、0得电并自锁，由梯形图可知，首先接通输出继电器Y6，及Y0，使得南北方向的红灯亮、东西方向的绿灯亮。大家根据梯形图的文字说明及图3的时序图，不难分析交通信号灯的整个周期工作过程。按停止按钮SB2，则辅助继电器M100断电并解除自锁。整个系统停止运行，所有信号灯熄灭。按上述指令输入PLC编程器运行。3.3.2 交通信号灯的PLC状态转移图控制程序图 3 状态转移图程序3.3.3 程序说明(1)信号灯由SB1按钮控制其启动，SB2控制其停止。 (2)信号灯分为南北绿灯，南被黄灯，南北红灯和东西绿灯，东西黄灯，东西红灯。 (3)南北红灯亮，并维持25S。当南北红灯亮时，东西绿灯也亮，维持20S后，东
18、西绿灯闪烁3S后熄灭，然后东西黄灯亮2S后熄灭，接着东西红灯亮，南北绿灯亮。 (4)东西红灯亮，并维持30S。当东西红灯亮时， 南北绿灯也亮，维持25S后， 南北绿灯闪烁3S后熄灭，然后南北黄灯亮2S后熄灭，接着南北红灯亮， 东西绿灯亮。按以上方式周而复始地工作。3.3.4交通信号灯工作的时序波形图图 4 交通信号灯的状态波形图结 论在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我趁着做毕业设计的同时也对原来所学的专业知识有了巩固和加强。平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有
19、限，所以在这次毕业设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。毕业设计的过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时的满富激情到后来汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。通过这次毕业论文设计，使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够
20、深刻，掌握得不够牢固。致 谢经过几个月的努力，毕业设计顺利完成了。这主要感谢指导老师的帮助和指导，特别是XXX老师，她高度负责的态度和有效的指导使我能顺利完成论文写作，再次向她表示谢意。也对在论文写作过程中，一直给予关心和帮助的领导和老师表示深深的谢意，同时也要感谢在我大学期间的学习生活中，培育及关心我的所有老师和领导们，正是他们的辛苦工作和无私奉献，帮助我顺利的完成了学业。参考文献1.天津电气传动技术研究所.电气传动自动化技术手册 M .北京：机械工业出版社, 1992.2. 金代中.电工速查速算手册M.北京：机械工业出版社, 1996.3.李茂林.低压电器及电控配电设备选用手册M.沈阳：辽宁科学技术出版社,1998.4. 张运波.工厂电气控制技术M.北京：高等教育出版社, 2004.5. 阮友德.电气控制与PLC实训教程M. 北京：人民邮电出版社,20066. 三菱自动化.三菱微型可编程控制器编程手册. 北京：三菱自动化公司.2006
