十字路口交通灯PLC.doc

基于可编程十字路口交通灯的设计专 业： 10级机械2班 姓 名： 张 辉 学 号： 03051002001 指导教师： 杨 超 实验成绩： 目 录摘要第一章 引言.1第二章 十字路口交通灯控制.12.1 交通信号控制系统分析.12.1.1 十字路口交通灯控制实际情况描述.12.1.2 十字路口交通灯的路况画出模拟图.22.1.3 结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验.2 第三章 交通灯控制设计.4 （一） 交通灯控制系统硬件设计.43.2.1 PLC选择.43.2.2 可编程控制器I/O端口分配.83.2.3 PLC的外部接线图.9 （二） 交通灯控制系统软件设计.103.3.1 十字路口交通灯模拟控制时序图.103.3.2 流程图.113.3.3 程序梯形图.15第四章 毕业设计总结.25第五章 致谢.27 摘要城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。所以经典控制法很难得到满意的效果。而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。关键词：交通; 智能控制; PLC 第一章引言交通信号灯的出现，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。第二章 十字路口交通灯控制2.1 交通信号控制系统分析2.1.1 十字路口交通灯控制实际情况描述（1）南北方向绿灯和东西方向的绿灯不能同时亮；如果同时亮，则应自动立即关闭信号灯系统，并立即发出报警信号。 （2）系统工作后，首先南北红灯亮并维持25s；与此同时，东西绿灯亮，并维持20s时间，到20s时，东西绿灯闪亮，闪亮 13s后熄灭。（3）在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持2s，然后东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。 （4）东西红灯亮并维持30s；与此同时，南北绿灯亮并维持25s；然后，南北绿灯闪亮3s后熄灭。 （5）南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持2s后熄灭；同时南北红灯亮，东西绿灯亮。至此，结束一个工作循环。2.1.2 十字路口交通灯的路况画出模拟图2-1 交通灯示意图2.1.3 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 2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：当南北主干道红灯点亮时，东西主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。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。除此之外还可以拥有其它功能，如使用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 3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。本系统增加了急车强通的功能。急车强通信号受急车强通开关的控制。有急车来时，将该方向急车强通开关接通，无论原来信号灯的状态如何，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。急车一过，将急车强通开关断开，信号灯的状态立即转为急车放行方向上的绿灯闪3次，随后按正常时序控制。急车强通信号只能响应一路方向的急车，若两个方向先后来急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。第三章 交通灯控制设计（一） 交通灯控制系统硬件设计3.2.1 PLC选择 一、PLC机型和容量的选择步骤与原则随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 4PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： 1、合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。 2、安装方式的选择 PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。 集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。 3、相应的功能要求 一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能， 5对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。 对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。 4、响应速度要求 PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。 5、系统可靠性的要求 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。 6、机型尽量统一 主要考虑到以下三方面问题： 1)机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。 62)机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。 3)机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。 二、PLC容量的选择步骤与原则 PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面。 1、IO点数的选择 PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的裕量。 通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的裕量来确定。 2、存储容量的选择 用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。 PLC的IO点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%30%的裕量。 存储容量(字节)开关量IO点数10模拟量IO 7通道数100三、本系统选择的PLC 本次交通灯设计采用的是来自OMRON的CPM1A-30CDR-A可编程控制器。产品规格：CPM1A CPU单元在编程环境等方面，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。3.2.2 可编程控制器I/O端口分配根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启、停止按钮信号和强通车按钮信号；输出有东西方向、南北方向各两组指示信号和故障指示驱动信号。由于每一个方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为了节省输出点数，可采用并联输出方法。由此可知，该系统所需的输入点数为4，输出点数为7，全部是开关量，则可将I/O分配用表4-1表示8 表3-1 交通指挥灯的I/O分配表输入元件输入地址输出元件输出地址开启按钮SB10.00南北绿灯F01.05停止按钮SB20.01南北黄灯F11.06东西急车强通开关SB30.02南北红灯F21.01南北急车强通开关SB40.03警灯（故障指示）F31.07东西绿灯F41.02东西黄灯F51.03东西红灯F61.043.2.3 PLC的外部接线图根据上述I/O表可知，I/O所需点数只有11点，故选用CPM1A微型PLC即可。PLC外部输入输出的信号接线如图4-2所示。其中，每一方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯并联，用PLC的同一个输出点。 93-2外部输入输出的信号接线图（二） 交通灯控制系统软件设计3.3.1 十字路口交通灯模拟控制时序图 交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制要求按一定时序进行，如图4-2所示。 104-3 十字路口交通信号灯控制时序图图3-4 急车强通控制时序图3.3.2 流程图 114-5 主程序流程图启动电源，信号输入先传送到急车强通控制，无线接收数据相同时执行急车强通的子程序，若无就进入正常时序状态。 124-6正常时序流程图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3-7 盲人脉冲按键控制流程图133-8手动控制车流量流程图143-9 急车强通流程图3.3.3 程序梯形图1.正常时序梯形图根据对交通信号灯的控制要求及PLC控制系统的I/O分配的定义，可对PLC进行控制程序的设计，其梯形图如图4-10所示。下面对所设计的梯形图作说明如下：供信号灯闪光控制用的方波发生器有定时器TIM001和IR继电器1.00组成，方波发生器产生周期为1s(接通0.5s，断开0.5s)的方波脉冲。当启动开关和上时，0.00接通，使1.01和1.02接通，南北红灯亮、东西绿灯亮，TIM002开始计时（计时时间为20s）。计时时间到，TIM002的动合触点闭合，其动断触点断开，通过1.00、TIM003使1.02按照1.00的通断周期通断，东西绿灯闪光，TIM003开始计时。当东西绿灯闪亮3次（时间为3秒）时，TIM003计时到，其动断触点断开，使1.02断开，东西绿灯闪光熄灭。TIM002的动合触点闭合使1.03接通，东西黄灯亮，TIM004开始计时（计时时间为2s）。计时时间到时TIM004的动断触点断开，使1.01、1.03断开，南北红灯熄灭、东西黄灯熄灭。TIM004的动断触点闭合，使1.04、1.05接通，东西红灯亮、南北绿灯亮，TIM005开始计时（计时时间为25s）。计时时间到时TIM005的动合触点闭 15合，其动断触点断开，通过1.00和TIM006的动断触点使1.05按照1.00的通断周期通断，南北绿灯闪光，TIM006开始计时。计时3s到时TIM006的动断触点断开，使1.05断开，南北绿灯闪光熄灭。TIM006的动合触点闭合，使1.06接通，南北黄灯亮，TIM007开始计时（计时时间为2s）。计时时间到时TIM007的动断触点断开，使1.05和1.06断开，东西红灯和南北黄灯熄灭，同时使TIM002、TIM003、TIM004、TIM005、TIM006、TIM007计时器全部复位（断开），于是TIM004的动断触点及TIM002的动断触点都闭合，分别使南北红灯亮和东西绿灯亮，开始第二周期的动作，以后周而服饰地进行。当停止开关闭合时，1.01和1.02及全部计时器断开，使全部输出继电器断开，全部信号灯熄灭。当1.02和1.05，也就是东西绿灯和南北绿灯同时点亮时，报警电路接通，系统报警，应立即关闭交通灯，进行故障处理。当系统需要停止时，按下0.01即可。交通灯控制的PLC梯形图如下： 16 17 183-10交通灯正常时序梯形图2. 急车强通控制梯形图在4-10所示的正常时序控制梯形图的基础上增加急车强通控制，其梯形图如图4-11所示。图中，用2.00和2.01实现东西、南北急车强通互锁，以保证是响应一路方向的急车。为了保证在急车强通完时发一信号，是信号灯按照急车强通完后点的时序动作，用2.10、2.02实现东西强通完（即0.02断开）时由2.02发一脉冲，用2.11、2.12实现在南北强通完（即0.03断开）时由2.12发一脉冲。为了避免在PLC刚投入运行时2.10和M211接通，使2.02和2.12错发脉冲，这里设置了2.04和2.14。当强通信号接通（即0.02或0.03接通）时，2.04或2.14被置位，2.04的动合触点闭合或2.14的动合触点闭合，为急车强通完后发脉冲做准备，急车强通完后，2.02或2.11才发脉冲。为了使2.02和2.11发出的脉冲信号变为持续接通信号，这里设置了2.03和2.13，它们通过自己的动合触点实现自保。当强通完成后的动过进行完最后一步，即TIM007计时到时，TIM007的动断触点断开，使2.03和2.13断开，按正常时序控制从头开始运行。当东西急车强通开关和上时，0.02接通，2.00的动断触点断开，使TIM001、TIM002、TIM003、TIM004、TIM005、TIM006、TIM007计时器全部断开。2.00的动合触点闭合，使1.01和1.02接通，南北红灯亮、东西绿灯亮，让东西急车放行。 19当东西急车强通开关断开时，2.00断开，2.10接通，2.02发出脉冲，使2.03接通并自保，2.03的动合触点断开，使“东西绿灯”支路及“东西绿灯计时”支路断开。2.03的动合触点闭合，使1.01继续接通，南北红灯继续亮，使“东西绿灯闪”支路及“东西绿灯闪计时”支路接通，TIM003开始计时。当东西绿灯闪3次（时间为3秒）时，TIM003计时到，其动断触点断开“东西绿灯闪”支路，其动合触点接通1.03和TIM004，东西黄灯亮并计时，以后按正常时序动作。当动作进行完最后一步，即TIM007及时到时，TIM007的动断触点断开，使2.03断开，按正常时序控制从头开始运行。同理，当南北急车强通开关合上时，0.03接通，2.01接通，2.01的动断触点断开，使TIM002、TIM003、TIM004、TIM005、TIM006、TIM007计时器全部断开。2.01的动合触点闭合，使1.04和1.05接通，东西红灯亮、南北绿灯亮，让南北机车放行。当南北急车强通开关断开时，0.03断开，2.01断开，2.12发出脉冲，使2.13接通并自保，2.13的动断触点断开，使TIM001及其它计时器继续断开。2.13的动合触点闭合，使1.04继续接通，东西红灯继续亮，使“南北绿灯闪”支路及“南北绿灯闪计时”支路接通，TIM006开始计时。当南北绿灯闪3次（时间为3秒）时，TIM006计时到，其动断触点断开“南北绿灯闪”支路，其动合触点接通1.06及TIM007，南北黄灯亮并开始计时。当 20TIM007计时到时，其动断触点断开，使2.13断开，按正常时序从头开始运行。 急车强通交通灯控制的PLC梯形图如下： 21 22 233-10急车强通交通灯梯形图24第四章 毕业设计总结 由于本人对欧姆龙的PLC学习甚少，这在编程中给我带来了很多麻烦，很多指令不知如何去写。我只好再去查看它的使用手册。经过不懈努力，最后终于把程序编出来了，虽然还可能存在一些问题设计，但是心情还是很愉快的。其实交通现场实况车辆的流量是变化的，本设计只是对其路灯起到一个开关的作用，即开关量控制系统。由于所学知识及能力有限，无法对其路灯进行智能化控制，只增加了急车强通的功能。我就对其它智能化控制路灯作一些原理上的