十字路口交通信号灯电气控制设计资料

淮海工学院课程设计报告书

题目：十字路口交通信号灯电气控制

系（院）：电子工程学院

专业：电气工程及其自动化

班级：电气102班

姓名：徐浩远徐浩

学号：03100431 031004230

评语：

成绩：

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日期：

2013年6月27日

目录

1 引言 (3)

2 课程设计课题 (5)

3 设计目的 (5)

4 控制要求 (5)

5 设计规律 (6)

5.1 正常期的控制方案为 (6)

5.2 高峰期的控制方案为 (6)

5.3 紧急情况的控制方案为 (7)

6 系统方案图 (8)

6.1 设计系统流程图 (8)

6.2 设计线路连接图 (9)

7 信号灯编程控制元件I/O分配表 (10)

7.1 I/O分配表 (10)

7.2 交通信号灯元器件说明表 (10)

8 程序梯形图 (11)

9 交通信号灯仿真图 (17)

10 设计中的问题及心得体会 (20)

10.1 问题及解决 (20)

10.2 心得体会 (20)

11 参考文献 (20)

1 引言

社会的发展使汽车进入家庭的步伐不断加快，城市汽车的数量越来越多，城市道路交通问题显得异常重要。解决好十字路口交通信号灯控制问题是保障交通安全、有序、快速运行的重要组成部分。由于人们工作、作息的特点，使得城市总是存在早、晚高峰的问题，为了更好地解决交通拥堵问题，我在老师的指导下并查阅了很多资料进行了这次以“多时段十字路口交通信号灯PLC控制系统设计”为题目的课程设计。我的设计方案利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制，同时系统具有一定的智能性，可以对交通灯实现高峰期、正常期及晚间三个时段进行分段控制。它们分别和各自的时序图相对应，从而控制交通灯的信号，能很好的满足控制要求。系统仅实现了小型PLC系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试工作。如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多、更深入的研究。

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC) 根据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。

由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

PLC作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机，有其显著的特点。

(1) 可靠性高，抗干扰能力强。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC 的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和

同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

(2) 硬件配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。

(3) 易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

(4) 安装方便，扩展灵活。PLC采用标准的整体式和模块式硬件结构，现场安装简便，接线简单，工作量相对较小；而且能根据应用的要求扩展输入—输出模块或插件，系统集成方便灵活。各种控制功能通过软件编程完成，因而能适应各种复杂情况下的控制系统，也便于控制系统的改进和修正，特别适应各种工艺流程变更较多的场合。

(5) 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

(6) 体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

图 2-1

为大型十字路口设计由PLC控制的交通信号灯。其中“东—西”方向为主干道（双向8车道），“南—北”方向为次干道（双向6车道），四个方向分别用对应的英文首字母（E、S、W、N）表示：红、绿、黄信号灯分别用R、G和Y表示。

3 设计目的

课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。

4 控制要求

1．高峰交通时段与普通时段有区别。

2. 应急情况下四个方向的“黄灯”闪烁。

3. 信号灯中发光体有两种（任选其一）

（1）共阴极6.3V三色LED。（2）普通6.3V LED。

4. 信号灯的接触器自定。

5.1 正常时段的控制方案

5.1.1正常时段信号灯控制时序图

图 5-1

（1）东西方向绿灯亮25秒，同时南北方向红灯亮；

（2）东西方向绿灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮；

（3）东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，共计35秒；（4）东西方向黄灯闪烁完毕后，南北方向绿灯亮25秒，同时东西方向红灯亮；

（5）南北方向绿灯闪烁5秒，东西方向红灯继续亮；

（6）南北方向黄灯闪烁5秒，东西方向红灯继续亮，共计35秒，（7）跳至第（1）步依次循环。

5.2 高峰时段的控制方案

5.2.1 高峰时段信号灯控制时序图

图 6

（1）东西方向绿灯亮45秒，同时南北方向红灯亮；

（2）东西方向绿灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮；

（3）东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，共计55秒；

（4）东西方向黄灯闪烁完毕后，南北方向绿灯亮25秒，

同时东西方向红灯亮；

（5）南北方向绿灯闪烁5秒，东西方向红灯继续亮；

（6）南北方向黄灯闪烁5秒，东西方向红灯继续亮，共计35秒，

（7）跳至第（1）步依次循环。

5.3 紧急情况的控制方案为：

东、南、西、北四个黄灯全部闪烁，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.5 秒，暗0.5 秒的规律反复循环。

6 系统方案图

6.1 正常时段流程图

图 6-1

6.2 高峰时段流程图

图 6-2

启动开关

东西绿灯亮45S 东西黄灯闪烁5S 东西绿灯闪烁5S 东西红灯亮 东西红灯亮 南北红灯亮 南北红灯亮 南北红灯亮（共55S ） 南北绿灯亮25S 南北绿灯闪烁5S 结束 南北黄灯闪烁5S

东西红灯亮（共35S ）

启动开关

东西绿灯亮25S 东西黄灯闪烁5S 东西绿灯闪烁5S 东西红灯亮 东西红灯亮 南北红灯亮 南北红灯亮 南北红灯亮（共35S ） 南北绿灯亮25S 南北绿灯闪烁5S 结束 南北黄灯闪烁5S

东西红灯亮（共35S ）

6.3 设计线路连接图

图 6-3

系统在得电状态下由总阀开关Q0.0和Q0.1控制正常时段启动和停止；当十字路口遇到交通混乱或交通繁忙时，可由模式切换开关QS2切换到手动操控模式；当交通信号灯遇到故障需要检修时，将总阀门QS1给交通系统切断电源；给寄存器T37~T48赋上不同的值来设定交通灯的亮灭时长。其它具体操作见表主要IO端口及元件的功能说明表。

7 信号灯控制编程元件表

7.1 I/O分配表

表 7-1

控制信号信号/元件名称元件符号地址编码

输入信号正常时段启动SB1 I0.0 高峰时段启动SB2 I0.1 紧急时段启动SB3 I0.2 停止/关闭SB4 I0.3

输出信号东西方向的绿灯EG-WG Q0.0 东西方向的黄灯EY-WY Q0.1 东西方向的红灯ER-WR Q0.2 南北方向的绿灯SG-NG Q0.3 南北方向的黄灯SY-NY Q0.4 南北方向的红灯SR-NR Q0.5

7.2 十字路口交通信号灯元器件目录表

表 7-2

序号文字符号名称数量(个)

1 ER WR SR NR 红灯(共阴极6.3V三色LED) 4

2 EY WY SY NY 黄灯(共阴极6.3V三色LED) 4

3 EG WG SG NG 绿灯(共阴极6.3V三色LED) 4

4 SB1 正常时段启动 1

5 SB2 高峰时段启动 1

6 SB3 紧急时段启动 1

7 SB4 停止/关闭 1

8 LPC S7-200 可编程序控制器 1

8 程序梯形图

图 8-1

网络1、网络13、网络25、网络26分别为正常时段启动I0.0、高峰时段启动I0.1、紧急情况启动I0.2、关闭/停止输入I0.3

网络27- 网络32分别为东西向绿灯输出Q0.0、东西向黄灯输出Q0.1、东西向红灯输出Q0.2、南北向绿灯输出Q0.3、南北向黄灯输出Q0.4、南北向红灯输出Q0.5

9 交通信号灯仿真图

图 9-1

1.按下正常时段或高峰时段启动按钮，东西绿灯亮，南北红灯闪。

图 9-2

2.正常时段和高峰时段东西绿灯闪烁，南北红灯继续亮。

图 9-3

3. 正常时段和高峰时段东西黄灯闪烁，南北红灯继续亮。

图 9-4

4. 正常时段和高峰时段东西红灯亮，南北绿灯亮。

图 9-5

5. 正常时段和高峰时段东西红灯继续亮，南北绿灯闪烁。

图 9-6

7.按下应急情况启动按钮，东西南北方向黄灯不间断频闪

10 设计中的问题及心得体会

10.1 问题及解决

在程序设计完成后去到机房的调试过程中，我们遇到了一些麻烦。第一次我们把程序从电脑中导入PLC系统中时，始终不能顺利地导入，在老师的帮助下最终找到问题的根源，我们只将程序下载了，但是没有上传到PLC系统中，找到问题的根源我们的麻烦也迎仍而解。其次，在调试正常时段的程序时，在绿灯正常的常亮和闪亮后，系统自动关闭，我们要的显示结果是在绿灯闪亮之后跳到红灯常亮。于是我们关掉程序后在程序中寻找问题，最终我们还是顺利的解决了问题。成功的完成了程序的仿真。在这次仿真中我们深刻的认识到，要及时的复习和巩固之前学习的课本理论知识和实验操作原理，还有我们在学习和工作的过程中要认真专注，不可粗心大意，出现不该犯的错误，这样的错误在学习和实验室里可能没什么后果，但是在以后的工作中，尤其是我们学习的电力知识的，一个不经意出现的失误都将导致不可弥补的后果，所以我们在认真学习的过程中，我们还得培养实事求是，认真细致的精神。

10.2 心得体会

在整整两星期的日子里，经过作业我们可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。而且通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，而且遇到了各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中我们由于力控知识掌握的不牢靠遇到难题，最后在同学的帮助下，终于完成了。对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢。

11 参考文献

1、《电器与可编程控制器应用技术》邓则名等

2、《可编程控制器教程》王兆义主编

3、《可编程控制器教程原理、应用、网络》徐世许主编

4、《电气控制与可编程控制器技术》史国生主编化学工业出版社