十字路口带倒计时显示交通信号灯控制.doc

淮 海 工 学 院 课程设计报告书 课程名称： 电气控制系统课程设计 题 目：十字路口带倒计时显示交通信号灯控 制 系（ 院）： 电子工程学院 学 期： 专业班级： 姓 名： 学 号： 评语： 第 2 页 成绩： 签名： 日期： 目目 录录 第第 1 1 章章 绪绪 论论.2 2 第第 2 2 章章 系统设计系统设计.3 3 2.12.1 控制要求控制要求 .4 2.22.2 十字路口的系统框图十字路口的系统框图 .4 2.32.3 工作原理图工作原理图 .5 2.42.4 PLCPLC 外部接线图外部接线图 .5 2.52.5 主流程图主流程图 .6 2.62.6 紧急强通流程图紧急强通流程图 .7 第第 3 3 章章 编程设计编程设计.7 7 3.13.1 信号灯控制编程元件表信号灯控制编程元件表 .7 3.23.2 梯形图梯形图 .8 第第 4 4 章章 仿真与调试仿真与调试.9 9 第 3 页 小小 结结.1313 参考文献参考文献.1414 第第 1 1 章章 绪绪 论论 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。 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，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控 制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应 用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了 能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC 是必要的。 随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置 远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动 控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产 第 4 页 品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充 分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统 化设计，配置灵活、组态方便。 可编程控制器交通灯控制系统的特点： 脱机手动工作； 联机自动就地工作； 上机控制的单周期运行方式； 由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制； 自动启动、自动停机控制方式。 近年来 PLC 的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。 本系统采用 PLC 是基于以下四个原因： PLC 具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在 30 万小时以上； 编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现； 抗干扰能力强，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； 根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司 S7-200 型 PLC。西门子 PLC 有小型化、高速度、高性能等特点，是 S7-200 系列中最高 档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输 入扩充设备，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序控制器(PLC)对十字 路口交通控制灯实现控制。 第第 2 2 章章 系统设计系统设计 2.12.1 控制要求控制要求 采用 PLC 构成十字路口带倒计时显示的南北向和东西向交通信号灯的电气 控制。系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个 3 位转换开关 SA1 控制。 SA1 手柄指向左 45 时，接点 SA1-1 接通，交通指挥系统开始按常规正常控制 功能工作，按照如图 2-1 所示工作时序周而复始，循环往复工作。正常运行时， 南北向及东西向均有两位数码管倒计时显示牌同时显示相应的指示灯剩余时间 值。SA1 手柄指向中间 0 时，接点 SA1-2 接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮， 东西向红灯常亮，数码管显示 99 不变。SA1 手柄指向右 45 时，接点 SA1-3 接 第 5 页 通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮，数码管显示 99 不变。控 制信号说明见表 2-2。 图 2-1 十字路口交通灯正常工作时序 表 2-2 十字路口交通灯控制信号说明 2.22.2 十字路口的系统框图十字路口的系统框图 为了确保车辆在十字路口顺利通过，往往采用自动控制的信号灯来指挥。 其中红灯（）辆，表示禁止通行；黄灯（Y）亮表示警告；绿灯（G）亮表示 允许通行。交通控制器的系统框图如图 2-3 所示。 输 入输 出 文字符 号 说 明文字符号说 明 SA1-1 交通灯正常工作控制开关 H1 南北向绿灯指示 SA1-2 南北向交通灯常绿控制开关 H2 南北向黄灯指示 SA1-3 东西向交通灯常绿控制开关 H3 南北向红灯指示 H4 东西向绿灯指示 H5 东西向黄灯指示 H6 东西向红灯指示 H11 南北向 2 位七段数码显示管 H12 东西向 2 位七段数码显示管 第 6 页 图 2-3 交通等控制器系统框图 2.32.3 工作原理图工作原理图 工作方式满足图 2-4 所示顺序工作流程。图中设南北方向的红、黄、绿灯 分别为 NSR、NSY、NSG，东西方向的红、黄、绿灯分别为 EWR、EWY、EWG。 两个方向的工作时序：东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时 间之和，南北方向亮红灯时间应等东西方向亮黄、绿灯时间之和。假设每个时 间单位为 5S，则南北 、东西方向绿、黄、红 左行道灯亮时间分别为 30S、25S、2S，一次循环为 60 秒。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时 间之和，黄灯是间歇闪烁。 图 2-4 交通信号灯工作流程 2.42.4 PLCPLC 外部接线图外部接线图 由图 2-5，我们需要 4 个输入点，6 个输出点。因此本设计可采用的是西 门子 S7-200 CPU222 AC/DC/继电器型号的 PLC，另加一个扩展模块 EM223 16DI/16DODC24V。 第 7 页 图 2-5 外部接线图与拓展模块 图 2-6 74LS48 管脚图 2.52.5 主流程图主流程图 第 8 页 图 2-7 主流程图 2.62.6 紧急强通流程图紧急强通流程图 图 2-8 紧急强通流程图 第第 3 3 章章 编程设计编程设计 3.13.1 信号灯控制编程元件表信号灯控制编程元件表 输 入输 出机 内 器 件 南北红灯：Q0.1 T33：南北红灯工作 30S 东西绿灯：Q0.2 T97：东西红灯工作 30S 交通灯工作开关 I0.0 南北向交通灯常绿控 制开关 I0.2 东西向交通灯常绿控 制开关 东西黄灯：Q0.3 T99：东西绿灯工作 25S 第 9 页 东西红灯：Q0.4 T100：东西绿灯闪烁 3S 南北绿灯：Q0.5 T98：东西黄灯工作 2S 南北黄灯：Q0.6 T34：南北绿灯工作 25S T35：南北绿灯闪烁 3S I0.3 T36：南北黄灯工作 2S 3.23.2 梯形图梯形图 第 10 页 - 第第 4 4 章章 仿真与调试仿真与调试 第 11 页 1 按下开关 I0.0,交通灯开始工作,南北红灯 Q0.1 与东西绿灯 Q0.2 分别亮,持 续时间分别为 30 秒与 25 秒,如图 3-2 图 3-2 2、东西绿灯 Q0.2 亮 25 秒后闪烁 3 下,间隔 0.5 秒,然后转为东西黄灯 Q0.3,并 亮 2 秒,南北仍然为红灯 Q0.1,如图 3-3 图 3-3 3、南北红灯 30 秒后转为南北绿灯 Q0.5,持续亮 25 秒,东西黄灯 Q0.3,2 秒后转 为东西红灯 Q0.4,持续亮 30 秒,如图 3-4 第 12 页 图 3-4 4、南北绿灯 Q0.5 亮 25 秒后,闪烁 3 下,间隔 0.5 秒后转为南北黄灯 Q0.6,东西 仍然为红灯 Q0.4,如图 3-5 图 3-5 5、南北黄灯 Q0.6 亮 2 秒后转为南北红灯 Q0.1,东西红灯 Q0.4 亮 30 秒后转为 东西绿灯 Q0.2,依次循环,如图 3-6 第 13 页 图 3-6 6、按下 I0.2，南北方向绿灯 Q0.2 常亮，东西方向交通灯保持不变，数码管显 示 99 不变,如图 3-7 如图 3-7 7、按下 I0.3，东西方向绿灯 Q0.5 常亮，南北方向交通灯保持不变,数码管显 示 99 不变，如图 3-8 第 14 页 图 3-8 小小 结结 当我知道我的课题是：交通信号灯控制系统的设计,我想这个课题是很容易 的，这样我更应该做的更好。当真正做起来的时候，还是觉得有点困难的，有 些东西以前学了，但现在用起来可能又有点疑问。就如画电气原理图吧，整体 的构造脑海里都有一个整体的概念。而你要画出来的话，你可能会遇到细节上 的问题，比如说按钮开关的方向是怎样，以及怎么划分区域等。遇到这些问题 的时候都能让你主动去翻书，复习这些陌生的知识。我认为这是一种最好的学 习方法通过实践去检验自己的知识。这个只有你自己投入进去你才能发现 自己知识点的欠缺。做为一名电气专业的学生对电器原理图的了解更应该有深 刻的认识，知道它的重要性。要能看的懂，给你一张电气原理图，你要能够写 出梯形图。 查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上有资料但要找到一些真正有用的 资料也不是一件容易的事，需要耐心查找。 在程序设计过程中，我对以前的编程方法做了归纳，之前我习惯用功能流 程写程序，遇到难点的时候习惯翻书，对照例子提取点精华。现在能灵活运用 经验设计法、电气原理图设计法、顺序控制设计法。特别多顺序控制设计有了 一定的了解。这里面最经典我认为是单序列的编程方法、选择序列的编程方法 和并行序列的编程方法这个三个是很值得研究的，也是一种格式。只要你能熟 悉掌握，灵活应用的话，那么编程对你来说将变的非常容易。一个流程图无论 多么复杂，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法编程了。当然 对于简单的流程也可以用顺序设计。这种方法也是一种固定的格式，只要按照 它的格式就可以写出正确的程序，它的优点可以说易懂，条理清晰。但结构多。 对于活动步多的设计我想用这个设计比较烦琐。 第 15 页 更加体会到 PLC 的可靠性高，抗干扰能力强，.通用性强，控制程序可变， 使用方便等优点。更加熟悉了西门子编程软件使用方法与各种基本指令。 这次的课程设计使我把可编程控制器的理论知识用在实践中，实现了理论 和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性， 让我受益匪浅， 对我以后工作中遇到问题或者继续学习将会产生巨大的帮助和 影响。 参考文献参考