毕业设计（论文）-基于PLC的交通灯控制系统.doc

题 目: 基于PLC的交通灯控制系统班 级 ： 自动化126姓 名 ： 陈升 学 号： 120123711051指 导 教 师 ： 【摘要】：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。1.1交通信号灯的作用和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中最重要的组成部分。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公路，在 高速公路建设完成的初期，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和普通道路耦合出交通状况的制约。所以，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，城区与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，根据交通等工艺控制要求和特点，我们采用了日本三菱公司FX2N_48MR。三菱PLC有小型化，高速度，高性能等特点，三菱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：（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。【关键词】:PLC可编程控制器、交通型号灯、可靠性高。 第1章 交通灯信号控制系统11 十字路口交通灯控制实际情况a南北主干道：直行绿 27S、直行绿闪3S、左转绿 10S 、左转绿闪 3S、 黄2S 、红 45S； b东西人行道：红 45S、绿 27S、绿闪3S 、红 60S； c东西主干道：红 45S、直行绿 27S、 直行绿闪3S、左转绿 10S 、左转绿闪 3S、黄2S； d南北人行道：绿27S 、绿闪3S、红 60S； e循环控制方式；f交通灯变化顺序表（单循环周期90秒）。1.1.1 南北向（列）和东西向（行）主干道南北向（列）和东西向（行）主干道均设有直行绿灯27S，直行绿灯闪亮3S，左行绿灯10S，左转绿闪3S，黄灯2S和红灯45S。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪，左转绿灯，左转绿灯闪亮和黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪，左转绿灯，左转绿灯闪亮和黄灯。1.1.2 南北向和东西向人行道南北向和东西向人行道均设有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直行绿灯点亮时点亮，当南北主干道直行绿灯闪亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。东西人行道通行绿灯于东西主干道直行绿灯点亮时点亮，当东西主干道直行绿灯闪亮是东西行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。12 结合十字路口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。1.2.1 南北向（列）和东西向（行）主干道 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。1.2.2 南北向和东西向行人道 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灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。1.2.3 盲人安全通道控制和手动控制车流量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。1.3 流程图启动开关东西绿灯亮东西绿灯闪东西黄灯亮东西红灯亮东西主干道10S2S2S14S南北红灯亮南北绿灯亮南北绿灯闪南北黄灯亮南北主干道14S10S2S2S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结束交通灯模拟控制系统流程图启动开关按下脉冲开关原来控制循环系统行人道绿灯点亮，主干道红灯闪亮结束YN启动开关按下脉冲开关对应方向绿灯点亮时间延长到15秒，另一方向红灯点亮延长到15秒再次按下启动开关按此次控制方式进行循环原来方式控制系统结束YNYN手动控制车流量流程图第2章 可编程控制器程序设计2.1 可编程控制器选择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。2.2 十字路口交通灯模拟控制时序图和此行人道相交叉的主干道红灯启动行人道绿灯2S10S盲人脉冲按键控制时序图4S十字路口行人道交通灯模拟控制时序图14S10S南北绿东西红东西绿南北红启动启动南北红东西绿东西黄东西红南北绿南北黄10S2S2S10S2S2S14S10S2S2SONOFF十字路口主干道交通灯模拟控制时序图南北红东西绿东西黄东西红南北绿南北黄152S2S10S2S2S14S152S2S东西向绿灯延时时序图启动OFFON2.3 可编程控制器I/O端口分配启动开关0000停止开关0001东西主干道绿灯1000东西主干道黄灯1001东西主干道红灯1002南北主干道绿灯1003南北主干道黄灯1004南北主干道红灯1005东西行人道绿灯1100东西行人道红灯1101南北行人道绿灯1102南北行人道红灯1103东西向绿灯延迟控制按钮0004南北向绿灯延迟控制按钮0005东西盲人脉冲按钮0003南北盲人脉冲按钮0002 PLC000000011000100110021003100410051100110111021103交通灯控制PLC I/O端口00020003000400052.4 程序设计0LD 00001OR 203002AND-NOT 00013AND-NOT 200004OUT 203005LD 203006AND-NOT 200017AND-NOT 202038OUT 203019LD 2030110OR TIM 00511OR TIM 02712OR 2000013AND-NOT TIM 00214AND-NOT 2010315AND-NOT 000116OUT 2000017TIM 000 #10018TIM 001 #12019TIM 002 #14020LD TIM 00221OR 2000122OR TIM 01823AND-NOT TIM 00524AND-NOT 000125AND-NOT 2020326OUT 200127TIM 003 #10028TIM 004 #12029TIM 005 #14030LD 000431OR 2010032AND-NOT 000033AND-NOT 000534AND-NOT 000135OUT 2010036LD 2010037AND 2010538OUT 2010239LD TIM 00540OR TIM 02741OUT 2010542LD 2010243OR 2010344AND-NOT 000145AND-NOT TIM 01846OUT 2010347TIM 016 #15048TIM 017 #17049TIM 018 #19050LD 000551OR 2020052AND-NOT 000153AND-NOT 000054AND-NOT 000455OUT 2020056LD TIM 00257LD TIM 01858OUT 2020559LD TIM 2020060AND 2020561OUT 2020262LD 2020263OR 2020364AND-NOT 000165AND-NOT 02766OUT 2020367TIM 025 #150 68TIM 026 #17069TIM 027 #19070LD 2000071AND-NOT TIM 00072LD 2010373AND-NOT TIM 01674OR LD75AND-NOT 000176OUT 2000277LD TIM 00078AND-NOT TIM 00179LD TIM 01680AND-NOT TIM 01781OR LD 82AND-NOT 2000483AND-NOT 000184OUT 2000385TIM 006 #00286LD TIM 00687OR TIM 00888OR TIM 01089OR TIM 00990OR 2000491AND-NOT TIM 00792AND-NOT 000193OUT 2000494TIM 007 #00295LD 2000296OR 2000397AND-NOT 000198AND-NOT 2000999OUT 1000100LD TIM 001101AND-NOT TIM 002102LD TIM 017103AND-NOT TIM 018104OR LD105AND-NOT 20009106AND-NOT 0001107OUT 1001108LD 20000109AND-NOT TIM 002110LD 20103111AND-NOT TIM 018112OR LD113AND-NOT 20009114AND-NOT 0001115OUT 1103116LD20000117AND-NOT TIM 002118LD 20103119AND-NOT TIM 018120OR LD121AND-NOT 20103122AND-NOT 0001123OUT 20015124LD 20015125OR 20014126AND-NOT 0001127OUT 1005128LD 20001129AND-NOT TIM 003130LD 20203131AND-NOT TIM 025132OR LD133AND-NOT 0001134OUT 20005135LD TIM 003136AND-NOT TIM 004137LD TIM025138AND-NOT TIM 026139OR LD140AND-NOT 20004141AND-NOT 0001142OUT 20006143TIM 008 #002144LD 20005145OR 20006146AND-NOT 20013第3章 总结3.1 难点分析 本程序在设计过程遇到了一些难点我把它整理了一下发现有以下几个问题。3.1.1 行人道红绿灯和主干道红绿灯的对应关系 因为实际的红绿灯控制中行人道的红绿灯和主干道的红绿灯是有这一定的对应关系的，所以在编程前一定要理清它们，这样有利于在编程时简化程序、减少PLC不必要的运算。3.1.2 盲人脉冲按键 盲人在东西南北的行人道同时通过十字路口的情况不会经常出现，可以说是非少的，如果我们要把盲人脉冲分开东西控制和南北控制使他不影响和它没关系的主干道就可以使车辆行走更加通顺减少车辆堵塞的情况。要实现这样的功能就要在脉冲按键按下时不影响他们的计时程序只在对应的主干道红绿灯输出程序上进行插入常闭继电器以此把输出程序断开。3.1.3 手动车流控制按键的控制方式 手动车流控制按键是对相应的主干道绿灯延长的进行控制，但不能使它在按下时使改变当时的红绿灯显示情况，如现在是南北红灯东西绿灯时按下南北绿灯延长按键就不能使它变成南北绿灯东西红灯。这就涉及到了一个请求和响应的关系。3.1.4 交通灯的闪亮 交通灯绿灯在实际运行中是要经过闪烁的，所以在设计程序中也要加入这个功能，参考了一些PLC的交通灯程序介绍时发现PLC中有一些继电器可以实现闪烁这些继电器也就是PLC内部的功能继电器，这是一种硬件实现功能的方法，虽然程序可以减少但比较死板闪烁频率不能控制。由于对PLC内部的功能继电器不太熟悉（不同型号的PLC内部功能继电器编号也不一样）我想了一个用程序实现的方法（程序段在第86条第94条指令之间），此方法可以说是软件实现功能的方法，虽然程序加长了但闪烁频率可以控制比较灵活。3.2 调试错误与修改方法 经过设计，想一次性把程序完成是非常难的，在调试中就出现了不少的错误。刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来而且在完成了一个周期后就循环不起来了。那时真的不知道从哪里入手，只好一条一条地检查才发现了一条指令把常闭写成了输出真正的输出口就没有收到信号了。灯虽然是亮了但仍然循环不起来。从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出来。突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控，于是发现了在程序的第一周期一切都运行正常但再运行下去的时候第二周期就再没有反应了，包括里面的辅助继电器，最后发现原来是程序前面没有并上完成这个循环的继电器号。后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了。虽然找错误是一个枯燥无味的工作，但只要你耐心的去做的话，你肯定能学到有用的动西。3.3 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。3.4 收获与感悟经过艰苦奋斗，设计成果终于出来了，我才松了一口气，我通过采集资料、进行实际考察后，做出以上设计的方法。查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上有