一种基于PLC的交通信号灯控制系统的设计

石家庄铁路职业技术学院

毕 业 设 计

一种基于PLC的交通信号灯控制系统的设计

系 部 信息工程系 专业名称 电气自动化技术 指导教师 xxx 学生姓名 xxx

2013年 1 月

表1 2013届毕业设计（论文）任务书 题目名称 课题来源 起止日期 设计内容、主要技术参数与工作量（计算说明书、论文字数、图纸张数、外文翻译、计算机应用） 一种基于PLC的交通信号灯的控制系统的设计 自定 2012.12.3------2013.1.6 指导教师 王书青 按下启动按钮后，东西向绿灯亮30s后闪烁3s灭，黄灯亮2s灭，红灯亮1分钟灭，然后循环往复；对应东西向绿灯、黄灯亮时，南北向红灯亮，东西向红灯亮2s后南北向变成绿灯，绿灯亮53s ，闪烁3s灭，黄灯亮2s灭，接着红灯亮。 课题要求及目标 按要求设计出这一控制系统，选择合适的PLC机型，画出硬件原理图，编写程序，并按时完成5000~8000字的设计说明书。 CAD，PLC编程软件，OFFICE办公软件。 1． 控制流程图； 2. 硬件接线图； 3. 源程序代码； 4. 设计说明书。 使用的工具软件 提交的设计资料 进 度 计 划 阶段日期 2012.12.3------12.10 2012.12.11------12.18 2012.12.19-----12.27 2012.12.28--2013.1.6 计划完成工作量 查阅资料编写流程图 画出硬件接线图 编写源程序代码 整理资料撰写设计说明书 指导教师检查意见 备注

自动化 教研室

2012年11月25日

摘 要

PLC交通灯毕业论文讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。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.

针对选题的路口交通信号灯控制系统设计，本文采用顺序控制设计法中并行序列的顺序功能图设计方法，将各个方向的路灯并行控制，再以转换为中心的方法将顺序功能图转换为梯形图，最后利用编程器将指令输入PLC中进行调试，最终实现交通灯的自动控制。

本项目采用PLC型号为三菱FX2N-16MR。

关键词：交通灯控制系统;PLC;梯形图;顺序功能图;自动控制

目 录

第一章 概述......................................................... 1 第二章 PLC的结构及原理 ............................................. 2

2.1 PLC的分类................................................... 2 2.2 PLC的结构................................................... 2 2.3 PLC的工作原理............................................... 2 2.4 PLC的汇编语言............................................... 3 2.5 PLC编程器件................................................. 4 第三章 硬件部分设计................................................. 5

3.1 需求分析 .................................................... 5 3.2 PLC选型..................................................... 5 3.3 I/O分配..................................................... 5 3.4 原理图 ...................................................... 6 第四章 软件部分设计................................................. 7

4.1 流程图 ...................................................... 7 4.2编程分析..................................................... 8 4.3 梯形图 ...................................................... 9 第五章 总结........................................................ 10 参 考 文 献........................................................ 11 致 谢........................................................... 12 附录............................................................... 15

第一章 概述

现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具备极高的可靠性和灵活性，可编程控制器（Programmable Logic Controller）PLC正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

PLC应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用已得到了迅速的发展。它不仅是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位，PLC应用程度之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备无法比拟的。

国际电工委员会（IEC）对PLC作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令、并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程，可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。由以上定义可以看出，PLC是一种用程序里改变控制功能的工业控制计算机，除了各种各样的控制功能外，还有与其它计算机通和信联网的功能。

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第二章 PLC的结构及原理

2.1 PLC的分类

1 按PLC的结构形式分类：1）整体式；2）模块式。

2 按PLC的I/O点数分类：1）小型256点以下；2）中型256点以上，3)2048点以下； 3 按PLC功能分类：抵挡型，中挡型，高档型。

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。 PLC的基本结构框图如下：

2.3 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，

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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。

2 程序执行阶段：PLC对用户程序扫描。

3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。

2.4 PLC的汇编语言

采用面向控制过程，面向问题，简单直观的PLC编写横语言，常用的有：梯形图，语句表，功能图等。

1. 梯形图：由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但

梯形图编程语言功能更强更方便。 主要特点：

1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使左母线。

2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器” 3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。 4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。

2.语句表：又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编程。例：下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例：

它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，用以结束

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程序。

梯形图与助记符的对应关系： 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为：

地址 0000 指令 LD 变量 X000 0001 OR X010 0002 AND X001 0003 OUT Y000 0004 END

2.5 PLC编程器件

一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。

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第三章 硬件部分设计

3.1 需求分析

(1) 交通信号灯系统启动由按钮SB1控制，按下SB1，信号灯系统开始运行；停止由按钮SB2控制，按下SB2，所有的信号灯均熄灭；

(2) 南北方向绿灯与东西方向绿灯不能同时亮，一旦出现此情况系统应关闭； (3) 按下启动按钮后，东西向绿灯亮30s后闪烁3s灭，黄灯亮2s灭，红灯亮1分钟灭，然后循环往复；

(4) 对应东西向绿灯、黄灯亮时，南北向红灯亮，东西向红灯亮2s后南北向变成绿灯，绿灯亮53s ，闪烁3s灭，黄灯亮2s灭，接着红灯亮；

(5) 以上南北、东西交通信号灯周而复始的交替工作状态，指挥着十字路口的交通；

3.2 PLC选型

分析系统的控制模型可以看出，整个控制系统需设置两个输入接口：X1接启动输入开关SB1，X2接停止输入开关SB2；再设置6个输出端口分别控制各方向的信号灯。且需要百分之二十到百分之三十的富余量，所以选择三菱PLC型号为FX2N-16MR。

3.3 I/O分配

输入 启动（SB1） 停止(SB2)

输出 东方向/西方向红灯 东方向/西方向黄灯 东方向/西方向绿灯 南方向/北方向红灯 南方向/北方向黄灯 南方向/北方向绿灯 5

X1 X2 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 3.4 原理图

见附录

由附录中原理图可见：起动按钮SB1接于输入继电器X1端，停止按钮SB2接于输入继电器X2端，东方向/西方向红灯接于输出继电器Y0端，东方向/西方向黄灯接于输出继电器Y1端，东方向/西方向绿灯接于输出继电器Y2端，南北方向红灯接于输出继电器Y3端，南方向/北方向黄灯接于输出继电器Y4，南方向/北方向绿灯接于输出继电器Y5。将输出端的COM1及COM2分别接与24V直流电源。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。

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第四章 软件部分设计

4.1 流程图

流程图如下：

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4.2编程分析

东西方向绿灯亮30s,闪烁3s：按下启动开关SB1（X1），内部继电器线圈R1得电并自锁，同时接定时器T1，定时30s，且T1的常闭触点接M1、T1，控制其断电。计时30s后定时器常闭触点断开，M1线圈不得电，T1不再计时；T1常开触点闭合，接通定时器T2和内部继电器R2并自锁。T2定时3s，同样用定时器T2的常闭触点来实现线圈R2和定时器T2断电，达到定时的目的。

当R1线圈接通的同时，R1常开触点闭合，东西方向绿灯输出Y2得电，当R2接通的同时，用1S脉冲时间继电器M813（秒/次）实现绿灯闪烁。

东西方向黄灯亮2s：用一定时器T3控制，当定时器T2常开触点闭合，东、西方向黄灯输出Y1得电并自锁，定时器T3开始计时2S,同样用定时器T3的常闭触点来实现线圈Y1与定时器T3断电，达到定时目的。

东西方向红灯亮60s：用一定时器T4控制，当定时器T3常开触点闭合，东西方向红灯输出Y0得电并自锁，定时器T4开始计时60S,同样用定时器T3的常闭触点来实现线圈Y1与定时器T3断电，达到定时目的。

东西方向红灯亮2s后，南北方向红灯亮：用一定时器T9控制，当定时器T3常开触点闭合，内部继电器线圈M0得电并自锁，定时器T9开始计时2S,同样用定时器T9的常闭触点来实现线圈M0与定时器T9断电，达到定时目的。 当一方向的红灯灭时，另一方向的红灯亮。一方向的黄灯灭时，另一方向绿灯亮。一方向的红灯和另一方向的绿、黄同时亮。 而另一方向的绿、黄、红也同样实现。

按下停止按钮SB2（X2），所有的信号灯均熄灭。

实现循环：当一个周期完成后，用最后实现灯亮的定时器的常开触点并连启动按钮SB1(X1)，实现循环。

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4.3 梯形图

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第五章 总结

通过这次实验，了解了PLC在自动控制中的运用，可编程序控制器（简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动化控制装置，它专门为工业控制而设计，具有功能强，编程简单，使用方便等优点，在现代工业自动控制中使用越来越广泛。

此实验后，基本掌握了三菱公司FX2N型PLC的使用方法，并用其来设计简单的自动控制过程，受益匪浅。

通过这次设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。

在设计的过程中，对于自己设计参数是一个很让人头疼的问题，所以通过本次论文，我也感到自己在这些方面还有很多的不足，要在这方面加强练习，程序的套路是很多种的，我们要学会在其中找到最优的方案，这样不仅可以提高自己的编程水平，还可以让我们编写的程序达到最佳的运行状态，为程序节约运行时间是非常重要的，这也让我明白了时间的重要性。

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参 考 文 献

1. 廖常初主编. PLC基础及应用 . 北京：机械工业出版社， 2004 2. 廖常初等.PLC的顺序控制编程方法.工业自动化，（香港），1997 3. 廖常初主编. PLC基础及应用.北京：机械工业出版社，2002 4. 廖常初.PLC梯形图的顺序控制设计法.电工技术杂志，2001 5. 廖常初.电机及拖动.高等教育出版社，

6. 三菱官方网站 www.mitsubishielectric-automation.cn 7. 中国工控网 www.gongkong.com

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致 谢

当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。提笔写下“谢辞”，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展开新的画卷。尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。

三年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回忆。在这份大学的最后一页里，首先感谢学院给我们提供这个能自我展示的平台，感谢我们的指导老师王书青老师，你从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。给我提供了大量数据资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。谢谢我们班主任和在我三年的学习中无私传授我知识的各位老师，是你们将自己宝贵的财富无私地奉献给了我们，让我们能在学业上有所成绩；是你们让我倍感教师职业的伟大，交给我们知识，又不忘教育我们如何做人！在此，我还要感谢寝室的兄弟们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这三年的生活。

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石家庄铁路职业技术学院

毕 业 设 计 （论文）评 定 表

姓名 系别 信息工程系 学号 存档号 班 级 41031 专业 电气自动化技术 毕业论文（设计）题目 指导教师评语： 一种基于PLC的交通信号灯控制系统的设计 签名： 年 月 日 1．毕业设计成绩： 指导教师签名： 年 月 日 2．答辩成绩： 3．综合成绩： 答辩小组组长签名： 年 月 日 备注： 1.“毕业设计成绩”一项由指导教师根据毕业设计过程的表现及毕业设计说明书评定，满分100分。 2.“答辩成绩”一项由答辩小组组长根据答辩情况评定，满分100分。 3.“综合成绩”=“毕业设计成绩”*70%+“答辩成绩”*30%。

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