具有车流量监控的PLC智能交通灯控制.docx

燕山大学课程设计说明书第1章 引言1.1 城市交通的现状随着社会经济的快速发展，城市机动车的不断增多，从而引发的交通问题越来越突出。交通是否便捷是衡量一个城市基础建设的重要标准。目前，我国城市十字路口的交通灯控制系统基本上是采用定时控制方式，这样会产生弊端，如某条道路的车流量很大却要等红灯，而另一条道车流量相对少的多却依然亮着绿灯，这种状况是没有对道路进行实时监控造成的。这样的交通控制效率低，容易造成交通拥挤。1.2 本文研究的目的和意义在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为人的安全提供了强有力的保障。但是，随着经济、社会的快速发展，传统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灯控制通常的做法是：事先做好道路车流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的时间设置为固定值。然而，十字路口不同时刻的车流量是不固定的，采用固定时间的控制系统，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象或多车等待现象，影响了道路的畅通，这种控制方法已经不能适应现在的交通现状。具有车流量监控的PLC交通灯智能控制能够根据车流量的变化自动调节红绿灯的时长，最大限度减少十字路口的车辆滞留现象，有效的缓解了交通拥挤，实现的交通控制系统的最优控制，大大提高了交通控制系统的效率。随着我国人民生活水平的不断提高，城市化的推进和私家车数量的增加，道路交通拥挤的现象日益突出，智能交通控制系统有广大的应用前景。1.3 本文研究的主要思路和内容由于城市的高速发展，交通拥挤也随之增加，为了实现交通的道路的管理，力求交通管理的科学化、智能化。通过传感器检测车流量，用PLC可编程控制器实现交通灯的控制系统。该系统实现简单、经济，能够有效的疏通交通，提高了交通路口的通行能力。本课题主要用传感器和PLC相结合，以车辆等待绿灯的滞留量来确定该方向是否繁忙。如图1以南北方向为例，每当车辆进入十字路口须进过传感器S1或N1，这时传感器产生一个脉冲信号送至PLC，通过计数器进行加1运算，如果此时还是绿灯，车辆继续前行通过十字路口处近端传感器S2或N2，同样传感器产生一个脉冲信号送至PLC，通过计数器进行减1运算（同一方向的2个传感器相距150米）。PLC对传感器S1或N1脉冲信号的计数就可以记录驶进路口的车辆数X，PLC对传感器S2或N2脉冲信号的计数就可以记录驶出路口的车辆数，将两个相对方向X、Y的数值合并成一组，南北方向车辆的滞留量Z1=X-Y。同理可得，东西方向车辆的滞留量Z2。当-10Z1-Z210时，则为一般情况，交通灯按正常时序亮。当Z1-Z210时，则为南北方向繁忙，东西方向一般，南北方向直行绿灯时长增加10s，左转绿灯时长增加10s。当Z1-Z2-10时，则为东西方向繁忙，南北方向一般，东西方向直行绿灯增加10s，左转绿灯增加10s。绿灯时长控制表如表1所示。以上车辆的计数和车流量的比较及绿灯时长控制都由PLC完成。各传感器检测车辆，在一个红绿灯周期中，每当东西绿灯或南北绿灯亮之前，PLC都要依据脉冲的计数并进行比较判定来调整东西或南北绿灯时长。车流量监控的PLC交通灯智能控制原理如图2所示。第2章 车流量监控的PLC交通智能控制方式2.1 PLC简介可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动控制、电器方面的知识。经过30多年的发展，在工业生产中获得极其广泛的应用。目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。可编程控制器（PLC）是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用一类可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、计时、计数与算术运算等操作指令，并能通过数字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及其有关外部设备都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC通过编程器编制控制程序，即将PLC内部的各种逻辑部件按照控制工艺进行组合以达到一定的逻辑功能。PLC将输入信息采入到PLC内部，之后执行逻辑部件组合后所达到的逻辑功能，最后输出控制要求。这就是PLC的基本控制原理。2.2 传感器的选择和工作原理电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线，特别适合新铺道路，可以用混凝土直接埋设，老路则需挖开在埋。当有高频电流流过电感时，公路面上就会形成如下图中虚线所形成的高频磁场。当汽车驶进这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值，当汽车离开这一高频磁场区时，该感应线圈的电感逐渐恢复到初始状态。由于电感变化，该感应线圈中流过的高频电流的振幅和相位发生变化，所以在环的始端连接上检测振幅或相位变化的检测器，就可以得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化就可以知道汽车的存在与通过。电感式传感器的高频电流频率为60KHz，尺寸为23m，电感约为100H，这种传感器可以检测的电感变化率在0.3%以上。电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美貌考虑，它是理想的传感器。传感器最好选用能防潮性能好的原材料。车辆检测原理及检测电路电压脉冲输出波形如图2所示检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器，并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成：信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。原理图如图3所示，输出脉冲波形见图2。2.3 智能交通灯的控制方式交通灯受启动按钮控制。当按下启动按钮时，交通灯系统开始工作。当按下停止按钮时，交通灯熄灭，停止工作。正常情况下，东西方向，直行道绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s，然后红灯亮75s，左转道红灯亮25s，然后绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s，红灯再亮50s；南北方向，直行道红灯亮50s，然后绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s，红灯在亮25s，左转道红灯亮75s，然后绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s。按这种方式循环工作。当某一方向繁忙时，以东西方向为例，即Z1-Z2-10,东西方向绿灯时长增加10s，南北方向红灯时长增加10s，其余时间不变，再循环。东西方向绿灯和南北方向绿灯不能同时亮，否则报警器响并关闭系统。2.4 急行车控制方式急行车强通信号受强通开关控制。无急行车时，交通灯按正常时序工作。当有急行车时，按下强通开关，不管原来交通灯状态如何，一律强制让急行车方向绿灯亮，另一方向红灯亮，直到急行车通过。急行车通过后，打开强通开关，按下启动按钮，交通灯继续正常工作。急行车强通信号只能响应一个方向的急行车，若两个方向先后来急行车，则响应先来的一方，随后再响应后来的一方。若两个方向同时来急行车，则安先东西方向，再南北方向的顺序响应。急行车控制流程图如图4所示。2.5 智能控制流程图该系统的智能控制流程图如图5所示。第3章 PLC的硬件设计3.1 I/O分配表系统输入信号：2个手动按钮，2个手动开关，8个传感器输入点，再增加3个输入点作为备用，共需要15个输入点。系统输出信号：东西和南北需要12个输出点，报警器需要1个输出点，再增加3个输出点作为备用，共需要16个输出点。序号输入设备端口1启动按钮SB1X0002停止按钮SB2X0013东西强通开关SB3X0024南北强通开关SB4X0035传感器S1X0046传感器S2X0057传感器N1X0068传感器N2X0079传感器E1X01010传感器E2X01111传感器W1X01212传感器W2X013输入分配表序号输出设备端口1南北直行红灯Y0002南北直行绿灯Y0013南北直行黄灯Y0024南北左转红灯Y0035南北左转绿灯Y0046南北左转黄灯Y0057东西直行红灯Y0068东西直行绿灯Y0079东西直行黄灯Y01010东西左转红灯Y01111东西左转绿灯Y01212东西左转黄灯Y01313报警器Y014输出分配表3.2 PLC的选型本设计采用三菱的FX2N-32MR机型，该控制器有16个输入点和16个输出点，性能高体积小，程序存储器的容量可以扩至8K，采用循环扫描的方式，完全可以满足需要。该系统的电气接线图如图6所示。第4章 PLC编程设计4.1 PLC梯形图第5章 全文总结本设计采用传感器、PLC、交通灯相结合，能监控车流量并根据车流量的比较自动调节十字路口红绿灯时长，实现了对交通系统的智能控制，对缓解交通拥挤，提高道路通行能力有显著效果。当有急行车到来时，通过人工控制，使急行车快速顺利的通过，减少了交通事故的发生，保障了人身安全。交通灯系统是城市道路的基础设施，良好的交通状况是一个城市发展水平和人们生活水平的象征，因此交通灯的智能控制有很大的研究价值及应用前景。在这个两个星期的PLC课程设计，通过查阅相关资料，了解了传感器的工作原理，信号转换的过程，交通灯的智能控制原理。通过自己的努力和老师的指导完成了传感器的设置、程序流程图的设计、PLC的选型、程序梯形图的编程，实现了交通灯的智能控制，符合了控制要求。这次课程设计使自己认识到自己学到的知识还不够全面，需要更加扎实的学习基础知识。同时，要把学到的知识运用到实践中去，做到理论与实践相结合。实践中会出现各种因素的影响，需通过自己的努力克服这些困难，最终完成设计。致谢PLC课程设计结束之际，本人向郭忠南等老师致以崇高的敬意和由衷的感谢。郭老师等知识渊博，治学态度严谨细致，工作一丝不苟。郭老师等在本人设计过程中，对论文结构，设计要求、原理等方面提出了大量的宝贵意见，为本人完成设计起到了至关重要的作用。参考文献1漆汉宏主编.PLC电气控制技术.北京：机械工业出版社，2006,12.2胡学林.可编程控制