1、摘要城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，以提高运营效率。交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。目前大多采用的是定时信号控制，很难得到满意的效果。而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。本文实现基于 PLC 的交通信号的模糊控制系统进行初步探讨与设计。本文根据车流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的研究设计，用 PLC 实现十字路口交通信号灯模糊控制的方法。把 PLC 作为一个模糊控制器，采用梯形图编程，通过模拟实验保证系统运行稳
2、定可靠，并根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。本文在分析了交通控制国内现状的基础上，说明了本论文的现实意义，简单介绍模糊控制理论的有关知识，详细论述实行模糊控制所要采用的方法、技术及现有线路所要做的基本工作等，详尽描述了交通指示灯的 PLC 控制系统硬件配置并作出模拟实验。关 键 词：城市交通；信号灯；模糊控制；PLC目录第一 章 前言可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上发展而来的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因而被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Co
3、ntroller），简称 PLC。随着微电子技术和微型计算机的发展，微处理器用于 PLC，使其不仅可以实现逻辑控制，还可以进行数字运算和处理、模拟量调节和联网通信等，因此美国电气制造协会于 1980 年将它正式命名为可编程控制器（Programmable Controller），简称 PC。但近年来 PC 又成为个人计算机（Personal Computer）的简称，为避免发生混淆，我们仍把可编程控制器简称为 PLC。本章主要介绍 PLC 的结构组成、工作原理和编程语言等内容。第二章 PLC 概述1、PLC 的产生传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但
4、是，这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是接线复杂、排除故障非常困难而且要花费大量的时间。如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的变动，改造的工期长、费用高，通用性和灵活性较差。1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，以尽可能减少重新设计继电器控制系统和接线、降低成本、缩短时间，而考虑把计算机的功能完善、通用灵活等优点与继电器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，提出了研制 PLC 的基本设想：1. 编程简单方便，可在现场修改程序；2.硬件维护方便，最好是插件式结构
5、；3. 可靠性要高于继电器控制装置；4.体积小于继电器控制装置；5. 可将数据直接送入管理计算机；6.成本上可与继电器竞争；7.输入可以是交流 115V；8.输入为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀；9.扩展时，原有系统只需做很小的改动；10.用户程序存储器容量器容量至少可以扩展到 4K。根据以上设想和要求，1969 年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的汽车生产线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。从此，这一更新技术就以很快的速度发展起来，现代的PLC 已成为现代工业控制的三大支柱（PLC ，机器人和 CADCAM）之一。2、PLC 的特
6、点（1）编程方法简单易学考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，PLC 配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。而且某些仅有开关量逻辑控制功能的 PLC 只有十几条指令。通过阅读 PLC 的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。（2）硬件配套齐全，用户使用方便PLC 配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定 PLC 的硬件配置和外部接线。PLC 的安装接线也很方便。（3）通用性强，
7、适应性强PLC 的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。（4）可靠性高，抗干扰能力强绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC 的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的 F1、F2 系列 PLC 的平均无故障间隔时间长达 30 万小时，这是一般微机所不能比拟的。（5）系统的设计、安装、调试工作量少PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控
8、制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC 的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。（6）维修工作量小，维修方便PLC 的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更换模块的方法可以迅速地排除 PLC 的故障。（7）体积小，能耗低以 F1 意 40M 型 PLC 为例，其外形尺寸为 305ll0110mm，功耗小于25VA。由于体积小， PLC 很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。3、PLC 的系统构成PLC
9、 实际上是一种工业控制计算机。它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、I/O 扩展机、外围设备三部分组成，如图 1 所示。（1）主机主机由 CPU（微处理器）、存储器、输入输出单元、电源等部分组成。CPU 是 PLC 的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户按特定格式输入的指令，并按照指令完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统测试与诊断功能。PLC 的存储器有两种：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序，如系统诊断程序、键盘输入处理程序、指令解释程序、监控程序等。这些程序与用户无直接关系，已由厂家直接
10、固化进 EPROM 中，不能由用户直接存取、修改。用户程序存储器主要存放用户程序（用户利用 PLC 的编程语言按不同控制要求所编制的控制程序或数据，这相当于设计继电器控制系统硬接线的控制电路图），可通过编程器进行修改。输入输出（IO）单元是 PLC 与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成 CPU 能接收和处理的数字信号。输出单元接收经过 CPU处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。电源部件是把交流电转换成直流电的装置，它向 PLC
11、提供所需要的直流电源。电源组件具有很高的抗干扰能力，适合工业现场使用，供电稳定、安全可靠。电源组件内还装有备用锂电池，以保证在断电时保存必要的信息。PLC 还有各种接口，PLC 通过这些接口可与监视器、打印机、其它的 PLC 或计算机等相连。（2）I/O 扩展机每种 PLC 都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。PLC 扩展模块内不设 CPU，仅对 I/O 通道进行扩展，不能脱离主机独立实现系统的控制要求。（3）外部设备外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM 写入器、图形监控系统等。其中编程器是 PLC 必不可少的重要外围设备，由键盘、显示
12、器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视 PLC 的工作状态。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且需将梯形图转化为助记符后才能送入。智能型编程器又称图形编程器，它既可联机编程，又可脱机编程，具有图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。现在也可在个人计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而且还可以在计算机上实现模拟调试。PLC 与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印。当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来。当 PLC 与 PLC 相连时，可组
13、成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。当 PLC 与计算机相连时，可组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。5、PLC 的等效电路和工作原理（1）PLC 的等效电路PLC 的工作酷似一个继电器系统，其等效电路可分为三部分：输入部分、内部控制电路和输出部分，如图 2 所示，图中“ ”为 PLC 内部用程序实现的软继电器的线圈，“ ”为常开触点， “ ”为常闭触点。输入部分这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。输入端子外接行程开关、按钮等的触头，内连输入继电器线圈。输入继电器由外部信号通过输入端子驱动，可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。内部控制电路由用户根据控制要求编制
14、的程序所组成，其作用是按用户程序的控制要求对输入信号进行运算处理，判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出给负载。PLC 内部有许多类型的器件，如定时器（T）、计数器（C ）、辅助继电器（M）等，它们都有许多对用软件实现的常开、常闭触点。编写的梯形图是将这些软器件进行内部接线，完成被控设备的控制要求。输出部分这部分的作用是驱动外部负载，所以输出端子是 PLC 向外部负载输出信号的端子，其内连输出继电器（Y）的一对常开触点。输出继电器除提供一对常开触点驱动负载以外，还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。（2）PLC 的周期工作方式PLC 是通过一种周期工作方式来完成控制的，每个周期包括输入采
15、样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图 3 所示。输入采样阶段PLC 以扫描方式按顺序将所有输入端的状态读入到输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内采样结果不会改变，而且将在 PLC 执行程序时被使用。程序执行阶段PLC 按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和元件映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入元件映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。输出刷新阶段在所有用户程序执行完毕后，PLC 将元件映像寄存器中的内容送入输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。PLC 重复执行
16、输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。PLC 的一个扫描周期一般为 40100ms 之间。5、分类（1）按 IO 点数分类按 IO 总点数可分为小型、中型和大型三类。小型 PLC 的 IO 点数为256 点以下，其中小于 64 点为超小型或微型 PLC。中型 PLC 的 IO 点数为256 点到 2048 点以下。大型 PLC 的 IO 点数为 2048 点以上，其中 IO 点数超过 8192 点为超大型 PLC。（2）按结构形式分类按结构形式可分为整体式和模块式。整体式 PLC 是将电源、CPU、IO部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特
17、点，一般小型 PLC 采用这种结构。模块式 PLC 是将 PLC 各部分分成若干个单独的模块，如 CPU 模块、IO 模块、电源模块（有的包含在 CPU 模块中）以及各种功能模块。模块插在框架的插座上，有的 PLC 没有框架，各种模块安装在底板上。这种结构的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型 PLC 采用模块式结构。（3）按功能分类按功能不同，PLC 可分低档、中档、高档机三类。低档机具有逻辑运算、计时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。还可能增设少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、远程 IO、通信等功能。中档机除具有低
18、档机的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 IO、子程序、通信联网等功能。还可以增设中断控制、PID控制等功能。高档机除具有中档机的功能外，还有符号算术运算（32 位双精度加、减、乘、除和比较）、矩阵运算、位逻辑运算（置位、清除、右移、左移）、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、表格功能及表格传送等。高档机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制，构成全 PLC 的分布式控制系统，或整个工厂的自动化网络。6、发展趋势（1）向更高处理速度、更大存储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。在 PLC 中
19、，用户程序的存储容量有的是用编程的步数来表示，每编一条语句为一步；有的是以字为单位来计算，16 位二进制数为一个字节，每 1024个字节为 1KB；有的是以编程的地址来表示，每编一条语句为一地址。目前大型 PLC 的存储容量是几百 KB，最高可达几 MB。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。目前大中型 PLC 的扫描速度可达 02ms KB左右。如欧姆龙公司的 C1000H 为 04msKB，三菱公司的 A3N 为02ms KB 。（2）产品规模向大、小两个方向发展PLC 主要有超大型和超小型两个发展趋势。超小型 PLC 向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低方向发展，以真正
20、完全取代最小的继电器系统。超大型 PLC 向大容量、高速度、多功能方向发展，能与计算机组成分布式控制系统，实现对工厂生产全过程的集中管理。（3）PLC 编程语言更加丰富，功能不断提高，编程语言趋向标准化在 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，还有些 PLC 采用BASIC、C 语言等高级语言编程。美国生产的 PLC 在基本控制方面编程语言已标准化，均采用梯形图编程，日本、英国也进入了标准化阶段，法国还采用专用编程语言 GRAFCET，德国采用 DIN40719 标准编程语言。（4）不断开发智能模块，加强联网和通
21、信能力为了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 IO 模块、通信和人机接口模块等，扩大了 PLC 应用范围。目前加强 PLC 联网与通信的能力，是 PLC 技术进步的潮流。PLC 的联网和通信可分为两类：一类是 PLC 之间联网通信，各 PLC 制造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 都有通信模块用于与计算机通信。设计总结通过此次毕业设计，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
22、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
23、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
24、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。在此要感谢我们的指导老师张老师对我悉心的指导，感谢老师们给我的帮助。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。此页学院统一印制、发放西 安 铁
25、路 职 业 技 术 学 院毕业设计（论文）题目：十字路口交通信号灯的 PLC 控制程序设计 系 别： 机电工程系 专业（班级）： 机电一体化 395104学 生 姓 名： 彭兴华 学 号： 0931765指 导 教 师： 完 成 日 期： 西安铁路职业技术学院教务处制毕业设计（论文）成绩评议表学 生 姓 名 班 级指导教师姓名 职 称指导教师综合评定评语：此页学院统一印制、发放规范（ 10分）质量（ 30分）创造性（20 分）总分（ 60分）设计（论文）成绩指导教师签字： 年 月 日答辩成绩评定评语：此页学院统一印制、发放综述（20 分） 答辩（20 分） 总分（40 分）答辩成绩答辩小组负责
26、人签字： 年 月 日答辩委员会意见及综合成绩评定：答辩委员会主任： 年 月 日评语内容包括：（学术）思想、方案选择、设计（论文）达到的水平、设计（论证）有无错误等。毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目主要研究内容 此页学院统一印制、发放选题的背景与意义1、2、中期检查报告计划进度主要参考资料指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日设计（论文）题目 一、目前已完成的工作的主要内容和取得的阶段性成果：三、拟采取的措施及计划四、指导教师意见教师签字： 年 月 日结题验收报告设计（论文题目）申请验收日期二、目前存在的主要问题和困难：此页学院统一印制、发放结题验收申请：1、 总结毕业设计（论文）撰写工作。2、 根据毕业设计任务书要求：毕业设计（论文）已全部完成，提出审阅、答辩申请。此页学院统一印制、发放学生签字：年 月 日指导教师意见：1、 对学生毕业设计（论文）期间的整体表现进行评价。2、 对学生是否按任务书要求完成工作进行评价。3、 是否准予对学生毕业设计（论文）进行结题验收。4、 是否同意学生答辩申请。教师签字： 年 月 日
