基于PLC控制的交通管理系统设计.doc

基于PLC控制的交通管理系统设计 姓名：郭英杰 学号：1030660205 专业：机械与电子工程 指导老师：鲍廷议摘要本次模拟交通灯控制系统设计，通过对现代城市交通控制与管理问题的现状的分析，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单的交通灯控制系统的PLC设计方案，其主要是设计其硬件电路。根据设计要求，选择30秒定时循环模块，画出信号灯的显示流程图；在选择好时间模块之后，再设计硬件电路，硬件电路是利用Multisim仿真软件绘制，绘制当中选择8个输入端口和8个输出端口的的输入输出模块，输入输出模块之间通过PLC梯形图程序实现逻辑连接，设计当中选择了启动、模块停止、总停、手动和自动开关按钮。设计好硬件电路之后，再利用三菱编程软件进行PLC编程，ABSTRACT目 录前言1第一章 绪论2第一节PLC的概述2第二节 交通灯发展简介4第三节 设计方案的重述4第二章 交通灯控制系统设计6第一节PLC机型的选择6第二节 十字路口交通等模拟图6第三节 I/O接线图7第四节 各个时段的控制过程的设计8第五节 SFC控制程序设计10第三章 设计总结15第一节 程序调试15第二节 难点分析15第三节 收获和体会15参考文献16附录 指令表程序17致谢23前言可编程序控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在日常生活中得到了广泛的应用。PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，PLC的平均无故障运行时间（又称平均故障间隔时间MTBF）已经高达几十万小时。其次，PLC具有通用性强，使用方便的特点。由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线。一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。PLC还具有功能强，适应面广的特点，现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，还具有数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，既可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。PLC还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。用户只需根据控制的规模和要求，适当选择PLC的型号和硬件配置，就可以组成所需的控制系统。随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是增加道路网。但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。因此，不可能通过无限制地修建道路来满足日益增长的交通需求。与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决道路拥挤的问题。道路交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。绪论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。 早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早期交通流量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方中国智能交通网/2009/0804/1533.shtml式已不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器。除了多时段多方案定时控制的使用，为了避免各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式对交通流造成的频繁停车，还必须把相邻的交叉路口作为一个系统来统一地加以控制。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。 计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。 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。 国外对城市区域交通控制的研究，开始于20世纪60年代初。1967年，英国运输与道路实验室(TRRL)成功开发出TRANSYT(TRAFFIO Network Study Tools)交通控制系统，后来又在TRANSYT的基础上开发了SEOOT(split CYELE and offset Optimization Technique)系统。澳大利亚在70年代末也开发了基于配时方案实时选择方法来实现路网协调控制的SCAT(Sydney Coordinated Adaptive Traffic Method)系统。这些系统己经在西方国家的城市网络交通中取得了成功的应用。 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。除在技术和功能上得到增强和完善的SCOOT和SCATS以外，STREAM、ITACA、MOTION、RT-TRACS、SURFZ000、PRODYN和UTOPIA等新一代城市交通控制系统相继推出并投入应用。 目前城市交通控制研究的新发展主要体现在城市交通网络的各个方面: 区域交通信号灯和城市快速公路匝道口的新的控制方法上;实现区域和快速公路的集成控制;采用动态路由导航与交通网络控制结合:以实现先进车辆控制系统AVCS为主的智能交通系统(ITS);以实现先进交通管理系统ATMS和先进驾驶员信息系统ATIS为主的城市多智能体交通控制系统;以及一些辅助的交通策略如道路自动计费、公共交通优先等。 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。随着社会经济的发展,城市交通问题引起越来越多的人的关注，交通问题成为制约我我国经济发展的一个大问题,因为我国人口较多，所以大部分城市都会出现交通拥堵现象，特别是一些大城市.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，随着城市车辆的不断增加，大部分城市的交通出现了超负荷运行的情况，所以交通问题已经成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。因此城市纷纷修建了高速道路，然而,随着私家车和机车的不断增多,导致交通量快速的增长，所以高速道路并没有发挥出其预期的作用。如何采用合适的控制方法，最大限度的利用好城市高速道路，缓解主干道，还有城区同周边地区的交通拥堵现象，已经成为交通部门亟待解决的重要问题。可见改善城市交通灯控制系统是很重要的一件事情。在交通灯的设计中，现在一般都是采用PLC（Programmable Logic Controller）。PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。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、计数和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，控制各种机械或生产过程。PLC及有关外部设备都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。PLC的特点是编程方法简单易学，功能强，性价比高，硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强，可靠性高，抗干扰能力强，系统的设计、安装调试工作量少，维修工作量小、维修方便，体积小，能耗低。由于PLC具有这些功能特点，因此在工业控制方面目前已广泛应用于冶金、化工、轻工、机械、电力、建筑、运输等领域。按照PLC的控制类型不同，PLC主要应用于逻辑控制、闭环控制、数字控制、机器人控制、组成多级控制系统。目前，为了适应大中小型企业的不同需要，进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，PLC正朝着以下两个方向发展：（1）低档PLC向小型、简易、廉价方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制；（2）中、高档PLC向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制微机的部分功能，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。从PLC的发展趋势看，PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。在未来的工业生产中，PLC技术、机器人技术、CADCAM和数控技术将成为实现工业生产自动化的四大支柱技术。在我国，PLC的应用最近几年发展很快。首先应用于一些大中型现代化工厂的引进工程上。如上海宝山钢铁（集团）公司一、二期工程中就使用PLC多达857台，武汉钢铁（集团）公司和首都钢铁总公司等大型钢铁企业也都使用了许多台PLC。另外，在旧设备的技术改造上，PLC的应用也较广泛，且取得了可观的经济效益。在产品设计方面，PLC的应用不断扩大，尤其在机械制造业中发展较快。如南京第二机床厂把PLC首先用在YW4332万能剃齿机上并取得成功。它不仅简化了控制路线，缩小了电控装置的体积，提高了工作的可靠性，节约了电能，还扩大了机床的功能。在其他方面，各工厂和研究单位也都不断推出由PLC控制的新产品。但是与国外PLC技术发达的国家相比，我国PLC的研制和应用还比较落后。随着生产技术的发展，借鉴国外的现进技术在我国尽快发展多种、多档级PLC，进一步促进PLC的推广与应用，是提高我国工业自动化水平的迫切任务。目前，种类繁多的大、中、小型PLC，大到作为分布式控制系统的上位机，小到作为少量继电器控制装置的替代物，几乎可以满足各种工业控制装置的需要。另外新的PLC产品在不断涌现，这就使得PLC的应用范围在不断扩大。所以根据PLC的特性再结合交通灯的制作特性，选择PLC来设计交通管理系统是最好的选择。2.交通路灯的方案设计2.1方案的思路交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。再根据本次的设计功能要求，对此方案进行了如下的分析。1：选用显示时间为30秒，东西红绿灯和南北红绿灯工作顺序无要求，东西、南北、红灯、绿灯、黄灯利用开关来控制；2：在启动系统后，有自动和手动选择。在“自动”工作过程中，本人设南北方向红灯首先亮并且维持25秒的工作时间，在此同时，东西方向绿灯亮并维持25秒时间，到了25秒后熄灭，在东西方向绿灯熄灭时，东西黄灯亮并以2HZ频率闪烁维持时间为5秒，5秒结束后，黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭绿灯亮；东西红灯亮，并维持30秒，在此同时，南北绿灯亮并维持25秒，到了25秒熄灭，南北黄灯亮并以2HZ闪烁维持时间为5秒，5秒结束后，黄灯熄灭，同时南北红灯亮，同时东西方向红灯熄灭，东西绿灯亮，至此，结束一个工作循环。在“手动”工作过程中，因按功能要求，交替时黄灯不要工作，东西方向的红灯工作和南北方向的绿灯工作时间为30秒，当30秒过后，转为东西方向的绿灯工作和南北方向的红灯工作时间为30秒，至此，结束一个工作循环。当再次转为“自动”控制后，就按“自动”的工作过程进行。2.2时间梯形图的设计在设计本次的方案中，采用的是30秒定时循环模块，考虑到本系统有“手动”和“自动”两种控制方式，故有手动和自动两个定时循环模块。1、 自动的定时循环模块 下图是自动的定时循环模块。如图所示可以看出，信号灯分为4个时间阶段。第一阶段：东西红灯（南北绿灯）亮，时间为25秒；第二阶段：东西红灯（南北绿灯）灭，且黄灯闪烁，时间为5秒；第三阶段：东西绿灯（南北红灯）亮，时间为25秒；第四阶段：东西绿灯（南北红灯）灭，且黄灯闪烁，时间为5秒。这四个阶段按上图的箭头所示，周而复始的循环下去。2、 手动的定时循环模块 下图是手动的定时循环模块。如图所示可以看出，信号灯分为2个时间阶段。 第一阶段：东西红灯（南北绿灯）亮，时间为30秒； 第二阶段：东西绿灯（南北红灯）亮，时间为30秒；这二个阶段按上图的箭头所示，周而复始的循环下去。2.3硬件介绍1、 PLC控制器的选择根据对交通指挥信号灯控制的要求分析，系统采用了手动和自动的工作方式，其输入信号有启动、停止、手动和自动按钮信号，输出方向有东西方向、南北方向各两组指示灯驱动信号和报警指示灯信号。由于每一组方向的指示灯中，同一种颜色的指示灯同时工作，为节省输出点数，本次设计采用了并联的输出方法。由此可见系统所需的输入点数为4，输出点数为8，全部都是开关量。根据以上的分析，此次设计的系统是用了小型的单机控制系统，其中控制器的选机种类很多，本次选用三菱公司的F1系列的PLC。F1系列的PLC是三菱公司的低档机，属于整体式结构，可以配置不同的单元：基本单元、扩展单元和特殊单元。基本单元内含有CPU、存储器和I/O电路，其中输入为8点，输出为8点；2、 PLC控制的I/O地址和电路接线图硬件电路设计必须了解各个对象的控制要求,分析对象的控制要求,确定输入/输出(I/O)接口的数量,确定所控制参数的精度及类型。如对开关量,模拟量的控制,用户存储器的存储容量等。选择了合适的PLC机型及外设,以完成PLC的硬件结构配置，再根据上述选型及控制要求,绘制PLC控制交通灯的I/O地址电路接线原理图,编制I/O接口功能表, I/O分配及其接线原理图分别如下。PLC控制的I/O地址的输入地址和输出地址，定义如下表所示。PLC的I/O地址定义表序号输入元件输入地址输出元件输出地址1启动按钮东西红灯2停止按钮东西绿灯3手动按钮东西黄灯4自动按钮南北红灯5南北绿灯6南北黄灯7报警指示灯8启动指示灯根据I/O地址的定义，PLC外部输入信号的接线图如图所示。其中，每一个方向的两组指示灯中，同一种颜色的指示灯并联，它们共同用输出端的同一个端口，这一可以减少输出点。绘制I/O地址接线图是用了AOTUCAD软件。2.3硬件电路的原理PLC控制的交通管理系统的硬件原理如下图所示。本图的交通管理系统以PLC德控制器为核心，配以输入输出电路构成。 模块停止 初值输入 手动输入 停止开关手动/自动选 择启动指示灯 启动开关东西方向信号灯南北方向信号灯PLC控制器图在图中，各部分功能说明如下：（1） PLC控制器，：输入端接收开关量信号，经运算后产生输出信号，控制各指示灯和交通信号灯。注：PLC控制器的逻辑功能在Multisim