基于西门子PLC的交通灯毕业设计
本文利用PLC来模拟路口交通灯的控制，从而对真实的路口交通灯控制系统有更深入的了解。我们用发光二极管代替红绿灯作为被控对象，通过24V转换电源给发光二极管供电。并通过计算机软件将程序写入PLC，通过PLC的16输出信号控制相应中间继电器的通断，再通过中间继电器控制发光二极管的通断和闪烁状态。最后通过有效的布局将相应的设备安装在相应的地方，形成一个模拟的十字路口交通灯控制系统。通过对真实路口交通灯控制系统的仿真，我们对真实路口交通灯控制系统的工作过程有了更深入的了解，对交通灯有了更多的了解。这种控制系统可以有效地解决现有交通中道路拥堵和交通秩序混乱的问题。
关键词:交通灯PLC控制中间继电器
目录
第一章序言1
1.1，题目背景及意义1
1.2、项目现状、发展趋势及解决的问题
第二章控制方案设计4
2.1，技术控制要求4
2.2、总体方案确定4
2.2.1，方案4的原理
2.2.2、方案5的特点
2.2.3、方案选择依据5
第三章硬件、软件选择和硬件连接7
3.1，输入点和输出点分布7
3.2、硬件选择7
3.3、软件选择8
3.4、硬件连接9
第四章软件编程10
4.1，编程流程图10
4.2.写梯形图11。
第五章系统调试13
5.1，系统程序调试13
5.2、系统硬件调试13
5.3、在线调试14
第六章总结16
谢谢17
参考18
附:19
程序梯形图:19
程序指令列表:22
功率图:25
PLC输入端子接线图26
PLC输出端子接线图:27
电气原理图:29
第一章前言
1.1，题目的背景和意义
随着中国经济的快速发展，城市人口不断增加，居民出行次数和机动车数量不断增加，城市道路拥堵和交通流量不均衡的问题越来越严重。人们经常为道路拥堵、交通秩序混乱、出行时间长等城市交通问题感到苦恼。比如绿灯方向几乎没有车辆，红灯方向却排着长队等着通过。因此，迫切需要提高城市路网的通行能力，实现道路交通的科学管理。如何保持城市交通安全、便捷、高效、畅通和绿色，已成为政府政策规划的关键问题。
通过十字路口交通灯控制系统的设计和制作，进一步巩固和加深了对所学基础理论、基本技能和专业知识的理解。同时也培养了我们综合运用所学的基础理论、基础知识和基本技能分析和解决实际问题的能力，使我们在PLC系统的开发中得到全面的训练，使我们能够进行设计和实现，掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思想。更重要的是，通过十字路口红绿灯系统各个环节的实际制作，锻炼了我们刻苦学习、勇于探索、实事求是、善于与人合作的工作作风，使我们以后的实习得到了充分的利用。
1.2，项目现状、发展趋势及解决的问题。
近年来，随着大规模集成电路的发展，以微处理器为核心的可编程控制器(PLC)发展迅速。早期，PLC主要用于顺序控制。如今，PLC已经应用于闭环控制、运动控制和复杂的分布式控制系统，并逐渐发展成为解决自动化问题的一种有效而便捷的方式。由于PLC本身具有功能完善、结构模块化、易于开发、操作方便、性能稳定、可靠性高、性价比高等优点，在工业生产中具有广阔的应用前景，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱之一。而且，随着集成电路的发展和网络时代的到来，PLC一定能够获得更大的发展空间。PLC的主体由三部分组成，主要包括CPU、存储系统和输入输出接口。PLC的基本结构如图1-1所示:
图1-1 PLC组成框图
部分系统电源在CPU模块中，也是单个单元。编程器一般被认为是PLC的外设。PLC采用总线结构传输数据和指令。外部开关信号、模拟信号和各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，通过PLC的输入端进入PLC的输入存储器，采集并暂存被控对象的实际运行状态信息和数据；经PLC内部计算处理后，根据被控对象的实际动作要求生成输出结果；输出结果作为输出变量被发送到输出端，以驱动致动器。PLC的所有部分协调控制现场设备。PLC采用循环扫描方式，系统任务管理和应用程序执行都是通过循环扫描方式完成的。可编程控制器的工作过程包括两部分:自诊断和通信响应的固定过程和用户程序执行过程，如图1-2所示:
图1-2 PLC工作过程框图
每次执行用户程序之前，PLC执行内部固定程序，如故障自诊断程序、复位、监控和定时。如果自诊断正常，会继续向下扫描，然后PLC会检查是否有与编程器、计算机等的通讯请求。如果有与计算机的通信请求，等等。，会做相应处理。当PLC处于停止状态时，只有前两个过程循环。当PLC处于运行状态时，PLC从内部处理、通信操作、输入扫描、用户程序执行、输出刷新五个工作阶段循环工作。完成五个以上阶段所需的时间就变成了一个扫描周期。一个扫描周期也可以简单地分为三个阶段:输入处理、程序执行和输出处理。
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。目前部分PLC的扫描速度可以达到0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已经成为一个非常重要的性能指标。在存储容量方面，有的PLC可以达到几十兆。为了扩大存储容量，一些公司使用了磁泡存储器或硬盘。目前有很多中小型的PLC。为了满足市场的各种需求，未来PLC将向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。目前有14336个I/O点的超大型PLC，采用32位微处理器，多CPU并行工作，大容量存储器，功能强大。小型PLC从整体结构发展到小型模块化结构，使得配置更加灵活。为了适应市场的需要，开发了各种简单经济的超小型PLC，配置的I/O点数最少为8 ~ 16点，满足单机和小型自动控制的需要。为了满足各种自动控制系统的要求，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I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块不仅扩展了PLC的功能，而且使用灵活方便，扩大了PLC的应用范围。增强PLC的联网通信能力是PLC技术进步的趋势。此外，检测和处理PLC外部故障的能力也在不断增强。随着PLC系统结构的不断发展，PLC的编程语言越来越丰富，功能也在不断完善。除了大部分PLC使用的梯形图语言外，为了满足各种控制要求，还出现了面向顺序控制的步进式编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言(BASIC、C语言等。).多种编程语言的共存、互补和发展是PLC发展的趋势。因此，通过PLC控制路口的红绿灯是大势所趋。
由于PLC路口交通灯控制系统比原有的继电器-接触器控制系统更加稳定高效，并且减少了许多外部继电器和接触器的使用，因此可靠性和安全性更高，控制效果更加明显，弥补了原有控制系统的不足，有效解决了现有路口交通控制中交通拥堵、车流量不均衡、行驶时间长的问题。因此，我们采用PLC控制系统来控制路口的红绿灯，使得路口的交通管理更加科学有序，也使得交通更加方便顺畅。
第二章控制方案设计
2.1，技术控制要求
利用所学知识，设计一个十字路口交通灯控制系统的电路，需要三菱PLC控制，可以指挥车辆在路口左转和在不同路口直行，并设计一个路口交通灯控制系统的物理模型。
功能:①东西南北两组灯，分别用来指示转弯和直行。如下表所示。(2)黄灯亮时，应每秒闪烁一次。③同步设置人行横道红灯和绿灯。具体交通灯控制电路状态见表2-1:
表2-1交通灯控制电路状态表
州直行灯(南北)左转灯(南北)直行灯(东西)直行灯(东西)持续时间
(s)
红色，黄色，绿色，红色，黄色，绿色，红色，黄色和绿色。
s0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 27
s 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 3
S2 1000100100100027
S3 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 3
S4 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 27
S5 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 3
S6 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 27
S7 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 3
s0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 27
注:0表示灯灭，1表示灯亮。
2.2.总体方案的确定
2.2.1方案的原理
本方案旨在实现的是模拟路口交通灯的运行，利用PLC控制路口交通灯:有两个输入点，16个输出点。两个输入是系统的开和关，灯分为东西组，南北组，各有红黄绿三种，分别用来指示左转和绿灯。首先根据控制要求，通过计算机编程软件编写出科学合理的程序，输入到PLC中。PLC根据输入的程序给出输出，并通过外部中间继电器以相应的逻辑顺序控制硬件电路，使交通灯按照控制要求开启、关闭、闪烁，完成科学的交通控制要求。
2.2.2、方案的特点
PLC和交通灯控制系统的应用具有很强的优势，主要可以从以下四个方面来阐述。
使用寿命长:从目前的反馈来看，目前大多数控制电路的使用寿命不到五年，这与电路设计、元器件选择、工作环境、控制方式等因素有关，是自身无法克服的固有缺点。PLC作为一种工业控制单元，应用于各种控制环境，具有优秀的内部电路和机械结构设计。所用器件均为标准工业产品，其使用寿命一般可保证十年以上。因此，PLC的这一特性可以使路口交通灯的PLC控制系统长期正常运行。
性能稳定可靠，抗干扰性好:由于PLC可应用于各种工业控制现场，其软硬件设计兼顾了各种生产环境，电压应用范围非常广，具有很强的抗电磁干扰、抗振动、高温高湿特性，性能极其稳定可靠。因此，十字路口交通灯的PLC控制系统也因为PLC的应用而具有一定的优势。
由于PLC功能强大，实现灵活，扩展性好，可以根据实际需要改变功能的控制过程和方式，可以根据用户要求在不增加或少增加硬件的基础上开发新的控制功能，性价比好。与原有的交通灯控制系统相比，十字路口交通灯的PLC控制系统控制更加灵活，功能更加丰富。
2.2.3、方案选择依据
与继电器-接触器控制系统相比，利用PLC控制十字路口的交通灯，省去了大量的继电器和接触器，不仅节约了成本，而且传输速率高，更加方便稳定，抗干扰能力强，所以我们选择PLC来控制交通灯系统。
我们选择中间继电器作为外部执行设备，这里主要是用来保护PLC的触点不被意外烧毁，因为PLC毕竟比中间继电器贵很多，一个输入可以控制几个输出动作，减少了PLC的输出点数。
我们用发光二极管代替交通灯。这个二极管的电压降只有2V。
第三章硬件、软件选择和硬件连接
3.1，输入点和输出点的分布
根据前面的控制要求，加上人行道的信号灯控制，经过慎重考虑，本系统采用PLC的2个输入点和16个输出点。输入/输出点的具体分配如表3-1所示:
表3-1输入/输出点分配
输入输出点分配
输入信号输出信号
名称代码输入点号名称代码输出点号
启动按钮SBI X0直行红灯(南北向)HL1 Y0
停车按钮SB2 X1直行黄灯(南北向)HL2 Y1
直行绿色(北和南)HL3 Y2
左转红灯(北和南)HL4 Y3
左转黄灯(北和南)HL5 Y4
左转，绿色(北和南)HL6 Y5
直行红灯(东西向)HL7 Y6
直行黄灯(东西向)HL8 Y7
直行绿灯(东西向)HL9 Y10
左转红灯(东西向)HL10 Y11
左转，黄灯(东和西)HL11 Y12。
左转绿灯(东西向)HL12 Y13
红灯过街(南北)HL13 Y14
绿灯过街(南北)HL14 Y15
红灯过街(东西向)HL15 Y16
过街绿灯(东西向)HL16 Y17
注:表中所有直行灯和左转灯由9个发光二极管和一个相关电阻串联而成，所有路灯由5个发光二极管和一个相关电阻串联而成(为了保证24V压降)。
3.2、硬件选择
本控制系统选用三菱FX2N-48MR PLC的小型PLC。FX2N-48MR是一款小型化、高速、高性能的器件，有48个输入输出点，但我们只需要2个输入点，16个输出点，就相当够用了。此外，这种类型的PLC还适用于特殊用途，如多个基本组件之间的连接、模拟控制、定位控制等。，而且系统配置既固定又灵活，是一套能满足多样广泛需求的PLC。因此，本系统选用了这种型号的PLC。
中间继电器本系统选用一个中间继电器(***16)，容量为220V，5A，上有四个常开触点，下有四个常闭角触点。当线圈通电时，动衔铁被电磁力下拉，使上面的四个常开角触点闭合，下面的四个常闭角触点分离。中间继电器是将输入信号转换成一个或多个输出信号的继电器。它的输入信号是线圈的接通或断开。它的输出是触点的动作(常开点闭合，常闭点断开)。它的触点与其他控制电路相连，控制电路通过触点的变化而变化(例如开或关)。中间继电器的特点是触点数量多，可以完成多回路控制；触点容量大，一般220V，5a；动作灵敏，动作时间不大于0.05S..它与接触器的区别在于接触器没有主部和辅助部，所以当电机额定电流不超过5A时，也可以代替接触器使用，也就是说可以认为是小容量接触器。上述中间继电器的特性正是我们所需要的。系统其他硬件选择:采用DZ47-60 C10型低压断路器和RT18-32 32A-380V型熔断器组合保护电路，电路供电采用上海魏明电子有限公司的220VAC~24DC开关电源。因为这些低压电器都是现有的东西，当然要充分利用。用发光二极管(与相应的电阻串联，保证24V压降)代替红绿灯。具体硬件选择见表3-2:
表3-2具体硬件选型表
硬件名称、型号
三菱FX2N-48MR 1台PLC
中间继电器220伏，5A
16
低压断路器DZ47-60 C10 1。
保险丝RT18-32 32A-380V 1。
220VAC~24DC 1开关电源
LED 2V多数量
3.3、软件选择
关于编程软件，本系统的设计使用了三菱电机的SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件，这是一款专门为FX系列PLC设计的中文编程软件，可以运行在Windows9x和Windows3.1操作系统上。该软件可以使用梯形图、指令表和顺序功能图符号创建PLC程序，并可以将程序保存为文件，用打印机打印出来。您可以为编程元素和程序块创建注释和设置寄存器数据。通过串口，用户程序可以与PLC通信和传输文件，实现各种监控和测试功能。所以我们用梯形图和指令表来编程。而且我们一直在学习的就是这个软件，我们很熟悉，用起来也很方便。至于绘图软件，本系统也选用了我们熟悉并能熟练使用的AutoCAD 2004。
3.4、硬件连接
硬件连接需要根据附录中的图纸进行连接。首先要根据布局图做好总的硬件布局规划，在相应的地方安装相应的器件。然后根据PLC的输入输出端子接线图，根据开关电源图将开关电源与PLC连接，最后根据控制电路的电气原理图将控制电路与其他部分连接。同时尽量做到线路敷设顺直，固定点位置正确，剪线规范，线路安装正确，压接规范，元器件安装整齐紧密。
第四章软件编程
4.1，编写程序流程图
写程序流程图是写好程序前必须认真做的一步。只有按照系统的控制要求一步一步地编写程序控制流程图，才不会出现编写程序时思维混乱，导致编写的程序出现大的错误。所以在编写路口交通灯控制系统之前，我们也编写了如图4-1所示的程序控制流程:图4-1程序控制流程图。
首先按下启动按钮X0进入步进M0，输出信号:Y17，Y14，Y2，Y3，Y6，Y11(过街绿灯(东西向)，过街绿灯(南北向)，直行绿灯(南北向)，直行绿灯(南北向)。)，27秒后进入步骤M1输出信号:Y14，Y6，Y11，Y1，Y4，Y17(绿灯过街(南北)，红灯直行(东西)，红灯左转(东西)
4.2、编写梯形图
我们用步进指令的编程方法写梯形图，STL是步进开始指令，RET是步进结束指令。STL和RET指令必须与状态继电器一起使用，以具有步进功能。STL也是步进接触指令(占1步)，STL的梯形符号称为STL接触，没有移动接触。STL S20和STL S21都是STL电击。在梯形图中，STL通过电击连接到总线。使用STL命令后，总线移动到触点右侧，然后需要LD、LDI、OUT等命令，直到下一个STL命令或RET命令出现。STL命令设置新的状态继电器，而先前的状态继电器自动复位，其触点断开。步进命令RET也叫步进返回命令。RET命令必须在一系列STL命令之后使用，表示步进命令功能结束，总线恢复到原来的位置。当我们使用分步指令编写顺序控制程序时，首先确定整个十字路口交通灯控制系统的流程，然后将复杂的任务或过程分解成若干个过程(状态)，最后找出每个过程的建立条件、过程的转移条件和转移方向，这样就可以画出程序工作的流程图。最后，根据控制要求，利用STL和RET指令的各种分步顺序控制方法，编写相应的程序。具体程序设计如图4-2、图4-3和图4-4所示:
图4-2系统启动程序
如图4-2所示，M8002是一种特殊的辅助继电器，仅在运行开始时瞬间接通，产生初始脉冲。当X0打开时，M8002启动初始脉冲程序，并进入下一步。线圈Y17，Y14，Y2，Y3，Y6，Y11打开(即东西人行道亮，南北人行道亮，南北人行道直亮，南北人行道左亮)。接通27S(时间继电器的设定时间)后，时间继电器的常开触点T0闭合，进入下一步(步骤S21设定)。
图4-3m 8013控制的脉冲输出程序
如图4-3所示，M8013是PLC内部的特殊时钟继电器。PLC运行时，此继电器连续发出时间宽度为1S的脉冲，通断时间为0.5S，当有信号通过继电器M8013时，其输出交替通断，使Y1、Y4、Y17交替通断0.5S，即南北黄灯、南北左黄灯、东西人行道绿灯闪烁(17因此，在时间继电器T1的触点接通之前，外接相应输出的LED可以在3S内连续闪烁。当Y14、Y6、Y11、Y1、Y4、Y17开启(即南北绿灯亮、东西直行红灯亮、东西左红灯亮、南北黄灯闪、南北左黄灯闪、东西人行道闪)3S。下面的程序和这里的差不多，只要按照前面的流程图写就可以了。
图4-4零点设置和循环结束程序
如图4-4所示，这里的目的是使系统能够随时启动和关闭:当X1关闭时，在步骤S0到S30设置零点，使系统所有线圈断电，进而达到关闭系统的目的。当X0闭合时，设置步骤S20，PLC从步骤S20开始循环扫描，系统开始运行。
第五章系统调试
5.1，系统程序调试
对于PLC控制系统，可以用安装在PLC上的模拟开关来模拟输入信号的状态，用输出点的指示灯来模拟被控对象，将带有设计编号的软件程序传送到PLC，这样就可以对程序进行调试。在调试系统的程序之前，首先要检查PLC的外部接线、供电系统、执行机构、检测元件和开关操作。(1)外部接线检查包括输入/输出接线的正确性检查。(2)供电系统包括PLC供电接线的正确性检查、电压检查、外部电源检查等。(3)执行机构的运行检查包括执行机构对输入信号的响应时间和正反运行的检查。有时应与检测元件和开关的运行检查一起进行，以了解执行机构运行后检测元件和开关是否有相应的输出信号。(4)检测元件和开关是PLC输入信号的来源。有必要在操作后检查诸如检测元件、开关和按钮等信号的响应，以查看它们的状态是否已经相应地改变。
正式的调试方法是:根据程序的执行顺序，分别手动打开和关闭输入点，检查程序是否按照过程控制的要求动作，相应的输出信号是否存在，延时时间是否正确。对于某些输出通道的反馈信号，要根据是否有系统输出手动给出相应的反馈输入信号，直到整个运行程序正确运行。
5.2、系统硬件调试
系统的硬件调试主要是对路口交通灯控制系统的控制电路硬件系统进行调试。
由于条件所限，我们主要使用万用表对硬件进行测试和调试:
(1)我们需要做的是检查电气线路上的焊点是否完整、紧固，有无松动发热、变色，保持电气线路接触良好。
(2)无电时，用万用表设置电阻测量每条线的两个触点与五金件两端之间的电阻，看是否有电阻显示。如果有电阻值，说明线路通了，硬件好。如果没有电阻值，说明没有连接或者硬件不好。需要仔细检查原因并解决问题。
5.3、在线调试
先打开所有电源，然后把前面正确的程序输入到外部控制电路的PLC中，按照调试前面程序的方法进行调试，但是原来的模拟开关变成了真正的开关，指示灯变成了真正的被控对象led。根据各部分的器件动作，看是否符合自己的控制目的，如果不符合，修改调试，直到程序正确运行。
具体调试过程中出现的问题、原因及解决方法；
(1)连接220V电源后，整个系统没有指示灯，包括24V开关电源。这个问题最后用万用表检查，是因为24V转换电源的220V外接电源线没有接好(不起作用)。解决方法是重新连接无法通行的地方。
(2)运行结束后，南北向直行绿灯和东西向人行道下方红灯不亮。经检查，原因是组成两个信号灯的串联发光二极管中有一个坏了。解决方法是更换损坏的LED。
(3)两条东西向人行道绿灯不亮，但动作要求相同的西向人行道绿灯亮。经检查，原因是东方向两条人行道的绿灯都接在中间继电器的同一个触点上，而端子与继电器触点之间没有连接好(不通)。解决方法是重新连接两根电线。
(4)南北方向南行人行道的两个绿灯不亮，而北向的两个人行道亮。这个问题似乎和第(3)项一样。经我们仔细检查，原因不是第(3)项的原因，因为继电器与对应的两条导线的线端接触良好，没有不通。真正的原因是中间继电器与南面两个人行道绿灯的接触断开，没有吸引中间继电器的线圈。解决办法是用这个中间继电器替换掉其他中间继电器上的带线圈和触点衔铁的方盒子，当然要求被替换的中间继电器在控制系统中不使用这对触点。同样，也可以将这两个信号灯重新接线到断开的中间继电器的其他触点上，但是这个有点麻烦，所以我们采用了上面的方法来解决。实际总体竣工图如图5-1所示，局部竣工图如图5-2所示: