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十字路口交通信号灯控制设计
摘要：近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动
传统控制检测日新月益更新。目前，我国许多大中城市的交通压力都非常大。部分交通路口的信号灯工作时间不合理，交通违章或肇事记录不确切。所以，改善与提高现有的交通系统的工作效率，加强交通路口的信号灯控制和安全状况的监控是非常重要的。在十字路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。
因此本设计主要设计利用PLC来实现十字路口交通灯的控制。我们选用了三菱公司推出的FX3U-MR/ES-A 型PLC，该型号具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活等特点。
关键词：PLC；交通灯；控制
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目 录
前 言 ................................................................. 错误!未定义书签。 第1章 可编程逻辑控制器概述 ....................................................... 3
1.1概述.......................................................................... 错误!未定义书签。 1.2 PLC的硬件结构 ..................................................................................... 3 1.3 PLC的软件结构 ..................................................................................... 4 1.4 PLC的工作原理 ..................................................................................... 4 1.5 PLC的运行方式 ..................................................................................... 6
第2章 PLC的交通信号灯设计 ......................... 错误!未定义书签。
2.1任务分析 .................................................................. 错误!未定义书签。 2.2输入/输出地址表和符号表 ...................................... 错误!未定义书签。 2.3控制时序 .................................................................. 错误!未定义书签。 2.4 PLC外部接线图 ...................................................... 错误!未定义书签。 2.5梯形图的组成 .......................................................... 错误!未定义书签。
结论............................................................................................10 参考文献.....................................................................................11
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前 言
伴随着城市的发展，科学技术也在不断的更新换代。科学技术在工业生产生活中的应用，人们的水平得到很大的提高。就拿PLC来说，PLC就发明以来现在已经发展到第三代。21世纪PLC更是得到了长足的发展，它适应市场需要，加强PLC通信联网的信息处理能力；开放性方面已有实质性突破，采用国际性标准不同的PLC之间都能够很好的兼容。而且PLC的体积趁于小型化，PLC小型化的好处是节省空间、降低成本、安装灵活。并且PLC运算速度高速化，使控制更具实时性。如今PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通输、环保及文化娱乐等各个行业。
许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，再加上大力发展的道交、出租车，使得车辆越来越多，这不仅要求道路要越来越宽阔，而且要求有新的交通管理模式和交通规则的出台。因此，自80年代后期，很多城市纷纷扩建城市道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，加宽道路并没有充分发挥出预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。
于是，旧的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾，
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使原来不太突出的交通问题被提上了日程。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门有待解决的主要问题。
由于交通路口的形状和规模不一，所采用的信号灯的数量、控制要求不一，控制的复杂程度也就不一样，为此、有关部门愈来愈多的注重在交通管理中引进自动化、智能化技术，比如“电子”、自动适应交通信号灯以及耗资巨大的交通指挥控制系统等。随着经济的发展和社会的进步，道路交通已愈来愈成为社会活动的重要组成部分。对交通的管控能力，也就从一个侧面体现了这个国家对整个社会的管理控制能力，因此各国都很重视用各种高科技手段来强化对交通的管控能力。
因此本设计将选用三菱公司推出的FX3U-MR/ES-A 型PLC来实现对十字交通灯的控制。
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第1章 可编程逻辑控制器概述
1.1 概述
可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 1.2 PLC的硬件结构
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，这些模块可以按照一定规则组合配置。概括来说可分为七个部分：处理单元(CPU)、存储器、电源、I/O 模块、PLC系统的其它设备、PLC的通信联网、外部设备等。
PLC硬件结构如图1-1所示：
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编程器A外设接口 系 用 统 户 程 程 序 序 存储器 I/O扩展接口BI/O扩展单元其他外设微处理器CPU输入部件输出部件驱动受控元件接收现场信号电源部件基本单元
1.3 PLC的软件结构
图1-1 PLC硬件结构
在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：
1.系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。
2.用户程序：它是由可编程控制器的使用者编制，用于控制被控装置的行。
1.4 PLC的工作原理
1. PLC的工作方式：采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映像寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。
循环扫描过程如图1-2所示：
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运行内部处理停止通信处理NY输入处理程序执行输出处理
图1-2 循环扫描过程
2. 工作过程主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段：
①内部处理阶段
在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。 ②通信服务阶段
在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停止状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。 ③输入处理
输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。
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④ 程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序， 逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。 ⑤ 输出处理
程序执行完毕后，将输出映像寄存器，即元件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
1.5 PLC的运行方式
1.运行工作模式
当处于运行工作模式时，PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。（注：PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。） 2.停止模式
当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。
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第2章 PLC的交通信号灯设计
2.1 任务分析
十字路口交通灯控制系统具有以下控制功能 1.自动控制
十字路口的交通灯控制系统具有时间控制功能，在上午6：00到晚上11：00为交通灯正常工作控制阶段，我们可以理解为白天。其余时间内黄灯闪烁，表示系统空闲状态，我们可以理解为晚上。其中白天高峰期在上午7：00-9：00，中午的11：00-12：00，晚上的16：00-18：00、20：30-10：00。
2.手动控制
遇到紧急情况时，可以手动强制南北或东西方向通行。
2.2 输入/输出地址表和符号表
红绿灯控制系统地址表2-1。
表2-1 红绿灯控制系统地址表
输入 文字符号 SA1 SA2 SA3 SA4 SA5 SA6 说明 白天转换 正常模式开关 南北常绿控制开关 东西常绿控制开关 高峰段控制 夜间转换 文字符号 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 HL6 输出 说明 南北绿灯指示 南北黄灯指示 南北红灯指示 东西绿灯指示 东西黄灯指示 东西红灯指示 7
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2.3 控制时序
交通灯示意图如图1所示，在东西南北两个方向均安装信号灯，两个方向各6个灯，分为红、黄、绿三种颜色。工作时序如图2所示，假设东西向较忙，绿灯时间是南北向的2倍(40s)。按下起动按钮后，南北向绿灯亮维持20s，20s后，南北黄灯闪烁3次，计6S，期间，东西向红灯也亮，并维持26s；26s后，东西方向绿灯亮40s，后东西向黄灯闪烁3次，计6s，期间，南北向红灯也亮，并维持46so接下去周而复始，直到停止按钮被按下为止。
2.4 PLC外部接线图
交通灯控制系统接线图，如图2-2所示。
5VHL1南北绿灯L~220VNPECOMCOM0Y0Y1HL2南北黄灯白天正常模式南北常绿东西常绿高峰段夜间SA1X0SA2X1Y2HL3南北红灯SA3X2SA4X3Y3HL4东西红灯SA5X4SA6X5X6X7Y5Y4HL5东西黄灯HL6东西绿灯24VS/SCOM15V图2-2 PLC外部接线图
2.5 梯形图的组成
1.白天和晚上时间段的判断
时间段判断程序梯形图如图2-3所示。
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图2-3 时间段判断程序梯形图
2.自动状态标志继电器
自动状态标志继电器程序梯形图如图2-4所示。
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图2-4 自动状态程序梯形图
3.手动状态控制程序
手动状态控制程序梯形图，如图2-5所示。
图2-5 手动状态控制程序梯形图
4. 高峰状态控制程序
高峰状态控制程序梯形图，如图2-6所示。
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图2-6 高峰状态控制程序梯形图
8.交通灯控制系统完整程序
交通灯控制系统完整程序梯形图如图2-7所示。
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图2-7 交通灯控制系统完整程序梯形图
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参考文献
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