系统简介

由于人民生活水平越来越高，道路上有很多的车辆，导致严重的交通堵塞。交通灯外部的管制系统一直处于欠缺的状态，目前也有各种各样的设计方法使交通灯更智能。可编程控制单元使用微处理器作为核心，并使用梯形图语言进行编程，具体取决于继电接触器触点或控制系统的电路图。此外，价格低廉，体积小，使可编程控制器功能越来越全面。加上价格低廉和体积小、灵活的扩展性、高可靠性和意于编程使其在现代工业中的应用比较明显。三菱PLC选择可以编程的存储器来表示程序，实施面向用户的操作，比如逻辑运算、操控序列、估摸时间，还有我们可以使用数字或模拟式输入/输出来操控多种种类的机器。此设计就是用PLC来达到对红绿灯的控制。在本毕业设计中，最先开始介绍PLC的发展情况，还有PLC的结构与特点，经过对工作原理的剖析和交通实际情况相结合，本文选择FX2N种类的PLC当作重要控制要旨，计划完成了输入/输出端口分派和控制方案，通过对梯形图程序设计方法的分析，选择采用起保停电路设计方法。

一、绪论

（一）交通灯的背景和意义
目前人民生活水平逐渐越来越高，使得道路交通发展越来越快，我们已经认识到了交通带给我们的便利，与此同时，交通堵塞、交通安全事故、尾气污染等问题也显然而至。中国于2008年成立“中国智能交通协会”，提出了交通领域的策略，目前，交通的发展还是处于起步状态，但可以肯定的是，未来几年，世界各个国家一定会更加看视智能交通领域，中国一定会施展后发优势，主动探索更好的发展模式，为交通输送业中健康进展的交通技术供给最有力的保障。
（二）PLC发展历程
电气自动化控制工业首先选择采用传统的控制方式，在可编程序控制器建立以前，1968年由于汽车模型不断改进，为了适应制造工艺的持续变化美国最大的汽车制造商希望找到一种全新的控制方法。设想有以下十个方面的特点，即:
1.易于扩展；
2.使用插件结构容易修理；
3.与控制柜对比来说，可靠性更好一些；
4.与继电器控制柜的体积相比更小一些；
5.可连接到交流115V输入；
6.成本基本与继电器控制柜一样；
7.数据能够直达送到计算机；
8.出口选择采用交流115V,可以径直驱动电磁阀、交流接触阀等；
9.编程比较容易，可以直接编辑程序；
10.程序必须能够存储容量，可以扩展到4K字节。
1985年国际委员会对控制器做出划定:“可编程序控制器是一种数字实施进行的电子系统，在工业场所下应用而设计。它内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，选择采用可编程序的存储器，而且经过数字式、模拟式的输入和输出，控制许许多多种类型的机器。相关设备与工业控制系统形成一个整体，用来达到扩充。”就性能和范畴而言，PLC将在两大目标开展:第一向高速、大容量和高性能方向大规模扩展；第二是简单、经济规模小的PLC，以适应控制小型和独立设备的需要。

二、PLC概述

（一）PLC的特点
1.高的可靠性和强大干预能力
PLC采用了一系列抗干扰能力装置，如屏蔽、过滤、光电绝缘、集中采样和离心等，以提高其对干扰的控制能力，一般无故障时间超过10万小时。此外，可编程控制装置具有理想的自我诊断功能，使错误和判断的发现更加准确。其模板结构也便于维护和修理。
2.编程比较容易进行实施操作
PLC不会使用微机操作中通常采取的方式，一般选择采取梯形图。与继电器原理图相比，梯形图和它差度不大，而且看起来比较直观，因此人们学习起来很容易理解。
3.功能强
PLC采用精密处理信息技术，处理开发速度非常快，控制系统精确度很高，不仅包含序列控制、结构逻辑控制、时间安排、计数等功能，而且还能实现D/A、A/D转换及PID的操作，控制数学经济控制和其他功能。PLC还具备通信网络，可以控制机群和多条生产线，它可用于远程监控。
4.适应性很强
PLC经过程序进行控制，当控制要求改变时，用户程序必须修改。PLC系统正在寻找一个相对时间的系统控制和管理的连接器，具备很少的接线，而且修改接线的工作量很小。此外，因为一系列PLC产品具备模块化和标准化，能灵便地构造不同系统的不一样的性能。
5.小型、轻量级、低能耗和强大的环境适应力
PLC具有很高的可靠性和强大的反干扰技术，能够在高温、灰尘、振动和强大的电磁场等恶劣的社会环境中进行正常的操作。
（二）PLC的结构
总的说来，PLC是一种计算机控制装置，具有很强的抗干扰能力，并且使用多点/输出界面的工业控制设备。因此，其构成与一般通过计算机信息的系统基本一致，有中央处理器、存储器、输入/输出接口的电源、网络接口、软件技术工具等。
1.中央处理器
中央处理器是扩展控制系统的核心，其主要功能是读取每个频道发送的状态信息，然后通过用户程序处理每个频道的信息，判别工作问题和操作程序中的语法问题，考察系统的工作状况。
2.存储器
存储器包括系统存储器和客户储存器。第一个存储器存储由制造商写入的程序，并嵌入ROM，客户无法进行一步到位。第二类存储器用于存储客户为特殊控制功能而编纂的用户程序。
3.智能I/O
为了满足行业中更复杂的控制要求，装置了多个智能输入/输出界面。为了满足场地改造的需要，它配备了闭环控制器，为了计算和处理对高频率脉冲，他们配备了高速计数模块。通过智能输出/输出界面，用户可以容易地形成不同的工业控制系统，从而不仅可以控制简单的序列，而且可以用于其他复杂的控制过程，如闭环控制。
4.输入/输出接口
输入输出接口是与其他事物之间的连接口，传达信息界面用来接收和拼装输入信号，比如按钮开关信号和通信信号。输入电路基本上相似，一般情况下有三种：第一种是直流输入；第二种是交流输入；还有一种是交直流输入。
5.扩展接口
当PLC无法使需要的控制性能得到满足时，我们不妨依据需求来增加该系统功能，扩展页面用于连合基本单元和扩大的单元。
6.通讯接口
PLC配有不同的通讯界面，通过这些界面，可以贯穿到显示器和打印机，与计算机相联合，从而使PLC与外围设备之间的沟通更加密切。
7.编程器
控制对象的PLC管制性能是经过实施存储库用户程序完成的。编程装置用于书写输入、用户程序的调整。它也能够作为现场的监控设备进行操作。将控制器与打印机相连接，打印出用户程序和其它消息。
8.电源
小型集成电路能够为CPU板、扩展单元以及I/O板贡献5V工作电源，另一方面能够为外部器件贡献24V电源。
（三）PLC编程语言
1.指令表语言
与汇编语言相似，并且具有一样的工作方式，由操作码和操作数构成。此表中的语言与梯形图中的编程语言图是一致的，都可以在PLC编程软件下进行转换。在没有电脑的情况下，组装用户程序是合适的。在这种情况下，指令表编程的特色之处是：选择采取助记符来显示其操纵能力，能够很明白的理解；在键盘上运用助记符，比较容易让人们进行掌握理解，能够在没有电脑的情况下进行程序操作，与梯形图对应一致，其特点与梯形图基本无差别。
2.梯形图语言
这是我们比较熟悉并且我们最会熟练操作的一种语言，它是一种与继电器线路类似的序列语言。电气设计者在控制序列方面拥有更强的技能，因此，目前大众比较欢迎和经常使用的也是这种语言。梯形图的独特之处在于与原理图有直观的对应联系，就拿交通灯控制来说，当你画出时序图之后，基本上就会进行梯形图语言的编程，这类语言当你了解基本指令后，就会根据你的时序图和流程图进行编程操作。
3.功能模块图语言
我们选择采用功能模块图的方法来展现模块所具备的性能，不同的功能模块有不一样的性能。我们知道编程语言中的功能模块图言语类似于数字逻辑电路。这类语言拥有功能框图编程语言，它的特色之处在于：简单容易，且操作起来比较顺畅，容易掌握理解和剖析控制计划；功能单元是用图形表示功能，非常直观，便于设计人员在数字逻辑循环的基础上编制程序；通过对比庞大模型、控制规律关系杂乱的控制系统，由于图形这种语言在我们看来比较清楚明了一些，因此如果我们使用模块图这种语言，会大大减少策划时间，并纠正了错误。
4.顺序功能流程图语言
这类语言是根据逻辑序列而策划的程序语言。在方案编制过程中，将顺序举动分成步和过渡条件，操纵系统的过程是根据过渡条件确定的，并按一定的顺序进行控制。每一个重要步骤都表示一个控制能力，用方框在我们面前显示出来。用梯形图逻辑完成对应的控制功能。这种方案设立的做法使架构更加明显，人们阅读起来更加清楚，很大程度上减少了工作量，缩短了方案拟定时间，在大规模系统且方案关系复杂的情况下使用。程序语言的特点：主要在多功能的基础上以功能流程顺序进行，清晰、有序和便于理解用户程序，由于机械上的复杂性，为了防止梯形图或其他语言使用不规范，也预防了用梯形图进行编程时造成难以解决的问题，很大程度上，用户程序扫描时间越来越少。
5.文本结构化语言
此类语言使用文字来续写程序，这是一种和更高级语言相差不多的程序语言。在目前很大型的PLC系统中，此类语言经常用于叙述控制系统中的变化的量之间的关系。目前，此类语言主要用于编程，而相对比而言，其他编程语言则会很艰难地进行编程。此类语言描述系统中不同变量之间的操纵联系，从而完成所要的流程和功能。基本上选择的结构化文字程序操作和高级语言一致，但为了我们使用起来更加便捷，因此简化了表达方法。这种语言的特点：通过高档语言可以实施更加繁琐的操作，但是需要某种程度的计算机言语储备，这需要高质量的工程设计人员。不一样种类的PLC软件对所需要的语言的支持也是不一样的，相对来说，早期的PLC仅仅只能够运行梯形图和指令表的运算。当代的PLC对梯形图、指令表、功能模块图编程语言都能够运行。

三、系统总体方案的设计

（一） PLC工作原理
它主要是通过执行用户程序来履行不同的控制功能。它主要在工业环境下使用，主要选择循环扫描的方法，一般分为4个阶段：第一阶段是初始化过程。PLC的输入信号没有直接连接到中央处理器，输入输出状态表是我们想要储存信息的专用放置区间。输入是想要存放需要的消息的装置，同样输出也就是放置我们所需要的输出消息的装置。进行操作时，首先i进行扫描状态这个指令，然后再进行检查自身，确认我们能够正常使用设备后，它会进入下一阶段。第二阶段是对输入中的信号的处理阶段。当操控此类信号时，首先处理器检验这种状态，并且将得到的每个输入口的消息送到暂时存储器中。在这个时间内，输入点的指令在暂存器中一直处于稳定的状态，不会遭受到这种信号变化所带来的作用，应该对计算结果造不成混淆，从而确保客户程序的正确运算。第三阶段是处理程序的阶段。当所有输入消息进入到所表示的表中时，处理器会进入到第三个阶段。在这个进程中，PLC将按依次扫描的用户程序，并根据输入输出情况和相关指导进行计算和处理，最后在输出状态的暂存器中输入效果。第四阶段是输出处理进程。在这个进程中，处理器达到了对使用者所需要的序列的扫描，并且将操作的效果写进输出状态中。这时候将从输出状态中得到的信号，送往输出电路，从而运行此类型所需要的线圈，以控制所控制的设备进行许多相应程序。处理器随后返回进行下一个扫描周期。第一阶段的筹备工作仅在进程开始时进行一次，随后的周期只在第二、第三和第四阶段间运行。 应当指出，在调查周期内，只有在处理信息阶段对状况进行研究。当处理器进入方案办理过程时，输入端被遏止，进入下一个研究过程期间的输入办理过程之前不会再检查输入情况，这种方式称为集中采样，在它实施操作的这个过程中运行处理此类状况。若在客户指令操作系统中对输出进行很多次的尝试，则采用最后一次结果。在勘测周期中，在执掌阶段会临时输出存储的输出信息，但是在其它情况下，数值会永远在暂时存储器中保存，我们也可以这样认为，输出选择相聚的时间输出方法，这类型的状况也可用于输出记载中作为中间结果或输入用户程序的情况。PLC的集中采样和输出的工作方法，使得处理器工作期间大部分时间与外围设备分离，从而提高其干扰控制和可靠性的能力，但反应迟缓和反应速度缓慢，同样也可以理解为PLC以低的速度实现高可靠性。
（二）PLC的I/O系统
配置结构基本上主要分两类：单元类型和模块类型。第一个将PLC的关键部分安装在机箱中。下一个则是将PLC的主要配置做成模块，我们则根据我们的需求在槽中插入所需要使用的模块，然后构成了PLC系统。不管我们选择什么样的结构，用于连接场地的每个输入/输出点都会确定彼此相适应的方式，此方式称为I/O寻址方式，下面我将介绍I/0寻址方式:
（1）确定的输入输出点都有明确规定的位置，这个位置是由厂家所确定的，这个种类的输入/输出点都有明确的稳定的地址。一般情况下，单元式的PLC选择采用这种类型。
（2）第二个是专门为开关而设定的一种方式，可户经过设定调换开关位置来确定的。
（3）第三个是用这类型的软件来确定下来的I/0寻址方式，这种类型的寻址方式是用户经过编造这种类型所需要的分配表来确定的。我通过对我所需求装置进行分析，系统选择采用了自动这种类型的控制方法，输入也就是开关，输出也就是各个方向的信号灯，在每个方向的指示灯中，一样颜色的指示灯一定会同期进行工作，我为了选择更少的输出点数，选择了并联输出这类方式。因此，我的毕业设计的需要的输入点数为1，输出点数为6。
类别 电器元件 PLC软元件
输入 开关按钮 X1
输出 南北方向红灯 Y0
南北方向黄灯 Y1
南北方向绿灯 Y2
东西方向红灯 Y3
东西方向绿灯 Y4
东西方向黄灯 Y5
四、控制系统设计
（一）控制程序流程图设计

启动

图1流程图
（二）控制程序时序图设计

南北红
南北黄
南北绿
东西红
东西绿
东西黄

图2 时序图
（三）控制程序设计思路
在十字路口的东西、南北方向装置红灯、黄灯、绿灯。当按下启动按钮时，南北方向的红灯亮40秒，此时东西方向绿灯常亮30秒、绿灯闪烁亮5秒、黄灯闪烁亮5秒，之后东西方向红灯亮33秒，南北方向绿灯常亮25秒、绿灯闪烁亮5秒，紧接着黄灯亮3秒，整个过程如此循环进行。T0定时为30秒，T1定时为5秒，T2定时为5秒，T3定时为25秒，T4定时为5秒，T5定时为3秒。
（四）程序梯形图
根据对交通灯的控制要求对PLC进行控制程序的设计。

图3梯形图

图4梯形图

图5梯形图

总结

本次毕业设计是基于三菱PLC交通灯系统灯设计，通过PLC来完成对时间的控制，还有完成对交通灯状态每种颜色之间的变化。在这个学习的过程中，我学会了PLC的梯形图编程方法，还有我目前对PLC工作原理掌握的更加透彻，通过程序的编写使我对PLC的使用更加熟练。这一次的毕业工作就是在三菱PLC的基础上完成的，我之前未曾接触过PLC，所以对这个课题一开始还是不懂的状态，对我来说，是一项很大的挑战。通过对交通灯的设计，让我对PLC从一无所知到熟练操作，让我对交通灯的内部系统的结构有了更深刻的理解。我在设计这篇论文的过程中遇到了许许多多问题，不管遇到哪种类型的困惑，只要用心去想，可以解决问题。在未来，我相信用PLC去控制红绿灯也是一大方向。这种红绿灯也会有很多的不足之处，但是只要我们为之努力，PLC控制的红绿灯就会应用到我们的实际生活中。