十字路交口交通信号灯控制

目录

1. 总体设计方案 .................................................... 1

1.1 系统控制要求 ............................................... 1 2.可编程程序控制器（PLC） .......................................... 2

2.1 PLC的发展趋势 .............................................. 2 2.2 PLC的应用 .................................................. 2 2.3 PLC硬件结构 ................................................ 2 2.4 PLC工作原理 ................................................ 3 3.单元模块设计 ................................................. 6 3.1交通灯系统控制分析 .......................................... 6 3.2 十字路口交通灯状态的分析 ................................... 7 3.3主程序流程图和时序图 ........................................ 7 3.4 硬件设计 .................................................. 10

3.4.1 PLC选型 ............................................. 10 3.4.2 PLC地址分配 ......................................... 10 3.4.3 PLC接线图 ........................................... 11 3.5 系统程序设计 ........................................... 12 3.5.1 系统梯形图设计 ....................................... 12 3.5.2 语句表 ............................................... 14

4. 设计总结 ....................................................... 16 5. 参考文献 ....................................................... 17

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1.总体设计方案

1.1 系统控制要求

交通灯控制系统的控制要求如下：

◆信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，信号系统开始工

作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。

◆南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，

并报警。

◆南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持

20S。到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。到2S时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。

◆东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮维持25S。然后闪烁3S，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，周而复始。 1.2 系统总体设计框图

基于PLC的交通灯控制系统，由控制按钮（启动停止按钮）、控制核心（西门子S7-200PLC）及控制控制对象（十字路口信号灯）组成。构成了一个简单的以PLC为核心的控制系统。其系统结构框图如下：

图1 基于PLC的交通灯控制方案框图

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2.可编程程序控制器（PLC）

2.1 PLC的发展趋势

从当前产品技术性能来看，PLC发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两大方面。

◆体积小型化。电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。

现代PLC无论从内部元件组成还是硬件、软件结构都已经与早期的PLC有了很大的不同，PLC体积被大幅度缩小。

◆性能的提高。PLC的性能主要包括CPU性能与I/O性能两大方面。

2.2 PLC的应用

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常可分成以下5种类型：

第一，顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。它用来取代传统的 继电器顺序控制。

第二，运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。

第三，过程控制 PLC还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度。

第四，数据处理 在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。

第五，通信网络 PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。

2.3 PLC硬件结构

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

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可以按照一定规则组合配置。其结构如图2-1所示。

中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。

图2 PLC的结构图

2.4 PLC工作原理

PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

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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。

第一，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。

第二，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。

第三，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。期间CPU按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。 PLC的扫描工作过程如图3、图4所示

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输 入 端 子 输 入 锁 存 器 输 入 映 象 寄 存 器 程 序读 执 行 写 输 出 映 象 寄 存 器 输 出 锁 存 器 用 户 输 入 设 备

输 出 端 子 读 用 户 输 出 设 备

图3 PLC的扫描工作过程图

图4 PLC的扫描周期图

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3.单元模块设计

3.1交通灯系统控制分析

按照交通灯系统控制要求下，结合西门子S7-200系列可编程控制器的特性，选择适合的型号。设计思想分析如下：给一个启动的输入信号，要配合一个SB1的按钮，当SB1启动按钮动作，系统工作。

首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状态。

南北方向道路亮红灯状态过程中，南北红灯亮25S,需计时器设定延时25秒，才会转入下一状态南北绿灯亮；同时，东西方向道路也一起亮绿灯20S,需计时器设定延时20秒，才会转下一状态东西绿灯闪烁；东西绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使东西绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3秒，才会转下一状态东西黄灯亮；东西黄灯亮2S,需计时器设定延时2秒，才会转入下一状态东西红灯亮。

其次，东西方向道路处于禁止通行的状态，南北方向道路处于允许通行的状态。

东西方向道路亮红灯状态过程中，东西红灯亮30S,需计时器设定延时30秒，才会转入下一状态东西绿灯亮；同时，南北方向道路也一起亮绿灯25S,需计时器设定延时25秒，才会转下一状态南北绿灯闪烁；南北绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使南北绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3秒，才会转下一状态南北黄灯亮；南北黄灯亮2S,需计时器设定延时2秒，才会转入下一状态南北红灯亮，如此循环下去。

另外，当断开系统，所有信号灯熄灭；需要按钮SB1动作断开系统，停此输入信号入可编程控制器，而最快的方法，是使可编程控制器不动作，那么肯定无信号输出。而且，南北、东西绿灯同时亮，报警。可编程控制器要输出一个信号，驱动一个报警灯。

综上所述，可编程控制器要满足一个信号输入（作系统接通、断开作用），七个信号输出，十字路口有十二个交通信号灯，但南北、东西两个为一组用一个输出信号控制，再加上一个报警信号驱动的报警灯。通过如下的十字路口交通灯状态分析表、主流程图、十字路口交通灯时序图一一展开，将十字路口交通灯控制系统设计思路逐渐脉络清晰。

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表1 十字路口交通灯状态分析表

南北方向 交通灯状态 红灯亮25S 绿灯亮25S 绿灯闪3S 黄灯亮2S 东西方向 交通灯状态 绿灯亮20S 绿灯闪3S 黄灯亮2S 红灯亮30S 3.2 十字路口交通灯状态的分析

图5 十字路口交通灯状态图

十字路口交通灯如上图5所示，将12个交通灯进行编号 这12个交通灯共有四个状态：

状态1：南北红灯（1、7）亮，东西绿灯（6、12）亮。 状态2：南北红灯（1、7）继续亮，东西绿灯（6、12）闪。 状态3：南北红灯（1、7）继续亮，东西黄灯（5、11）亮。 状态4：东西红灯（4、10）亮，南北绿灯（3、9）亮。 状态5：东西红灯（4、10）继续亮，南北绿灯（3、9）闪。 状态6：东西红灯（1、7）继续亮，南北黄灯（2、8）亮。

3.3主程序流程图和时序图

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开始 南北红灯亮，东西绿灯亮 南北红灯亮，东西绿灯闪 南北红灯亮，东西黄灯亮 东西红灯亮，南北绿灯亮 东西红灯亮，南北绿灯闪 东西红灯亮，南北黄灯亮 结束 图6 主流程图

20S

3S

2S 25S 3S 2S

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图7 十字路口交通灯时序图

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3.4 硬件设计

3.4.1 PLC选型

从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点1个，开关量输出点7个，如果选用CPU222 / PLC，也需要扩展单元 PLC，参照西门子S7-200系列特性（见附录），选用主机为CPU224（14 输入/10继电器输出）。

其外形图8如下：

图8 CPU224外形图

输入电路采用了双向光电耦合器，24V DC极性可任意选择， 1M、2M为输入端子的公共端。1L、2L为输出公共端。

3.4.2 PLC地址分配

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表2 交通信号灯PLC的输入/输出点分配表

输入信号 名称 工作按钮 代号 SB1 输入信号 输入点编号 I0.0 定时元件 T33:南北红灯工作25S T97: 东西红灯工作30S 名称 报警灯 输出信号 代号 输出点编号 L0 L1 输出信号 东西绿灯 L2 L3 L4 L5 L6 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.0 Q0.1 T98:东西绿灯工作20S 南北红灯 定时元件 T99:东西绿灯闪烁3S T100:东西黄灯工作2S 东西黄灯 T34:南北绿灯工作25S 东西红灯 T35:南北绿灯闪烁3S T36:南北黄灯工作2S 南北绿灯 南北黄灯 3.4.3 PLC接线图

Q0.0 I0.0 Q0.1 Q0.2 P L C Q0.3 Q0.4 Q0.5 COM Q0.6 COM SB1 L0 L1 L2 L3 L4 L5 L6

图9 PLC控制接线图

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端口I0.0为接入系统开关的传送信号，端口Q0.0接起报警作用的信号灯，端口Q0.1接南北红灯，端口Q0.2接东西绿灯，端口Q0.3接东西黄灯，端口Q0.4接东西黄灯，端口Q0.5接南北绿灯，端口Q0.6接南北黄灯。

3.5 系统程序设计

3.5.1 系统梯形图设计

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3.5.2 语句表

LD I0.0 //启动 AN Q0.0 LDN Q0.0

TON T33, +2500 //南北红灯25S LD T33

TON T97, +3000 //东西红灯30S AN T97 A I0.0 AN T33

TON T98, +2000 //东西绿灯20S LD T98

TON T99, +300 //东西绿灯闪烁3S LD T99

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TON T100, +200 //东西黄灯2S LD T33

TON T34, +2500 //南北绿灯25S LD T34

TON T35, +300 //南北绿灯闪烁3S LD T35

TON T36, +200 //南北黄灯2S LDN T33 AN Q0.0 A I0.0

= Q0.1 //南北红灯工作 LD T33

= Q0.4 //东西红灯工作 LD Q0.1 AN T98 LD T98 AN T99 A T32

= Q0.2 //东西绿灯工作 D T99 AN T100

= Q0.3 //东西黄灯工作

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4.设计总结

通过此次课程设计，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，使我更加扎实的掌握了有关PLC方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

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。

这次的课程设计我们把PLC控制理论知识应用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，让我受益非浅， 最后要感谢指导老师对我们课程设计的悉心指导。

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5.参考文献

[1] 《现代电气控制及PLC应用技术》，王永华，北京航空航天大学出版社 ，2008，86-136 [2] 《西门子S7-200系列PLC应用与开发》，戴先金，中国水利水电出版社，2007，123-168 [3] 《SIMATIC子S7-200PLC原理及应用》，龙志文，机械工业出版社，2007，78-90 [4] 《电气控制与PLC》，刘永华，北京航空航天大学出版社，2007，156-171 [5] 《流行PLC实用程序及设计》，罗宇航，西安电子科技大学出版社，2007.134-145 [6] 《PLC应用开发从基础到实践》，刘洪涛，电子工业出版社，2008.77-95

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