课程设计-基于PLC控制的交通红绿灯系统设计

《机电一体化》课程设计交通红绿灯PLC控制系统

班级：工学院机电1003班

指导老师： _________ 小组成员： __________________________ __________________________ __________________________ 日期： 2013年6月28日

【摘要】随着社会经济的快速发展和人们消费水平的不断提高，私家车不断增加，城市人多、车多道路少的交通状况越来越引起人们的关注。为了实现交通道路的管理，在各个道口安装红路灯已经成为了疏导交通车辆最为常见和最有效的手段。PLC控制系统可以实现了按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的车辆放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤以实现最优控制，从而提高交通控制系统的效率。

PLC具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，并广泛用于工业过程的自动控制中。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部的定时器资源十分丰富，可对目前较为普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，能够方便实现对多岔路口红绿灯的控制，因此PLC被越来越多地应用于交通灯系统中。

PLC还具有通讯联网功能，可将同一条道路上的信号灯连成一局域网进行统一调度管理，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PLC应用系统中，PLC大都是作为一个核心部件来设计使用的。

【关键词】 PLC；交通灯；控制系统

目录

第一章绪论 (1)

1.1 PLC及WinCC介绍 (1)

1.1.1 PLC简单概述 (1)

1.1.2 WinCC介绍 (2)

1.2 十字路口交通灯控制任务 (3)

1.3 研究目的和意义 (4)

1.4 方案设计 (4)

第二章交通信号控制系统实况 (5)

2.1十字路口交通灯控制实际情况描述 (5)

2.1.1 控制任务要求 (5)

2.2 结合十字路口交通灯的路况画出模拟图 (5)

2.3交通灯控制流程图 (6)

第三章可编程控制器程序设计 (7)

3.1可编程控制器I/O端口分配 (7)

3.2 PLC的外部接线图 (7)

3.2.1输入/输出接线列表 (7)

3.2.2 PLC外部接线原理图 (7)

3.3程序梯形图及其说明 (8)

第四章十字路口交通灯的组态控制过程 (12)

4.1工程的建立和变量定义 (12)

4.1.1 工程的建立 (12)

4.1.2 变量的定义 (12)

4.2组态画面的建立 (12)

4.3 MOVEX1～MOVEY2的脚本编辑 (13)

第五章小组总结 (15)

参考文献 (15)

附表：PLC梯形图指令表 (16)

附图：交通红绿灯PLC控制系统实验相片 (18)

第一章绪论

1.1 PLC及WinCC介绍

1.1.1 PLC简单概述

（一）什么是PLC

可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易与个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们习惯地用PLC来作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器作为核心的数字运算操作电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数以及算术运算等操作指令，并通过数字式以及模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械生产过程。可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程可分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出三个阶段。PLC是微机技术与传统继电接触控制技术互相结合的产物，它克服了继电接触控制系统之中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作和维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不涉及专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图作为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的程序的编制工作，就可方便地将PLC应用于生产实践。

（二）PLC的结构及各部分

PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展接口和外部设备接口等等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如图1所示。

图1 PLC硬件系统结构图

（三）PLC的工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按照控制要求编制好并存储于用户存储器中的程序，按指令步序号或地址号作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条按顺序执行用户程序，直至程序结束。然后再重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号采样以及对输出状态的刷新等工作。

PLC的扫描一个周期经过输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将暂存在输入锁存器中的输入端子通断状态或输入数据读入，并写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序来扫描执行每条指令，执行的结果写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中的所有的内容也随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器通断状态在输出刷新阶段传送至输出锁存器中，并通过相应的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

1.1.2 WinCC介绍

（一）什么是WinCC

WinCC是西门子公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司在共同开发的居于世界领先地位的工控软件。WinCC即WINDOWS CONTROL CENTER（视窗控制中心）。WinCC 是一个功能强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应

用，也可以用来完成复杂的应用。在任何情况下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。

（二）WinCC的功能

1. 图形系统用于自由地组态画面，并完全通过图形对象进行操作，图形对象具有动态属性并可对属性进行在线组态；

2. 报警信息系统记录和存储事件并予以显示，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操作非常简便；

3. 变量存档接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示及进一步的编辑功能；

4. 报表系统用户自由选择一定的报表格式，按时间顺序或事件触发来对信息操作、文档当前数据进行用户报表输出；

5. 数据处理：对图形对象的动作使用C语言及C编译器进行编辑；

6. 标准接口：通过ODBC和SQL访问用于组态和过程数据的SYBASE数据库；

7. 应用程序接口：允许用户编写可用于扩展WinCC基本功能的标准应用程序。

另外，WinCC还提供多种可选软件包。如，通讯开发工具CDK，允许用户开发用于连接数据管理器与任何目标系统的通讯软件。 WINCC的组态及归档数据存放在关系型数据库中，数据可用标准工具如ODBC和SQL等读出。很多标准的应用如Microsoft Excel等可以和WinCC并行运行，同时可通过DDE装载过程数据。操作员站软件允许通用的OCX、ActiveX链接。更进一步，集成的OPC(OLE for process control)服务器使得过程数据可由其它应用程序(OPC客户机)访问。 WinCC是PCS7系统操作站采用的监控软件(HMI)。它是一个32位的基于Windows的监控软件。在PCS7中，它被集成在SIMATIC程序管理器中。

1.2 十字路口交通灯控制任务

信号灯受一个启动开关K1控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。

南北红灯亮维持10秒，南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持5秒。到5秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3次后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。

东西红灯亮维持10秒。南北绿灯亮维持5秒，然后闪亮3次后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。

1.3 研究目的和意义

在十字路口设置交通灯用来对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的人身安全提供了强有力的保障。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。

可编程控制器交通灯的控制系统集成了自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术等于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分利用了分散式控制系统及集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。另外随着高科技技术在日常生活中的普遍应用，城市空中各种电磁干扰的日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择能够在恶劣的电磁干扰的环境下正常工作的PLC也是必要的。

1.4 设计方案

采用计算机和FX2N系列PLC，在计算机上编译调试交通灯控制程序，启动PLC 写入程序，经过运行后，输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。

可编程控制器交通灯控制的特点：编程简单，维修方便；联机自动就地工作；上机控制的单周期运行方式；由上位机通过串口向下位机传送设定配方参数来实现自动控制；自动启动、自动停机控制方式。

采用PLC基于以下四个原因：

①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障使用时间在30万小时以上；

②编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都可以方便地用软件来实现；

③抗干扰能力强，目前各种电磁干扰状况日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了在恶劣的电磁干扰环境下依然能够正常工作的PLC；

④安装简单维修方便，PLC不需要专门的机房，能够在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC中相应的I/O端连接，系统便可投入运行。

第二章交通信号控制系统实况

2.1十字路口交通灯控制实际情况描述

2.1.1 控制任务要求

信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。

南北红灯亮维持10秒，南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持5秒。到5秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3次后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。

东西红灯亮维持10秒。南北绿灯亮维持5秒，然后闪亮3次后熄灭，同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。

2.2 结合十字路口交通灯的路况画出模拟图

如图2所示。

图2 十字路口交通灯路况模拟图

2.3交通灯控制流程图

根据交通灯的实际控制情况，可得出其流程图如图3所示。

图3 交通灯控制流程图

第三章可编程控制器程序设计

3.1可编程控制器I/O端口分配

根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启与停止按钮信号；输出有东西方向、南北方向各两组指示信号。甲模拟东西向车辆行驶状况；乙模拟南北向车辆行驶状况由此可知，该系统所需的输入点数为1，输出点数为8，全部是开关量，则I//O分配如表1所示。

3.2 PLC的外部接线图

3.2.1输入/输出接线列表

如表1所示。

K1

输入

X0

南北G 南北Y 南北R 东西G 东西Y 东西R 甲乙

输出

Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y7 Y6

表1 输入/输出接线列表

3.2.2 PLC外部接线原理图

根据上述I/O表可知，I/O所需点数只有9点，故选用FX2N-48MR微型PLC即可。则PLC外部输入输出的信号接线如图4所示。

图4 PLC 外部接线原理图

3.3程序梯形图及其说明

根据对交通信号灯的控制要求以及PLC 控制系统的I/O 分配的定义，可对PLC 进行控制程序的设计，其梯形图如图5、图6所示。

SB

南北G

南北Y Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 COM5COM1

南北R 东西G 东西Y 东西R 甲灯 乙灯

COM0

X0

…

图5 程序梯形图

图6 程序梯形图

下面对所设计的梯形图作几点说明：

当启动开关K1合上时，X000触点接通，Y002得电，南北红灯亮；同时Y002的动合触点闭合，Y003线圈得电，东西绿灯亮。1秒后，T12的动合触点闭合，Y007线圈得电，模拟东西向行驶车的灯亮。维持到5秒，T6的动合触点接通，与该触点串联的T22动合触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使东西绿灯闪烁。又过3秒，T7的动断触点断开，Y003线圈失电，东西绿灯灭；此时T7的动合触点闭合、T10的动断触点断开，Y004线圈得电，东西黄灯亮，Y007线圈失电，模拟东西向行驶车的灯灭。再过2秒后，T5的动断触点断开，Y004线圈失电，东西黄灯灭；此时起动累计时间达10秒，T0的

动断触点断开，Y002线圈失电，南北红灯灭，T0的动合触点闭合，Y005线圈得电，东西红灯亮，Y005的动合触点闭合，Y000线圈得电，南北绿灯亮。1秒后，T13的动合触点闭合，Y006线圈得电，模拟南北向行驶车的灯亮。又经过5秒，T1动合触点闭合，与该触点串联的T22的触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使南北绿灯闪烁；闪烁3秒，T2动断触点断开，Y000线圈失电，南北绿灯灭；此时T2的动合触点闭合、T11的动断触点断开，Y001线圈得电，南北黄灯亮，Y006线圈失电，模拟南北向行驶车的灯灭。维持2秒后，T3动断触点断开，Y001线圈失电，南北黄灯灭。这时起动累计时间达10秒钟，T4的动断触点断开，T0复位，Y003线圈失电。

上述是一个工作过程，然后再周而复始地进行。

第四章十字路口交通灯的组态控制过程

4.1 工程的建立和变量定义

4.1.1 工程的建立

利用WinCC图形编辑器建立工程（过程略）。

4.1.2 变量的定义

首先对系统中的各个变量进行定义，各变量定义如表2所示。

变量名变量类型初始值注释Y0 开关量0 南北路绿灯信号

Y1 开关量0 南北路黄灯信号

Y2 开关量0 南北路红灯信号

Y3 开关量0 东西路绿灯信号

Y4 开关量0 东西路黄灯信号

Y5 开关量0 东西路红灯信号

Y6 开关量0 外部输入南北通车信号

Y7 开关量0 外部输入东西通车信号MOVEX1 数值型0 东西向1号车位置信号MOVEX2 数值型0 东西向2号车位置信号MOVEY1 数值型0 南北向1号车位置信号MOVEY2 数值型0 南北向2号车位置信号

表2 各变量定义表

4.2组态动画的建立

交通红绿灯组态动画如图7所示。

图7 交通红绿灯组态动画

4.3 MOVEX1～MOVEY2的脚本编辑如下：

MOVEX1：

static int MOVEX1=230;

int A,B;

A=GetTagWord("Y7");

B=GetTagWord("Y4");

if(A==1)

{if (MOVEX1<=625||MOVEX1>=1458) MOVEX1=MOVEX1+50;

else MOVEX1=MOVEX1+25;}

if(B==1)

{if(MOVEX1<747&&MOVEX1>=625) MOVEX1=MOVEX1+10;

else if(MOVEX1==747) MOVEX1=MOVEX1+0;

else if( MOVEX1<=1336&&MOVEX1>747)MOVEX1=MOVEX1+25;

else MOVEX1=MOVEX1+50;}

return MOVEX1;

MOVEX2：

static int MOVEX2=1900;

int A,B;

A=GetTagWord("Y7")

B=GetTagWord("Y4")

if(A==1)

{if (MOVEX2<=625||MOVEX2>=1458) MOVEX2=MOVEX2-50;

else MOVEX2=MOVEX2-25;}

if(B==1)

{if(MOVEX2<=1458&&MOVEX2>1336) MOVEX2=MOVEX2+10;

else if(MOVEX2==1336) MOVEX2=MOVEX2+0;

else if( MOVEX2<=1336&&MOVEX2>747)MOVEX2=MOVEX2+25;

else MOVEX2=MOVEX2+50;}

return MOVEX2;

MOVEY1：

static int MOVEY1;

int A,B;

A=GetTagWord("Y6");

B=GetTagWord("Y1");

if(A==1)

{if (MOVEY1<=108||MOVEY1>=890) MOVEY1=MOVEY1+50;

else MOVEY1=MOVEY1+25;}

if(B==1)

{if(MOVEY1<226&&MOVEY1>=108) MOVEY1=MOVEY1+10;

else if(MOVEY1==226) MOVEY1=MOVEY1+0;

else if( MOVEY1<=690&&MOVEY1>226)MOVEY1=MOVEY1+25;

else MOVEY1=MOVEY1+50;}

return MOVEY1;

MOVEY2：

static int MOVEY2=980;

int A,B;

A=GetTagWord("Y6");

B=GetTagWord("Y1");

if(A==1)

{if (MOVEY2<=108||MOVEY2>=890) MOVEY2=MOVEY2-50;

else MOVEY2=MOVEY2-25;}

if(B==1)

{if(MOVEY2<890&&MOVEY2>690) MOVEY2=MOVEY2-10;

else if(MOVEY2==690) MOVEY2=MOVEY2-0;

else if( MOVEY2<690&&MOVEY2>226)MOVEY2=MOVEY2-25;

else MOVEY2=MOVEY2-50;}

return MOVEY2;

第五章小组总结

通过这次《机电一体化》课程设计，我们掌握了通过PLC实现现场信息采集、控制以及系统设计、梯形图设计、组态设计和现场调试一整套PLC设计过程。本次交通红绿灯PLC控制系统设计，让我们很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论相联系于实际，又让我们懂得了在实践中遇到了问题怎样用理论去解决。

在这次的课程设计中，我们了解了WinCC组态软件的制作和调试工作。在组态软件的制作中较好的掌握了组态软件的应用。在组态软件中最重要的是建立好实时数据库，数据库是实现各种变量的采集、表达、控制的关键元件，数据库控制着整个系统的输入、输出和运行，它实现了对现场设备运行信号的采集，运行控制和运行监视。

当然，在整个课程设计中，我们也遇到了不少问题，比如在仿真过程中，我们尝试在电脑里将WinCC组态画面与PLC控制系统连接，但由于所使用的实验设备与组态软件属不同厂家生产的产品，难以实现动画仿真过程，所以只能在实验室提供的设备操作模拟红绿灯变化情况了。除此之外，期末考试的来临也给课程设计带来了时间上的压力。在这种情况下，我们小组三人分工协作，从查找相关资料和书籍，到编写程序和调试，再到论文的撰写和整理，每一名成员都奉献了自己最宝贵的时间，付出了自己最大的努力，只为了达到同于个目的，做好此次课程设计。

在短短两周的课程设计期间，我们小组成员锻炼了较强的动手能力，也培养了互帮互助的团队作风。我们很感激学校给予我们这个平台，让我们将有限的理论知识付诸于实践中，也非常感谢指导老师在此期间对我们的指导与帮助。在此，我们真诚地向各位帮助过我们的老师和同学们说声谢谢！

【参考文献】

[1]邓星钟，机电传动控制（第四版），华中科技大学出版社，2007年.

[2]梁秀英，机电传动控制实验指导书，华中农业大学教务处印，2012年9月.

[3]刘华波，王雪，何文雪，张赟宁, 组态软件WinCC及其应用,机械工业出版社, 2009年7月.

[4]梁绵鑫，罗艳红，边春元，渠丰沛, WinCC基础及应用开发指南,机械工业出版社，2009年4月.

附表：PLC梯形图指令表（如表3所示）

表3 PLC梯形图指令表