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： 十字路口红绿灯的设计
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： K3-218 PLC实验室
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。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。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在交通灯系统中的实际应用。
【关键词】：十字路口 交通灯 PLC
Abstract
The PLC programmable logic controller is a new industrial control devices, which is based on microprocessor, synthesizes computer technology, automatic control technology and communication technologies. It has the simple structure, the convenient programming, the reliable higher merit, and has widely used in the commercial run and position automatic control. Statistics have indicated, the programmable controller is most one kind of equipment in the industrial automation installment applies. The expert believed that the programmable controller will become the main method and one of important foundation equipment in further, PLC, the robot, CAD/CAM will become the industrial production three big props. Because PLC adapts to environment strong, simultaneously its internal timer resources are extremely rich, which carry on the accuracy control to the present universal use many “the evolution type” the signal light, special to the multi-road fork control. Therefore the present PLC is used in the traffic light system, which may reduce the vehicles general waiting time and realize scientific style management. In this design, also introduces the EDA simulation intersection traffic light to glisten and the vehicles to passes through, which visual demonstrates PLC in the traffic light system practical application.
【Key words】 crossroads traffic light PLC
交通信号灯的作用和意义
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中最重要的组成部分。
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京，上海，南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速公路，在 高速公路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。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和普通道路耦合出交通状况的制约。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，缓解主干道与匝道，城区与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，
根据交通等工艺控制要求和特点，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控制器（PLC）对十字路口交通控制等实现控制。本系统采用PLC是基于以下四个原因：
（1）PLC具有很高的可靠性，抗干扰能力。通常的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，具有硬件故障的自我检查功能，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
（4）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。
一、 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。
随着微处理器的出现，大规模、超大规模、集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展其发展过程大致可以分为三个阶段[1]。 1. 早期的PLC
早期的PLC称为可编程逻辑控制器。这时，PLC主要功能只是执行原先由继器完成的顺序控制、定时等。早期的PLC的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特有的编程语言－－梯形图，一直沿用到现在。
2. 中期的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的多
通道处理，通信技术是PLC的应用得到了进一步的发展。在硬件方面，除了保留原有的开发模块外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的范围更大。在软件方面，还增加了算术运算、数据处理和传送通信、直诊断等功能。
3. 近期的PLC
由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器价格的大幅度下降，使的各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。为了提高PLC的处理速度，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产品的厂家多达200多个，其中比较著名的有美国的AB、通用(GE)，日本的三菱(MITSBISHI)、 欧姆龙(OMRON)、松下，德国的西门子(SIEMENS)，韩国的三星(SUMSUNG)、 LG等。
1.1 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，便于用户了解运行情况和查找故障。
1.2 PLC的结构和工作原理
1.2.1 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[2]。 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。 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、24V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。 1.2.2 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[2]。 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。
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）和东西向（行）主干道
南北向（列）和东西向（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和红灯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右转绿灯，左转绿灯，直行绿灯和黄灯。 2.1.2南北向和东西向人行道
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：
2.3流程图
启动开关
南北右转绿4S 东西红20S 主东西右转绿4S 南北左转绿4S 干 道 南北黄2S 东西直行绿10S 南北红20S 结束 东西黄2S 南北直行绿10S 东西左转绿4S
启动开关
南北人行道红8S 东西人行道红28S 人行道 南北人行道绿10S 东西人行道绿10S 南北人行道红22S 结束
东西人行道红2S 三、可编程控制器程序设计
3.1可编程控制器I/O端口分配
南北主干道绿灯 南北主干道黄灯 南北主干道红灯 南北右转绿灯 南北左转绿灯 南北人行道绿灯 南北人行道红灯 控制开关 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 东西主干道绿灯 东西主干道黄灯 东西主干道红灯 东西行右转绿灯 东西行左转绿灯 东西人行道绿灯 东西人行道红灯 Y011 Y012 Y013 Y014 Y015 Y016 Y017 X024
3.2程序梯形图
3.3程序语句
总结
经过两周的PLC设计，让我更加深刻的学习和巩固了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的知识面，还让我们对专业知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是这么强，可以通过平时学习的东西自己可以解决很多有意思的实际生产问题，不仅培养了我们的兴趣和爱好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。
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的知识，在每次突破一个问题后都有一种久违的满足感，甚至对发现一个问题都有一种莫名的兴奋，当看到自己设计的十字路口交通灯调试成功时，心里有种成就感。设计的前几天我们在计算机房练习了一种新的编程软件FX-20，编程器很好的帮助我们了解编程要注意的地方。后面几天我们在PLC实验室进行了十字路口交通灯和电动机变频调速的编程、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的的编程、接线和变频调速的调试。对PLC的实际应用有了基本的了解。
这次设计不仅锻炼了我们的动手能力，还提高了我们运用理论知识解决实际问题的能力.这对于我们在以后的学习提供了很大的帮助，能够让我们联想实际，能够较全面的看待问题，解决问题。这次设计虽然结束了，但让我们学到了很多知识，为我们的以后专业学习打下了夯实的基础。这次设计很有意义，希望以后还能有这样的设计机会。
PLC综合设计课程设计成绩评定表
姓 名 专业班级 罗 洋 10级电气工程及其自动化 学号 201040220227 课程设计题目： 十字路口红绿灯控制 课程设计答辩记录： ①BIN指令的作用？ 答：将源元件中的BCD码转换成二进制数并送到指定目标元件中。 ②ADD指令在这个程序中的作用？ 答：确保后面的变量能跟着D10一起变化，防止出错。 成绩评定及依据： 1. 课程设计考勤情况（10%）： 2. 设计调试情况（30%）： 3. 设计答辩（20%）： 4. 设计报告（完成情况、报告规范性等情况40%）： 最终评定成绩（以分数和优、良、中、及格、不及格评定）： 指导教师签字：
2013 年 4 月 20 日
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