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1、01 概述1.1 概述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系统中最重要的组成部分。 不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入
2、寻常老百姓的家庭，据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。 单片机控制系统设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，所以使用可编程控制器，其主要原因是因为 PLC 具有简
3、单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。本设计介绍了应用 PLC 实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对 PLC 控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。1.2 系统设计内容及要求1.系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。2.控制对象有八个：东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个，1东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。3控制规律：（1）高峰时段、正常
4、时段及晚上时段的时序分配按图 1 运行。图 1 各时段运行分配时序图（2） 高峰时段按图 2 运行。图 2 高峰时段运行时序图（3） 正常时段按图 3 运行。2图 3 正常时段运行时序图（4） 晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。4设计任务（1）根据控制要求设计程序及必要的硬件系统。（2）PLC 选择及 I/O 及其它 PLC 元器件分配。（3）选择电器元件，编制元件目录表。 （4）绘制梯形图。（5）用计算机绘制主电路图、PLC 控制电路图、电器元件布置图。（6）编写设计说明书及设计小结。
5、32 PLC的介绍2.1 PLC的基本知识可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的 PLC 以及同一家生产的不同型号的 PLC 其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的
6、支持。如图 4 所示，PLC 的主机由微处理器（CPU） 、存储器（EPROM、ROM） 、输入/输出模块、外设 I/O 接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍 PLC 各组成部分及作用。图 4 PLC硬件结构组成框图2.2 PLC的组成部分及作用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。用户程序和数据事先存入存储器中，当 PLC 处于运行方式
7、时，CPU 按循环扫描方式执行用户程序。编程器输出电路输入电路中央处理器（CPU）系统程序存储器 用户程序存储器 电源42.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。(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。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。4. 扩展接口和通信接口PLC 具有扩展接口和
8、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，内部的开关电源位于 PLC 的中央处理器、存储器等中。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
9、的存储容量和扩展功能。2.3 PLC的工作原理当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1.输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况
10、下，该输入均能被读入。52.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图） 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。即使用 I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过
11、程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。3.输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时才是 PLC 的真正输出。63 PLC控制系统设计3.1 十字路口交通灯的原理3.1.1 十字路口交通灯的原理分析及示意图如图 5 是十字路口交通信号灯示意图，本系统的控制对象有八个，分别为东西方向红灯两个，南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。本控制系统律分为高峰时段和正
12、常时段进行控制，晚上时段按提示敬告方式运行。图 5 十字路口交通信号灯的示意图 3.1.2 时序分析正常时段(6:30-7:00；8:15-16:30；19:00-21:00)：南北绿灯亮维持 25 秒，闪烁5 秒后南北黄灯亮 5 秒，然后熄灭，同时南北红灯亮，东西左转弯绿灯亮 5 秒闪烁 5 秒后，东西方向绿灯亮，同时东西方向红灯熄灭，25 秒后东西方向绿灯闪烁 5 秒后熄灭，东西黄灯亮 5 秒后熄灭，同时东西方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮同时南北方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮 5 秒闪烁 5 秒后熄灭，同时南北绿灯亮。高峰时段（7:00-8:15；16:30-19:00）：南北绿灯亮维持
13、30 秒，闪烁 5 秒后南北7黄灯亮 5 秒，然后熄灭，同时南北红灯亮，东西左转弯绿灯亮 5 秒闪烁 5 秒后，东西方向绿灯亮，同时东西方向红灯熄灭，20 秒后东西方向绿灯闪烁 5 秒后熄灭，东西黄灯亮 5 秒后熄灭，同时东西方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮同时南北方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮 5 秒闪烁 5 秒后熄灭，同时南北绿灯亮。晚间时段（21:00-6:30）：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。 3.2 PLC硬件选择 FX2N 系列 PLC 是三菱公司 FX 系列中性能优越的小型 PLC，除了输入/输出独立用途外，
14、还可以适用于多个基本组件间的连接、运动控制、闭环控制等特殊用途，是一套可以满足广泛需要的、性价比较高的 PLC。由于本设计所使用的 I/O 接口并不是很多，所以我采用的是三菱 FX2N-16MR 型 PLC，它的 I/O 接口总数为 16，8 个漏型输入接口，8 个继电器型输出接口，使用的电源是 DC24V。它可对东西南北的红、黄、绿、左绿灯实现有规律的循环闪亮，以达到对交通信号灯的控制。控制过程中采用顺序控制设计法用多个定时器和计数器分时段分频率自动实现对八个控制对象的控制，根据交通信号灯的亮灭规律，可用 PLC 编程对其实行自动控制。晚上时段黄灯按一定规律亮灭循环，可先用定时器控制其亮灭，
15、再用计数器控制其循环。高峰时段与正常时段可先选时序图中的 90S 为一个周期，用定时器与计数器先实现一个周期的循环。3.3 PLC硬件接线及 I/O端口分配3.3.1 I/O 分配 通过学习可知道X代表输入继电器，Y代表输出继电器。表1为PLC外接分布。 表1 I/O接口分布表输入信号 输出信号启动按钮SB1 X0 东西方向红灯 HL1、HL2 Y0停止按钮SB2 X1 东西方向黄灯HL3、HL4 Y7东西方向绿灯HL5、HL6 Y6东西方向左转绿灯HL7、HL8 Y5南北方向红灯HL9、HL10 Y4南北方向黄灯HL11、HL12 Y3南北方向绿灯HL13、HL14 Y2南北方向左转绿灯HL
16、15、HL16 Y13.3.2 其他器件分配M 代表辅助继电器，T 代表定时器，C 代表计数器，S 代表状态继电器，D 代表数据寄存器，MOV 代表传输等。分配表如表 2。8表 2 T、M、S 等器件分配表名称 代码 功能作用数据寄存器 D D200 存放修改数据 300/250数据寄存器 D D201 存放修改数据 200/250数据寄存器 D D3 D4 D5 存放读入的时分秒数据寄存器 D D20 D21 预存 6:30数据寄存器 D D30 D31 预存 7:00数据寄存器 D D40 D41 预存 8:15数据寄存器 D D50 D51 预存 16:30数据寄存器 D D60 D61 预存 19:00数据寄存器 D D70 D71 预存 21:00中间辅助继电器 M M3 M11 统计出两段晚间期中间辅助继电器 M M6 M9 统计出两段高峰期中间辅助继电器 M M4 M7 M10 统计出三段正常期中间辅助继电器 M M20 控制晚间期中间辅助
