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1、. . . . 毕业设计说明书交通信号灯PLC控制系统的设计专业电气工程与其自动化学生敦峰班级Z电气111学号1160601147指导教师朱学来完成日期2015年6月5日39 / 48毕业设计说明书独创性声明本人声明所呈交的毕业设计说明书是本人在导师指导下进行的研究、设计工作后独立完成的。除了文中特别加以标注和致的地方外，说明书中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究所做贡献集体和个人，均己在说明书中作了明确的说明并表示意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 毕业设计说明书（毕业论文）作者签名(手写): 日期: 年 月 日 指导教师签名(手写):日期: 年 月 日交通信号
2、灯PLC控制系统的设计摘 要：在路口设置交通灯能够对交通繁忙和拥堵进行有效的疏通，还可以使交通参与者的权利得到强有力的保障。目前我国城市中的交通信号控制系统都比较死板，不存在智能处理的功能。当前的交通灯采用传统的计时器作为控制核心，这种交通信号系统存给交通行驶带来诸多的不便。该设计采用PLC控制核心，实现交通信号灯的时间参数设置和倒计时显示。同时可以根据实际的交通情况，解决交通繁忙和交通堵塞的问题，使得整个交通控制最优化。 考虑到原来交通信号灯的弊端和设备的缺点与局限性，该设计采用可编程序控制器PLC进行整体控制，其主要原因是考虑到PLC具有操作简单易懂而且方便维修、性能可靠、编程灵活通用、体
3、积小且使用寿命很长等一些的优点。在可靠性方面得到很大的提升，硬件设备的故障率减少，更重要的是实现了智能控制，根据实际需要更改放行时间参数，合理确定各路口交通信号灯之间的时间差，以与白天和夜晚两种模式的切换和快速时间调整，使控制系统变得更加便捷、灵活，有效的缩短了行驶车辆的等待时间，大大的提高十字路口的利用率，逐步实现科学化的管理。这样一个智能化的交通控制系统对城市现代化的建设有着很重要的意义。关键字：交通事故; PLC;交通信号灯;智能化;控制系统Design of Traffic Light Control System based on PLCAbstract: The installat
4、ion of traffic lights at the junction with heavy traffic and congestion able to effectively clear, you can make right traffic participants get strong protection. At present, Chinas urban traffic signal control system are relatively rigid, intelligent processing function does not exist. Current traff
5、ic lights with traditional timer as the control, this traffic signal system memory to traffic with a lot of inconvenience. The design uses a PLC control core, realize the time parameter set of traffic lights and countdown display. At the same time according to the actual traffic conditions, heavy tr
6、affic and congestion solving problems, making the traffic control optimization. Considering the shortcomings and limitations of the original traffic signal lights and the malpractice of the equipment, the design of the programmable controller PLC integrated control, the main reason is considered to
7、the PLC has simple operation and convenient and reliable performance, programming flexibility, small volume and the use of life is very long, some of the advantages.Has been greatly improved in reliability, the hardware equipment failure rate is reduced, the more important is to realize the intellig
8、ent control, according to the actual need to change the release time parameters, reasonably determine the time difference between the intersection traffic signal, and day and night modes for and rapid time to adjust, so that the control system has become more convenient and flexible, effective relat
9、ionship vehicle waiting time, greatly improve the utilization rate of the crossroads, the progressive realization of the scientific management. Such an intelligent traffic control system is very important for the construction of the city modernization.Keywords: Traffic accident；PLC；Traffic lights；In
10、telligent；Control Systems目录1、概论11.1交通灯的发展与研究意义11.2当前国外的交通现状11.3课题设计容22、PLC简介32.1 PLC的组成32.1.1 PLC的硬件系统组成32.1.2 PLC的软件系统组成52.2 PLC的工作原理52.2.1 PLC的工作方式52.2.2 PLC的工作过程和特点62.3 PLC的编程语言72.3.1 编程语言的特点72.3.2 编程语言的形式82.4 PLC的扫描周期和响应时间82.4.1 PLC的I/O响应时间82.4.2 PLC工作方式带来的特殊性83、系统硬件设计93.1硬件系统组成93.2 I/O地址分配93.3
11、PLC选型103.4 时间显示模块103.5交通灯时间控制模块104、系统软件设计114.1编程软件简介114.1.1三菱编程软件114.1.2 PLC编程软件GX Developer的使用概述114.2系统的工作原理134.3 功能流程图144.4.交通灯正常运行时序图154.5梯形图设计164.5.1状态转移图164.5.2 数码管显示程序174.5.3 计时程序184.5.4 亮灯时间预置程序185、系统仿真与调试195.1仿真系统硬件接线195.2系统程序调试205.3 程序调试过程中遇到的问题226、 结束语23参考文献24致25附录26附录1设计图纸26附录2 系统综合程序27附录
12、3 元器件清单35交通信号灯PLC控制系统的设计1、概论1.1交通灯的发展与研究意义交通运输系统是社会经济的“血液循环系统”,是城市功能活动的命脉，是现代社会发展的一个重要表现，同时也是社会发展的重要依托。交通系统直接影响社会经济与生活的各个方面。随着我国交通事业的快速发展，各式各样的公交、运输汽车、私家车等的迅速增加，造成城市交通要道越来越拥堵，城市交通问题越来越突出。交通拥堵、环境污染和车辆行驶安全等一系列问题阻碍了社会和经济的可持续发展。20世纪以前的交通信号灯控制系统，控制做法流程是：a.先进行调查现场车流量的总体情况；b.采用运用统计学的基本方法将两个不同方向交通灯的时间延时参数事先
13、设置好；这样一个系统没有考虑到实际车流量的变化是一个不确定值，而且不同时间段不同交通路段的路况也是不确定的。因此，我们需要一种能够依据车流量、道路、时间段，甚至季节的变化情况来改变控制方式或者自动调节交通信号灯的时间长度的智能交通信号控制系统。这种交通信号控制系统可以解决车辆在十字路口滞留的问题，使交通变得通畅，便捷，很大程度上提高交通控制系统的工作效率。设计采用可编程序控制器PLC进行整体控制，在可靠性方面得到很大的提升，硬件设备的故障率减少，更重要的是实现了智能控制，根据实际需要更改放行时间参数，合理确定各路口交通信号灯之间的时间差，使控制系统变得更加便捷、灵活，有效的缩短了行驶车辆的等待
14、时间，大大的提高十字路口的利用率，对交通状况实现了科学化的管理。这样一个智能化的交通控制系统对城市现代化的建设有着很重要的意义！1.2当前国外的交通现状 当代世界各国大中小城市中普遍存在着车辆堵塞、道路拥挤、交通秩序混乱等不和谐现象。总结起来，当前世界各国城市交通主要问题表现在如下特点和问题：a.城市规模逐步扩大，运输压力沉重。第二次工业革命以来，世界各国取得了经济上的增长和大城市化规模的辉煌成就。城镇化水平越来越高，相继带来各国人民的出行和物资交流频繁，给城市交通带来沉重的压力。b.机动车增长加快，道路容量不足。随着科技的进步，高性能的原材料产能不断增加，近十几年来城市里机动车数量迅速增长，
15、私家车、出租车、面包车、货运车以至于公交车增幅度很大。而与之相对应的人均道路面积却一直处于低水平状态，尽管近十几年来已经有了很大发展，但是目前的交通状况依然呈现出拥挤状态。 c.公共交通萎缩，出行结构不合理。从20世纪80年代后期开始，私家车和出租车的不断增加，致使世界各国的城市公共汽车交通行业持续萎缩，从运营效率到经营管理，从服务水平到经济效益，这两个方面都出现了大幅度的衰退。另外公共交通事业遭受到来自其他行业的冲击，那些被转移出来的乘客被迫需要寻求其它出行方式，因而加剧出行结构不合理化。1.3课题设计容 本课题对基于PLC的交通信号灯控制系统进行科学的设计，以三菱系列的PLC为控制核心，设
16、计并制作交通信号灯控制系统，用于十字路口的车辆交通管理。具体要实现的功能如下：a.实现路口紧急处理当交通道路严重堵塞时，用户可以与时的处理，按下紧急按钮后使用转换 开关控制交通堵塞的一方。即只允许一个方向（交通堵塞的方向）车辆放行，另外一个方向等待。b.实现倒计时数码显示时间倒计时，能够让每个通行的人更好的把握时间，更安全的通过十字路口。c.实现时间预置实际的交通情况分为正常运行，交通繁忙和交通堵塞三种情况。正常运行时则无需特殊处理，当交通繁忙和交通堵塞时则需要特殊的处理，以减少司机等待时间，缓解交通压力。当交通繁忙时调整东西方向和南北方向的绿灯亮灯时间，首先按下亮灯时间预置按钮，用户可根据不
17、同方向的实际交通情况，将配合亮灯时间预置按钮使用的转换开关拨到需要设定绿灯亮灯时间的一方。根据白天和夜晚的实际车流流量的不同，分两种模式，白天运行白天模式，即红黄绿三色灯轮番交替点亮并计时显示；夜间由于车流量比较少，开启夜间模式，即东南西北四个方向的黄灯均为闪烁状态，行车人员可根据路况选择是否通行。d.实现一般计时根据需要计时时，只要按下计时开始按钮，系统即刻开始计时。2、PLC简介2.1 PLC的组成2.1.1 PLC的硬件系统组成用户根据PLC自身的特点，把它应用到各个领域并取得了瞩目的成绩。作为PLC的使用者，要正确的应用PLC去完成各项控制任务，首先一点就是要做到了解它的组成和工作原理
18、。无论是整体式、模块式还是混合式结构的PLC，其部结构都相似，主要包括如下几部分：中央处理器，（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、输入/输出扩展接口、通信接口、电源的等。CPU运算器控制器存储器EPROM 系统 程序RAM用户程序输 入 单 元编程器盒式磁带机打印机EPROM写入器图形监控系统PLC或上位计算机用户输入设备用户输出设备输 出 单 元输入输出扩展机电源主机外设输入输出接口输入输出扩展接口图2-1 PLC的基本结构图a.中央处理器（CPU） CPU是PLC的核心部分，即PLC的大脑，控制着这个系统的正常运行。它的具体作用如下:能够接受和存储用户程序：接受外部设备的最新状态
19、和数据，存入相应的数据寄存区；检查存储器、电源、I/O的状态，诊断用户程序是否存在语法错误；实现PLC之间或者上位机与PLC之间的通信；执行监控程序和用户程序，完成指令的操作；响应现场设备的请求。PLC的运算速度越高，它的信息处理量就越大，CPU的位数越多，速度就越快。在FN2n系列的PLC中，CPU的芯片大都是采用表面封装技术的芯片，具有两片超大规模的集成电路。所以N2n系列的PLC在速度和集成度上都是极高的。b.存储器 存储器主要用于存放可编程序控制器PLC的程序和数据，程序包括系统程序和用户程序。存储器主要包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储区，每一部分又由一定容量的只读存储器（
20、ROM）、随机存取存储区（RAM）和可擦除只读存储器（EPROM）组成。c.输入/输出单元 输入/输出单元的作用是PLC与外部设备之间信息的传递。此单元可分为输入/输出接口和输入/输出信号。I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件，输入接口用来接收和采集现场设备向PLC提供的信号。比如：按钮、选择开关、继电器触点和数字拨码开关等开关量输入信号与电位器、变送器和测速发电机等传送的模拟量输入信号。输出接口是将主机处理过的结果经过输出电路驱动输出设备，例如接触器、电磁阀、指示灯等。I/O信号分为开关量和模拟量、数字量。开关量输入单元是把现场的各种开关信号转换成PLC能够处理的标准二进制信号。输入
21、端供电电源类型不同，又可以把开关输入单元分为直流输入单元和交流输入单元。开关量输出单元是将PLC部CPU处理过的微弱信号转换成外部现场执行机构的开关信号，如指示灯的亮与灭。模拟量输入单元是将模拟量信号转换成二进制数字信号，然后送给CPU模块进行数据处理和控制。像温度、速度、流量、位移等都是对应于电压或电流的模拟量，这些量通过一定的PID运算后，控制生产的过程。模拟量输出单元就是将PLC运算的数字信号转换为相应的模拟信号的电流输出信号或者电压输出信号，在通过信号转换成外部设备需要的信号进行控制设备。d.输入/输出扩展接口输入/输出扩展接口用于扩展输入/输出点数和类型，当用户在使用PLC所需的输入
22、/输出点数超过主机的点而不够时就要通过输入/输出扩展接口将主机与输入输出扩展单元联接在一起供用户使用。e.通信接口通信接口是主机与用户实现人机对话或者机机对话的通道。PLC可以和编程器、显示器、打印机的等设备相连，构成多级局部网络或者多级分布式控制系统。该接口的功能是并行/串行数据的交换、通信格式的识别、信号电平的转换以与数据传输的检验。f.电源PLC部的CPU、存储器、输入输出接口都是需要直流电来供电，所以我们供给PLC的外围输入交流电都必须经过交直流转换电路转换后给PLC供电。很多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，为避免电源干扰，接口电路的电源回路是相互独立的。2.1.2 PLC的软件
23、系统组成实际上PLC是一种工业控制计算机，不仅要有硬件系统，而且软件系统也是必备的，只有软件系统配合硬件系统才能完成某一项任务，两者是相辅相成的。PLC的软件系统通常分为系统程序和用户程序。a.系统程序系统程序是可编程序控制器PLC的工作依据和基础，通常采用汇编语言编写，属于知识劳动成果，一般生产商都会固化在EPROM中，防止他人抄袭和篡改，用户不能直接读写干预。系统程序又分为系统监视程序与解释程序两种。顾名思义，系统监视程序是指监控PLC工作的程序。系统监控程序的主要工作是诊断PLC的工作状况以与PLC与外部的信息交换。解释程序是指用来解释用户编写的程序，使其能够在PLC中正常的运行。PLC
24、开始启动后，由系统监控程序启动解释程序，对用户程序进行解释，把原来用梯形图或者指令表编写的程序，解释成PLC的微处理器可以接受执行的程序，完成用户想要完成的目的，这一切的活动都在系统监视程序的监视下完成，防止出现错误。b.用户程序用户想要完成某项任务，就要编写PLC可以识别的任务指令，而这种用编程器或者编程软件编写的完整指令被称为用户程序。当编写好程序后，用户可以通过编程软件与PLC相连，把程序下载到PLC部，当PLC上电检测后，就可以执行程序所要完成的任务。2.2 PLC的工作原理PLC其实是一种特殊的工业控制微型计算机，由于具有特殊的接口器件和监控软件，使得它的工作原理、编程语言与一般的计
25、算机不同。另一方面，它作为继电器控制装置的替代品，这两者的运行方式也是大不一样的。这里通过PLC的工作方式展开对其工作原理的讲述。2.2.1 PLC的工作方式可编程序控制器PLC在结构形式上与微型计算机有很多一样的地方，但是微处理器是计算机的核心单元。由于PLC在工业控制过程中有着较强的逻辑运算关系，所以PLC并不采用微处理器的工作方式，即等待命令和中断的工作方式，而是采用一种循环扫描的工作方式。可编程序控制器的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的工作方式，实际的含义是指输出线圈或逻辑线圈被接通或者断开时，直到本次扫描结束未进入下一个扫描周期之前，所有被扫描到的线圈上的触点均不会发生相应的动作。为
26、了消除继电器控制装置的工作方式与PLC的运行方式之间的差异，PLC采用一种扫描技术，这种技术不同于微型计算机的工作方式。主要是根据继电器装置和PLC扫描程序的时间不同，即继电器装置触点动作的时间为100ms，而PLC扫描的时间小于100ms。运用这项技术，在对于I/O响应时间不高的场合执行出来的结果和利用继电器执行出的结果并没有什么区别。2.2.2 PLC的工作过程和特点在给PLC供电后，才能进入正常的运行状态。PLC 采用的循环扫描方式不同于计算机工作的方式，通常包含输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段，扫描完成这三个阶段称为一个扫描周期，CPU会以一定的速度重复执行这三个阶段。 图
27、2-2 PLC的扫描工作过程a.输入采样阶段PLC的全部输入端子的所有信号按顺序读入到响应映像区，这一过程称为采样。在一个工作周期，采样结果的容不会发生改变，在进入下一个工作周期的输入采样阶段，上一个周期的采样结果被新读取的状态信息取代。b.程序执行阶段在程序执行阶段，CPU对用户的程序按照步序号，遵照从左到右，从上到下 的扫描原则，逐条进行扫描、解释、执行。从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读取出元件的状态，并根据程序运算出结果，把运算的结果存储在输出映像寄存器 和元件映像寄存器中。c.输出刷新阶段程序执行完毕以后，PLC将输出映像区的容送入到输出锁存器中，成为PLC的实际输出，再去驱动用户
28、外部设备，这一过程就是输出刷新。PLC在进行信息处理的工作过程中，必须遵循如下规律：再输入刷新期间，各个输入端子的接通与断开决定着输入映像存储器的数据变化；PLC部程序的如何执行要根据用户下载到PLC部编写的程序以与输入映像存储器和元件映像存储器里的容来决定。在程序执行期间，输入映像存储器的容不会随着程序的执行而发生变化，但是部元件映像存储器和输出映像存储器里的容是会随着程序的执行而变化的；执行后，输出的结果决定着输出映像存储器的容；输出锁存器决定着所有输出端子的状态。输入刷新 程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新图2-3 PLC的扫描周期图2.3 PLC的编程语言2.3.1 编程语言的特点P
29、LC逻辑控制功能的实现必须通过编程语言来实现，随着PLC的不断发展，它的编程软件呈现多样化和高级化的发展趋势。PLC的编程语言是一种专门的符号语言，适应于PLC装置，既能满足编写容易，又能满足调试容易的要求。这种编程语言不同于高级语言和汇编语言。目前市场上现有的PLC种类较多，不同类型的PLC对应的编程软件也有所不同。其基本规律是同一厂家生产的PLC编程语言是可以通用。PLC型号虽各不一样，但是他们的编程语言有着一样的特点，比如：a.图形式指令结构：为了易于理解和记忆，用户程序由图形的方式进行表达，程序中的指令全部由代表不同含义的图形符号共同组成。编程软件拥有用户编程所需的独立运算功能编制成的
30、象征性图形，用户可以根据实际的需要进行相应的编程。这种方法化抽象为直观、化复杂繁琐为易懂，备受广大用户的欢迎。b.明确的变量常数：在编程中，图形符号相当于指令操作码，规定其运算功能，指令操作数可以由用户根据实际需要写入，PLC的产品型号决定着本产品的PLC常数和变量的取值围，详细的说明，可以参照使用说明书。c.简化程序结构：用户编写的PLC程序结构简单，多为块式结构，功能块不同，完成的任务也不同。这样方便调试者对整个程序的控制功能和顺序进行维护和修改。d.简化应用软件生成过程：我们需要的软件越简单越好。以往用高级语言和汇编语言编程时都要经过三步，即编辑、编译、。这样相对比较繁琐、复杂。我们需要
31、的是一个编辑过程即可，其他的工作由系统软件自行完成。 f.强化调试手段：PLC程序调试由生产厂家提供了完善的硬件的条件，主要使用编程器或者编程软件，使PLC与编程器上的输入输出按键、显示器连接，在部编辑、调试、监控等在软件支持下，进行程序诊断和调试相对比较简单。2.3.2 编程语言的形式PLC拥有完整的编程语言，每一个生产厂家，甚至同一厂家生产的不同型号的PLC都具有适应该产品的编程语言。目前市场上的PLC最常用的编程语言有四种：梯形图编程语言、功能图编程语言、指令语句表编程语言、高级语言编程。a.梯形图编程语言（LAD）梯形图编程语言类似于继电装置控制电路，形象直观。是一种由图形符号组成的编
32、程语言。习惯上成为“梯形图”。梯形图按“从左到右”，“自上而下”的顺序排列，最左边的竖线称为“起始母线”或者“左母线”，然后按照控制要求和规则连接各个“软触点”，最后以继电器线圈结束。目前，最受程序员欢迎的梯形图，是使用最多和最常见的一种编程语言。b.指令语句表编程语言(STL)指令语句表编程语言又称助记符语言，它类似于汇编语言，采用一些容易记忆的助记符来表示PLC的某种操作。它有操作符和操作数两部分组成，比汇编语言更直观易懂。虽然不如梯形图直观形象更易懂，但是方便键入。c.功能图编程语言（SFC）功能图编程语言是近些年来新出的一种比较新颖的编程方法，它像控制系统流程图一样的功能图来表达一个顺
33、序控制过程，适合于“步进控制”。d.高级语言编程高级语言的更接近于人脑的思维，更加的通俗易懂，而且弥补了其他编程语言的不足之处。但是这种高级语言比较难掌握，需要很好的计算机基础和C语言知识，学习者的思维逻辑能力要很强。2.4 PLC的扫描周期和响应时间2.4.1 PLC的I/O响应时间输入/输出的滞后时间就是PLC的I/O响应时间，是指从PLC的外部输入信号 发生变化直至相对应的输出设备发生变化的时间间隔，I/O响应时间由输入电路的滤波时间、输出电路的滞后时间以与扫描工作方式所产生的滞后时间组成。2.4.2 PLC工作方式带来的特殊性a.I/O响应滞后在执行PLC的控制时，由于输入滤波与软元件
34、的驱动时间等方面的原因，会造成I/O响应滞后。b.二重输出线圈的动作当在同一程序中，多处使用同一个线圈，在执行程序时容易出现二重线圈动作，执行二重输出时，后面的输出继电器线圈优先动作。3、系统硬件设计3.1硬件系统组成根据交通信号灯要实现的功能分析，此系统的核心元器件是PLC，还包括外围设备，即输入设备和输出设备。其中输入设备应该包含有启动按钮、停止按钮、亮灯时间预置按钮、紧急情况按钮、计时开始按钮、计时快速调整按钮分别为1个，当遇到交通堵塞时，按下紧急按钮后需要一个东西方向绿灯或者南北方向绿灯的转换开关；当亮灯按下亮灯时间预置按钮后需要一个东西方向亮灯时间预置或者南北方向亮灯时间预置的转换开
35、关；亮灯时间预置这项功能需要两个4位BCD拨码盘来实现。输出设备包括东西南北四个方向的红绿黄信号灯各一盏，共12盏信号灯；因为为了能够让每个通行的人更好的把握时间，更安全的通过十字路口，系统有时间倒计时功能，时间显示部分采用共阳型7段数码管来显示，四个方向各需要2个，共8个数码管。整个的硬件系统就要这些元器件按一定的顺序、位置连接在PLC上，完成交通信号灯PLC控制系统的硬件设计。3.2 I/O地址分配根据硬件系统的组成分析，可知其中输入点包括6个按钮需要6个输入点；一个转换开关占用两个输入接点，需要准备4个输入接点供两个转换开关使用。时间预置采用的拨码盘需要占用8个输入接点，总共需要18个输
36、入点。为了编程简单和节省输出点数，输出部分的东西方向和南北方向的信号灯以与数码管采用并联的方式。这样东西方向和南北方向的信号灯并联，12盏信号灯共需要6个输出点，节省6个输出点；东西方向和南北方向的数码管并联，8个数码管共需要14个输出点，节省14个输出点。整个系统的输出设备总共需要20是个输出点。进行PLC的I/O点分配如下表：表3-1 I/O地址分配表输入点（I）输出点（O）X0启动按钮Y0东西方向绿灯X1停止按钮Y1东西方向黄灯X2紧急按钮Y2东西方向红灯X3紧急转换开关K1东西绿灯触点Y3南北方向绿灯X4紧急转换开关K1南北绿灯触点Y4南北方向黄灯X5亮灯时间预置按钮Y5南北方向红灯X
37、6时间预置转换开关K2东西时间预置触点Y10Y16东西方向2位数码管X7时间预置转换开关K2南北时间预置触点Y20Y26南北方向2位数码管X20X27BCD拨码盘输入X10计时开始按钮X11计时快速调整按钮3.3 PLC选型综合硬件系统组成和I/O地址分配的分析，可知此硬件系统共需要38个I/O接点，其中包括18个输入接点和20个输出接点。实际应用中还要考虑到应该有10%的余量，综合考虑多种不同的因素，最终选择三菱公司的FN2N48MR型的PLC。此型号的PLC有24个输入点和24个输出点，继电器输出，它是由电源、CPU、I/O模块、RAM的单元型PLC，其主机称为基本单元，还有为主机准备的可
38、扩展其I/O点的扩展单元和扩展模块。扩展模块可用点数为4864，电源用直流24V。3.4 时间显示模块目前最常用的数字显示器就是LED数码管，数码管分为共阴和共阳型。此硬件系统的时间显示模块采用共阳型七段数码管来显示倒计时。东西南北四个方向上各有两个七段数码管，用来显示时间的个位和十位。东西方向上的两组七段数码管采用并联的方式连接，可看做一组数码管；同理可知，南北方向上的两组七段数码管采用并联的方式连接，也可看做一组数码管。东西方向的数码管组中的个位显示数码管和南北方向的数码管组中的个位显示数码管用Y10Y16来驱动；东西方向的数码管组中的十位显示数码管和南北方向的数码管组中的十位显示数码管用
39、Y20Y26来驱动；具体接线见附录1交通信号的I/O接线图 。3.5交通灯时间控制模块交通信号灯亮灯时间由用户根据需要设定，这就意味着在PLC外部要有时间预置设备，最常用的预置或更改参数设备是BCD拨码盘，又称为BCD数字开关。在一些不必要更改设备参数的情况下，尽量不要用BCD拨码盘，因为BCD拨码盘会占用相当多的一部分输入接点，使输入接点的利用率降低。交通信号灯的时间预置和更改功能上使用BCD拨码盘是很必要的。在此硬件系统中，采用两片4位BCD拨码盘与PLC的输入接点X20X27相连。在PLC部，把BCD拨码盘设定的参数存放在数据寄存器中，以便在需要时取出使用。从而达到预置或更改时间参数的目
40、的。详细的接线方式见附录1交通信号的I/O接线图。4、系统软件设计4.1编程软件简介4.1.1三菱编程软件GX Developer软件是三菱系列PLC的编程软件。它支持多种编程语言，主要包括梯形图、SFC、指令表与FB、Label语言，可以进行网络参数设定，也可以进行程序的在线更改、以与程序监控与调试。此款软件能够匹配三菱PLC的硬件设备，将GX Developer软件编写的程序下载到PLC部，三菱PLC可进行检测和判断程序的正确性，并与Developer软件通信进行监控。4.1.2 PLC编程软件GX Developer的使用概述进入GX Developer编程软件的编程环境双击计算机桌面G
41、X Developer图标或者按Tab键选择到图标GX Developer，即可进入编程环境。a.编程环境（见图4-1）图4-1编程环境b.编写新程序创建新工程，如图4-2所示图4-2新建工程c.点击创建新工程，出现PLC选型界面如4-3所示图4-3 PLC选型界面在PLC类型选项里选择实际的PLC类型，确认后即可进入编辑环境。d.程序的变换当用户编写好程序时，在编写界面上是灰色的界面，在写入PLC部时，我们需要把我们编写的程序变换为PLC可以识别的程序。我们在菜单栏里点击“变换按钮”，在下拉栏里点击“变换”即可。图4-4 PLC程序变换e.程序的保存在编写用户程序后，在“工程”菜单下点击保存
42、工程即可。f.PLC程序下载在上述操作完成后，我们要把编写好的程序，下载到PLC部，这时候我们点击菜单栏里的“在线”，然后选择“PLC写入”其他操作根据提示点击每一步，知道下载完成。g.PLC程序调试打开“在线”菜单下的“调试”，根据工程要实现的功能和PLC运行规则，检查每一步的结果是否符合功能要求，若不符合要求，停止调试，进行修改。4.2系统的工作原理在给系统供电后才可以启动PLC开始工作。第一步就是判断当前时间选择白天模式或者夜晚模式。这两种模式用时间段来划分，设定白天模式的时间段为6时至23时，设定夜间模式的时间段为23时至次日的6时，形成24小时不间断循环。白天模式执行正常运行，设定由
43、东西方向亮绿灯，南北方向亮红灯，初始设定绿灯亮的时间为25秒，这个时间可以根据需要通过时间预置按钮，用拨码盘进行修改。南北方向的红灯则设定为30秒，在东西绿灯亮最后的5秒倒计时开始后，绿灯闪烁5次，结束后转为东西黄灯计时5秒。东西黄灯计时结束的同时南北红灯计时30秒也结束，转为南北绿灯亮25秒，东西红灯计时30秒，如此循环执行。如果选择的是夜晚模式，则执行东、西、南、北方向都只有黄灯在不停地闪烁，考虑到夜晚车辆较少，司机与行人均可根据实际情况选择是否通行。实际的交通情况分为正常运行，交通繁忙和交通堵塞三种情况。正常运行时则无需特殊处理，当交通繁忙和交通堵塞时则需要特殊的处理，以减少司机等待时间
44、，缓解交通压力。当交通繁忙时调整东西方向和南北方向的绿灯亮灯时间，首先按下亮灯时间预置按钮，用户可根据不同方向的实际交通情况，将配合亮灯时间预置按钮使用的转换开关拨到需要设定绿灯亮灯时间的一方。比如说东西方向交通繁忙，这时将转换开关拨到东西方向时间预置的位置，配合拨码盘进行东西方向绿灯时间的设置。南北方向操作与东西方向一样。当交通堵塞时，调整东西方向或者南北方向绿灯时间效率太低，不能与时解决交通堵塞的问题，这时应该把交通堵塞的方向直接绿灯放行。为了尽快恢复正常的交通秩序，在遇到交通堵塞时，我们设置了紧急按钮和两个方向的绿灯亮转换开关，假如东西方向交通堵塞，这时只要按下紧急按钮，将转换开关拨到东
45、西方向绿灯的位置上，东西方向绿灯亮，车辆放行，南北方向等待；同理，当南北方向遇到交通堵塞时，具体操作和东西方向类似。图4-5十字路口交通信号灯的示意图4.3 功能流程图 根据系统的工作原理分析，系统的功能流程图，如图4-6。图4-6 系统功能流程图4.4.交通灯正常运行时序图 假如用户设置的东西方向绿灯和南北方向绿灯亮的时间各为25秒，那么交通灯正常运行时序图如图4-7所示。图4-7 交通灯正常运行时序图4.5梯形图设计4.5.1状态转移图根据设计的具体要求和要实现的功能，用功能图编程语言进行编写，在编写之前按照白天和夜晚模式进行细分，在白天模式里又分为紧急模式和正常运行模式，在正常运行模式里
46、进行时间预置。夜晚模式单独一个分支，共分为三个分支，每一步都有各自的转移条件。图4-8 交通信号灯顺序控制转移图4.5.2 数码管显示程序数Y5码显示采用七段译码指令来显示，当Y5得电瞬间上升沿时，PLS指令检测M20是否得电，检测到M20得电把数据寄存器D0的数据传送到数据寄存器D10中，再用减1指令实现倒计时。把数据寄存器等D10里的数据转化为二进制数传送给辅助继电器M10M17,再用七段译码指令显示出数据寄存器里的数。同理，Y2得电原理类似。PLS M20SEGD K1M14 K2Y10SEGD K1M10 K2Y10BCD D10 K2M10DEC D10MOV D0 D10PLS M
47、21SEGD K1M14 K2Y10SEGD K1M10 K2Y10BCD D10 K2M10DEC D10MOV D0 D10Y2M20M21图4-9 数码管显示程序图4.5.3 计时程序这段程序M8014X10实现计时功能，并判断计时的整数，从而选择执行白天模式还是夜间模式。用1min时钟脉冲辅助继电器计时每小时，再用计数器计数24小时，计数器积满24小时进行复位。C0 K60C1 K24RST C0RST C1ZCP K6 K23 C1 M0X11M8012C0C1M8000图4-10 计时程序图4.5.4 亮灯时间预置程序BCD拨码盘向PLC输入数据后要用BIN指令把设置的参数转化为二
48、进制数据并传送到数据寄存器D0中，供其他程序调用。BIN K2X20 D0SUB D0 K6 D2BIN K2X20 D1SUB D0 K6 D2X5X6X7图4-11 亮灯时间预置程序图5、系统仿真与调试5.1仿真系统硬件接线本实验系统仿真是在学院综合实验室仿真的，由于实验室实验设备条件有限，毕业设计说明书里的部分功能不能在实验设备上演示出来，比如时间预置这部分，实验设备上没有数字拨码盘，所以在仿真测试过程中直接省略了时间预置程序，而是在程序中计时器里赋值代替拨码盘实现时间预置功能；再有就是实时时间显示部分，由于实验室里的PLC输出I/O口不足和数码管不足，这项功能也不能正常演示出来。在附录
49、里的主程序里包晗这两个功能的程序，这里只是临时测试用的程序。硬件接线：在开始实验仿真之前，准备好相关实验设备模块以与连接导线，并检查设备是否能够正常使用。在接线之前，首先检查试验台是否通电，务必确保在未通电的状态下接线。根据本系统的“硬件系统接线图”，一一对应的在实验台上连接。根据硬件接线图可知PLC的输入接口X0X7分别与按钮的X0X7相连接，输入模块的COM端口与按钮面板上的COM端口相连；PLC的输出接口Y0Y5分别与实验面板上的东西、南北的红、黄、绿端口相连接，且输出接口的COM1和COM2相串联之后，连接到12V稳压电源的负极，12V稳压电源的正极连接到交通灯实验面板上的+12V端口
50、。四个数码管分两个一组，分别代表东西方向和南北方向的数码显示部分，东西方向的十位上数码管的7个引脚A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分别与PLC的输出接口Y10Y7相连接；东西方向的个位上数码管的7个引脚B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7分别与PLC的输出接口Y20Y27相连接。南北方向的数码管并联在东西方向数码管上即可。共阳数码管显示用的是24V稳压电源供电，稳压24V电源的正极接在数码管的正极上，不过四个数码管的正极要串联在一起供电，稳压24V电源的负极与PLC的输出公共端COM3和COM4串联。在接线完成后检查连接是否正确，然后再给PLC上电。此次接线所需连接线较多，在接线时
51、用万用表检查连接线是否正常。完成之后的接线图如下图5-1所示图5-1 系统硬件仿真接线实物图5.2系统程序调试在硬件接线完整的基础下，给PLC上电，把事先编写好的测试程序下载到PLC里，如PLC上的几个指示灯没有出现红灯，则说明应用程序正确的下载到PLC中了，没有出现逻辑错误，下载程序成功之后，操作相关按钮对比理论上所应该出现的现象，具体操作如下（1）按下X0开始启动，这时进入白天正常运行模式，首先是东西方向绿灯亮25S并倒计时，在东西方向绿灯最后5S时，东西方向绿灯开始闪烁5S并倒计时在东西方向绿灯亮时，南北方向红灯亮；下一个状态是东西方向黄灯亮5S并倒计时，南北方向依然是红灯亮。当东西方向
52、黄灯计时结束结束后，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮并计时25S，同样在南北方向绿灯最后5S，南北方向绿灯闪烁5S；计时结束后南北方向黄灯计时5S并倒计时。最后是南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮并计时25S。在执行过程中，任何时刻按下紧急按钮X2，正常运行都会停止，去执行紧急状态模式。（2）在白天正常运行时遇到交通堵塞，按下X2，转换开关打到X3时，南北方向红灯，东西方向绿灯；转换开关打到X4状态，南北方向绿灯，东西方向红灯。（3）在夜间23点到6点之间，当按下X17后，等待正常运行模式运行一周期后，开始执行夜间模式，东西、南北四个方向，黄灯分别开始闪烁。上述所有状态的实物现象如下列图片所示：图5
53、-2 白天正常模式东西红灯南北绿 图5-3 白天正常模式东西红灯南北黄 图5-4 白天正常模式东西绿灯南北红 图5-5 白天正常模式东西黄灯南北红图5-6 白天紧急模式情况1 图5-7 白天紧急模式情况2 图5-8夜间模式东西南北黄灯闪烁 5.3 程序调试过程中遇到的问题在硬件接线时，一开始出现了一个严重的问题，实验之前误以为交通灯实验面板和数码管显示面板所供用的电压都是12V。在第一次接线完成之后，通电实验，数码管完全没有反应，一个指示灯都不亮，最初原以为是数码管显示程序程序出错了，经反复检查后并没有出现错误，继而再次检查硬件接线，在查阅相关硬件接线资料和实验设备使用说明书之后才发现是电源供
54、电出现了问题，数码管显示所用是24V稳压电源，经修改后，再次给PLC上电，各项设备一切正常。在程序调试的具体操作中，发现一个现象，就是在绿灯倒计时最后五秒时，绿灯正常应该闪烁5次并倒计时，可是实验的现象是绿灯最后5秒并没有闪烁，而是继续亮灯。这一问题的出现，我的第一直觉就是程序的逻辑出现了问题，因为我在程序中编写了绿灯最后5秒的闪烁程序，只是没有执行，跳过了这一步。多次修改了闪烁程序的位置，结果还是不能实现该项功能。静下心来，仔细看了很长时间的程序，发现了一个严重的问题，程序中出现了“双重线圈输出”问题。我改变编程思维，用两个定时器代换的方式和一个绿灯线圈输出。修改后，终于实现了这项功能。在仿
55、真和调试过程中，我们会遇到很到问题，有时候这些小问题很难发现，被我们所忽略，不加以注意，就会导致整个实验仿真的失败。所以我们在仿真之前一定要详细的了解实验设备和仔细的检查测试程序是否有逻辑错误。6、 结束语本次毕业设计的课题是交通信号灯PLC控制系统设计。因为这个课题和我们的日常生活紧密相连，所以这让我感到并不陌生，做起来相对熟悉和简单一点。 万事都是开头难，一开始我是一点思路没有，感觉自己什么都不会写，后来经过朱老师的指导，慢慢的也就有设计思路了，然后就开始了写大纲目录，搜寻相关资料。此设计系统的交通信号灯的功能可以实现路口紧急处理、倒计时数码显示、时间预置、一般计时、时间快速调整。现实的交
56、通分为高峰期和正常期，不同时间段的交通状况不同，所以本次毕业设计就分为正常运行和紧急强通运行，以与白天和夜晚两种模式。在做毕业设计之前，我观察了各种交通十字路口，自己研究普通的十字路口交通灯，在了解透彻的情况下，老师又跟我们具体讲解分析了这次设计的思想。把具体的要解决的问题给我讲解了，然后又给我提出了可能会遇到的问题让我加以注意。经过上述的工作，我就开始认真的做准备。在做之前，我对PLC知识进行了基本的学习，了解它的发展历史，以与基本组成和工作原理。之后我做硬件系统设计，先进行了I/O地址分配，根据地址分配选择PLC型号，又画出硬件接线图，在老师的指导下，我顺利的完成了硬件部分的设计。在硬件的
57、基础上，软件的设计与编程就显得得心应手。整个系统的功能主要靠程序的编写，在编写程序时需要解决的就是正常运行模式与紧急情况下的急停模式的切换，同时还要考虑白天模式与夜间模式的自然交替问题。老师和我一起分析，起初我的程序出现了错误，亮灯次序出现了错误，而且不能进行跳转，在老师一次又一次的分析下，我对程序进行修改、试验，最后终于成功了。 现在感觉整个毕业设计做完并不是想象的那么简单。在这十几周的忙碌学习中，我也真正的感受到毕业设计的麻烦与繁琐。这次设计的控制核心器件就是PLC，之前在大三时所学的PLC知识都已经忘却的差不多了，在这次的设计中，我从图书馆里借来很多PLC的书籍，花了很长一段时间复习之前
58、所学习的知识，重拾起有关PLC的基本知识。在朱老师、同组同学的帮助下，我很快完成了设计，我认为大学生的毕业设计是对这几年学习的检测，也是对今后学习的帮助，让我们意识到自己的不足，学会终生学习。参考文献1 金福，谭胜富.电气控制与PLCM.：化学工业，2010.2 向晓汉，王宝银.三菱FX系列PLC完全精通教程M.：化学工业，2012.3 肖明耀.三菱FX系列PLC应用技能实训M.：中国电力，2010.4 春斌，继伟.PLC基础与应用教程M.：机械工业，2011. 5 次猛.PLC编程与应用技术M.: 华中科技大学, 2012.6 王建,文凡，凯. 相宾.PLC实用技术M.：机械工业，2012.
59、7 还.三菱FX系列PLC控制系统设计与应用实例M.：中国电力，2011.8 帆，方园.三菱PLC应用简明教程M.：机械工业，2013. 9 文杰.一步一学PLC编程M.：中国电力，2013.10 初航.零基础学三菱FX系列PLCM.：机械工业，2013.11 高安邦.三菱PLC工程应用设计M.：机械工业，2011. 12 宋伯生.PLC编程实用指南M.：机械工业，2011. 13 豪.三菱PLC应用案例解析M.：中国电力，2012.14 常斗南.翟津.三菱PLC控制系统综合应用技术M.：机械工业，2013.15 权.韦瑞录.PLC控制系统设计安装与调试M.：机械理工大学，2009.致此次的毕
60、业设计应经结束，在这个过程中，我经历了学业的最后冲刺，毕业设计总的来说是检验大学四年的学习成果。虽然毕业设计是关于某一方面的知识，但是我觉得毕业设计包含的知识面非常的广泛，比如说我的毕业设计，在绘图方面，我用到了CAD的知识；数码显示方面，复习了电力电子的知识；在编程上，学习了C语言的知识；在文档的排版上，学习了大量的word排版技巧。所以不能轻视了最后毕业设计。 在这里，我心里有很多话想告诉我的指导老师和大学两年里教过我知识的老师们。我的毕业设计指导老师朱老师，在这里衷心的的您的帮助，是您的指导，让我有了毕业设计的大体思路；是您的不辞辛苦，让我顺利的在实验室里仿和调试真程序；是您的慷慨解囊，
61、无私奉献，让我拥有了无数的相关论文资料，是我的论文更加的丰富多彩；是您日日夜夜的叮咛，才让我的论文在容和格式上没有出现错误；太多的感动事情，作为一名老师，能付出了超出职责的围，是您让我看到了一名人民教师的不容易。对您给予我的指导帮助，我会记在心里，尊敬的朱老师，您。还要在这里感两年里传授我知识的老师们，是你们的早起晚归，让我现在懂得了专业所需要的知识，同时也身行利教的传授了学习的态度和做人做事原则，你们的辛苦，你们的无私奉献。我很幸运的认识同组做毕业设计的同学，现在我们是朋友，是学术上的敌对双方。感你们这些同学，在你们身上我学到了很多，是你对问题的执着，对知识观点的怀疑，对科学真理的追求，让我看到了学习的态度与方法。是你们分享的学习资料，让我了解和懂得的更多。你们给予我太多的帮助，我要对你们说声：“你们，我的朋友”。还要感我的室友们，两年里，你们在生活上给我很多的帮助，毕业了，我们也许很少再见面了，不过你们永远是我的兄弟、挚友。你们
