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1、1总体概述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。 随着城市机动车量的不断增加，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。本文就城乡交通灯模拟控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。实现路口交通灯系统的控制方法很多，可
2、以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。1.1.1PLC的定义 可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。可编程控制器，简称PLC（Programma
3、ble 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：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”1.1.2 PLC的结构PLC实质上是一种
4、专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存板、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包块CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定原则组合配置。图1.1.2 PLC内部结构图1.2 课程设计目的 PLC原理及应用课程设计是电气工程及其自动化专业领域重要的实践环节之一，主要以小型实用性PLC控制系统的软、硬件设计为主。课程设计的目的和任务：全面熟练掌握PLC的硬件组成以及各种指令的应用，使学生掌握小型PLC应用系统设计的步骤，熟悉和掌握PLC
5、开发系统的应用和软件调试过程，通过设计过程中对故障的分析、判断、检修进一步锻炼和培养学生的动手能力。1.3 设计任务和要求利用PLC设计控制十字路口交通灯的全自动运行，系统启动后，根据设置好的东西南北方向的通车时间控制东西南北方向指示灯按照一定的规律运行，完成一个周期工作后自动进入下一个周期继续运行。城市路口交通灯控制系统用于十字路口的车辆以及行人的交通管理，每个方向具有左拐、右拐、直行以及行人4种通行指示灯。执行程序，初始态为四个路口的红灯全亮之后，东西路口的绿灯亮，南北路口的红灯亮，东西路口方向通车，延时一段时间后路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪烁，闪烁若干次后，东西路口红灯亮，而同时南北路口的
6、绿灯亮，南北路口方向开始通车，延时一段时间后，南北路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪烁，闪烁若干次后，再切换到东西路口方向，之后重复以上过程。2 总体方案设计2.1 原理分析设计首先，详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。2.1.1 系统设计方案 城市交通灯控
7、制采用PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性高、维护方便、使用简单、通用性强等特点，PLC还可以联成网络，根据实测各十字路口之间的距离、车流量和车速等，合理确定各路口信号灯之间的时差，把N台PLC联网到一台控制电脑上，以方便操作、管理和监控，从而极大地提高城市道路交通管理能力。2.1.2 系统设计的基本步骤（1）分析所控制的设备和系统。PLC最主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。（2）判断一下所要控制的设备或系统的复杂程度，分析内存容量。（3）判断一下所要控制设备或系统的输入输出点数是否符合可编程控制器的点数要求。2.13 系统控制要求系统工作受开关控制
8、，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。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，东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个。东西南北四个方向各设有人行道指示灯红灯两个，绿灯两个。2.2 调研十字路口运行状况调研邵阳市某地段十字路口车辆流量，是对交通灯定时间的可行性分析，是为了更科学的，更加合乎实际的确定车辆行驶时间，更加方便车辆的通顺。图2.2 邵阳市某地段车辆流量图2.21 十字路口交通灯示意图在十字路口的东西南北方向分别设置红、绿、黄三盏灯，分别用定时器定时，进行系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动
9、开关 OFF 则系统停止工作。图2.21 交通灯示意图3 硬件设计3.1 硬件资源及其分配硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：（1） 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。（2）设计系统各部分之间的电气互连图。（3）根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。 3.2系统的PLC外部接线图根据信号灯的控制要求，所有的器件有：三菱FX系列PLC、起动按钮SB1、停止按钮SB2、东西方向红绿黄灯有3个交通信号灯；南北方向红绿黄灯有3个交通信号灯，并在东西南北四个方向分别设有红灯和绿
10、灯来控制人行道的交通。输入输出端口接线如图3.2所示。图3.2 十字路口交通灯PLC外部接线图由图可见：起动按钮SB1接于输入继电器X0端，停止按钮SB2接于输入继电器Xl端，东西方向的红灯接于输出继电器Y0端，东西方向绿灯接于输出继电器Y1端，东西方向的黄灯接于输出继电器Y3端，南北方向红灯接于输出继电器Y7端，南北方向的绿灯接于输出继电器Y10，南北方向黄灯接于输出继电器Y10。并且东西方分别设人行道信号灯红灯、绿灯4个，南北方向同样设有红绿灯4个。输出端的COM1、COM2和COM3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
11、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系统的操作面板实验面板图中，右框中的南北红、黄、绿灯R、Y、G分别接主机的输出点Y2、Y1、Y0，东西红、黄、绿灯R、Y、G分别接主机的输出点Y5、Y4、Y3，模拟南北向行驶车的灯接主机的输出点Y6，模拟东西向行驶车的灯接主机的输出点Y7；右框中的SD接主机的输入端X0。框中的东西南北三组红绿黄三色发光二极管模拟十字路口的交通灯。 图3.3 实验面板图3.4 交通灯控制过程当启动开关SD合上时，X000触电接通，Y002、Y005得电，东西南北红灯亮；当三十秒以后T1计时器接通其T1的常闭触点打开是东
12、西南北红灯同时熄灭但其常开触点接通使南北红灯和东西绿灯亮。当再过三十秒时T2计时器接通使T2的常闭触点断开同时南北红灯和东西绿灯熄灭。但T2的常开触点接通使南北红灯和东西黄灯亮。同时东西红灯亮南北红灯亮。当再过十秒T0计时器接通使T0常闭触点打开同时南北红灯和东西黄灯熄灭。但T2的常开触点接通使南北绿灯和东西红灯亮。当再过十秒T4计时器接通使T4的常闭触点打开同时南北绿灯和东西红灯熄灭。但T4的常开触点接通使南北黄灯闪烁和东西红灯亮。当再过二十秒T5计时器接通使T5的常闭触点打开同时南北黄灯和东西红灯熄灭。上述是五个工作过程，周而复始的进行。4 软件设计4.1 时序图根据系统的控制要求，采用合
13、适的设计方法来设计PLC程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。然后检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。图4.1 时序图4.2 顺序功能图根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能.图4.2 顺序功能图4.3 程序梯形图梯形图是PLC程序设计的一种编程语言，根据交通灯的P
14、LC控制要求，结合硬件实现要求的功能，在FX2N中根据时序图和其功能编制梯形图，PLC的梯形图如图4.2所示: 待添加的隐藏文字内容25 系统监控的设计调试运行5.1系统调试（1）硬件调试：接通电源，检查三菱FX2N-48MR可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。 （2）软件调试：按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试。 （3）运行调试：在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开三菱FX2N-48MR可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察运行的情况，看是否是随时按下
15、停止按钮可以停止系统运行，或者等待100个脉冲后，系统是否停止运行。根据以上的调试情况，本彩灯循环点亮的PLC控制系统设计符合要求。5.2 运行工作模式 在运行工作模式下，PLC运行程序满足要求后，手持编程器可拔去,最后做负载考验运行。本例用电路板上四边放置的4组共12个发光二极管模拟十字路口交通灯,接在PLC对应的输出端口上，接通电源，拨动输入端相应的开关，发光二极管按要求循环发亮，说明达到了控制要求。图5.2 十字路口交通灯调试结束语参考文献：1廖常初. PLC基础及应用.北京：机械工业出版社2史国生. 电气控制与可编程控制器技术.北京：化学工业出版社，20033孙振强. 可编程控制器原理及应用教程.北京：清华大学出版社4阮友德. 电气控制与PLC实训教程.北京：人民邮电出版社，20065胡汉才.PLC原理及其接口技术 M. 北京：清华大学出版，19966付家才. PLC控制工程实践技术M. 北京：化学工业出版社，2004.57潘新民.微型计算机控制技术 M.北京：人民邮电出版社，1999.9
