【电气工程及其自动化】基于plc的交通灯控制系统设计终稿

本科生毕业设计（论文）基于PLC的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2014年5月14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课题背景112主要研究内容113系统总体结构设计1131继电器接触控制2132单片机系统控制2133可编程序控制器控制2134控制方案的确定22系统硬件设计321系统组成图框图322交通灯选型及其驱动回路选型323车辆检测方式3231电感式传感器3232车辆存在检测5233传感器布局与车流统计5234PLC选型624硬件系统调试93软件系统设计931交通灯的控制9311正常循环运行10312急车强通运行1332软件调试14321软件主界面14322程序调试15323模拟定时循环控制15324模拟定时调整控制154结论及其展望1541结论1541展望15致谢17基于PLC的交通灯控制系统设计摘要本设计的思路是通过电磁感应线圈探测出汽车数量后，调节红绿灯的时长达到按车流量进行单个十字交通路口通行控制车辆的流量计数、交通的时长控制可有可编程控制器（PLC）来实现。解决传统交通系统定时控制局限性。本设计包括定时控制、按流量调整控制、急车强通控制。关键字智能交通；探测；车流量；可编程控制器DESIGNOFTHECONTROLSYSTEMOFTRAFFICLIGHTSBASEDONPLCABSTRACTTHETHOUGHTOFTHISDESIGNISTHEHOURSOFTHETRAFFICLIGHTSAREAUTOMATICALLYREGULATEDAFTERTHEELECTROMAGNETICINDUCTIONCOILHAVEDETECTEDTHEHOURSOFTHETRAFFICLIGHTSCANBEREALIZEDBYPLCTOSOLVETHELIMITATIONOFTHETRADITIONALCURRENTTIMINGSWITCHCONTROLMETHODOFTHETRAFFICLIGHTSTHEDESIGNINCLUDETRADITIONALCURRENTTIMINGSWITCHCONTROLMETHODOFTHETRAFFICLIGHTSANDADJUSTEDCONTROLACCORDINGTOTHEFLOWOFTRAFFICANDSPECIALCONTROLMETHODOFTHETRAFFICLIGHTSKEYWORDSINTELLIGENCETRAFFICDETECTIONVEHICLEFLOWNUMBERPLC1绪论11课题背景城市交通是一个复杂的、受制变量众多的庞大系统。同样，城市交通问题也是一个由诸多因素决定的复杂问题。几十年来，尽管世界各国采取了各种各样的对策，但城市交通问题一直没有得到很好的解决。城市交通问题的关键是交通拥堵问题。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。智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。20世纪90年代中期后，欧、美发展智能化交通明显加快。主张采用智能交通系统的人士说，这种技术将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成的部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。12主要研究内容本次设计主要应用了西门子S7200PLC结合电磁传感器对交通进行居于流量控制的智能控制系统设计。设计中包括控制系统选型，交通灯选型，驱动回路，传感器原理及其选型驱动，西门子S7200PLC基础，智能控制系统软硬件设计，控制系统调试仿真。13系统总体结构设计目前普遍使用的电气控制方式主要有继电器接触器控制、单片机系统控制、可编程序控制器控制等。131继电器接触控制采用继电接触式控制系统设计交通灯控制系统,主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成,其控制方式是断续的,所以又称为断续控制系统。虽然这种系统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点,但这种控制系统的缺点是采用固定接线方式,接线多,灵活性差,工作频率低,触电易损坏,可靠性差。工作模式单一。132单片机系统控制单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机,特别适用于控制领域,故又称为微控制器。通常,单片机由单块集成电路芯片构成,内部包含有计算机的基本功能部件中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此,单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。133可编程序控制器控制可编程控制器简称PCPROGRAMMABLECONTROLLER,它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机PC相区别,现在把可编程逻辑控制器简称为PLC。它主要用来取代继电接触器逻辑控制,系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。可编程序控制器控制系统是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。它具有很强的抗干扰能力,广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于其他一般微型控制系统的一个重要特征。如果采用PLC作为十字路口交通灯控制系统作为控制核心,只需将程序下载到PLC内即可。并可通过通信随时对控制系统进行调试。PLC适应环境的能力非常强,抗干扰等方面能力都非常强大。性价比也很高。134控制方案的确定通过比较可编程控制器控制技术与继电接触器控制技术、单片机控制技术的优缺点，本设计采用可编程序控制器控制系统。2系统硬件设计21系统组成图框图控制系统结构如图1所示图1系统组成原理图22交通灯选型及其驱动回路选型交通灯的构成方式主要有旧时的煤气交通灯、白炽灯、还有LED节能灯。由于LED节能灯具有寿命长、功率低、发光率大等显著优于其他交通灯材质，因此本系统设计采用LED节能灯具作为交通信号灯材质。又考虑到我国民用电的额定电压为220V、50HZ，为了减少不必要的转换装置，因此交通信号灯选取额定电压为220V的LED节能灯具。23车辆检测方式231电感式传感器电感式传感器其主要部分是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线（特别适用新铺设道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋）。当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成如图2中虚线所形成的高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，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。当汽车离开这高频磁场区时，该感应圈电感逐渐复原到初始状态。由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅本设计所设计的检测工作方式和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可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即可知道汽车的存在和通过。电感式传感器的高频电流频率为60KHZ，尺寸为2X3M,电感约为100UH。这种传感器可检测的电感变化率在03以上。电感式传感器安装在公路下面呢，从交通安全和美观考虑，它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。图2车辆检测原理图及检测电路输出脉冲波形232车辆存在检测图3车辆检测电路原理图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。原理框图如图3所示，输出脉冲波形见图2（B）。233传感器布局与车流统计图4传感器布置图车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆漏检的现象，环状电线在地上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，方案如图4以典型的十字路口为例，同一股道上的两传感器相距距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。车流量的计量有多种方式（1）每股车道的车流量通过PLC分别统计。当车辆进入路口经过第一个传感器1（见图4）时，使得统计数加1，经过第二个传感器2出口时，使得统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量（动态值），可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。（2）先统计每股车道上车辆的滞留量，然后按大方向原则累加统计。如，将东西向的左行、直行、右车道上的车辆滞留量相加，再与其它的3个方向的车流量进行比较，据此作为调整红绿灯的依据。（3）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（下面的例子就是按此种方式）。以上计算判别全部由PLC完成。可以把以上不同计量判别方式编成不同的子程序，方便调用。234PLC选型根据设计要求，本设计共需要I/O点数为12输入/15输出。具体需要的输入输出点数如表1和表2所示。表1输入点数分配序号输入信号名称输入信号名称1I00启动按钮2I01南北强通开3I02东西强通开4I03南北强通关5I04东西强通关为了能实际模拟加以下辅助开关6I05A计数脉冲模拟开关7I06A计数脉冲模拟开关8I07B计数脉冲模拟开关9I10B计数脉冲模拟开关10I11C计数脉冲模拟开关11I12C计数脉冲模拟开关12I13D计数脉冲模拟开关13I14D计数脉冲模拟开关表2输出点数分配序号输出信号名称对应的外部设备1Q00南北直行绿2Q01南北直行黄3Q02南北直行红4Q03南北左右绿5Q04南北左右黄6Q05南北左右红7Q06东西直行绿8Q07东西直行黄9Q10东西直行红10Q11东西左右绿11Q12东西左右黄12Q13东西左右红如表2输出点数所示，为方便调试，采用计数脉冲模拟开关代替实际车流检测装置。根据表1和表2可以确定PLC以及扩展模块的选型对于这种中小型自动控制中，应用德国西门子公司生产的S7200系列PLC无疑是十分明智的选择。在主机模块中，常用的主机有CPU222，CPU224，CPU226三种。方案一若选择CPU222做为主机，由于CPU222有8输入/6输出，与此13输入/12输出相差6点输出，5点输入，还需要扩展5输入，6输出。方案二选择CPU224作为主机，仍然缺少点输出和输入，和前者相比CPU224的存储容量增大一倍，它可以有7个扩展模块，并且有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数处理能力。是使用的相对较多的S7200产品。方案三如果选用CPU226作为主机，CPU226主机为24输入/16输出，与13输入/12输出较为相近，无须扩展即可。和CPU224相比，CPU226增加了通讯口的数量，使得它的通讯能力大大增强，可以用于点数较多，要求较高的小型或者中型控制系统。经过价格、性能、扩展模块数量的比较，以及设计的要求等多方面的考虑，选择CPU226作为主机是最合理的。其输出类型为晶体管输出型。如图18所示为CPU226的端子连接图。L接24DC，M接地。上部00到17为16点输出端子，下部分00到27为24点输入端子。图5PLCIO分配图24硬件系统调试由于成本原因，因此未能购买实物进行系统硬件的调试。3软件系统设计31交通灯的控制本系统以一个六车道路口作为研究对象，其基本绿灯相位为四相位，如图6所示。图6车流状态转移图对于交通灯的控制采取两种方式，一种正常循环方式，另一种是急车强通方式。其中正常循环方式又分为纯定时控制模式和定时加调整型。如图7所示图7软件系统组成图311正常循环运行正常循环运行分为定时加调整型和纯定时循环型两种（A）定时加调整型具体控制要求如下如图8。图8定时调整控制程序框图按启动按后，交通灯控制系统开始工作。先程序初始化,记数器清零并开始记数,刚开始采用定时控制。查询各个路口车辆记数,若达到路口满溢值即各路口需通车量达到最大值，或者南北路口车辆相等时采用定时循环控制,若不满溢,判断东西向车流量减南北车流量相差一个偏差值是否满足可设置若是，东西左转绿灯亮10S东西左转黄灯亮2S,左转红灯亮78S,左转绿灯灭的时候直行绿灯亮30S,然后绿灯闪烁3S,黄灯亮2S,然后红灯亮45S启动45S定时器；查询各个路口的车流量；判断东西向车流减南北车流量相差偏差是否满足（可设置）若是，南北向左转绿灯亮10S南北左转黄灯亮2S,左转黄灯亮2S，左转红灯亮78S,左转绿灯灭的时候直行绿灯亮30S,然后绿灯山所3S，黄灯亮2S,然后红灯亮45S；启动45定时器；查询各个路口的车流量；南北向车流减东西车流量相差偏差是否满足（可设置）若是，直接跳到东西控制程序；若不是，南北向直行绿灯保持，在45S内循环知道条件不满足跳到东西控制程序东西向左转绿灯亮10S东西左转黄灯亮2S,左转红灯亮78S,左转绿灯灭的时候直行绿灯亮30S,然后绿灯闪烁3S,黄灯亮2S,然后红灯亮（B）纯定时循环型具体控制要求如下如图9。按下启动按钮后,交通灯控制系统开始工作。先亮南北方向绿灯和东西方向红灯,再亮东西方向绿灯和南北方向红灯,然后再亮南北方向绿灯和东西方向红灯,这样一直循环运行。南北向和东西向主干道均设有左转绿灯,持续亮10S,左转黄灯,持续亮2S,左转红灯持续亮78S,左转绿灯灭的同时直行绿灯亮,持续30S,绿灯闪烁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左转绿灯,直行绿灯,绿灯闪烁和黄灯反之,当东西主干道红灯点亮时,南北主干道依次点亮左行绿灯,直行绿灯,绿灯闪烁和黄灯。南北向和东西向人行道均设有绿灯,黄灯,红灯。人行道上的“红黄绿”与同向主干道上的直行“红黄绿”运行方式一样。图9纯定时控制程序框图312急车强通运行1急车强通控制受强通开关控制。无急车时,按正常循环时序控制,有急车来时,打开急车强通开关,不管原来信号状态如何,一律强制让急车来车方向的绿灯亮,直到急车过为止,短开急车强通开关,信号的状态立即转为急车放行的绿灯闪亮3秒。随后按正常时序控制。2急车强通信号只能响应一条路上的来车,若两条交叉的路东西或南北先后都来车,则响应先来的一方,随后再响应另一方。3具体控制要求流程如图10。图10强通控制程序框图32软件调试321软件主界面图11软件主界面322程序调试由于硬件设施条件限制，我们通过软件来模拟。323模拟定时循环控制由程序流程图我们可以看出，执行定时循环控制的条件是南北和东西的滞留量都大于最大通车量或南北车流量等于东西车流量。执行定时调整的条件是东西和南北大方向滞留量小于最大通车，而且不相等。324模拟定时调整控制由程序流程图我们可以看出，执行定时调整控制条件是南北减东西大于偏移量。先执行一周期定时后调整时期，知道南北减东西不大于偏移量跳转到东西定时调整控制。4结论及其展望41结论通过3个多月的资料收集整理，程序编制、修改、运行，论文编写等一系列的步骤，使我熟悉了PLC编程软件的操作使用，对梯形图语言编程也有了更深刻的认识和理解。另外，对PLC电气控制的研究有了更深的认识。设计结果达到了预期的要求，无须通过数学建模就实现了按流量控制的效果。设计以单个十字路口