1、 南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS毕业设计题目： PLC 交通灯设计论 姓 名 专 业 学 号 指导教师 南京航空航天大学二一一年十一月南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS2目 录摘要3前言4第一章 PLC 的基础知识1.1 PLC 的概述51.2 PLC 由来51.3 PLC 的定义61.4 工作原理7第二章、交通信号灯控制的实现2.1 十字路口交通信号灯控制的实际情况82.2 十字路口交通信号灯的路况画出模拟图82.3 结合十字
2、路口交通信号的灯的路况模拟控制实验9第三章、PLC 对交通信号灯的控制3.1交通灯PLC 自动控制103.2PLC 输入、输出图（画出）103.3 状态图113.4 指令表13第四章 总结.15参考文献 16结束语17南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS3摘要近年来随着科技的飞速发展，PLC 的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。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
3、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。同时，PLC 本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。在实时检测和自动控制的 PLC应用系统中，PLC 往往是作为一个核心部件来使用，仅 PLC 方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件
4、结合，加以完善。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：plc 控制系统 交通灯 自动化 程序 报告 设计南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS4前言当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19 世纪就已出现了。1858 年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868 年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两
5、以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869 年1 月 2 日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免
6、发生交通事故。随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用 PLC 把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率.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
7、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。南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS5第一
8、章 PLC 的基础知识1.1 PLC 的概述 可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动控制、电器方面的知识。经过 30 多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。1.2 PLC 由来早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，随着 20
9、世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继 电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在 1969 年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：1、编程方便，现场可修改程序；2、维修方便，采用模块化结构；3、可靠性高于继电器控制装置；4、体积小于继电器控制装置；5、数据可直接送入管理计算机；6、成本可与继电器控制装置竞争；7、输入可以是交流 115V；8、输出为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9、在扩展时，原
10、系统只要很小变更；10、用户程序存储器容量至少能扩展到 4KB；这就是著名的 GM10 条。1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台 PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。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南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS6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
11、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。1.3 PLC 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
12、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 PLCPLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会 NEMA（National Electrical Manufactory Association） 经过四年的调查工作，于 1984 年首先将其正式命名为 PC（ Pro
13、grammable Controller） ，并给PC 作了如下定义“PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行 PC 之功能着，亦被视为 PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。 ”以后国际电工委员会（IEC ）又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年 2 月通过了对它的定义：“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，
14、顺序控制，定 时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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，都按易于与工业控制系 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计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/ 输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS71.4 工作原理PLC
15、的工作原理：电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。一 . 扫 描 技 术 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
16、述 三 个 阶 段 。 (一 ) 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
17、 的 宽 度 必 须 大 于 一 个 扫 描 周 期 ， 才 能 保 证 在 任 何 情 况 下 ， 该 输 入 均 能 被 读 入 。 (二 ) 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
18、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 。 即 ， 在 用 户 程 序 执 行 过 程 中 ， 只 有 输 入 点 在 I/O 映 象 区 内 的 状 态 和 数 据 不 会 发生 变 化 ， 而 其 他 输 出 点 和 软 设 备 在 I/O 映 象 区 或 系 统 RAM 存 储 区 内 的 状 态 和 数 据都 有 可 能 发
19、 生 变 化 ， 而 且 排 在 上 面 的 梯 形 图 ， 其 程 序 执 行 结 果 会 对 排 在 下 面 的 凡 是 用到 这 些 线 圈 或 数 据 的 梯 形 图 起 作 用 ； 相 反 ， 排 在 下 面 的 梯 形 图 ， 其 被 刷 新 的 逻 辑 线 圈的 状 态 或 数 据 只 能 到 下 一 个 扫 描 周 期 才 能 对 排 在 其 上 面 的 程 序 起 作 用 。(三 ) 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
20、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 。南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS8第二章、交通信号灯控制的实现2.1、十字路口交通信号灯控制的实际情况（1）南北方向绿灯和东西方向的绿灯不能同时亮；如果同时亮，则应自动立即关闭信号灯系统，并立即发出报警信号。（2）系统工作后，首先南北红灯亮并维持 25s；与此同时，东西绿灯亮，并维持 20s时间，到 20s 时，东西绿灯闪亮，闪亮 3s 后熄灭。（3
21、）在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持 2s，然后东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。（4）东西红灯亮并维持 30s；与此同时，南北绿灯亮并维持 25s；然后，南北绿灯闪亮 3s 后熄灭。（5）南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持 2s 后熄灭；同时南北红灯亮，东西绿灯亮。至此，结束一个工作循环。2.2 十字路口交通信号灯的路况画出模拟图2.3 结合十字路口交通信号的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）北南东西交通指挥灯示意图绿 黄 红绿黄红红黄绿绿红黄
22、南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS9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：当交通灯系统启动开关接通时，南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯 10S，绿灯闪亮2S（亮0.1 灭0.1）,黄灯2S和红灯14S。当南北主干道红灯点亮时，东西住干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。南北向和东西向行人道均设为通行绿灯和禁行红灯。南北人行道通行绿
23、灯应在南北主干道绿灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。东西行人道通行绿灯于东西主干道绿灯点亮是点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。除此之外另设两个功能，使用10个脉冲开关。实现让盲人可以方便通过十字路口和手动控制车流量。其中8个安装在人行道的两边当东西方向行走的盲人要过马路的时候，按下脉冲开关东西向行人道绿灯亮起，南北向主干道红灯闪亮，延迟10秒恢复原来的控制系统。南北向脉冲开关对应东西向功能相同，另外两个脉冲开可以控制车流量，当东西向主干道等待车量较多的时候，按下东西向控制脉冲开关，东西向主干
24、道延长绿灯点亮时间到15秒。东西向行人道绿灯也要对应延长。南北向脉冲开关对应东西向功能相同。南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS10第三章、 PLC 对交通信号灯的控制3.1 交通灯PLC 自动控制行向； 红色 30 秒绿色 20 秒绿闪 5 秒黄色 5 秒要求： 绿色 20 秒绿闪 5 秒黄色 5 秒红色 30 秒一、行向红灯亮 30 秒，绿灯亮20 秒，绿灯闪5 秒（周期1 秒），黄灯亮5 秒。二、列向红灯亮 30 秒，绿灯亮20 秒，绿灯闪5 秒（周期1 秒），黄灯亮5 秒。三、模拟屏显示：行向 Y0-红灯
25、Y1-绿灯 Y2-黄灯。列向 Y3-红灯 Y4-绿灯 Y5-黄灯。四、手动控制时，行、列均黄灯闪烁（周期 1 秒）。（1）I/O 输入、输出分配Y0-行向红灯X0-起动 Y1-行向绿灯Y2-行向黄灯X1-停止 Y3-列向红灯Y4-列向绿灯X2-手动/自动 Y2-列向黄灯3.2 PLC 输入、输出图（画出）南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS113.3 状态图南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS123.4 指令表LD M8000SET S
26、0STL S0LD X1OR M0LD X2PLS M0ANI T21OUT T20 K5AND T20OUT T21OUT Y2OUT Y5ZRST CO C1ZRST Y0 Y5ZRST S20 S34LD X0ANI X1SET S20SET S30STL S20OUT Y0OUT T0 K300LD T0SET S21STL S21OUT Y1OUT T1 K200LD T1SET S22STL S22OUT T2 K5LD T2SET S23STL S23OUT C0 K5OUT Y1OUT T3 K5LD T3南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONA
27、UTICS AND ASTRONAUTICS13ANI C0RST C0OUT S22LD T3AND C0SET S24STL S24OUT Y2OUT T4 K50LD T4OUT S20STL S30OUT Y4OUT T10 K200LD T10SET S31STL S31OUT T11 K5LD T11SET S32STL S32OUT C1 K5OUT Y4OUT T12 K5LD T12SET S33STL S33RST C1OUT Y5OUT T13 K50LD T13SET S34STL S34OUT Y3OUT T14 K300LD T14OUT S30RETEND南京航空
28、航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS14第四章 总结在设计过程中，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。我趁着做课程设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，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，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，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。经过两个星期的设计里，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
29、后来汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。通过这次课程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深刻，掌握得不够牢固。南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS15参考文献：1. 廖常初主编. PLC 基础及应用 .
30、 北京：机械工业出版社， 20042. 廖常初等.PLC 的顺序控制编程方法.工业自动化， （香港） ，19973. 廖常初主编. PLC 基础及应用.北京：机械工业出版社，20024. 廖常初.PLC 梯形图的顺序控制设计法.电工技术杂志，20015. 电机及拖动.高等教育出版社，6. 朱献清 编著.物业供用电.北京.机械工业出版社.20037. 刘介才主编.实用供配电技术手册.北京：中国水利水电出版社，20028. 常斗南主编 可编程序控制器原理*应用*实验.北京:机械工业出版社,20059. 求是科技编著 PLC 应用开发技术与工程实践.电子工业出版社.200410.中华人民共和国国家标
31、准 电气制图，北京：中国标准出版社，198711.余雷声主编，电气原理与 PLC 应用。北京：机械工业出版社，199612.钟肇新，范建东编. 可编程控制器基础及应用.广州：华东理工大学，200213 张万忠可编程控制器入门与应用实例北京：中国电力出版社 200414 台方可编程序控制器应用教程北京：中国水利水电出版社 200115 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 199816 邦田电子电路实用抗干扰技术北京：人民邮电出版社 1994南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS16结束语通过此次毕业
32、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
33、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。南京航空航天大学NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS17
