智能交通灯控制系统设计.doc

摘要本文阐述了智能交通灯控制系统，在一定程度上提高了十字路口的通行效率。传统的交通控制灯没有交通灯状况异常处理的功能，而智能控制交通灯控制系统通过传感器检测技术把路口的车流量的信号通过光缆传给PLC，此时PLC将自动启动交通灯状况异常处理方式。当有急车信号时，该系统可以采取紧急强通控制。采用PLC进行控制主要是考虑PLC具有很强的环境适应性，同时其内部定时器资源非常丰富，可以对交通灯进行精确控制。文中介绍了西门子S7-200系列可编程序控制器CPU222的交通控制系统的设计。关键词：PLC、智能、交通灯目录摘要1目录2前言31 绪论41.1 交通信号灯的作用及研究意义41.2 PLC产生和发展41.3 可编程控制器的特点及工作原理52 系统的方案设计82.1控制要求82.2 PLC的选择和资源配置82.3 传感器选择113 程序设计133.1 流程图133.2 时序图153.3 梯形图17结束语21致谢22参考文献23前言可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或发生过程。PLC在食品、制造和冶金等其他工业部门相继得到了应用。1971年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的PLC。1973年，欧洲一些国家也研制出了自己的PLC。1974年，我国也开始仿照美国的PLC技术研制自己的PLC，终于在1977年研制出第一台具有实用价值的PLC。大规模集成电路和超大规模集成电路的出现使得PLC在问世后的发展极为迅速。现在，PLC不仅能实现继电器的逻辑控制功能，同时还具有数字量和模拟量的采集和控制、PID调节、通信联网、故障自诊断及DCS生产监控等功能。据预测，在不远的将来，PLC、CAD/CAM和机器人将成为工业自动化的三大支柱。毫无疑问，PLC将在今后的工业生产中起到非常重要的作用。在20世纪80年代，美国的工业市场调查报告和1989年美国的一份分散控制系统(DCS)的调研报告中，都能看出PLC在工业控制中的重要作用。西门子公司生产的PLC，由于可靠性高，在中国的应用更是相当广泛。在本文中就主要介绍用西门子S7-200设计完成交通灯的控制。1 绪论本章首先研究此课题的作用及意义，其次是介绍关于PLC的基本知识。包括PLC的产生和发展、特点、工作原理及PLC控制系统等相关知识，从而让我们对PLC和PLC控制系统有一个比较直观的印象。1.1 交通信号灯的作用及研究意义随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。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。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。交通灯的出现，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，试用可编程控制器实现交通灯管制，以便使该系统简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。1.2 PLC产生和发展PLC是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置。国际电工委员会（IEC）对PLC所下的定义是：它是一种数字运算电子系统，专为工业环境下运行而设计。它采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。由于传统的继电器控制系统存在着设计制造周期长、维修和改变控制逻辑困难等缺点，因此越来越不能适应工业现代化发展的需要，迫切需要寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。目前，PLC正朝两个方向发展。其一是向超大型、快速和高性能方向发展，以取代工业计算机的部分功能；其二是向超小型、专业化和低成本方向发展，以真正成为继电器接触器控制系统的替代品。PLC总的发展趋势是：功能越来越强，使用越来越方便，性价比不断提高。因此，PLC的发展前景十分可观。1.3 可编程控制器的特点及工作原理为了满足现代化工业生产日趋复杂以及多样化的特点，如实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，它们对控制的要求也各不相同。PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎，其主要特点如下：1、抗干扰能力强，可靠性高在工业现场存在着电磁干扰、电源波动、机械震动、温度和湿度的变化等因素，这些因素影响着微机的正常工作。而PLC模块均采用大规模与超大规模集成电路，所有的I/O接口电路均采用光电隔离；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。以上这些使PLC具有较高的抗干扰能力。2、控制系统结构简单，通用性强在PLC控制系统中，只需在PLC的输入/输出端子上接入相应的信号红即可，不需要连接诸如继电器之类的低压电器和大量又繁杂的硬件线路，大大简化了控制系统的结构.3、编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，它的编程大多采用类似于继电器控制的梯形图形式。这种编程语言形象直观、容易掌握，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识。很容易被一般工程技术人员在短时间内理解和掌握。4、功能完善PLC的输入/输出系统功能完善，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。在PLC内部具备许多控制功能，如：逻辑控制、定时控制、计数控制步进（顺序）控制、PID控制、数据控制（PLC具有数据处理能力）、通信和联网，PLC还有许多特殊功能模块，可满足各种特殊控制的要求。5、设计、施工、调试的周期短PLC采用方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，帮程序的设计和修改及调试都很方便，所以通过程序完成控制任务可大大缩短设计和投运周期。6、体积小，维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。PLC 的工作原理与继电器的构成的控制装置一样，但是工作方式不太一样。继电器是并运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈的触点才会动作。也就是说，继电器控制装置时根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。1.循环扫描技术PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段：输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。 （1）输入阶段在这个阶段中，PLC读取输入信号的状态和数据，并把他们存入相应的输入存取单元。（2）执行程序阶段在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存取单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存取器单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。（2）输出阶段在这个阶段中，PLC将相应的输出存钱单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。 2. PLC的输入输出响应时间I/O响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间。因为PLC得循环扫描工作方式，所以收到输入信号的时刻不同，响应的时间长短也就不同。下面就给出最短和最长响应时间。最短响应时间：一个扫描周期刚结束就收到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个周期。最长响应周期时间：在一个刚扫描完成输入读取后才接收到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生变化，要等到下个扫描周期才能得到响应，这时的响应时间最长。2 系统的方案设计2.1控制要求交通灯控制系统的要求是能实现“正常循环运行”、“急车强通控制”和“状况异常处理”三种控制方式。（1）正常时序控制：启动开关SB1和上后，南北红灯维持30S，同时东西绿灯亮25S后，闪亮3S灭，东西黄灯亮2S。然后，东西红灯维持30S，同时南北绿灯亮25S后，闪亮3S灭，南北黄灯亮2S。如此循环。（2）急车强通控制：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，打开强通开关，不管原来信号如何，一律强制让急车来车的方向的绿灯亮，直至急车通过为止，断开急车强通开关，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯亮3S。随后按正常时序控制。急车强通信号同一时间只能响应一路方向的急车，若两个方向先后来急车，则按先、后次序一次响应；若两个方向同时来急车，则按东西，南北向依次响应。（3）交通异常状况控制：当任何一方向路段传感器检测到东西（或南北）方向有车辆在50S没有移动，而南北（或东西）方向交通正常，这时PLC将自动启动交通状况异常处理方式，强制东西方向（或南北方向）绿灯亮，直至在这一方向上的传感器不在返回对应信号（表明此路段的车辆排列长度小于200m）。2.2 PLC的选择和资源配置1. PLC机型的选择选择西门子S7-200系列PLC作为此交通灯的控制主机。在西门子S7-200系列PLC中又有CPU221、CPU222、CPU226、CPU226XM等之分。此智能交通灯控制系统中总共有6个数字量输入，6个数字量输出，共需12点I/O，根据I/O点数及程序容量，选择了CPU222作为其主机。图2-1 交通灯与PLC连接示意图2. PLC的I/O资源分配在上述对智能交通灯控制系统的各个硬件组成部分进行了详细的进述之后，可以很好地对PLC主机的I/O资源进行分配，其分配情况如表2-1所示。根据PLC主机的I/O资源分配以及PLC主机的硬件框图，则PLC主机的硬件接线图如图2-2。表2-1 智能交通灯控制系统PLC主机的I/O资源分配名称地址编号输入信号启动开关I0.0关闭开关I0.1东西强通I0.2南北强通I0.3东西方向传感器I0.4南北方向传感器I0.5输出信号东西绿灯Q0.0东西黄灯Q0.1东西红灯Q0.2南北绿灯Q0.3南北红灯Q0.4南北黄灯Q0.5图2-2 I/O接线图2.3 传感器选择由于我们所需要的传感器信号只要表征车辆在一定的位置上停留的时间长度，所以传感器系统部分采用的事低成本的HI-TTAC100型压电式传感器。为每一车道距离十字路口200远的地段安装2条压电式传感器并列相距3m（可根据应用过程中的实际情况进行改动）。将传感器信号输出端用电缆与PLC的模拟量接口箱连接。此传感器在受外界压力位100-40000kg时就会有模拟信号输出。称重精度为+/-10%及95%的可信度。由于交通状况问题，在十字路口的单方向上有车辆停在距十字路口200m埋有传感器的路段上的时间超过一定的范围（程序中设定为50s）时，说明在这一方向上的车流量过大，信号灯控制满足不了实际的需要。PLC对信号灯的控制将自动改变为交通状况异常控制方式。1、压电式传感器的测量电路压电晶片的连接方式：在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。 在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。压电式传感器的测量电路：由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。2、电压放大器（阻抗变换器）图23 压电传感器接放大器的等效电路 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 3、压电式传感器的应用图24 压电式单向测力传感器结构图如图是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用x y切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11 (纵向压电系数) 实现力电转换。3 程序设计3.1 流程图1. 正常运行交通灯正常循环运行的逻辑流程图如图31所示。图3-1 交通灯正常循环运行流程图2. 急车强通控制急车强通控制的逻辑流程图如图32所示。启动东西强通南北强通东西绿灯亮南北红灯亮东西红灯亮南北绿灯亮东西绿灯闪东西黄灯亮南北绿灯闪南北黄灯亮正常时序运行正常时序运行东西强通东西黄灯南北强通南北黄灯闪亮3次2s2s闪亮3次有有无正常时序无图3-2 交通灯急车强通控制流程图3.交通异常状况控制交通异常状况的逻辑流程图如图33 所示。图3-3 交通灯异常状况控制流程图3.2 时序图图34 正常工作时序图东西强通按钮东西强通停止按钮南北强通按钮南北强通停止按钮南北向绿灯南北向红灯东西向绿灯东西向红灯亮闪3闪3亮亮亮图35急车强通控制时序图图36异常状况控制时序图3.3 梯形图图37 交通灯正常工作的梯形图图38 交通灯强通工作梯形图图39 交通灯异常状况工作梯形图结束语经过一个多月紧张准备，我的毕业设计总算是圆满完成了。虽然在毕业设计过程中遇到了很多困难，但在老师和同学们的帮助下都圆满解决了。在困难和挫折面前，我们一次又一次的超越自己。此次毕业设计不仅让我学习到了更多的专业知识，更加提高了我各方面处理事情的能力。此次设计利用本学期学习的“数控机床控制技术”中PLC的有关知识，再通过查找书籍、网络搜索、等加深对PLC系统设计的认识。掌握了PLC设计的一般步骤，即工艺过程分析；PLC系统的硬件设计（包括PLC的选型、I/O分配等）、系统的软件设计、调试等。通过本系统的设计，对S7200系列PLC的特点有了更深的理解。十字路口交通灯控制系统利用了S7200系列PLC的特点，对按钮、开关、交通等输入/输出点进行控制，实现了十字路口交通灯控制中的自动化。不过在此次设计中也存在很多问题与不足，在设计时我省略了调试这一环节，没有使用一些相关的绘图软件，比如说画梯形图所要用的软件。由于自己对其他绘图软件不是很熟悉，所以在此文中大部分的图都是使用AutoCAD软件绘制的。致谢三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将