十字路口交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試..doc

摘 要隨著汽車(chē)進(jìn)入家庭步伐的加快和城市汽車(chē)數(shù)量的增多，城市道路交通問(wèn)題顯得越來(lái)越重要。解決好十字路口交通信號(hào)燈控制問(wèn)題是保障交通有序、安全、快速運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。但現(xiàn)有的十字路口交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)大都采用繼電器或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，且都是單一的固有時(shí)序控制，不能夠根據(jù)實(shí)際路面車(chē)流量情況進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，存在著功能少、可靠性差、維護(hù)量大等缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)原交通信號(hào)燈系統(tǒng)存在的種種缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于PLC控制的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用的可編程邏輯控制器是德國(guó)西門(mén)子公司的S7-200，具有一定的智能性，即可以根據(jù)路面車(chē)流量大小對(duì)十字路口的交通信號(hào)燈按高峰期、正常期和晚間幾個(gè)時(shí)段進(jìn)行分時(shí)控制。關(guān)鍵詞：十字路口 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng) 可編程邏輯控制器（PLC） 分時(shí)控制- 12 - 1 設(shè)計(jì)背景1.1 背景概述隨著汽車(chē)進(jìn)入家庭步伐的加快和城市汽車(chē)數(shù)量的增多，城市道路交通問(wèn)題顯得越來(lái)越重要。馬路上經(jīng)常會(huì)看到這種現(xiàn)象:一旦整個(gè)路口的交通信號(hào)燈出現(xiàn)故障，若沒(méi)有交警的及時(shí)疏導(dǎo)，該路口就會(huì)塞得一塌糊涂，甚至造成嚴(yán)重的交通事故。原交通信號(hào)控制大都采用繼電器或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，存在著功能少、可靠性差、維護(hù)量大等缺點(diǎn),越來(lái)越不能適應(yīng)城市道路交通高速發(fā)展的要求。另外，根據(jù)人車(chē)流量的多少，可能隨時(shí)增加路口的交通信號(hào)，比如增加轉(zhuǎn)彎或人行道交通信號(hào)，原有系統(tǒng)的制約性就更加明顯了。為了彌補(bǔ)原交通信號(hào)燈系統(tǒng)存在的以上缺點(diǎn)，我們引入了基于PLC控制的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。本文對(duì)十字路口交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，運(yùn)用可編程邏輯器件PLC做了軟件與硬件的設(shè)計(jì)，能基本達(dá)到控制要求。系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了小型PLC系統(tǒng)的一個(gè)雛形，在完善各項(xiàng)功能方面都還需要進(jìn)一步的分析、研究和調(diào)試工作。如果進(jìn)一步結(jié)合工業(yè)控制的要求，形成一個(gè)較為成型的產(chǎn)品，則需要作更多、更深入的研究。1.2 可編程邏輯控制器簡(jiǎn)介可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡(jiǎn)稱 PLC) 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)在1987年的可編程控制器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第三稿中，對(duì)其作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！笨删幊炭刂破髯鳛槟壳肮I(yè)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)設(shè)備，被稱為“工業(yè)自動(dòng)化三大支柱性產(chǎn)業(yè)之一”，在各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著愈來(lái)愈大的作用。2 十字路口交通信號(hào)燈PLC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1 控制對(duì)象及要求 2.1.1 控制對(duì)象本系統(tǒng)的控制對(duì)象有八個(gè)，分別是：東西方向紅燈（REW）兩個(gè)；南北方向紅燈 (RSN) 兩個(gè)；東西方向黃燈（YEW）兩個(gè)；南北方向黃燈 (YSN) 兩個(gè)；東西方向綠燈（GEW）兩個(gè)；南北方向綠燈 (GSN) 兩個(gè)；東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈(LEW)兩個(gè)；南北方向左轉(zhuǎn)彎綠燈(LSN)兩個(gè)。2.1.2 控制要求1系統(tǒng)工作受開(kāi)關(guān)控制，起動(dòng)開(kāi)關(guān) ON 則系統(tǒng)工作；起動(dòng)開(kāi)關(guān) OFF 則系統(tǒng)停止工作。2高峰時(shí)段按時(shí)序圖二（見(jiàn)附圖）運(yùn)行， 正常時(shí)段按時(shí)序圖三（見(jiàn)附圖）運(yùn)行，晚上時(shí)段按提示警告方式運(yùn)行，規(guī)律為： 東、南、西、北四個(gè)黃燈全部閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的規(guī)律反復(fù)循環(huán)。3高峰時(shí)段、 正常時(shí)段及晚上時(shí)段的時(shí)序分配按時(shí)序圖一運(yùn)行(見(jiàn)附圖)。高峰時(shí)段 正常時(shí)段 晚間時(shí)段 0 6:30 7 8:15 16:30 18:30 21 24 小時(shí)時(shí)序圖一 (圖中R、Y、G、L分別表示紅、黃、綠、左轉(zhuǎn)彎燈，SN、EW分別表示南北向和東西向)2.2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介本系統(tǒng)是一個(gè)十字路口交通燈的PLC控制系統(tǒng)，利用西門(mén)子公司的S7-200可編程邏輯控制器對(duì)十字路口的交通燈進(jìn)行控制。本系統(tǒng)具有一定的智能性，即它可以對(duì)交通燈按高峰期、正常期及晚間幾個(gè)時(shí)段進(jìn)行分段控制。高峰期的控制方案為：（1） 南北方向左轉(zhuǎn)彎燈和南北南北方向紅燈同時(shí)亮10秒，同時(shí)東西方向紅燈亮；（2） 南北方向綠燈亮35秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（3） 南北方向黃燈閃爍5秒；東西方向紅燈繼續(xù)亮；（4） 東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈和南北方向紅燈同時(shí)亮10秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（5） 東西方向綠燈亮25秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮；（6） 東西方向黃燈閃爍5秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮，然后跳至第（1）步依次循環(huán)。正常期的控制方案為：（1） 南北方向左轉(zhuǎn)彎燈和南北南北方向紅燈同時(shí)亮10秒，同時(shí)東西方向紅燈亮；（2） 南北方向綠燈亮30秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（3） 南北方向黃燈閃爍5秒；東西方向紅燈繼續(xù)亮；（4） 東西方向左轉(zhuǎn)彎綠燈和南北方向紅燈同時(shí)亮10秒，東西方向紅燈繼續(xù)亮；（5） 東西方向綠燈亮30秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮；（6） 東西方向黃燈閃爍5秒，南北方向紅燈繼續(xù)亮，然后跳至第（1）步依次循環(huán)。晚間的控制方案為：東、南、西、北四個(gè)黃燈全部閃亮，其余燈全部熄滅，黃燈閃亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的規(guī)律反復(fù)循環(huán)。2.3 硬件選型城市道路交通信號(hào)控制是典型的開(kāi)關(guān)量順序控制，采用PLC能充分利用它的優(yōu)點(diǎn)。在這里我們采用德國(guó)西門(mén)子公司的S7-200可編程控制器，它是積木式結(jié)構(gòu)，安裝比較方便，中央處理單元和信號(hào)模板有多種類型，另外還具有如位控單元、PD調(diào)節(jié)等特殊功能模塊。根據(jù)本系統(tǒng)輸入點(diǎn)數(shù)及控制要求，中央處理單元可選用CPU224，該CPU板上本身具有10個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，6個(gè)非隔離數(shù)字量輸出點(diǎn)，最多能夠帶8個(gè)數(shù)字量信號(hào)模板。電源模塊將交流電源轉(zhuǎn)換成供CPU，存儲(chǔ)器等所有擴(kuò)展模塊使用的直流電源，是整個(gè)PLC系統(tǒng)的能源供給中心，它的好壞直接影響到PLC的穩(wěn)定性和可靠。S7-200屬于小型PLC，電源模塊與CPU模塊封裝在一起，通過(guò)連接總線為本機(jī)和擴(kuò)展模塊提供+5V（DC）電源。同時(shí)，還可通過(guò)端子向外輸出一個(gè)+24V（DC）電源，供本機(jī)輸入點(diǎn)和擴(kuò)展模塊繼電器線圈使用。需注意的是，從資料中我們了解到，外部電源不可與S7-200的傳感器電源并聯(lián)使用。否則，交會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)電源的竟?fàn)幎绊懰鼈兏髯缘妮敵觯s短其使用壽命，使得一個(gè)或兩個(gè)電源同時(shí)失效，使PLC系統(tǒng)產(chǎn)生不正確的操作。正確的使用方法是S7-200的傳感器電源和外部電源應(yīng)該在不同的點(diǎn)上提供電源，而兩者之間只能有一個(gè)會(huì)共連接點(diǎn)。由于根據(jù)控制要求所確定的輸入輸出點(diǎn)分別一個(gè)和八個(gè)，由于我們是以一個(gè)路口信號(hào)單獨(dú)控制為例，考慮到夠用為準(zhǔn)。所以我們選擇了CPU224這一具有較強(qiáng)控制功能的控制器。另外，在硬件選型時(shí)，不要忘記完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及軟件編程時(shí)所需的一些設(shè)備。綜上，得到系統(tǒng)硬件配置如表1所示：表1 硬件配置表名 稱數(shù) 量DC24V電源1CPU2241PC/PPI編程電纜1STEP7編程軟件1PC機(jī)1 3 系統(tǒng)I/O分配分析PLC的輸入和輸出信號(hào),在滿足控制要求的前提下,要盡量減少占用PLC的I/O點(diǎn)。由系統(tǒng)控制要求可見(jiàn)，由控制開(kāi)關(guān)輸入的啟、停信號(hào)是輸入信號(hào)。由PLC的輸出信號(hào)控制各指示燈的亮、滅。在交通燈布置圖中，每個(gè)方向都有紅燈、綠燈、黃燈和左轉(zhuǎn)燈四種，而由于東和西，南和北的信號(hào)是一樣的，所以這里只用到8個(gè)輸出便足夠。由此可得系統(tǒng)I/O分配如表2所示：表2 系統(tǒng)I/O分配表輸入/輸出設(shè)備/器件名稱I/O地址符號(hào)名數(shù)據(jù)類型輸入程序啟停按鈕I0.1SB0BOOL輸出東西方向綠燈Q0.0Q1BOOL東西方向黃燈Q0.1Q2BOOL東西方向紅燈Q0.2Q3BOOL南北方向綠燈Q0.3Q4BOOL南北方向黃燈Q0.4Q5BOOL南北方向紅燈Q0.5Q6BOOL東西方向左轉(zhuǎn)彎燈Q0.6Q7BOOL南北方向左轉(zhuǎn)彎燈Q0.7Q8BOOL4 PLC端子接線圖根據(jù)I/O表及PLC的配置圖很容易就可以得到PLC端子接線圖4如下所示：5 軟件設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)的控制原理是：用一路數(shù)字量的不同輸入狀態(tài)來(lái)判定是否對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行初始化，用一路數(shù)字量的不同輸入狀態(tài)分別用作程序的啟動(dòng)和停止控制，每一方向有紅、黃、綠及轉(zhuǎn)彎四種信號(hào)燈，分別對(duì)應(yīng)四位數(shù)字量輸出，兩個(gè)方向共有8位數(shù)定量輸出；在高峰和正常時(shí)段的一個(gè)循環(huán)周期里面，系統(tǒng)用了10個(gè)定時(shí)器順序工作交替工作，從而實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)的切換以及循環(huán)。本文所設(shè)計(jì)的軟件就只有一個(gè)主程序，思路比較簡(jiǎn)明。程序主要任務(wù)包括：讀取兩個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，根據(jù)開(kāi)關(guān)的不同狀態(tài)做出相應(yīng)的處理，當(dāng)開(kāi)關(guān)SB0斷開(kāi)時(shí)候，系統(tǒng)不工作；當(dāng)開(kāi)關(guān)SB0閉合時(shí)則讀取時(shí)鐘值，并做處理，根據(jù)處理后的時(shí)鐘值的大小判定當(dāng)前時(shí)間是屬于哪個(gè)時(shí)間段，并啟動(dòng)相應(yīng)的時(shí)期的中間繼電器，對(duì)相應(yīng)的變量進(jìn)行賦值。晚間時(shí)段的控制規(guī)律為：兩個(gè)方向的四個(gè)黃燈均按亮0.4秒滅0.6秒的規(guī)律閃爍，其余的交通燈全滅程序中將用到兩個(gè)定時(shí)器T49和T50實(shí)現(xiàn)，功能如表3所示。高峰和正常時(shí)段的控制方案相同，程序中將用到10個(gè)定時(shí)T39-T48，每個(gè)定時(shí)器的功能就是實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，狀態(tài)如表4所示。該程序?qū)崿F(xiàn)了信號(hào)由東西左轉(zhuǎn)、東西直行、南北直行依次循環(huán)變化。其優(yōu)勢(shì)思路簡(jiǎn)單，容易理解，對(duì)時(shí)鐘的校正以及各時(shí)段的起始時(shí)間和終止時(shí)間的修改方便。如路口要求在21：00以后實(shí)行各方向黃色信號(hào)燈閃爍功能，只需要將對(duì)應(yīng)的黃燈的條件并聯(lián)一個(gè)相應(yīng)的脈沖即可。如果需要將幾個(gè)路口集中到一臺(tái)PLC控制，根據(jù)實(shí)際需要的I/O點(diǎn)數(shù)，硬件上再增加相應(yīng)的數(shù)字量輸出模板即可。需要指出的是，用PLC實(shí)現(xiàn)城市道路關(guān)通信號(hào)控制，最好幾個(gè)路口共用一套PLC，這樣可以大大降低工程成本。表3 晚間時(shí)段定時(shí)器一個(gè)循環(huán)中的功能明細(xì)表定時(shí)器0st0.4s0.4st1st=1sT49定時(shí)0.4秒開(kāi)始計(jì)時(shí)，輸出OFF，黃燈亮定時(shí)到，輸出ON且保持；黃燈滅開(kāi)始下一次循環(huán)的定時(shí)T50定時(shí)0.6秒未啟動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，輸出OFF定時(shí)到，輸出ON，隨即復(fù)位開(kāi)始下一次循環(huán)的定時(shí)，黃燈亮。表4 高峰和正常時(shí)段各定時(shí)器一個(gè)循環(huán)中的狀態(tài) 定時(shí)器t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10T39OffOnOnOnOnOnOnOnOnOnT40OffOffOnOnOnOnOnOnOnOnT41OffOffOffOnOnOnOnOnOnOnT42OffOffOffOffOnOnOnOnOnOnT43OffOffOffOffOffOnOnOnOnOnT44OffOffOffOffOffOffOnOnOnOnT45OffOffOffOffOffOffOffOnOnOnT46OffOffOffOffOffOffOffOffOnOnT47OffOffOffOffOffOffOffOffOffOnT48OffOffOffOffOffOffOffOffOffOff(最后輸出On,復(fù)位)t1t10表示每個(gè)狀態(tài)時(shí)間段，說(shuō)明入如下圖程序流程圖 高峰時(shí)段控制結(jié)構(gòu)圖1045s010s4550s5060s6085s8590s東西方向紅燈、南北方向紅燈和南北方向左轉(zhuǎn)綠燈亮；其他燈滅。南北方向綠燈亮,，東西方向紅燈仍亮；其他燈滅。南北方向黃燈閃爍,東西方向紅燈仍亮；其他燈滅。南北方向紅燈、東西方向紅燈和東西方向左轉(zhuǎn)彎燈亮；其他燈滅。東西方向綠燈亮，南北方向紅燈仍亮；其他燈滅。東西方向黃燈閃爍,南北方向紅燈仍亮；其他燈滅。 正常時(shí)段控制結(jié)構(gòu)圖1040s010s4045s4555s5585s8590s東西方向紅燈、南北方向紅燈和南北方向左轉(zhuǎn)綠燈亮；其他燈滅。南北方向綠燈亮,，東西方向紅燈仍亮；其他燈滅。南北方向黃燈閃爍,東西方向紅燈仍亮；其他燈滅。南北方向紅燈、東西方向紅燈和東西方向左轉(zhuǎn)彎燈亮；其他燈滅。東西方向綠燈亮，南北方向紅燈仍亮；其他燈滅。東西方向黃燈閃爍,南北方向紅燈仍亮；其他燈滅。 6 總 結(jié)通過(guò)這次十字路口交通信號(hào)燈的PLC控制，使我對(duì)PLC梯形圖、指令表、外部接線圖有了更深刻的了解，也讓我了解了關(guān)于PLC設(shè)計(jì)原理