基于PLC的智能交通灯控制系统设计_毕业设计.docx

毕业设计题 目: 基于plc的智能交通灯 控制系统设计 所属系、部 : 电子信息与电气工程系 年级、 专业: 电气自动化技术 完 成 时 间: 2012年5月 一毕业设计的主要内容及基本要求1、主要内容在当今高速发展的社会里，交通问题成为大家关注的社会问题，目前国内十字路口的交通灯控制一般是定时切换控制的。但交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的控制系统，汽车数量的直线上升及现有的定时切换控制交通方式的局限性都使得我们有必要寻求一种智能的交通控制系统，本设计希望利用plc和探测器(即电磁感应线圈)探测出汽车的流量后自动调节红绿灯的时长，实现优化交通疏导，达到自适应智能控制的目的。2、设计要求1) 能用梯形图或状态图语言编写plc程序；2) 能通过比较分析，正确选择探测器，监测汽车流量；3) 对软件的各个子程序能顺利的仿真调试通过；4) 按照学校规范要求完成毕业设计的说明书一份；5) 完成与毕业设计内容相关的英文资料翻译；3、技术参数1）能检测出每分钟通过的汽车数量；2）每一个红、绿、黄灯周期后进行一次时间调节；二指定查阅的主要参考文献及说明1 张伟林 .电气控制与plc应用.北京：人民邮电出版社.2007.9 第一版2 张运钢等.三菱fx2nplc技术与应用.北京：人民邮电出版社，20093 史宜巧等.plc技术及应用项目教程.北京：中国机械工业出版社.2010.7 第一版4 学校vpn资源服务（每天16：30之后用你的用户名、密码登录校园网 数字校园vpn资源服务校内电子资源共4个，可以打开查找相关文章并免费下载 ）5 百度文库：/6 电气控制与plc原理及应用，林春方主编，上海交通大学出版社，20087 李伟机床电器与plc西安：西安电子科技大学出版社，20068 社会交通与社会发展，黎德扬，20019 常斗南可编程序控制器原理应用实验北京：机械工业出版社，199810 廖常初主编plc基础及应用,北京：机械工业出版社， 200411 智能交通系统研究发展动向与启示，陆化普，史其信，199612 张万忠.可编程控制器入门与应用实例.北京：中国电力出版社，2004.13 台方.可编程序控制器应用教程.北京：中国水利水电出版社，2001.14 邦田.电子电路实用抗干扰技术.北京：人民邮电出版社，1994.15 钱晓龙，李鸿倩.智能电器与microloeix控制器.北京：机械工业出版社，2003.16 黄净.电气及plc控制技术. 北京：机械工业出版社，2005.17 李建新.可编程序控制器及其应用. 北京：机械工业出版社，200718 陈立定，吴玉香，苏开才.电气控制与可编程控制器.广州：华南理工大学出版社,200l.19 黄继昌.传感器工作原理及应用实例.北京:人民邮电出版社,2006.摘 要： 在当今高速发展的社会里，交通问题成为大家关注的社会问题，目前国内十字路口的交通灯控制一般是定时切换控制的。在未来的工业发展中，交通灯的需求将慢慢地走向人性化、自由化和便利化。由于交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的控制系统，汽车数量的直线上升及现有的定时切换控制交通方式的局限性都使得我们有必要寻求一种智能的交通控制系统。本设计分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡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硬件电路设计方案。系统采用plc实现正常交通的时序控制，通过传感器自动获取车辆数据，完成对交通异常状况的检测，plc根据取得的数据运用一定的智能控制原则自动调节红绿灯的时间长度。比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，最大限度地减少车辆滞留现象，较好地解决了车流量不均衡、不稳定问题,提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低,从而也充分的利用了有限的人力和物力资源。同时对减轻车辆尾气排放、降低环境污染都起到了不可低估的作用。关键词： plc控制系统 交通灯 智能控制abstract: with the rapid development of the society, the traffic problems become a concern of social problems, the current domestic crossroads traffic lights control is generally a timing switching control. in the future in the development of industry, traffic demand will slowly towards humanity, liberalization and facilitation. the transport system is a random, fuzzy and uncertain control systems, the number of cars straight up and the existing timing switch control mode of transport limitations make it is necessary for us to seek a kind of intelligent traffic control system the design and analysis of the modern city traffic control and management of the status quo, rural and urban traffic light of the actual situation of a traffic light control systems principle of work, the paper puts forward a simple and practical city traffic light control system hardware circuit design. the system uses plc to realize sequential control of the normal transportation, through the sensor automatic access to vehicle data, performed on abnormal traffic detection, plc according to the data obtained by using certain intelligent control principle of automatic adjusting light time length compared with the traditional control of the timing of traffic lights and traffic lights control, minimize the vehicles stranded, solved the problem of traffic imbalance, instability, improved highway traffic rate, higher than the global positioning system to lower the cost, so as to make full use of the limited manpower and material resources. at the same time to reduce vehicle exhaust emissions, reduce environmental pollution has played a role should not be underestimated.keywords: plc control system traffic lights intelligent control目 录1 引言81.1 交通灯的发展史81.2 我国城市交通的发展现状102 智能交通灯方案设计112.1 系统构建112.2 智能交通信号灯正常控制方式122.3 急车强通控制方式13 智能交通灯系统的硬件设计143.1 plc的用途与特点153.1.1 plc的用途153.1.2plc的特点163.2plc的选型163.2.1 fx2nplc的结构173.2.2 plc的工作原理183.3传感器的选择193.4 i/o分配表203.5 i/o分配点数估算203.6 plc硬件电路图204 plc软件编程设计224.1 程序流程图224.2 plc梯形图244.3程序语句表275系统评价295.1系统的优点295.2系统需改进的地方297 总结308 致谢31参考文献321 引言随着我国社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，交通问题成为制约我国社会经济发展的一个大问题，我国的人口众多，现在大多数城市都经常会出现交通拥堵现象，人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。随着社会的发展，一个城市的交通是否便捷是衡量其是否具有发展潜力的重要指标，目前，我国大中小城市都出现了交通拥堵的现象，特别是那些大城市，随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。但是完善路网来缓解交通拥挤不是短时间所能解决的，目前急需做的是进一步挖掘网的潜力并改善交通现状，特别是改善交通信号的控制。可见，研究一种高效的智能交通控制系统是很有必要的，因此选择一个最优的放行时间是解决交通拥堵问题的根本，现在也有很多城市开始考虑用gps定位系统来检测路口的车流量从而实现交通灯的智能控制即根据路口的车流量来控制交通，这种方法虽说能很大程度上缓解交通压力，但以目前的经济条件还不能完全实现。那么，我觉得最经济最实用的做法就是根据现今路口的实际车流量来确定好放行时间，本论文就是通过对路口车流量的实际考察然后确定最优循环时间，运用plc原理来完成多交通灯的最优控制。而且，近年来随着科技的飞速发展，plc的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在工业控制和自动控制的plc应用系统中，plc具有很强的抗干扰性， plc往往是作为一个核心部件来使用。1.1 交通灯的发展史城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。 早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。1917年，在美国盐湖市开始使用联动式信号系统，把六个交叉路口作为一个系统，以人工方式加以集中控制。1922年，美国休斯顿市建立了一个同步系统，它以一个交通亭为中心控制十二个交叉路口。1928年，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时系统;由于它简单、可靠、价格便宜，很快在美国推广普及。这种系统以后不断改进、完善，成为当今的协调控制系统。 20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。伴随着城市交通信号控制系统的迅速发展。人们认识到，要更好地提高城市管理水平，不仅仅依靠硬件设备的更新和改进，还必须同时在控制逻辑和方法上有所突破，即城市交通的区域协调控制。传统的城市道路交通控制指的是区域交叉口信号灯控制，而城市交通的区域协调控制，是在整个城市范围内对交通进行控制，这无论是从理论角度还是实践角度，都是一个极其复杂的大系统控制问题。 进入20世纪80年代后期，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥挤、阻塞现象日趋恶化，由此引发的事故、噪声和环境污染己成为日益严重的社会问题，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题。人们对交通系统的规模复杂性和开放性特征有了更深一层的认识，并开始意识到单独考虑车辆或道路方面很难从根本上解决交通拥挤现象，只有把路口交通流运行与信号控制的藕合作用综合考虑，且赋以现代的各种高新技术方可彻底消除有关问题。于是，智能交通系统(its)应运而生，并得到迅猛发展。可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了无感应控制到有感应控制、手动控制到自动控制再到智能控制、单点控制(点控)到干线控制(线控)再到区域控制和网络控制(面控)的过程。1.2 我国城市交通的发展现状目前设计交通灯的方案有很多，有应用cpld设计实现交通信号灯控制器方法；有应用plc实现对交通灯控制系统的设计；有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。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，需要一种新型的控制方法才能较好地解决这个问题。智能交通系统（itsintelligent transport systems）its是一个跨学科、信息化、系统化的综合研究体系，其主要内容是：将先进的人工智能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通讯技术及电子传感技术等有效的集成，并应用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。交通控制系统是its研究的一个重要方面。由于交通系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性，是一个典型的分布式非线性系统，而且具有多种信息来源、多传感器的特点，用传统的理论与方法很难对其进行有效的控制。把先进的智能控制技术、信息融合技术、智能信息处理技术与交通管理技术结合起来，代表着城市交通信号控制系统发展的方向。智能交通的发展是现代社会经济发展的客观要求，交通运输是国民经济和现代社会发展的基础。由于现代社会城市化速度越来越快、国民经济的高速增长、全球经济的一体化进程加快、个人旅行与休闲时间的不断增加以及人们对交通需求越来越高，智能交通便成为现代社会经济发展的客观要求。2 智能交通灯方案设计由于城市的高速发展，交通障碍也随之增加，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。2.1 系统构建本设计主要应用传感器与plc相结合，以车辆等待绿灯的滞留数来确定该该方向是否繁忙。如下图2.1以南北向为例，每当车辆进入十字路口必先经过检测器1和3，检测器就会发生2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2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2.1 十字路口传感检测器布置设z1-z220，则南北方向繁忙，东西一般，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。z1-z2-20，则东西方向繁忙，南北一般，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。-20=z1-z2=20，则设为一般情况，控制灯正常闪亮，见表2.1。表2.1 绿灯时长控制 东西南北绿灯时长繁忙一般繁忙正常东西直行绿灯加5s,东西左转绿灯加5s一般南北直行绿灯加5s,南北左转绿灯加5s正常以上车辆的计数和车流量的比较及绿灯时间长度控制全部由plc完成，见图2.2感应控制原理框图。各检测器时刻检测车辆，在一个红绿灯周期中，每当东西或南北绿灯亮之前，plc都要依据脉冲的计数判定东西、南北的车流规模，然后根据以上简述的智能控制原则，调整绿灯时长。 图2.2 感应控制的原理框图2.2 智能交通信号灯正常控制方式信号灯受启动开关控制。当启动开关接同时，信号灯系统开始工作，启动开关断开时所有信号灯熄灭。一般情况下，先南北红灯亮50s，南北绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s，此时南北左转红灯亮了75s，然后南北直通红灯亮25s,同时南北左转绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s。东西方向则是先直通绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2，然后红灯亮25s，此时东西左转灯红灯先亮25s，然后左转绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s, 然后东西直通红灯和左转红灯都亮50s，控制过程如图2.3。交通灯智能仪器会在交通灯程序执行前进行测量车辆拥挤程度，当东西与南北车辆正常时它会执行正常工作的程序。东西车道拥挤时，检测开关sb4自动闭合，智能交通灯会增加东西车道绿灯5s的时间，减少南北车道绿灯5s时间,但交通灯的整体周期不变，再循环。南北车道拥挤时，检测开关sb3自动闭合，智能交通灯会增加南北车道绿灯5s的时间，减少东西车道绿灯5s时间，同样交通灯的整体周期不变，再循环。南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮则报警并关闭系统。南北方向东西方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 闪黄黄绿 闪图2.3交通正常灯工作时序图南北方向东西方向直通道左转道直通道左转道 红灯40s红灯40s绿15s绿 3s黄 2s红灯20s 红灯20s 绿灯20s红灯60s红灯60s绿灯25s红灯30s红灯30s绿灯25s3s2s 闪黄2s图2.4南北方向繁忙时的交通灯工作时序图2.3 急车强通控制方式 急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，信号灯按正常时序控制。有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号灯的状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。急车一过，将急车强通开关断开，控制灯恢复正常，急车强通信号只能响应一路方向的急车，若两个方向先后来急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。若2个方向同时来急车，则按东西，南北顺序依次响应。 智能交通灯系统的硬件设计可编程控制器（plc）是在继电器控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种新型的工业自动控制设备，是计算机家族中的一员，它以微处理为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，广泛应用于自动化的各个领域。plc从原来具有逻辑控制、顺序控制等功能，发展到现在已具有模拟量输入/输出、定位控制、旋转角度检测、高速计数、数据处理、联网通信等功能。plc使用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂，操作方便，是可靠性高的新一代通用工业控制装置。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（programmable logic controller），简称plc，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称pc。但是为了避免与个人计算机（personal computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称plc。plc是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。plc及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。事实上,plc就是以嵌入式cpu为核心,配以输入,输出等模块,可以方便的用于工业控制领域的装置。plc与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。在19世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：1)编程方便，现场可修改程序；2)维修方便，采用模块化结构；3)可靠性高于继电器控制装置；4)体积小于继电器控制装置；5)数据可直接送入管理计算机；6)成本可与继电器控制装置竞争；7)输入可以是交流115v；8)输出为交流115v，2a以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；9)在扩展时，原系统只要很小变更；10)用户程序存储器容量至少能扩展到4k。1969年，美国数字设备公司（dec）研制出第一台plc，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台plc。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台plc。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。在1987年国际电工委员会（international electrical committee）颁布的plc标准草案中对plc做了如下定义：“plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”3.1 plc的用途与特点3.1.1 plc的用途plc的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使plc的成本下降,同时又由于plc的功能大大增强,使plc 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。plc的应用通常可分为五种类型： （1）顺序控制这是plc应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。plc可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，plc的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称pc（programmable controller），但是为了不和切纸机械、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动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，plc把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（cnc）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。 （3）闭环过程控制 plc能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。pid（proportional intergral derivative）模块的提供使plc具有闭环控制功能,即一个具有pid控制能力的plc可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,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，出现了把支持顺序控制的plc和计算机数值控制（cnc）设备紧密结合的趋向。著名的日本fanuc公司推出的systen10、11、12系列，已将cnc控制功能作为plc的一部分。为了实现plc和cnc设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由plc送至cnc设备使用。美国ge公司的cnc设备新机种也同样使用了具有数据处理的plc。预计今后几年cnc系统将变成以plc为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（fa）系统、柔性制造系统（fms）及集散控制系统（dcs）等发展的需要，必须发展plc之间，plc和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅plc数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。 3.1.2plc的特点 （1）抗干扰能力强，可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。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，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。而plc采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。(2)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。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。加上plc通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用plc组成各种控制系统变得非常容易。 (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)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 (5)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，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。3.2plc的选型plc有西门子s7系列，欧姆龙c系列，松下，lg，三菱fn系列等类型，由于三菱的plc的易操作，价格中等，市场使用率极高，兼容性好，所以我们选择的是三菱fx2n系列的plc。fx2n系列 plc 是日本三菱公司继f1,f2系列plc后行推出的小型机。fx2n 系列是小型机。它同时具有单元式plc的简单易用和模块式plc的强大功能，配置灵活，性能高，具有在线和离线编程功能，高速度处理快速的优点，所有方便都是相当于 fx 系列中最高档次的超小形程序装置。 除输入输出 16-25 点的独立用途外,还可以适用于在多个基本组件间的 连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的 plc。 系统配 置既固定又灵活。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块,可进行 16-256 点的灵活输 入输出组合。备有可自由选择,丰富的品种。可选用 16/32/48/64/80/128 点的主机,可 以采用最小 8 点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式,自由选择。令人放心的 高性能。程序容量：内置 800 步 ram（可输入注释）可使用存储盒,最大可扩充至 16k 步。以及具有丰富的软元件15。本设计采用三菱fx2n系列中的fx2n-32mr机型进行设计的，fx2n-32mr表示该plc的型号为fx2n，i/o总点数为32，点数位该控制器有16个输入点和16个输出点，基本单元，晶体输出方式，交流电源，直流24v输入，横式端子排。性能高体积小，易操作，价格中等，市场使用率极高，兼容性好。处理速度为0.08us/步，程序存储器的容量可扩展至8k步ram（可装ram,eep-rom,eprom存储卡盒），基本指令27条，步进指令2条，应用指令298条。100ms定时器200点，t0t199;10ms定时器46点，t200t245。高速计数器1相1输入11点，c235c245，1相2输入5点，c246c250。普通型数据寄存器200点，d0d199；特殊用数据寄存器256点，d8000d8255，此plc完全可以满足需要。3.2.1 fx2nplc的结构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、i/o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、i/o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。如图3.1所示：图3.1 plc结构图3.2.2 plc的工作原理plc是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不 图3.2 plc工作原理图 必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把plc等效成输入、输出和内部控制电路三部分，如图所示。 （1）输入部分这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。输入接线端是plc与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由plc的电源部件提供(如直流24v)，也可由独立的交流电源(如交流110v)供给。每个输入继电器可以有无穷多个内部触点，供设计plc控制程序时使用。（2）内部控制电路这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。plc程序一般用梯形图形式表示。梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，pic程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。在plc内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及动合、动断触点只能在plc内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。（3）输出部分这部分的作用是驱动外部负载。在plc内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器(有继电器、双向硅、晶体管三种形式)，它也有无限多软件实现的动合、动断触点，可在plc内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载；如图1-2所示。外部负载的驱动电源接在输出共端(com)上。（4）输入、输出更新阶段plc的cpu在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。cpu对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是plc工作的重要特点。3.3传感器的选择车辆检测器的类型主要可分为压力检测器、磁感应式检测器、声音检测器、光电检测器、超声波检测器、雷达检测器、环形线圈检测器等。本着实用性、经济性等原则，本设计选用具有高准确率、低成本、高可靠性的光电传感器。光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。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。感应控制是本系统的重点也是不同于一般交通信号控制之处，其主要思想为：光电传感器检测十字路口各方向的车流，每当有车辆经过，检测器就会发出一个脉冲并传输给plc（如图3.3），plc通过对脉冲的计数就可得到各方向的车流量，然后plc通过一定的智能控制原则根据各方向车流量的大小自然的改变相应的绿灯灯亮时间从而尽可能减少车辆等候时间光电传感器车辆检测仪plc 有车辆经过没有车辆经过信号输出检测仪的输出图3.3感应控制原理图3.4 i/o分配表根据控制要求分配输入/输出点表3.1表3.1 输入/输出点分配表序号输入设备端号输出设备端号1启动按钮sb1x0南北红灯y02停止按钮sb2x1南北绿灯y13自动开关sb3x2南北黄灯y24自动开关sb4x3南北左转红y35东西强通开关sb5x4南北左转绿y46南北强通开关sb6x5南北左转黄y57东西红灯y68东西绿灯y79东西黄灯y1010东西左转红y1111东西左转绿y1212东西左转黄y1313报警灯y143.5 i/o分配点数估算系统输入信号：手动选择按钮4个，需要4个输入端自动选择按钮2个，需要2个输入端以上共需要6个输入信号点，考虑到以后可能会对系统进行补充调整，所以再增加2个备用点，这样就共需要8个输入点。系统输出信号：南北和东西需要12个输出信号，再加1个报警器，因此共需要13个输出信号，考虑到以后可能补充调整再加2个信号点，所以一共要15个输出点。3.6 plc硬件电路图 plc硬件电路图如图3.5comx5sb6图3.5 输入/ 输出接线图x0sb1x1sb2x2sb3x3sb4x4sb5y1y2y3y4y5y6y7y0y10y11y12y13y14lncomfx2n-32mr4 plc软件编程设计gx developer是三菱plc的编程软件。适用于q、qnu、qs、qna、ans、ana、fx等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、sfc、 st及fb、label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写plc程序功能。改程序梯形图和语句表就可以用该软件完成。4.1 程序流程图为了方便分析，以下是该系统的正常控制程序流程图-20=z1-z220检测开关sb3自动闭合南北直通绿灯增加5s东西左转绿灯加5s是否检测开关sb4自动闭合东西直通绿灯增加5s东西左转绿灯加5s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4.2 急车强通控制图东西强通启动闭合sb1正常运行4.2 plc梯形图南北直红 南北左红南北直黄南北直绿东西直红南北左绿南北左黄东西直黄东西直绿报警灯东西左黄东西左绿东西左红4.3程序语句表5系统评价5.1系统的优点能够较好的解决车流量不均衡、不稳定问题,提高公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低，易操作，也便于修改控制程序。5.2系统需改进的地方当两辆或两辆以上的车辆同时经过传感器时，脉冲的计数只能计为一辆车，从而也不能准确的得到车辆停留数量。该系统的局限性就是红绿灯自动调节的时间不是很灵活，比如说南北方向滞留的车辆很多，在南北方向绿灯延长了5s后停留的车辆依然比东西方向的多，从而就没