【电气工程及其自动化】基于plc的智能交通灯控制系统设计

本科生毕业论文（设计）基于PLC的智能交通灯控制系统设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月25日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111城市交通的现状112交通灯的发展概况113研究的目的及意义214主要研究内容32交通灯控制系统421PLC选型4211数字量输入4212数字量输出422车辆的检测与计数5221电感式传感器6222电路原理框图6223车辆计数723控制系统接线83交通灯程序设计931定时循环控制方式932智能控制方式9321智能控制原则10322程序的设计1133急车强通控制方式134程序编程和调试1441编程软件简介14411软件主界面14412PLC程序调试1442运行调试15421模拟定时循环控制15422模拟智能控制1643源程序175结论与展望1851结论1852展望18参考文献19附录A20致谢基于PLC的智能交通灯控制系统设计摘要针对我国交通灯系统大部分依旧使用定时循环控制，交通效率低下、交通拥挤的情况下，本文研究并设计基于PLC的智能交通灯控制系统。此系统主要使用了PLC和电感式传感器相结合的方法，自动获取车辆数据，根据车道内滞留量自动地延长红绿灯时长，从而提高十字路口的交通效率，缓解交通拥挤，并完成控制系统的硬件选择以及程序的设计，同时对所设计的程序进行仿真调试。关键词三菱PLC；电感式传感器；智能交通灯DESIGNOFINTELLIGENTTRAFFICLIGHTCONTROLSYSTEMBASEDONPLCABSTRACTTRAFFICLIGHTSSYSTEMINCHINA,MOSTSTILLUSETIMINGCYCLECONTROL,TRANSPORTATIONUNDERTHECONDITIONOFLOWEFFICIENCY,HEAVYTRAFFIC,THISPAPERRESEARCHANDDESIGNOFINTELLIGENTTRAFFICLIGHTCONTROLSYSTEMBASEDONPLCTHISSYSTEMMAINLYUSESTHEPLCANDTHEMETHODOFCOMBININGTHEINDUCTIVESENSOR,AUTOMATICVEHICLEDATA,ACCORDINGTOTHEINSIDELANEHOLDUPAUTOMATICALLYEXTENDEDLENGTHATTHETRAFFICLIGHT,ANDTHUSIMPROVETHEEFFICIENCYOFINTERSECTIONTRAFFIC,EASETRAFFICCONGESTION,ANDCOMPLETESTHECONTROLSYSTEMHARDWARESELECTIONANDTHEDESIGNOFTHEPROGRAM,ATTHESAMETIME,THEPROGRAMDESIGNEDFORTHESIMULATIONDEBUGGINGKEYWORDSMITSUBISHIPLCINDUCTIVESENSORINTELLIGENTTRAFFICLIGHT1绪论11城市交通的现状随着社会经济的快速发展，城市化建设进程步伐的加快，在机动车的拥有量及道路交通运输量急剧增加的情况下，各大城市城市交通拥堵的现象日益严重。城市交通面临的严峻挑战，严重阻碍了城市经济的持续健康发展。城市交通是影响和带动整个城市功能布局发展、改善人们居住生活与出行条件的一个重要因素。城市道路交通拥堵是世界各国在城市化建设中普遍面临的问题，它既是一个社会问题，也是世界各国所面临的共同问题。在我国，出现道路全面紧张的主要原因有两个方面（1）道路交通基础设施落后，路网结构不合理，交通需求的年增长速度是道路建设速度的10多倍，使得道路交通设施运输能力不能满足需求。（2）道路交通管理设施落后，交通流组织和管控水平不高，措施不完善。我国特有的行人、非机动车和机动车三元混合交通流结构，又使得现有道路交通设施的运输能力得不到充分利用而加重了交通拥堵。12交通灯的发展概况世界上最早的交通灯出现于1868年英国伦敦。当时的交通灯信号灯只有红、绿两色，后来经过研究，再增加一盏黄色的信号灯，红灯表示为停止，黄灯表示为准备，绿灯则表示为通行。1928年，中国道路上最早的红绿灯出现在当时上海的英租界。从最早的手牵皮带式交通信号灯到20世纪50年代的电气控制式交通信号灯，从采用计算机控制式到现代化的电子定时监控式交通信号灯，在跟随着时代不断地前进、发展和完善。进入20世纪70年代，随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流理论的不断完善，交通运输组织与优化理论和技术水平不断提高，控制手段越来越先进，形成了一批高水平有实效的城市道路交通灯控制系统。早在1977年，PAPPIS等人就将模糊控制运用到交通灯控制上，通过建立规则库或是专家系统对各种交通状况进行模糊控制，并取得了很好的效果。近年来，欧美日本等相继建立了智能交通灯控制系统。在这些系统中，大部分都在路口附近安装磁性环路检测器，还使用了新型检测器等技术和设备。这些现代化设备技术加上控制理论和现代化科学管理技术，使得交通控制系统日益完善。随着一些研究控制理论的学者投身到交通控制的研究中，在交通信号控制领域提出了一些新方法、新思路。如静态多段配时控制、准动态多段配时控制、最优控制、大系统递阶控制、模糊控制、神经网络控制，网络路由控制等。模糊交通控制已经成为了交通信号控制的主流方向之一。13研究的目的及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。在马路上经常会看到这种现象如果一辆汽车发生故障，则该条线路将陷入瘫痪；一但某个路口的信号灯出现故障，就有可能在此路口塞车。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。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，需要一种新型的控制方法才能较好地解决这个问题。智能交通系统（ITSINTELLIGENTTRANSPORTSYSTEMS）ITS是一个跨学科、信息化、系统化的综合研究体系，其主要内容是将先进的人工智能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通讯技术及电子传感技术等有效的集成，并应用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。交通控制系统是ITS研究的一个重要方面。由于交通系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性，是一个典型的分布式非线性系统，而且具有多种信息来源、多传感器的特点，用传统的理论与方法很难对其进行有效的控制。把先进的智能控制技术、信息融合技术、智能信息处理技术与交通管理技术结合起来，代表着城市交通信号控制系统发展的方向。智能交通的发展是现代社会经济发展的客观要求，交通运输是国民经济和现代社会发展的基础。由于现代社会城市化速度越来越快、国民经济的高速增长、全球经济的一体化进程加快、个人旅行与休闲时间的不断增加以及人们对交通需求越来越高，智能交通便成为现代社会经济发展的客观要求。14主要研究内容智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。此次设计的主要内容是在传统的交通灯基础之上，通过PLC进行编程，设计出一款能够根据车流量的变化来智能化调整交通灯读秒时间的交通灯控制系统。要实现预期目的的初期设想是在十字路口东西南北各个方向上安装传感器，以此来统计各个路口的车流量，再将数据输入计算机中央控制系统对数据经行分析，根据预先设定的参数，智能化的判断各个交通路口的拥堵情况，从而通过PLC控制系统来适当的调整红绿灯的读秒时间。并且在此基础之上，若交通灯路口遇到特殊车辆或者紧急情况，该系统也能切换到人工控制模式，实现强通控制，从而保证路面交通的正常运行1。比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞留现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。根据以上的设计内容，本系统采用可编程序逻辑控制器为主控制单元，其输入端接收来自各个路口的车辆检测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的信号交通灯。其设计框架如图1所示。图1PLC智能交通灯控制原理框图本论文分为以下几部分组成交通灯控制系统，交通灯程序设计，程序编程和调试，结论与展望。2交通灯控制系统21PLC选型合理的选择I/O点数是PLC的重要指标之一。I/O的选择既要满足系统的控制要求又要在合理范围降低投资成本。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点2。211数字量输入根据设计要求系统输入信号有启动按钮、停止按钮、东西强通启动按钮、南北强通启动按钮、智能模式检修按钮，另外还有8个传感器输入脉冲开关。以上共需要13个输入信号点，具体的输入分配如下表1所示。考虑到以后可能会对系统进行补充调整，所以再增加2个备用点，这样就共需要15个输入点。表1数字量输入地址分配表序号输入地址对应的外部设备1X0启动按钮SB12X1停止按钮SB23X2东西强通启动按钮SB34X3南北强通启动按钮SB45X4智能模式检修按钮SB56X5传感器A1输入脉冲开关7X6传感器A2输入脉冲开关8X7传感器B1输入脉冲开关9X10传感器B2输入脉冲开关10X11传感器C1输入脉冲开关11X12传感器C2输入脉冲开关12X13传感器D1输入脉冲开关13X14传感器D2输入脉冲开关212数字量输出系统输出信号南北和东西需要12个输出信号，再加1个报警灯，因此共需要13个输出信号，具体的输出分配如下表2所示。考虑到以后可能补充调整再加2个信号点，所以一共要15个输出点。表2数字量输出地址分配表序号输出地址对应的外部设备1Y0南北红灯2Y1南北绿灯3Y2南北黄灯4Y3南北左转红5Y4南北左转绿6Y5南北左转黄7Y6东西红灯8Y7东西绿灯9Y10东西黄灯10Y11东西左转红11Y12东西左转绿12Y13东西左转黄13Y14报警灯根据输入、输出分配表可知，本次设计有13个输入和13个输出，考虑1015的裕量，故选择32点I/O输出口的PLC，再估算程序所需步数，扩展模块的数量，以及设计性能和和价格等方面的考虑，这次智能交通灯控制系统选择了三菱FX2N32MR001型号的PLC。开关量输入类型为直流输入，电源由PLC自身提供3。输出类型为继电器型，继电器型输出方式是较为常用的输出接口电路类型，这种方法输出电路设计简单，抗干扰能力强，CPU运算处理每条基本指令执行时间为008S。在I/O方面，有16个输入点，16个输出点，扩展模块可用点数为2432，内附8K步RAM（RUN过程中可更改程序），最大可达16K（包括注释）4。22车辆的检测与计数车辆检测器能够实地实时监测各种交通参数，如车流量、车的速度以及车辆占有量等等，这些参数是用于交通控制系统匹配时间计算的。检测器监测到交通信息，首先对交通信息进行处理再传输到控制主机上，最后成为控制优化时的输入信息。因此，交通检测器就是交通控制系统的信息窗口，决定着交通控制系统的有效性和适用性。车辆检测所用的传感器一般包括环形线圈检测传感器、超声波检测传感器、微波检测传感器、红外线检测传感器、视频检测传感器、磁力检测传感器以及声学检测传感器等。由于环形线圈检测传感器具有稳定性好、技术成熟、正常使用寿命长、性价比和精确度高等优点，因此本论文采用这种车辆检测器对车辆进行计数5。221电感式传感器电感式传感器（环形线圈检测传感器）是交通中应用最广泛的检测传感器。环形线圈检测系统与控制中心的主控机通过电缆连接、通信，主控机可发送信号，设置检测器的检测周期等工作状态，并监测检测器故障；检测器则将检测数据如车辆计数等传送至主控机，以便完成控制系统的信息存储、优化配置、方案选择和事件检测等功能，实现系统的最佳控制效果6。当汽车停在或驶过埋设在地面下的绝缘线圈,车辆的金属部分产生涡流电流,且电流方向与线圈电流的方向相反,因此,引起涡流电流产生的磁场与线圈电流产生的磁场方向相反,使得线圈磁场场强减小,而线圈磁场场强的减小使得振荡电路的振荡频率增加,从而引发电子元件向控制箱发出脉冲,以表征车辆的出现和经过。电感式传感器的尺寸为23M，电感约为100H，这种传感器可检测的电感变化率在03以上。电感式传感器的输出脉冲可直接接入PLC。通常把电感式传感器的主要部件绝缘线圈安装在道路下面，这样既不会影响交通也不会显得突兀，从交通安全和美观考虑,它是理想的传感器。222电路原理框图根据以上提出的车辆检测原理，设计出车辆检测电路原理框图。其具体电路图主要由三部分组成信号源部分、感应线圈电流检测部分、比较鉴别部分。原理框图如图2所示。正弦信号源感应线圈电流检测电路比较鉴别电路脉冲输出感应线圈图2车辆检测电路原理框图223车辆计数车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地停车线处以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好7。以下本文先以一个4车道的十字路口作对象，设路段允许的最长停车车龙为150米。在距离绿灯放行线约150米处和放行线之后各预埋2个传感线圈，如图3所示。距离放行线较远的传感线圈负责增加计数，放行线之后的传感线圈负责减少计数，则一个车道中的前后2个传感线圈形成1辆车辆数统计路段。首先，当车辆进入路口经过第一个传感器时，使统计数加1，经过第二个传感器出路口时，使统计数减1，其差值为该车道上车辆的滞留量（动态值，用S表示），可以与其它方向车道的滞留量进行比较。其次，统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则（不影响行车安全的多道相向行驶）累加统计。如东、西相向的2个左行、直行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。图3十字路口传感器布置图23控制系统接线综合以上分析，本次设计的智能交通控制系统硬件由三菱PLC、车辆检测传感器（用磁性开关动合触点表示其输入）、LED红绿灯、控制按钮构成，PLC外部接线图如图4所示。图4PLC外部接线图3交通灯程序设计本论文讨论的系统控制方式分为以下几种定时循环控制方式、智能控制方式、急车强通控制方式。31定时循环控制方式按照定时循环控制方式，信号灯受启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，启动开关断开时所有信号灯熄灭。按下启动按钮后，交通灯控制系统开始工作。先南北红灯亮50S，南北绿灯亮20S，闪烁3S，黄灯亮2S，此时南北左转红灯亮了75S，然后南北直通红灯亮25S,同时南北左转绿灯亮20S，闪烁3S，黄灯亮2S。东西方向则是先直通绿灯亮20S，闪烁3S，黄灯亮2S，然后红灯亮25S，此时东西左转灯红灯先亮25S，然后左转绿灯亮20S，闪烁3S，黄灯亮2S,然后东西直通红灯和左转红灯都亮50S，工作时序图如图5所示。本论文主要是智能交通灯控制系统的设计，而此控制系统是在定时循环控制的基础上实现的，这里对定时循环控制的流程图不再作详细介绍。32智能控制方式由于十字路口交通的离散性强，从现场实际应用的角度出发，本文提出一种基于PLC控制的智能控制系统。该系统使用三菱PLC和电感式传感器，结合智能控制原理设计一种十字路口交通灯智能控制系统，它能通过传感器的脉冲统计出车流量，并依据车流量的大小自动调节红绿灯的时间长度。图5定时循环控制工作时序图本文以4车道、感应道路长为150米的十字路口为例，设车道内等候红灯的两车距为15米，平均长度为45米，则150米的4车道内最大停车容量大约为120辆，而正常情况下单方向滞留车辆为60辆时，方可流畅通行。本设计主要应用电感式传感器与PLC相结合，以车辆等待绿灯的滞留数来确定该方向是否繁忙。如下图6所示，以南北方向为例，每当车辆进入十字路口逼向经过检测器A1和B1，检测器就会发生两个脉冲给PLC，PLC对检测器A1和B1的计数就可得到车辆进入候车入口的总数和Y。车辆继续往前就会经过检测器A2和B2，同样检测器A2和B2也会发出两个脉冲给PLC，PLC对检测器A2和B2脉冲的计数就会得到车辆驶出候车入口的总数和X，那么Y（进入总量）X驶出总量S1（南北向车辆滞留量），同样，东西方向，PLC通过对检测器脉冲的计数就可得到滞留量S2。图6传感器分布图321智能控制原则智能控制原则是本控制系统的核心，是系统如何依据车辆脉冲的计数值自动运算并输出绿灯时间长度的控制逻辑。本系统的控制目标为（1）两大方向车辆滞留量相差最小；（2）绿灯时间与车流规模相适应；（3）系统动态调节反应快。依据十字路口交通现场的实际情况与交通指挥经验，采用“拥堵情况分档、专家控制”的绿灯时长控制原则8。设S1S230，则南北方向交通繁忙，东西方向交通顺畅，南北直行绿灯时长加10S，南北左转绿灯时长加10S，东西红灯时长加20S。S1S230红灯50S红灯75S闪烁3S绿灯20S绿灯20S绿灯20S黄灯2S闪烁3S闪烁3S闪烁3S红灯75S黄灯2S黄灯2S黄灯2S红灯50S红灯25S南北直通绿灯增加10S南北左转绿灯增加10S检测开关M2自动闭合东西直通绿灯增加10S东西左转绿灯增加10S33急车强通控制方式急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，信号灯按正常时序控制。有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号灯的状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，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，控制灯恢复正常，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。若2个方向同时来急车，则按东西，南北顺序依次响应，如下图8所示。YNNNYNNY强通开始正常循环运行按下南北强通按钮按下东西强通按钮东西方向绿灯都亮南北方向红灯都亮南北方向绿灯都亮东西方向红灯都亮按下东西强通停止按钮按下南北强通停止按钮图8急车强通控制流程图4程序编程和调试41编程软件简介411软件主界面编程软件采用三菱公司为其生产的PLC而开发的编程软件GXDEVELOPER。编程软件主界面如图9所示。图9软件主界面412PLC程序调试（1）在菜单栏中选择【工具】下拉选项中的【程序检查】，弹出【程序检查】对话框，如下图10所示。图10【程序检查】对话框（2）在【程序检查】对话框中点击【执行】按钮，进行程序检查，如下图11所示，如果没有错误进行下一步调试。图11程序检查42运行调试PLC程序调试结束后，进行系统运行调试。由于硬件设施条件以及技术限制，只能通过软件来模拟。按下启动按钮，系统开始工作，观察系统运行的模拟时序图是否符合控制要求，并随时进行更正，同时随机按下停止按钮，观察系统是否能够停止。421模拟定时循环控制（1）点击【梯形图逻辑测试启动】按钮，并且调出时序表，如下图12所示。图12调出时序表（2）在时序表里键入输入、输出数字量，然后进行模拟仿真。按下启动按钮X0，系统开始定时循环控制工作模式。工作时序图如下图13、图14所示。图13定时循环控制交通灯工作时序图图14定时循环控制定时器工作时序图422模拟智能控制模拟智能控制时，用开关的一闭一合表示传感器的一次脉冲输入。当S1S2D1730表示南北方向交通繁忙，东西方向交通顺畅，南北直行绿灯时长加10S，南北左转绿灯时长加10S，东西红灯时长加20S；S1S2D1730表示东西方向交通繁忙，南北方向交通顺畅，东西直行绿灯时长加10S，东西左转绿灯时长加10S，南北红灯时长加20S；30S1S2D1730,则设为两个方向车流量基本持平，不作调整，控制信号灯正常闪亮。具体模拟如下图15、图16所示。在定时循环控制的情况下M3是接通的，当南北交通繁忙时M4接通，东西交通繁忙时M2接通。图15南北交通繁忙仿真时序图图16东西交通繁忙仿真时序图43源程序附录A智能交通灯控制系统PLC程序5结论与展望51结论对于本设计，它是立足于基本交通灯的设计思路之上，将基本交通灯控制系统稍作改变，从而实现交通智能控制的控制系统。它通过铺设在交通路口的电感式传感器，能够实时的读取路面的车流量信息，通过控制系统加以分析，能够智能的调整交通信号灯的读秒时间。这种设计的好处是不仅能够有效的缓解路面的交通压力，控制车流量，而且可以节约大量的交通资源，做到交通资源合理利用。论文根据东西、南北方向流量来决定信号灯配时一的动态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动态控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个动态控制器，采用梯形图编程。52展望（1）