自动化专业毕业论文设计

PLC交通灯控制设计

摘 要

针对近年来城市交通的拥挤现象,特别是驾驶员违章严重、交通事故频发、车辆尾 气污染等问题,介绍丁集计算机、信息、电子及通讯等众多高新技术手段于一体的智能 交通指挥中心控制系统.该系统的安装及使用,大大缓解了城市道路堵塞现象、提高了 道路的通行能力.减少了驾驶员违章的次数,抑制了交通事故的发生,同时对减轻车辆尾 气排放,从而降低环境污染都起到了不可低估的作用.

分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交 通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设 计方案。

关键词 plc控制系统 交通灯 自动化

I

基于 PLC 交通灯控制设计

目

录

1 引言 ....................................................................1 2.1 PLC 的产生及发展 ....................................................1 2.2 PLC 的结构 ..........................................................1 2.3 PLC 的定义 ..........................................................2 2.4 PLC 的工作原理 ......................................................3 2.5 PLC 的应用 ..........................................................3 2.6 PLC 的发展趋势： ....................................................4 3 交通信号灯控制的实现 ....................................................6 3.1 控制要求 ...........................................................6 3.2 交通灯工作时序图 ...................................................6 3.3 I/O 分配表 ..........................................................7 3.4 梯形图 ..............................................................9 3.５ 指令表 ...........................................................11 4 PLC 智能化控制交通灯的方法 ...........................................13 结束语 ...................................................................15 结 束 语 .................................................................16 参 考 文 献 ..............................................................17

II

商丘科技职业学院毕业论文（设计）

第 1 章 引 言

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，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道路，在高速道 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。

交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能 力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科 学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法， 实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。 分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制 系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的 PLC 设计方案。可编 程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发 展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中 的作用更加突出。

1

基于 PLC 交通灯控制设计

2

商丘科技职业学院毕业论文（设计）

PLC的产生及发展

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按 照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能 是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电 气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制 装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable Controller（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。

这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积 小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已 经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也 受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了 日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研 制。于1977年开始工业应用。

2.2 PLC的结构

PLC 实质是一种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、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 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规则组合配置。

1

图 1 PLC 的基本结构框图

接受

驱动 输 入 接 口 部 件 中央处理单元 CPU 板 接 口 部 件 输 出 现场信号 受控元件

电 源 部 件 2.3 plc的定义

可编程控制器，简称 PLC（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：“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。 ”

2

商丘科技职业学院毕业论文（设计）

2.4 Plc的工作原理

1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信 息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存 中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。

1） 程序执行阶段：plc 对用户程序扫描。

1）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路 是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。

2.5 PLC 的应用

目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽 车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1 开关量的逻辑控制

这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、 顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、 印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2 模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度 等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字 量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模 块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3 运动控制

PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开

3

关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可 驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品 几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4 过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中 用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模 块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控 制等场合有非常广泛的应用。 5 数据处理

现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转 换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以 与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到 别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的 柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制 系统。

6 通信及联网

PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展， 工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自 的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。

2.6 PLC 的发展趋势：

1、向高速度、大容量方向发展

为了提高 PLC 的处理能力，要求 PLC 具有更好的响应速度和更大的存储容量。目 前，有的 PLC 的扫描速度可达 0.1ms/k 步左右。PLC 的扫描速度已成为很重要的一个性 能指标。

在存储容量方面，有的 PLC 最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司 已使用了磁泡存储器或硬盘。

4

商丘科技职业学院毕业论文（设计）

2、 向超大型、超小型两个方向发展

当前中小型 PLC 比较多，为了适应市场的多种需要，今后 PLC 要向多品种方向发 展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有 I/O 点数达 14336 点的超大型 PLC，其使用 32 位微处理器，多 CPU 并行工作和大容量存储器，功能强。

小型 PLC 由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已 开发了各种简易、经济的超小型微型 PLC，最小配置的 I/O 点数为 8～16 点，以适应单 机及小型自动控制的需要，如三菱公司 α 系列 PLC。

3、 PLC 大力开发智能模块，加强联网通信能力

为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计 数模块、温度控制模块、远程 I/O 模块、通信和人机接口模块等。这些带 CPU 和存储 器的智能 I/O 模块，既扩展了 PLC 功能，又使用灵活方便，扩大了 PLC 应用范围。

加强 PLC 联网通信的能力，是 PLC 技术进步的潮流。PLC 的联网通信有两类：一类 是 PLC 之间联网通信，各 PLC 生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是 PLC 与计 算机之间的联网通信，一般 PLC 都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信 能力，PLC 生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC 已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。

4、增强外部故障的检测与处理能力

根据统计资料表明：在 PLC 控制系统的故障中，CPU 占 5%，I/O 接口占 15%，输入 设备占 45%，输出设备占 30%，线路占 5%。前二项共 20%故障属于 PLC 的内部故障，它 可通过 PLC 本身的软、硬件实现检测、处理；而其余 80%的故障属于 PLC 的外部故障。 因此，PLC 生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提 高系统的可靠性。

5、 编程语言多样化

在 PLC 系统结构不断发展的同时，PLC 的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。 除了大多数 PLC 使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制 的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C 语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是 PLC 进步的一种趋势。

5

3 交通信号灯控制的实现

3.1 控制要求

信号灯受启动开关控制。当启动开关接同时，信号灯系统开始工作，先南.北红灯 亮，在东.西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。

（1）南.北绿灯和东.西绿灯不能同时亮，如果同时亮则应关闭信号灯系统，并立 刻报警。

（2）南.北红灯亮维持 25s，在南.北红灯亮的同时东.西灯也亮，并维持 20s，到 20s 时，东.西绿灯闪亮，闪亮 3s 后熄灭。在动系绿灯熄灭时，东.西黄灯亮，并维持 2s。到 2s 时，东.西黄灯熄灭 ，东.西红灯亮。同时，南.北红灯熄灭，绿灯亮。

（3）东.西红灯亮维持 30s，南北绿灯亮维持 25s，然后闪亮 3s 后熄灭，同时南. 北黄灯亮，维持 2s 后熄灭，这时南.北红灯亮，东.西绿灯亮。

（4）上述动作循环进行。

3.2 交通灯工作时序图

图 2 交通灯时序图

6

3.3 I/O 分配表

图 3 I/O 分配表

序号 1 2 3 4 5 6 7

输入设备 启动按钮 SB1 端号 X0 输出设备 南北绿灯 南北黄灯 南红红灯 报警灯 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 端号 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 通过上述的分析，可以看到，系统需要 1 个输入和 7 个输出，对于这样一个小型的系 统可以选择一些小型 PLC 就可以满足需求，可以选择 FX2-48MR 型 PC 机。

MG MY MR

SR SY SG

北

西

东

SG SY SR 南

MG MY MR

图 4 交通灯的面板示意图

7

该模拟交通信号灯分为南北和东西两个方向，分别由绿、黄、红三种颜色， 其标号分别为 MG、MY、MR 和 SG 、SY、SR。其中，其中，交通灯选用 5V 直流电， COM 端为交通灯的公共端。而灯与程控器之间的接线图如下

程 Y000 控 Y001 器 Y002 的 输 出 端

: : : COM

5V

图 5

从上图可看出，控制器的公共端接 5V 电源的负极，而灯的公共端接电源的正端， 灯的另一端接到程控器的输出端，如 Y000，Y001 …… 等。

8

3.4 梯形图

9

10

3.５ 指令表

地址 指令 变量 0000 LD T0 1 AND X0 2 ANI 3 OUT 4 K 5 LD 6 OUT 7 K 8 LDI 9 AND 10 ANI 11 OUT 12 K 13 LD 14 OUT 15 K 16 LD 17 OUT 18 K 19 LD 20 OUT 21 K 22 LD 23 OUT 24 K 25 LD 26 OUT T4 T0 250 T0 T4 300 Y3 X0 T0 T6 200 T6 T7 30 T7 T5 20 T0 T1 250 T1 T2 30 T2 T3

11

222333333789012345 K LDI ANI AND OUT LD OUT LD ANI 20 T0 Y3 X0 Y2 T0 Y6 Y2 T6 36 LD 37 ANI 38 AND 39 ORB 40 OUT 41 LD 42 ANI 43 OUT 44 LD 45 ANI 46 LD 47 ANI 48 AND 49 ORB 50 OUT 51 LD 52 ANI 53 OUT 54 LD 55 AND 56 OUT 57 LD 58 ANI 59 OUT 60 K 61 LD 62 OUT 63 K 64 END

T6 T7 T10 Y4 T7 T5 Y5 Y6 T1 T1 T2 T10 Y0 T2 T3 Y1 Y0 Y4 Y3 X0 T11 T10 T5 T10 T11 5

12

4 PLC 智能化控制交通灯的方法

传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计 的方法将两个方向红绿 灯的延时预先设置好。然而实际上交通流量的变化往往 是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长 期运行、适用的方案，仍然会发 生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆， 而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型 的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交 通现状，需要有一种能够根据流量变 化情况自适应控制的交通灯。而模糊控制恰恰具有这方面的优势。此系统就是 应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控 制灯实现模糊控制传统的十字路 口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向 红绿 灯的延时预先设置好。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的 路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、适用的方 案，仍然会发 生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着 长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已 不能适应迅猛发展的交 通现状，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制 的交通灯。而模糊控制恰恰具有这方面的优势。

此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模糊控制 此控制系统的输入量是指十字路口各方向上车辆数的动态变化量。具体由传感 器采集后送入可编程序控制器。在十字路口的四个方向(E、S、W、N)的近端 J(斑马线附近)和远端 Y(距斑马线约 100 米处)各设置一个传感器，分别统计通 过该处的车辆数。如图

13

图6

近端的传感器用于记录绿灯期间通过路口的车辆数（记为x）；远端的传感 器用于记录红灯期间进入路口排队等候的车辆数（记为y）。为了简化运算，可 以将两个相对的方向（n与s、w与e）的x、y值合并为一组，分别取两个方向之 最大者。由于该系统控制的设计要求很高，涉及范围较广要有很好的单片机知 识，所以只能简要概述一下。

14

结束语

通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查 找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展 方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。

毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校 所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一 个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设 计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综和性 作业，从老师的角度来说，指导做毕业设计是老师对学生所做的最后一次执手 训练。其次，毕业设计的指导是老师检验其教学效果，改进教学方法，提高教 学质量的绝好机会。

毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声。在不断的努力下我 的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来 所学知识的大概总结，但是真的面对毕业设计时发现自己的想法基本是错误的。 毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。 通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是 感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什 么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积 累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综 合素质。

总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难， 不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结 论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的 时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

15

结 束 语

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向 老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨 大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对 自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且 大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时 的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次 毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。最后，衷心感谢我的论文指导老 师，从论文的结构到材料的收集，具体内容的安排老师都给予了悉心的指导， 没有她的帮助我是不可能完成这篇论文的。再次表示衷心的感谢！

16

参 考 文 献

[1] 原理及应用 俞国亮主编，清华大学出版社，2005

[2] 李伟 《机床电器与PLC》西安：西安电子科技大学出版社，2006

[3] 台方 《可编程序控制器应用教程》北京：中国水利水电出版社，2001 [4] 常斗南 《可编程序控制器》原理·应用·实验北京：机械工业出版社， 1998 [5] 廖常初

PLC 基础及应用》北京：机械工业出版社，17

2004

《