【电气工程及其自动化】基于三菱fx-2n plc的智能交通灯控制器

本科生毕业设计（论文）基于三菱FX2NPLC的智能交通灯控制器二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111设计背景112城市交通现状113交通灯控制系统现状214系统研究思路及主要内容315系统整体设计32系统的硬件设计和选型421主控器的选择422车辆检测传感器的选择6221电感式传感器6222电感式传感器电路723交通灯及其控制按键选型824系统结构设计93系统软件设计1031车辆计数1032控制方案设计12321纯定时循环控制设计12322PLC智能控制设计13323PLC控制原则14324PLC程序设计15325急车强通控制方式164系统调试1741编程软件简介1742软件调试1843运行调试1844源程序185结论与展望1851结论1852展望19参考文献20附录21致谢基于三菱FX2NPLC的智能交通灯控制器摘要本设计是使用三菱PLC和感电式传感器，结合智能控制原理设计一种十字路口交通灯智能控制系统，它能通过传感器的脉冲统计出车流量，并依据车流量的大小自动调节红绿灯的时间长度，减少十字路口的车辆滞留现象，缓解交通拥挤、实现十字路口交通最优控制。本文将介绍控制系统方案及软硬件结构的设计思路。关键词三菱PLC；感电式传感器；智能交通灯控制系统BASEDONMITSUBISHIFX2NPLCINTELLIGENTTRAFFICLIGHTCONTROLLERABSTRACTWITHTHEHELPOFMITSUBISHIPLCANDELECTRICSENSORS,THISPAPERISAIMEDTODESIGNAKINDOFTHEINTELLIGENTCONTROLSYSTEMOFTRAFFICLIGHTSCOMBINEDWITHTHEINTELLIGENTCONTROLTHEORYTHEFLOWOFTRAFFICCANBECOUNTEDBYSENSORSPULSEANDTHELENGTHOFTRAFFICLIGHTCANBEADJUSTEDAUTOMATICALLYACCORDINGTOTHESIZEOFTRAFFICUNDERTHEEFFECTOFTHISSYSTEM,THEPHENOMENONOFVEHICLESSTAYEDATCROSSROADSCANBEREDUCED,TRAFFICJAMCANBEEASED,ANDTHETRAFFICATCROSSROADCANBECONTROLEDEXCELLENTLYTHISPAPERWILLINTRODUCETHEDESIGNOFTHEINTELLIGENCETRAFFICSYSTEMONHARDWAREANDSOFTWAREKEYWORDSMITSUBISHIPLCPOWERSENSORTHETRAFFICLIGHTCONTROLSYSTEM1绪论11设计背景随着社会的发展和进步，人们生活水平不断提高，其中最显著的体现就是私家车数量持续、剧烈地增长。一方面拥有私家车给我们带来了方便快捷，但另一方面也使交通拥挤和堵塞现象日趋严重，并且交通污染，能源消耗等都已成为目前急须解决的全球性问题。智能交通系统通过对传统交通系统固定时间控制方式的变革，提升交通系统的信息化，智能化和网络化，从而保障了人与车、车与路、车与车之间的互相协调，进而提高交通系统的效率和安全性、经济性，达到保护环境，降低能耗的作用。智能化的交通系统已经成为国际公认解决上述交通问题的根本途径，越来越受到国内外政府、专家、学者等的重视和广泛应用。本系统的设计旨在缓解拥堵区域的交通压力，使行驶到十字路口的车辆在最短的时间内安全地通过交叉路口，提高道路的通行能力，节约时间，节约能源，保护环境。因此在未来发展中智能交通控制系统有着广阔的应用前景和重要的实际意义。12城市交通现状交通灯的控制问题是一个老难题，近年来，随着车辆社会拥有量的增加，这难题日显突出。据不完全统计，目前国内城市里的十字路口交通系统大多数是采用定时控制，而且繁忙路段或车流高峰时段还要用交警现场指挥来取代交通灯。定时控制系统必然造成某时段车流量大的路段却频繁红灯，车流量少的路段频繁绿灯，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，而且对人力物力资源也是一种浪费。有很多学者多年来一直探讨舒缓这个难题的方法。其中包括近来提出的在车道（红绿灯前）安装车流量传感器，统计车流量再控制绿灯的放行时间，设定定时器在上下班高峰期增加绿灯的放行时间以及对各个路口违章、肇事的监控与记录等等方案。所以，出于这些问题本文采用合理的方案设计对十字路口交通灯进行控制以及对路口的安全状况的监控。13交通灯控制系统现状目前普遍使用的交通信号控制方式主要分为三大类定时控制车辆感应控制模糊优化控制。A、定时控制定时控制分为定周期控制与分段定时控制。定周期控制就是信号控制系统一天24小时按照相同的周期执行同一种配时方案。分段定时控制就是依据交叉路口一天规律性的交通量变化率将一天大致分成几个时段，信号控制系统在不同时段设定不同的周期长、绿信比等控制参数，参数值的变化由时钟自动选择、切换。定时控制的灵活性较差，且不能进行交通信息的实时反馈。定时控制的配时方案是依据以前的交通资料计算预测形成的，一旦建立执行，就不能自动调整更改。B、车辆感应控制车辆感应控制方式就是根据交叉路口各方向交通流的变化进行信号灯色的实时控制的方式。它不固定周期和绿信比，通过车辆检测器测得的车辆数据改变相应相位的绿灯时间和周期长短。它包含三个参数最小绿灯时间、单位延长绿灯时间和最大绿灯时间。车辆感应控制又分为半感应控制和全感应控制。C、智能优化控制城市交通系统作为一个时变的、具有模糊性的复杂系统，传统的人为预设多种方案或建立其数学模型均比较困难。早在1977年，西方国家就开始研究将智能控制运用到交通智能控制上，智能控制是一种计算机数字控制技术，它不需要建立被控对象的精确数学模型，而是模拟人类的思维方式、推理方法和判断过程，通过建立规则库或是专家系统，对各种交通状况进行智能控制，并取得了很好的效果。特别适用于随机性很强的、复杂的城市交通控制。基于智能控制的智能交通灯控制器对十字路口双向车流情况、交叉方向车流情况等交通状况进行综合分析，优化十字路口的交通控制，从而解决交通灯的最佳控制问题，最大限度的提高十字路口车辆通过能力和速度。近年来，智能交通控制已经成为了交通信号控制的主流方向之一。14系统研究思路及主要内容在经济日益发展的今天，城市车流量也随之增大，堵车现象已成为全社会所关注的问题。迅速提高十字路口的通行效率，减少车辆等待红灯时间，是解决这一问题的有效途径，而智能交通控制系统就是最为关键的角色。智能交通系统是目前能够有效缓解交通拥堵的究的方向，世界各地的学者研究也已经取得不少成果，在少数先进国家已经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，我们采用制作传感器探测车辆数量来控制交通的时长这一方案更为容易实行和推广。具体方案如下在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，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，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。1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留现象，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，而且更容易推广和实行。15系统整体设计本系统采用可编程序逻辑控制器PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER为主控制器，其输入端接收来自各个路口的车辆检测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。其设计框架如图1所示。图1PLC智能交通灯控制原理框图本系统进行交通灯控制的方案如下首先采用电感式传感器探测车辆的流量以得到车辆脉冲，并把这一脉冲输入到PLC，考虑到车辆脉冲的频率，采用PLC内部高速计数器对车辆脉冲进行计数；其次，PLC按照一定的智能控制原则自动调节红绿灯的时间长度。该系统属于单机控制系统，即一台PLC控制一个十字路口交通灯，系统主要由车辆检测器、PLC、交通灯等三部分组成，其中人行道红绿灯控制信号可与同侧交通灯信号并行，故暂不考虑。2系统的硬件设计和选型21主控器的选择根据交通等工艺控制要求和特点，我们采用了PLC作为主控器，可编程控制器指令丰富，可以接各种输入，输出扩充设备，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控制器（PLC）对十字路口交通控制等实现控制。本系统采用PLC是基于以下四个原因2（1）PLC具有很高的可靠性，抗干扰能力。通常的平均无障碍时间都在30万小时以上；（2）系统设计周期短，维护方便，改造容易，功能完善，实用性强；（3）干扰能力强，具有硬件故障的自我检查功能，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；（4）近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，是的实际应用成为可能。根据设计要求，本设计共需要I/O点数为13输入/12输出。具体需要的输入输出点数如表1所示。表1I/O分配表序号输入设备端号输出设备端号1启动按钮SB1X0南北绿灯Y02停止按钮SB2X1南北黄灯Y13东西强通启动按钮SB3X2南北红灯Y24南北强通启动按钮SB4X3南北左转红Y35检修模式启动按钮SB5X4南北左转绿Y46ZE1记数器脉冲模拟开关X5南北左转黄Y57ZE1记数器脉冲模拟开关X6东西红灯Y68ZW1记数器脉冲模拟开关X7东西绿灯Y79ZW1记数器脉冲模拟开关X10东西黄灯Y1010ZS1记数器脉冲模拟开关X11东西左转红Y1111ZS1记数器脉冲模拟开关X12东西左转绿Y1212ZN1记数器脉冲模拟开关X13东西左转黄Y1313ZN1记数器脉冲模拟开关X14故障灯Y1414合理的选择I/O点数是PLC的重要指标之一。I/O的选择既要满足系统的控制要求又要在合理范围降低投资成本。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般选择比控制点数多1015的PLC。这有几方面的考虑。1、可以弥补设计过程中遗漏的点2、能够保证在运行过程中个别的点有故障时，可以有代替点3、将来增加点数的需要根据I/O分配表可知，本次设计有8个输入/12个输出，考虑1015的裕量，故选择32点I/O输出口的PLC，再估算程序所需步数，扩展模块的数量，以及设计，性能和和价格等方面的考虑。这次智能交通控制系统选择了三菱的FX2N32MR的PLC。开关量输入类型为直流输入，电源由PLC自身提供。输出类型为继电器型，继电器型输出方式是较为常用的输出接口电路类型，这种方法输出电路设计简单，抗干扰能力强，CPU运算处理速度008S/基本指令，在I/O方面，有16个输入点，16个输出点，扩展模块可用点数为2432，内附8K步RAM，最大可达16K包括注析。722车辆检测传感器的选择常见的检测器类型包括图像式（VIDEOIMAGEPROCESSING）、微波雷达式（MICROWAVERADARDETECTORS）和环形线圈式LOOPDETECTOR车辆检测器。下面对其各自的优缺点作一对比，见表2。表2优点缺点图像式检测到的图像比较直观，功能很强大价格较高，易受到环境的干扰，夜间工作的时候难度较大。微波雷达式可以实现多车道检测，受环境的干扰不明显，安装时不破坏路面漏检率偏高，对系统控制产生不可估量的后果环形线圈式检测精度高，可靠性强对外界因素抗干扰能力强。环形线圈是埋设在地下，施工比较困难由于考虑到整个控制系统对精确度和稳定性的要求，经过深入的调查之后本论文决定采用环形线圈车辆检测器作为底层信息的采集设备。虽然环形线圈检测器有其安装不方便、破坏路面和影响交通正常运行等缺点，但是，随着技术的发展，环形线圈检测器的使用寿命有了很大的提高。在将来的应用中一次性投入将会带来很长时间的收益，相信这一点可以把它的缺点弥补的。221电感式传感器电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋。当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成如图2中虚线所形成的高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅本论文所涉及的检测工作方式和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。3电感式传感器的高频电流频率为60KHZ，尺寸为23M，电感约为100H这种传感器可检测的电感变化率在03以上。电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑,它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。图2车辆检测原理图及检测电路电压脉冲输出波形222电感式传感器电路检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器,并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。原理框图如图3所示。图3车辆存在与检测电路原理框图由于本论文的重点不是在数据的检测部分，而是对检测到的数据进行后期处理和算法控制，因此传感器检测原理部分不在此作深入探讨。23交通灯及其控制按键选型交通灯的构成方式主要有旧时的煤气交通灯、白炽灯、还有LED节能灯。由于LED节能灯具有寿命长、功率低、发光率大等显著优于其他交通灯材质，因此本系统设计采用LED节能灯具作为交通信号灯材质。又考虑到我国民用电的额定电压为220V、50HZ，为了减少不必要的转换装置，因此交通信号灯选取型号为WDMHL3003RGY的LED红绿灯。该型号红绿灯工作电压为AC85265V，功率为50W，可以直接接民用电压并且具有下列优点1、外观设计外观专门为LED光源所设计，结构为超薄人性化，外形美观，工艺精细，便于多种组合安装。2、透光设计透光镜片的外表面采用倾斜面设计，不易积尘。3、外壳材料外壳采压铸铝或聚碳酸酯（PC）材料与硅橡胶密封件，具有防尘、防水、阻燃、抗老化特点，使用寿命长。5、光源光源采用进口芯片四元素超高亮度发光二极管（LED），具有亮度强，使人易于识别。并且具有寿命长、节能效果好。以下图4是该型号LED灯的简化原理图图4LED灯的原理图由于日常交通灯处于室外环境，成天日晒雨淋，系统控制箱必须做防水防尘处理，出于更进一步的保障，本系统选用的按键为防水轻触型按钮开关。启动按钮SB1为绿色，停止按钮SB2为红色，其余控制按钮为黑色。24系统结构设计综合以上分析，本次设计的智能交通控制系统硬件由控制按键、车辆检测传感器、PLC、LED红绿灯构成，控制系统接线图如图5所示。其中由于实物成本以及技术有限，本设计采用手动计数脉冲对车辆检测传感器的脉冲信号进行模拟。图6系统接线图3系统软件设计31车辆计数车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地停车线处以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。4以下本文先以一个4车道的十字路口作对象，设路段允许的最长停车车龙为100米。在距离绿灯放行线约100M处和放行线之后各预埋2个传感线圈，左转向和直行车道各预埋1个，如图7所示。距离放行线较远的传感线圈负责增加计数，放行线之后的传感线圈负责减少计数，则一个车道中的前后2个传感线圈形成1辆车辆数统计路段。首先，当车辆进入路口经过第一个传感器时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该车道上车辆的滞留量（动态值，用Z表示），可以与其它方向车道的滞留量进行比较。其次，统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则不影响行车安全的多道相向行驶累加统计。如，东、西相向的2个左行、直行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。图7传感器的铺设位置示意图32控制方案设计为了适应不同工作状态的需要，本系统采用纯定时循环控制、智能控制和急车强通控制。321纯定时循环控制设计纯定时循环控制，就是传统的交通灯控制方式，在本系统中可以用作备用控制，在智能系统出现故障，或者需要检修传感器等硬件时，可以按下检修按钮切换到纯定时循环控制方式，维持交通灯系统持续运作。纯定时循环型具体控制要求如下图8所示图8纯定时循环控制程序框图按下启动按钮后，交通灯控制系统开始工作。先亮南北方向绿灯和东西方向红灯，再亮东西方向绿灯和南北方向红灯，然后再亮南北方向绿灯和东西方、向红灯，这样一直循环运行。南北向和东西向主干道均设有左转绿灯，南北左转绿灯持续亮20S，左转绿灯闪烁，持续3秒，左转黄灯，持续亮2S，左转红灯持续亮75S，左转绿灯灭的同时直行绿灯亮，持续20S，绿灯闪烁3S，黄灯2S。和红灯75S。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮左绿灯，直行绿灯，绿灯闪烁和黄灯反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮左行绿灯，直行绿灯，绿灯闪烁和黄灯。南北向和东西向人行道均设有绿灯，黄灯，红灯。人行道上的“红黄绿”与同向主干道上的直行“红黄绿”运行方式一样，在此则不再多作说明。南北向东西向直通道左转道直通道左转道红灯50S红灯50S绿灯20S绿3S黄2S红灯25S红灯25S绿灯20S3S2S闪黄红灯50S红灯50S绿灯20S3S2S红灯25S红灯25S绿灯20S3S2S绿闪黄黄绿322PLC智能控制设计由于十字路口交通的离散性强，从现场实际应用的角度出发，本文提出一种基于PLC控制的智能控制器本文以4车道、感应道路长为100米的十字路口为例，设车道内等候红灯的两车距为15M，平均长度为45M，则100米的4车道内最大停车容量大约为60辆，而正常情况下单方向滞留车辆为30辆时，方可流畅通行。本设计只要应用传感器与PLC相结合，以车辆等待绿灯的滞留数来确定该方向是否繁忙。如下图9所示，以南北方向为例，每当车辆进入十字路口逼向经过检测器1和3，检测器就会发生两个脉冲给PLC，PLC对检测器1和3的计数就可得到车辆进入候车入口的总数和Y。车辆继续往前就会经过检测器2和4，同样检测器2和4也会发出两个脉冲给PLC，PLC对检测器2和4脉冲的计数就会得到车辆驶出候车入口的总数和X，那么Y（进入总量）X驶出总量Z1（南北向车辆滞留数），同样，东西方向，PLC通过对检测器脉冲的计数就可得到滞留量Z2。图9323PLC控制原则PLC控制原则是本控制系统的核心，是系统如何依据车辆脉冲的计数值自动运算并输出绿灯时间长度的控制逻辑。本系统的控制目标为两大方向车辆滞留量相差最小绿灯时间与车流规模相适应系统动态调节反应快。依据十字路口交通现场的实际情况与交通指挥经验，采用“拥堵情况分档、专家控制”的绿灯时长控制原则。4设Z1Z220，则南北方向交通繁忙，东西方向交通顺畅，南北直行绿灯时长加5S，南北左转绿灯时长加5S，东西红灯时长加10S。Z1Z220，则东西方向交通繁忙，南北方向交通顺畅，东西直行绿灯时长加5S，东西左转绿灯时长加5S，南北红灯时长加10S。20Z1Z220,则设为两个方向车流量基本持平，不作调整，控制灯正常闪亮。绿灯时长智能控制原则如表3所示表3绿灯时长控制繁忙顺畅繁忙正常东西直行绿灯加5S,东西左转绿灯加5S顺畅南北直行绿灯加5S,南北左转绿灯加5S正常在一个红灯周期内，每当东西方向或南北方向绿灯亮之前，PLC都将按当时车流数据并根据上述的控制规则自动调整绿灯时长。当然，由于采用了PLC，以上的车流规模与绿灯时间长度都可以方便而快速地依据各、时间与季节变化的情况与交通指挥经验而现场修改。324PLC程序设计PLC程序设计是本系统的重要内容，设计中采用顺序功能图SFC图与一般梯形图相结合的方法设计程序程序充分体现了可编程控制器PLC的特点。十字路口交通灯智能控制程序框图参见图10。该PLC程序在调试中验证了本文上述的PLC智能控制原则与智能控制系统。南北绿灯时长东西图10智能控制程序框图325急车强通控制方式1急车强通控制受强通开关控制。无急车时，按正常循环时序控制，有急车来时一，打开急车强通开关，不管原来信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿亮，直到急车过为止，断开急车强通开关，信号的状态立即转为急车放行的绿灯闪亮3秒。随后按正常时序控制。2急车强通信号只能响应一条路上的来车，若两条交叉的路东西或南北先后都来车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。3具体控制要求流程如图11所示。4系统调试41编程软件简介编程软件采用三菱公司为其生产的PLC而开发的编程软件GXDEVELOPER。编程软件主界面及各部分名称如图12所示。有急车是否南北强通按下按钮SB6南北绿灯亮东西红灯亮按下按钮SB5东西绿灯亮南北红灯亮图11急车强通控制图东西强通启动闭合SB1正常运行图1242软件调试根据控制要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，无误后将指令写入到指定的可编程控制器用户储存器中，进行下一步的调试。43运行调试软件调试结束后，进行系统运行调试，按下启动按钮，系统开始工作，观察系统运行是否符合控制要求，并随时进行更正，同时随机按下停止和复位按钮，观察系统是否能够停止和复位。经过不断调试和修正，本系统可达到本次课程设计的基本控制要求。44源程序附录A智能交通系统