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摘要 1
关键词 1
Abstract. 1
Key words 1
引言 2
1 交通灯概述 3
1.1课题背景 3
1.2研究目的和意义 3
1.3本文的主要工作 4
2 可编程程序控制器（PLC） 5
2.1 PLC概述 5
2.1.1 PLC的发展历程 5
2.1.2 PLC的发展趋势 6
2.1.3 PLC的应用 7
2.2 PLC的硬件结构 7
2.3 PLC的工作原理 8
2.4本章小结 9
3 带人行横道过马路请求的交通灯控制系统设计 10
3.1交通灯控制设计方案分析 10
3.2交通灯控制系统的工作方式 10
3.2.1带人行横道过马路请求的工作方式 11
3.2.2带流量检测的十字路口设计 12
3.3车流量检测设计 13
3.4 硬件设计 14
3.4.1 PLC的选型 14
3.4.2 PLC的地址分配 14
3.4.3 PLC的外部接线 15
3.5 系统程序设计 15
3.5.1系统的梯形图 15
3.5.2系统程序分析 19
3.6 本章小结 19
4 系统检测与调试 20
4.1检测与调试 20
4.2本章小结 21
参考文献 22
致谢 23
基于PLC的智能交通灯控制系统设计
自动化专业学生 张清路
指导教师 王秀
摘要：自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。
在一些特殊的十字路口，如果利用普通十字路口的交通灯控制方式，会出现以下情况：一个方向上绿灯但是没有车要经过，同时另一个方向上是红灯却有车要经过。这样就降低了道路使用率，浪费很多时间，因此对待特殊的十字路口要采取特殊的控制方式。
选择西门子可编程控制器S7-200为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图进行编程，实现了特殊十字路口交通灯控制系统的自动化。
关键词：PLC；交通控制；自动化
Design of Intelligent Traffic Light Control System baseing on PLC
Student majoring in Automation Zhang Qinglu
Tutor Wangxiu
Abstract：Since the inception of traffic lights, their internal circuit control system is constantly being improved. And design becomes various so that the traffic lights are more intelligent.
In some special crossroads, if the ordinary traffic lights control method is used, the following situation will occur: when there is no vehicle passing in one direction, but the traffic light is green. While there is vehicle, but the traffic light is red, resulting in the reducing of the road usage and wasting a lot of time. Therefore, the special control mode is needed on the special intersection.
It is to choose the Siemens S7-200 PLC as the core components, and focus on the and use the ladder diagram to program. And by doing so, the automation of traffic light control system on special intersection could be achieved.
Key words: PLC ；Traffic control ；Automation
引言
据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某些特殊交汇路段（如主干道和次干道）的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。
智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:在车流量少的路口安装行人按钮和制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的变化。具体如下：在车流量少的路口的两个方向安装行人按钮红外线车流量检测器，当行人要过马路时，按下按钮即可检测到行人要经过，当汽车经过光电开关时就会阻碍或者反射，经过转换电路转换，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按这些要求自动调节红绿灯的变化。
比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。
1 交通灯概述
1.1课题背景
1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两色旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。 1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
1.2研究目的和意义
在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。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。
传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯
目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和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。
可编程控制器交通灯控制系统的特点：
①脱机手动工作；
②联机自动就地工作；
③上机控制的单周期运行方式；
④由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；
⑤自动启动、自动停机控制方式。
近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。
本系统采用PLC是基于以下四个原因：
①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在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方便地用软件来实现；
③抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制[1]。
1.3本文的主要工作
第一章，回顾交通灯的历史，随着社会经济的发展，交通管制的要求越来越高，采用可编程程序控制器来代替中间继电器和过程控制的微型机，设计开发了交通灯控制系统，才会满足稳定可靠的交通控制系统需求。
第二章，叙述了可编程程序控制器的产生、发展、应用的历程，通过论述可编程程序控制器的各种优点、 卓越性能、结构、原理，有一个感性的总体认识。为完成本次设计任务打下基础。
第三章，结合交通灯控制系统的要求，进行硬件、程序设计，从主要部件的选择、流程的分析、程序思路的产生，主要功能的实现和各种特殊功能的设计等方面来完成本次设计任务。
第四章，最后对系统进行调试和检测，通过对系统的调试和检测，再进行系统性梳理，将隐藏的不足之处加以修正和完善，以使主要功能和特殊功能得以完全实现，确保顺利应用于现实中。
2 可编程程序控制器（PLC）
2.1 PLC概述
可编程序控制器（Programmable Logic Controller,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种小批量生产的需要，生产、发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能、简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、CADCAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱[1]。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。
2.1.1 PLC的发展历程
在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。
1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ）。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。
20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。
PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段：
1970—1980年：PLC的结构定型阶段。在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展.推广。PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。
1980—1990年：PLC的普及阶段。在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的价格.品种开始系列化，并且形成了固定IO点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有F.F1.F2小型PLC系列产品,KA系列中、大型PLC产品等。
1990—2000年，PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AISA2USQ2A系列中，大型PLC系列产品等。
2000年至今：PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。一方面，PLC在继续提高CPU运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品（包括最新的FX3u系列产品），Qn,QnPH系列中，大型PLC系列产品等[2]。
2.1.2 PLC的发展趋势
从当前产品技术性能来看，PLC发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两大方面。
①体积小型化。电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。现代PLC无论从内部元件组成还是硬件、软件结构都已经与早期的PLC有了很大的不同，PLC体积被大幅度缩小。
②性能的提高。PLC的性能主要包括CPU性能与IO性能两大方面。
可编程序控制器在我国的发展状况如下：
(1) 我国可编程序控制器的发展与国际上的发展有所不同，国际上可编程序控制器的发展是从研制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序控制器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。大致可划分为下述三个阶段：
①可编程序控制器的初级认识阶段（70 年代后期到 80 年代初期）国际上可编程序控制器的发展，首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，所以我国对可编程序控制器的认识始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套设备引进中，当时的上海宝钢一期工程中有多项工程引进了十几种机型约 200 多台可编程序控制器。这些可编程序控制器用于原料码头到高炉、轧钢、钢管等整个钢铁冶炼以及加工生产线上，取代了传统的继电器逻辑系统，并部分取代了模拟量控制和小型 DDC 系统。继宝钢一期工程后，国内许多厂家陆续引进的设备和生产线大都配备了可编程序控制器，其应用范围包括电站、石油化工、汽车制造、港口和码头等各领域。正是在成套设备引进过程中，我们打开了眼界，了解认识了可编程序控制器，这也促进了可编程序控制器在我国的发展。
②可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段（80 年代初期到90年代初期）80年代初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时，国外原装的可编程序控制器开始涌入国内市场。许多部门和单位相继引进可编程序控制器并自己设计组成控制系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、造纸、橡胶和精细化工等工业领域。
③ 可编程序控制器的广泛发展阶段（90 年代初期到现在） 进入90年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，主要表现在以下几个方面：
(2) 政府重视
可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工业部的领导下，于 1991 年成立了可编程序控制器行业协会。可编程序控制器行业协会在政府和企事业之间起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。同时可编程序控制器的标准化工作也受到了有关部门的重视，于 1993 年成立了可编程序控制器标准化技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。
2.1.3 PLC的应用
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常可分成以下5种类型：
（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。它用来取代传统的 继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。
(2)运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加速度，确保运动平滑。
（3）过程控制 PLC还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度。PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。
（4）数据处理 在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。
（5）通信网络 PLC的通信包括主机与远程IO之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统[3]。
2 PLC在我国的应用
虽然我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广。
在我国，一般按IO点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：
微型：32 IO
小型：256 IO
中型：1024 IO
大型：4096 IO
巨型：8192 IO
在我国应用的PLC系统中，IO64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。
2.2 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、IO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、IO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。其结构如图2-1所示。
图2-1 PLC的结构图
中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器IO以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入IO 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入IO 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将IO 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行[4]。
2.3 PLC的工作原理
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。这样在对于IO响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入IO映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，IO映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在IO映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
3输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照IO映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设[5]。
PLC的扫描工作过程如图2-2所示
图2-2 PLC的扫描工作过程
2.4本章小结
PLC作为一种工业标准设备，虽然生产厂家众多，产品种类众多；但它们都具有相同的工作原理，使用方法也大同小异。本章从多个层面介绍和讲解了有关PLC的基本概念。
（1） PLC是计算机技术与继电接触式控制技术相结合的产物。专为在工业环境下应用而设计。可靠性高，使用方便，应用广泛。PLC功能的不断增强，使PLC的应用领域不断扩大和延伸，应用方式也更加丰富。
（2） PLC可以在任何工业自动化领域使用，但最适合的地方还是以开关量为主的单机控制系统和制造业自动化控制系统。
（3） PLC最显著的特点是抗干扰能力强、可靠性高、使用简单、系统柔性大和功能强。
（4） PLC的组成部件主要有中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出（IO）接口和电源等。
（5） PLC按集中采样、集中输出，按顺序周期性循环扫描用户程序的方式工作。当PLC 处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，其工作过程的中心内容由输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段组成。
（6） PLC有多种编程语言，大家可以根据需要使用；但最常用的梯形图、SFC，过去一般得PLC都不提供ST编程语言。PLC编程语言的国际标准是IEC
3 带人行横道过马路请求的交通灯控制系统设计
3.1交通灯控制设计方案分析
带人行横道过马路请求的十字马路交通灯控制系统，应用于主干道是快速车道而次道是普通车道的十字路口，次道主要用于少量行人、非机动车辆以及一些机动车辆。鉴于当前实际中，一般在主干道是快速车道而次道是人行横道和一些非机动车通行的十字路口的交通灯仍然采用固定通行的一般的交通灯系统。这样的系统，不利于提高道路的利用率，也不利于主要车道的通行，在没有行人需要通过人行横道的时候，主要车道上的行人也必须在停止线以外停车侯本车道绿灯亮[7]。
本文的提出了一种全新的思路来解决此类问题，在有行人请求或者是次道有满足要求的车要穿过的情况下才会使得主要车道的红灯点亮，禁止机动车通行。而平时则主干道上一直绿灯亮，允许车辆通行，次道一直红灯亮，禁止车辆通行。这样可以大大提高主干道是行车道而此道是人行道和一些非机动车通行的十字路口的利用率。
十字马路交通灯示意如图3-1所示，其主干道是行车道而次道是人行横道和一些非机动车通行，在马路通行及人行横道通行方向均有红、黄、绿交通灯，按照交通情况依次点亮交通信号灯。十字路口如图所示：
图3-1 十字路口示意图
3.2交通灯控制系统的工作方式
带人行横道过马路请求的交通灯控制系统的简单工作方式说明如下：
（1）次道不满足要求过马路时，主干道交通一直通行，次道一直禁止通行；
（2）当有行人请求过马路时，按下按钮，才能得到通行许可。
（3）当次道有一定数量的车辆要经过时，次道放行，主干道禁止通行。
（4）当次道有车辆要经过但未达到要求数量时，需等待一定时间才可放行。
交通灯工作方式流程图如下所示：
图3-2 十字路口主流程图
3.2.1带人行横道过马路请求的工作方式
本文所设计的交通灯系统是适用于比较特殊的十字路口，一般情况下，主道路是快速穿过的机动车辆，此道路一般很少有车辆或行人经过，而某一段时间内也会有行人或车辆要经过，比如下班。为了提高道路利用率，我们在路口安放行人按钮，供需要穿过主道路的行人适用，从解决了这个十字路口等待时间过长的问题，
按下启动按钮，主道点亮绿灯，次道点亮红灯，当次道不满足放行的要求时，即次道没行人按按钮或者规定时间等待车辆未达到一定数量，主道一直绿灯，准许车辆通过，而次道一直红灯，禁止车辆通过。
当次道有行人要通过时，按下请求按钮，等待一段时间后，主道绿灯闪烁3s，黄灯点亮2s，在这期间次道一直红灯。之后主道红灯点亮，次道绿灯点亮25s，接着次道绿灯闪烁3s，次道黄灯点亮2s。完成之后若无行人按下按钮则恢复原状，即主道绿灯一直亮，次道红灯一直亮。
此工作方式的流程图如下图3-3所示：
图3-3 带人行横道过马路请求方式流程图
3.2.2带流量检测的十字路口设计
按下启动按钮，主道点亮绿灯，次道点亮红灯。在次道距离路口处100m安装车流量监测装置，当次道有车通过时，车流量监测装置给PLC一个信号，PLC开始计时并且计数，当次道等候的车辆超过一定数量，或者车辆等待到一定时间，次道放行。主道绿灯闪烁3s，黄灯点亮2s，在这期间次道一直红灯。之后主道红灯点亮，次道绿灯点亮25s，接着次道绿灯闪烁3s，次道黄灯点亮2s。完成之后即恢复主道绿灯，次道红灯。待下一次满足要求时再重复上述过程。
此工作方式的流程图如下图3-4所示：
图3-4 带流量检测的十字路口设计流程图
3.3车流量检测设计
利用红外线车辆检测器。红外线车辆检测器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。主道车辆无需检测，所以只在次道距离十字路口100m处安装光电开光，每当有车辆经过都会给PLC一个脉冲。而当次道绿灯亮的时候
光电开关的工作原理如图：
图3-5 光电开关工作原理简图
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
在这里选择光电开关PNP型，高电平输出有效。每当有车辆经过的时候，光电开关会输送一个脉冲给PLC，PLC开始计时，并开始计数，计时10分钟。在这10分钟之内任何时刻如果经过光电开关的车辆超过5辆，则次道放行，并且绿灯亮时PLC停止计数也停止计时。当等待车辆小于5辆时，只要计时到10分钟也会放行。
3.4 硬件设计
3.4.1 PLC的选型
从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点4个，开关量输出点7个，如果选用CPU222 PLC，也需要扩展单元 PLC，参照西门子S7-200系列特性（见附录），选用主机为CPU224（14 输入10继电器输出）。
其外形图如3-6所示：
图3-6 CPU224外形图
输入电路采用了双向光电耦合器，24V DC极性可任意选择， 1M、2M为输入端子的公共端。1L、2L为输出公共端。
CPU224另有24V、280mA电源供PLC输入点使用[8]。
3.4.2 PLC的地址分配
列出交通信号灯PLC的输入输出点分配表，见表3-2。
计数器：CTU CTUD CTD
计数器的编号用计数器名称和数字（0-255）组成。
定时器 T=PT×S; 定时实际时间=设定值×精度
1ms: T32,T96
10ms: T33～T36, T97～T100
100ms: T37～T63, T101～T255
表3-5 PLC输入输出端口分配
3.4.3 PLC的外部接线
如图3-6所示：
图3-6 PLC的接线图
端口I0.0为接入系统开关的传送信号，端口Q0.0接起报警作用的信号灯，端口Q0.1接主道绿灯，端口Q0.2接次道绿灯，端口Q0.3接主道黄灯，端口Q0.4接次道黄灯，端口Q0.5接主道红灯，端口Q0.6接次道红黄灯。端口I0.1、I0.2为接入人行横道请求开关的传送信号。端口I0.3、I0.4为接入车流量检测信号，外接光电开关，每当有车辆经过时，光电开关会发射一个脉冲给端口I0.3或I0.4，PLC接受到后会开始计数并开始计时[9]
3.5 系统程序设计
3.5.1系统的梯形图
3.5.2系统程序分析
当开关SB1合上时，I0.0触点接通，Q0.1线圈得电，主道绿灯亮，Q0.6线圈得电，次道红灯亮，在次道没有行人按按钮或者没有车辆等待要经过的情况下，一直保持主道绿灯，次道红灯，提高道路利用率。
当次道有行人经过的时候，按下按钮SB2或者SB3，I0.1或者I0.2触点接通，辅助线圈M0.2得电，M0.2触点闭合，定时器T35得电开始计时，10S之后T35触点接通，同时Q0.1线圈得电，主道绿灯亮，在定时器T32的作用下，主道绿灯闪烁，T97计时3S，3S过后T97的触点接通，Q0.3线圈得电，即主道黄灯亮，定时器T34计时2S,2S过后，定时器T33得电开始计时，同时Q0.5线圈得电，即主道红灯亮。主道红灯亮的同时线圈Q0.2得电，即次道绿灯亮。定时器T98定时25S，同时T99也开始计时，计时3S，在定时器T32的作用下Q0.2线圈间歇得电，即次道绿灯闪3S。3S之后定时器T100得电开始计时，计时2S,同时线圈Q0.4得电，即次道黄灯亮2S。之后主道绿灯亮，次道红灯亮，在没有行人按下请求按钮的情况下，一直保持这种状态。
当次道有车经过时，车流量检测器会给PLC一个脉冲，即I0.3或者I0.4接通，计数器C20或者C21开始计数，每当过去一辆车计数器增加1，在这同时，定时器T38或者T37开始计时，计时10min，当车辆超过5亮或者计时到10min时，次道会放行，即辅助线圈M0.2得电，M0.2触点闭合，定时器T35得电开始计时，10S之后T35触点接通，同时Q0.1线圈得电，主道绿灯亮，在定时器T32的作用下，主道绿灯闪烁，T97计时3S，3S过后T97的触点接通，Q0.3线圈得电，即主道黄灯亮，定时器T34计时2S,2S过后，定时器T33得电开始计时，同时Q0.5线圈得电，即主道红灯亮。主道红灯亮的同时线圈Q0.2得电，即次道绿灯亮。定时器T98定时25S，同时T99也开始计时，计时3S，在定时器T32的作用下Q0.2线圈间歇得电，即次道绿灯闪3S。3S之后定时器T100得电开始计时，计时2S,同时线圈Q0.4得电，即次道黄灯亮2S。之后主道绿灯亮，次到红灯亮，在没有车辆经过的情况下，一直保持这种状态。
1S的时钟脉冲是通过两个定时器产生的，当定时器T32得电的情况下，开始计时0.5S，T32的常开触点与定时器T96串联，T96的常闭触点与T32串联，当T32定时0.5S时，T32的常开触点闭合，T96得电开始计时，计时0.5S后，T96的常闭触点断开使得T32复位，同时T32的常开触点断开使得T96也复位，从而产生1S时钟脉冲[10]
3.6 本章小结
本章介绍S7-200系列PLC交通灯控制系统的应用设计,关键是系统总体设计,核心则是控制程序设计。重点要掌握PLC系统设计的基本原则和设计的一般流程,要有一个整体的概念。在满足控制要求、环境要求和性价比等条件下，合理选择PLC的机型和硬件配置，正确地进行估算，合理选择输入输出模块，完成PLC的硬件与软件的设计。
通过这次可编程控制器的课程设计，让我对PLC有了一个全新的认识，充分体会到PLC作为控制器的强大功能，同时也温习了以前学的PLC知识，对PLC的应用更加得心应手。更加体会到PLC的可靠性高，抗干扰能力强，通用性强，控制程序可变，使用方便等优点；更加熟悉了西门子编程软件使用方法与各种基本指令。
4 系统检测与调试
4.1检测与调试
PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前，首先要对PLC外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。
1.程序的模拟调试
将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般现在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查
程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。
在调试时应该充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、用选择序列的功能表图中的每条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应该及时修改梯形图和PLC中的程序，直到各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。
如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。
在设计和模拟调试程序的同时，可以设计。制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也同时进行。
2.程序的现场调试
完成上述工作后，将PLC安装在控制现场进行联机调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应软件和硬件部分作适当调整，通常只需修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了
PLC现场调试是指所有设备都安装好后，所有连接线都接好后的实际调试。也是PLC程序的最后调试。现场调试的具体过程大体是：
（1）要查接线、核对地址。要逐点进行，要确保正确无误。可不带电核对，那就是查线，较麻烦。也可带电查，加上信号后，看电控系统的动作情况是否符合设计的目的
（2）检查模拟量输入输出。看输入输出模块是否正确，工作是否正常。必要时还可用标准仪器检查输入输出的精度。
（3）检查与测试指示灯。控制面板上如有指示灯，应先对应指示灯的显示进行检查。一方面，查看灯坏了没有，另一方面检查逻辑关系是否正确。指示灯是反映、系统工作的一面镜子，先调试好它，将对进一步调试提供方便。
（4）检查手动动作及手动控制逻辑关系。完成了以上调试，继而可进行手动动作及手动控制逻辑关系调试。要查看各个手动控制的输出点，是否有相应的输出以及输出对应的动作，然后再看，各个手动控制是否能够实现。如有问题，立即解决。
（5）半自动工作。如系统可自动工作，那先调半自动工作能否实现。调试可一步步推进直至完成整个控制周期。哪个步骤或者环节出现问题，就着手解决哪个步骤或、环节的问题。
（6）自动工作。在完成半自动调试后，可进一步调试自动工作，要多观察几个工作循环，以确保系统能正确无误的连续工作。
（7）模拟量调试、参数确定。以上调试的都是逻辑控制的项目。这是系统调试时，首先要通电。这些调试基本完成后，可着手调试模拟量、脉冲量控制。最主要的是选定合适控制参数。一般讲，这个过程是比较长的。也好耐心调，参数也要作多种选择，再从中选出最优者。有的PLC，它的PID参数可通过自整定获得。但这个自整定过程，也是需要相当的时间才能完成。
（8）异常条件检查。完成以上调试，整个调试基本也就完成了，但是最好再进行一些异常条件检查，看看出现异常情况或一些难以避免的非法操作，是否会停机保护或是报警提示[11]
4.2本章小结
经过设计，想一次性把程序完成是非常难的，在调试中就出现了不少的错误。刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来而且在完成了一个周期后就循环不起来了。那时真的不知道从哪里入手，只好一条一条地检查才发现了一条指令把常闭写成了输出真正的输出口就没有收到信号了。灯虽然是亮了但仍然循环不起来。从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出来。突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控，于是发现了在程序的第一周期一切都运行正常但再运行下去的时候第二周期就再没有反应了，包括里面的辅助继电器，最后发现原来是程序前面没有并上完成这个循环的继电器号。后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了。虽然找错误是一个枯燥无味的工作，但只要你耐心的去做的话，你肯定能学到有用的东西。
参考文献：
[1] 王永华.现在电气控制及PLC应用技术(第二版).北京：北京航空航天大学出版社.2008.2：98-383.
[2] 郑风翼. 图解西门子S7-200PLC入门.北京：电子工业出版社.2009:.
[3] 陈建明. 电气控制与PLC应用练习与实践.北京：电子工业出版社.2006:67.
[4] 陈立定.电气控制与可编程序控制器的原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2004:60-86.
[5] 王兆义.可编程序控制器教程[M].北京：机械工业出版社，2001:35-100.
[6] 李景学，金广业.可编程控制器应用系统设计方法.北京:电子工业出版社,1995:.
[7] 袁任光.可编程控制器选用手册.北京: 机械工业出版社,2002:.
[8] 李辉. S7-200PLC编程原理与工程实训.北京：北京航空航天大学出版社.2007:1-18.
[9] 钟肇新.可编程控制器原理及应用.广州：华南理工大学出版社，2003:.
[10] 陈立定，吴玉香等编.电气控制与可编程控制器.广州：华南理工大学出版社，2000:.
[11] 西门子公司.SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册.2004.6:70-150.
[12] 阎正. 城市地理信息系统标准化指南［M］. 北京：科学出版社，1998:25-70.
致谢
经过这次的毕业设计，我学到了很多东西，不仅了解了更多的专业知识，而且也懂得了许多为人处世的道理，从王秀老师身上，我看到了严谨、认真、谦虚。她对我们很随和，只要我们有不懂的地方去请教她，她就会耐心地给我们讲解，虽然老师要求很严格，这对我们有百益而无一害，这样我们答辩的时候懂得就多一点，主要是我们可以学到更多东西，比如开始时我不知道继电器的管脚是怎样连接的，通过这次的设计，我们自己查资料，就可以弄明白了。这次的毕业设计就是考察我们所学的专业知识和自己的动手能力，通过设计我们发现了自己在学习中的不足，让我们深刻认识到理论知识的学习必须扎实得结合实践去论证。掌握更多的专业知识，加强自己的动手能力，都是我们必须做到的在设计过程中，通过针对性的查找资料，了解了一些PLC方面的资料，既增长了自己见识，补充最新专业知识，又提高了自己的应用能力
通过PLC交通灯控制设计，让我体会到PLC使用的广泛性及其重要性，PLC技术的出现给现代控制领域带来了一项新的改变。目前，PLC在控制系统诸多领域中得到了极为广泛的应用，特别是其中FX2N系列的PLC的出现，具有很好的稳定性，更快和更准确的运算精度，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习。所以我们要不断学习加强这方面的知识及相关的知识，比如PLC程序设计，PLC硬件设计，PLC的通信等等
这次毕业设计中，虽然都没太多的经验，但是在王秀老师的指导下，在整个过程当中，有许多人给了我启发和帮助，在毕业论文完成之际，我要在此表达对他们最诚挚的感谢。首先，最需要感谢的人是我的指导老师王秀老师。老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，方案可行的确定和论文纲领细节的修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。每一次的批评和教育，使我受益非浅，值此论文完成之际,谨向王老师再一次向她致以衷心的谢意，感谢她为学生营造的浓郁学术氛围,以及学习上的耐心细致帮助!最后我还要感谢我的同学与朋友，他们也给我很大的帮助，给我提供了不少的建议，让我少走了许多的弯路。
