PLC交通信号灯课程设计

1PLC 结课论文设计题目： PLC 交通灯 学生姓名： 姚 丽 学 号： 5011213313 所属学院： 信息工程学院 专 业： 计算机科学与技术 班 级： 173 班 指导老师： 从 申 2一、 绪论当今，红绿灯（红灯亮表示“停止” ，绿灯亮表示“通行” ）安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用 PLC 把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率。交通信号灯的出现，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。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的 PLC 设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。二、课程设计要求2.1 十字路口交通灯控制实际情况描述（1）南北方向绿灯和东西方向的绿灯不能同时亮；如果同时亮，则应自动立即关闭信号灯系统，并立即发出报警信号。（2）系统工作后，首先南北红灯亮并维持 25s；与此同时，东西绿灯亮，并维持20s 时间，到 20s 时，东西绿灯闪亮，闪亮 3s 后熄灭。（3）在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持 2s，然后东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。（4）东西红灯亮并维持 30s；与此同时，南北绿灯亮并维持 25s；然后，南北绿灯3闪亮 3s 后熄灭。（5）南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持 2s 后熄灭；同时南北红灯亮，东西绿灯亮。至此，结束一个工作循环。2.2 十字路口交通灯的路况模拟图2.3 交通灯的路况模拟控制实验在 PLC 交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有 3 个控制灯，分别为：禁止通行灯 （亮时为红色）准备禁止通行灯 （亮时为黄色）直通灯 （亮时为绿色）另外行人道东西南北每面都有 2 个控制灯,分别为：禁止通行灯 （亮时为红色）直通灯 （亮时为绿色） 结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统如下：当交通灯系统启动开关接通时，南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯 10S，绿灯闪亮 2S（亮 0.1 灭 0.1）,黄灯 2S 和红灯 14S。当南北主干道红灯点亮时，东西住干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。南北向和东西向行人道均设为通行绿灯和禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南北主干道绿灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。东西行人道通行绿灯于东西主干道绿灯点亮是点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西行人道绿北 南东西图 2-1 交通指挥灯示意图绿 黄 红绿黄红红黄绿绿红黄4灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。除此之外另设两个功能，使用 10 个脉冲开关。实现让盲人可以方便通过十字路口和手动控制车流量。其中 8 个安装在人行道的两边当东西方向行走的盲人要过马路的时候，按下脉冲开关东西向行人道绿灯亮起，南北向主干道红灯闪亮，延迟 10 秒恢复原来的控制系统。南北向脉冲开关对应东西向功能相同，另外两个脉冲开可以控制车流量，当东西向主干道等待车量较多的时候，按下东西向控制脉冲开关，东西向主干道延长绿灯点亮时间到 15 秒。东西向行人道绿灯也要对应延长。南北向脉冲开关对应东西向功能相同三、交通信号灯控制系统设计3.1 交通灯控制系统硬件设计3.1.1 PLC 智能化控制交通灯的方法传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿 灯的延时预先设置好。然而实际上交通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、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，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。而模糊控制恰恰具有这方面的优势。此系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控 制灯实现模糊控制传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿 灯的延时预先设置好。然而实际上交通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、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，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。而模糊控制恰恰具有这方面的优势。此系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控 制灯实现模糊控制此控制系统的输入量是指十字路口各方向上车辆数的动态变化量。具体由传感器采集后送入可编程序控制器。在十字路口的四个方向(E、S、W、N) 的近端 J(斑马线附近)和远端 Y(距斑马线约 100 米处)各设置一个传感器，分别统计通过该处的车辆数。为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两部分：其一是固定的 10 秒作为路口车辆状态参数的采集时间 t1；其二是根据两个方向车辆流量变化进行模糊决策的延时 t2。然后通过传感器采集后的排队等候的车辆数送往 PLC 进行模糊推理运算得出延迟时 t2，最后由 t1和 t2 来实现对十字路口车流量的灵活控制。3.1.2 PLC 选择 一、PLC 机型和容量的选择步骤与原则5随着 PLC 技术的发展， PLC 产品的种类也越来越多。不同型号的 PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用 PLC，对于提高 PLC 控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC 的选择主要应从 PLC 的机型、容量、I/O 模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：1、合理的结构型式PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式 PLC 的每一个 IO 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式 PLC 的功能扩展灵活方便在IO 点数、输入点数与输出点数的比例、IO 模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。2、安装方式的选择PLC 系统的安装方式分为集中式、远程 IO 式以及多台 PLC 联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程 IO 硬件，系统反应快、成本低；远程 IO 式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程 IO 可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程 IO 电源；多台 PLC 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型 PLC，但必须要附加通讯模块。3、相应的功能要求一般小型( 低档)PLC 具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带 AD 和 DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档 PLC。对于控制较复杂，要求实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档 PLC。但是中、高档 PLC 价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。4、响应速度要求PLC 是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次 PLC 的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用 PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑 PLC 的响应速度，可选用具有高速 IO 处理功能的 PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的 PLC 等。5、系统可靠性的要求对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。6、机型尽量统一主要考虑到以下三方面问题：61) 机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。2) 机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。3) 机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。二、PLC 容量的选择步骤与原则PLC 的容量包括 IO 点数和用户存储容量两个方面。1、IO 点数的选择PLC 平均的 IO 点的价格还比较高，因此应该合理选用 PLC 的 IO 点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的 IO 点最少，但必须留有一定的裕量。通常 IO 点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上 10%15%的裕量来确定。2、存储容量的选择用户程序所需的存储容量大小不仅与 PLC 系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差 25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。PLC 的 IO 点数的多少，在很大程序上反映了 PLC 系统的功能要求，因此可在IO 点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加 20%30%的裕量。存储容量(字节) 开关量 IO 点数10模拟量 IO 通道数100三、本系统选择的 PLC本次交通灯设计用的是来自 OMRON 的 CPM1A-30CDR-A 可编程控制器。产品规格：CPM1A CPU 单元 CPM1A 在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型 PLC 所具有的功能，尽可能使安装空间最小化，并实现了具有 10 点-100 点输入输出点数的弹性构成。而且还可 连接可编程控制终端，创造了尚无前例的灵活运用。它不仅可以替代继电器控制柜，就是作为小型控制器或在传感器应用中，亦能适应生产现场不同的需求，AC 电源输入，继电器输出，能加扩展单元。3.1.3 可编程控制器 I/O 端口分配根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启与停止按钮信号；输出有东西方向、南北方向各两组指示信号和故障指示驱动信号。由于每一个方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为了节省输出点数，可采用并联输出方法。由此可知，该系统所需的输入点数为 2，输出点数为 7，全部是开关量，则可将 I/O 分配用表 3-1 表示。表 3-1 通指挥灯的 I/O 分配表输入元件 输入地址 输出元件 输出地址开启按钮 SB1 0.00 南北绿灯 F0 10.00停止按钮 SB2 0.01 南北黄灯 F1 10.017南北红灯 F2 10.02警灯（故障指示）F3 10.03东西绿灯 F4 10.04东西黄灯 F5 10.05东西红灯 F6 10.063.1.4 PLC 的外部接线图根据上述 I/O 表可知，I/O 所需点数只有 9 点，故选用 CPM2AH 微型 PLC 即可。但本书还是以 CS1 为例，则 PLC 外部输入输出的信号接线如图 3-1 所示。其中，每一方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯并联，用 PLC 的同一个输出点。3.2 交通灯控制系统软件件设计3.2.1 十字路口交通灯模拟控制时序图交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制要求按一定时序进行，如图3-2 所示。COMCOM10.0010.0110.0210.0310.0410.0510.06000000M0.01 北绿南绿北黄南黄南红北红警灯东绿西绿东黄西黄西红东红图 3-1 系统的 I/O 接线图电源SB1SB2F1F0F2F3F4F5F6启动/停止南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯南北绿灯南北黄灯图 3-2 交通信号灯时序状态示意图83.2.2 流程图根据交通灯的实际控制情况，可得出其流程图如下：9启动开关南北红灯亮南北绿灯南北绿灯闪14S10S4S东西绿灯亮东西绿灯闪东西红灯亮10S4S14S东西行人道南北行人道结束10S2S2S