徐长伟交通灯控制系统设计

1、PLC课程设计报告（论文）智能交通灯控制系统设计专业班级：_姓名：_ _时 间：_2017年3月16日 指导教师：_ _ 2017年 3 月 16 日智能交通灯控制系统任务书一、控制要求1.具有十字路口交通固定通行时间自动控制功能 2.车流量较小或暂无车辆通行以及有急车通行的情况下 ,实现强行通行的功能。二、设计任务学生根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行系统运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。主要内容包括：1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；2. 系统有启动、

2、停止功能；3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计。4. 程序结构与控制功能自行创新设计；5. 进行系统调试，实现控制系统的控制要求。6. 实现组态监控。三、设计内容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光电计数器，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

3、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。此系统不仅成本低，维护方便，而且能在最大程度上缓解交通压力，节约交通资源。四编写设计报告 写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。五答辩 在规定时间内，完成叙述并回答问题。目 录1 绪论··························

4、3;·········································21.1 引言·······

5、83;·················································

6、83;·······21.2 智能交通灯系统的发展背景·······································

7、3;··21.3 本课题的主要研究内容·············································&

8、#183;·32 PLC的功能介绍··············································&#

9、183;·······32.1 PLC的基本概念和基本结构·······································&#

10、183;··32.2 PLC的特点和应用领域············································

11、3;·42.3 PLC的工作原理··············································

12、83;······52.4 PLC的性能指标和软件系统········································

13、83;·63 基于PLC的智能交通灯控制系统设计······························73.1 PLC型号的选定以及可行性分析············

14、;·························73.2设计思路·······················

15、83;····································83.3 I/O地址的分配···········&#

16、183;·········································94 总结与展望·······

17、··················································

18、··10参考文献···············································

19、·················15附录································&#

20、183;·····································16智能交通灯控制系统设计班级:电气（专升本）161 姓名：徐长伟摘 要: PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和

21、通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时，PLC本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车

22、辆通行等候时间，实现科学化管理。关键字：交通灯 PLC 通讯 科学管理题目智能交通灯控制系统设计班级:电气（专升本)161 姓名：徐长伟1 引言交通灯控制系统的发展有着悠久的历史，伴随着人类工业文明的发展，汽车以及其他各种交通工具呈现出一片欣欣向荣的景象。各种交通工具的大量使用使得人们的出行更加方便，但随之而来的是交通的压力越来越大，各个路口对于对于交通指挥系统的需求大量增加。早在1868年，全世界第一台煤气是红绿两色照明灯由英国工程师纳伊特安装在了伦敦威斯特敏斯特街口，它可以控制车辆的通行，但是不久，这种交通灯便消身匿迹了，原因是由于一场爆炸事故。1926年，自动化控制的交通灯得到利用，这为

23、现代城市交通奠定了基础。1926年，自动化控制的交通灯得到利用，这为现代城市交通奠定了基础。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对交通灯的各种意义做出了明确的规定，绿灯行，绿灯车道的车辆可直行可左拐可右拐，如果前面有禁止标志的则除外。并且左右拐弯的车辆必须让直行车辆和行人先行。红灯停，红灯车道的车辆不准超过人行道。黄灯等一等，黄灯车道的车辆必须减速，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。交通灯的使用大大缓解了交通压力，使得城市的拥堵显现得到了一定程度的缓解，使人们的出行现状得到了改善。但是随着当今经济的飞速发展，汽车的拥有量不断上升，传统的交通灯系统已经越来越不能满足

24、交通压力的需求。在这样的背景下，本次论文设计的任务主要是设计一款能根据路面车流量的变化，进而调整交通灯读秒时间的交通灯系统，从而改善路面交通压力，同时也可以节约交通资源。1.1智能交通灯系统的发展背景英国道路研究所花费了十几年的时间，在大量的实验和经验的基础之上，研制出了TRANSYT路面交通控制系统。被全球400多个车市广泛采用，可以说TRANSYT系统的成功是显而易见的。TRANSYT内部通过有线来经行通信。采用静态模式来控制交通信号灯，这种控制方案中通过数学模型来控制绿信比和相位差。但是这种交通控制系统还是存在一定的缺陷，例如它无法优化周期，而且想要获得最优的整体分配方案是相当困难的。如

25、果想要经行离线优化，必须采用大量的路网几何和交通数据流。我国ITS 的发展起步较晚，70年代以来，从国外引进、消化了一些项目，并进行了一些ITS或类ITS基础项目的研究和应用。70年代中至80年代初，主要是进行城市交通信号控制试验研究，80年代中至90年代初，在一些大城市引进和消化城市交通信号控制系统，实现了一些（高速）公路监控系统、高等级公路电子收费系统和路边信息服务系统。90年代中以来，开始研究部门ITS发展战略和GIS、GPS、EDI在交通中的应用等，重视交通信息网络的建设，公路和桥梁管理用基础数据库和道路交通量和气象数据采集等经过多年的努力，也已取得明显的进展。1.2本课题的

26、主要研究内容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光电计数器，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。此系统不仅成本低，维护方便，而且能在最大程度上缓解交通压力，节约交通资

27、源。2 PLC的基本概念和基本结构2.1.1 PLC的基本概念早期的可编程控制器主要是用来代替继电器控制系统的，因此功能较为简单，只能进行开关逻辑控制，称为可编程控制器（programmable logic controller）,简称PLC。随着微电子技术，计算机技术和通行技术的快速发展，20世纪70年代后期微处理器被用作可编程控制器的中央处理器，从而较大的扩展了可编程控制器的功能，可编程控制器有开关逻辑，模拟量控制，高速计数，PID贿赂调节，远程I/O和网络通信等功能。1980年，美国电气制造协会正式将其命名为可编程控制器，简称PC。1987年2月，国际电工委会对PLC的具体含义做出了明确

28、的定义：在工业环境的背景之下，一种常用来做数字运算操作的电子系统。它既可以进行逻辑运算、顺序控制，也可以进行定时、计数、数学运算等操作。虽然它中间的运算是采用的数字模式，但是它的输入和输出还是采用模拟的信号。这种可编程的控制器，可以控制各类生产的过程。2.1.2 PLC的基本结构1.中央处理器（CPU）CPU是PLC的核心部件，CPU模块在PLC中相当于大脑和心脏，是整个PLC控制系统的神经中枢。它的主要功能如下： 接受和储存用户程序和数据 扫描现场设备的数据和状态，存入数据区 检测和诊断电源，PLC内部电路工作状态和程序中的语法错误 从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后，去开启或关闭相

29、关控制电路，完成相关的逻辑运算和算术运算。 根据数据处理的结果，刷新相关标识位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。PLC中采用的CPU一般有三大类：通用处理器、单片机芯片和微处理器。其中小中型PLC一般采用微处理器或单片机，而大型的PLC大多采用高速位片式处理器。档次越高，PLC的位次也越多，运行的速度越快，功能也会更强大。2.输入输出（I/O）模块输入模块和输出模块简称I/O模块，他是联系外部设备和CPU模块的桥梁。PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的

30、基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。PLC有多重I/O模块，常见的有数字I/O模块、模拟量I/O模块、快速响应模块，高速计数模块和PID控制模块等。2.2 PLC的特点和应用领域2.2.1 PLC的特点1.编程方法简单易学。PLC采用一种面向控制过程、面向问题的梯形图语言。梯形图和继电器原理图相似，易学易懂，一般工程师或者工艺人员都可以在短时间内学会。2.功能完善、适应性强。

31、PLC产品已经标准化、系列化、模块化，具有逻辑运算、计时、计数、A/D转化、网络通信和生产监控等功能。若工艺条件发生改变，修改相应的用户程序既可满足要求。3.安装、设计、调试的工作量少。大量中间继电器、时间继电器、计数器的使用使得安装、设计、接线的工作大大减少。并且PLC具有完善的自诊断和显示功能，故障率很低。4.可靠性高、抗干扰能力强。由于采用微电子技术和大量的无触点半导体电路来控制开关动作，其可靠性比使用机械触电的继电器高很多。PLC的输入输出部分采用了光电隔离，有效的隔离了PLC内部的电路和输入、输出间的电关系。有效避免了干扰信号引起的误操作。并且PLC还具有防治空间电磁干扰的功能。5.

32、体积小、重量轻、功率低、性价比高。大量的使用半导体大规模集成电路，这个产品的结构紧凑、体积小、重量轻、功率低。与相同功能的继电器系统相比，PLC具有很高的性价比，可以实现非常复杂的控制功能。2.3 PLC的工作原理PLC由软件系统和硬件系统两部分组成。再硬件系统满足要求，软件系统已经编制好的情况下，它会不断的执行软件系统以及预设好的指令代码。扫描周期和用户程序不是一个概念，扫描周期包括用户程序。即使用户程序不执行，扫描周期也在继续，只是这一过程不再包含用户程序、输入、输出这三个方面。1.自诊断测试扫描。PLC的自监视过程不仅可以保障设备还可以实时的反映故障。时间监视器完成这种自监视。当一个扫描

33、周期开始时，PLC中的硬件计时器会自动的更新。而用户可以根据自己的需要来修改WDT，它的数值在100到200，而且设计人员可以通过标志位来处理错误的结果。2.与网络进行通信的扫描。大型有网络的PLC有网络扫描过程，而小型的PLC则没有这种扫描过程。PLC与PLC之间以及PLC与计算机之间可以通过网络宽带来进行通信。3.用户程序扫描。只要机器是正常运行的，那么，该扫描过程会移植存在。用户可以通过软件来根据自己的需要来有目的的控制这一过程。扫描过程的时间与用户程序的长短有着密切的关系。下图描述了信号从输入端子到输出端子的传递过程：输出映像寄存器输入映像寄存器输出端子输出锁存器程序执行输入端子输入读

34、输出 采样读刷新输出写图2-2 PLC的扫描工作过程在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，PLC在执行用户程序时会事先参考输入映像寄存器和输出映像寄存器，最后将结果传送到输出映像寄存器中。就算输入子端变化，这一个工作周期，输入寄存器也不会改变，同样，输出锁存器会锁定输出映像寄存器，通过输出电路，这一结果会被输出。3 PLC型号的选定以及可行性分析本设计拟采用松下PLC,此型号是PLC家族中最先进的PLC之一。它具有一些显著的特点：最大范围的包容了标准特点、程

35、式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各个国家不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，因此在选定的过程中，他有着广泛的选定范围。它的各方面参数如下：I/O总数为64、输入数目为32、输出数目为32、型号为漏型。采用24V、400mA直流电源，它优良的快速断开端子块使得接着线缆也可以更换单元，并且它的远程维护功能使得远处的编程软件可通过调制解调器通信来监测、上载和卸载程序和数据。与其他PLC相比，本PLC价格便宜，功能齐全，除了有着速度、逻辑、定位等优越之处而且还安装简单，维修方便。本设计中的十字路口东西南北四个方向各有一个光点计数器来统计通过车子的辆数，再加上启动开关和停止开关总共需要

36、6个输入接口。而东西南北每个方向各有红绿黄灯一个，一起总共有交通信号灯6个，也就是需要6个输出接口。PLC由软件系统和硬件系统两部分组成。再硬件系统满足要求，软件系统已经编制好的情况下，它会不断的执行软件系统以及预设好的指令代码。扫描周期和用户程序不是一个概念，扫描周期包括用户程序。即使用户程序不执行，扫描周期也在继续，只是这一过程不再包含用户程序、输入、输出这三个方面。1.自诊断测试扫描。PLC的自监视过程不仅可以保障设备还可以实时的反映故障。时间监视器完成这种自监视。当一个扫描周期开始时，PLC中的硬件计时器会自动的更新。而用户可以根据自己的需要来修改WDT，它的数值在100到200，而且

37、设计人员可以通过标志位来处理错误的结果。2.与网络进行通信的扫描。大型有网络的PLC有网络扫描过程，而小型的PLC则没有这种扫描过程。PLC与PLC之间以及PLC与计算机之间可以通过网络宽带来进行通信。3.用户程序扫描。只要机器是正常运行的，那么，该扫描过程会移植存在。用户可以通过软件来根据自己的需要来有目的的控制这一过程。扫描过程的时间与用户程序的长短有着密切的关系。3.1设计思路 正常时序时：交通灯控制系统的控制要求如下1.一个启动开关控制信号，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。倘若要所有信号灯熄灭，则关闭启动开关。2.南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮

38、则信号系统应该停止运行，并报警。3.南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，东西绿灯持续亮20S。到20S时，东西绿灯闪烁3S，之后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮2S后熄灭。到2S时，当东西黄灯熄时，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。4.东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮25S。然后南北绿灯闪烁3S，熄灭。同时在南北绿灯熄灭的时候，南北黄灯亮2S后熄灭，这时南北红灯，东西绿灯。5. 而本设计的程序采用定时器比较器，方法简单容易控制，便于操作与组态连接互控，连接组态时加入了继电器，可实现人机互相控制操作，只需在组态内设定好IO口即可。PLC中采用的CPU一般有三大类：通

39、用处理器、单片机芯片和微处理器。其中小中型PLC一般采用微处理器或单片机，而大型的PLC大多采用高速位片式处理器。档次越高，PLC的位次也越多，运行的速度越快，功能也会更强大。设计思路的流程图如下：比较南北与东西的车流量南北方向为绿灯，东西方向为红灯，持续30秒开始南北的绿灯闪烁3秒后变为黄灯，且黄灯持续2秒，东西为红灯南北的车流量小于东西的车流量南北为红灯，东西为绿灯，计数器清零，持续30秒南北的车流量大于东西的比较南北与东西的车流量南北为绿灯，东西为红灯，持续30秒车流量循环比较南北的车流量小于南北的绿灯闪烁3秒后变为黄灯，且黄灯持续2秒，东西为红灯东西的出流量南北为红灯，东西为绿灯，计数

40、器清零，持续30秒南北的车流量大于东西的车流循环比较南北的绿灯闪烁3秒后变为黄灯，且黄灯持续2秒，东西为红灯南北为红灯，东西为绿灯，计数器清零，并且持续30秒循环比较南北为绿灯，东西为红灯，持续30秒量图3-5设计流程图 3.2 I/O地址的分配图3-6 I/O地址的分配在此设计过程中东西南北每个方向各有红绿黄三个交通信号灯，因此交通信号灯的总数为12个，也就是输出端口必须有12个。而东西南北每个方向各有一个光电计数器，加上启动按钮和停止按钮，也就是输入端口必须有6个。如图所示，该接线的输入采用220V的交流，而输出则采用12V的直流端口分配为： 输入设备输入点接口输出设备输出点接口启动按钮X

41、0南北方向绿灯（2个）Y1北方计数器输入X1南北方向黄灯（2个）Y2南方计数器输入X2南北方向红灯（2个）Y3西方计数器输入X3东西方向绿灯（2个）Y4东方计数器输入X4东西方向黄灯（2个）Y5停止按钮X5东西方向红灯（2个）Y6 3.3交通灯各种情况的时序分析根据上面的设计可以知道，每一次当一个方向的绿灯持续30s，另一个方向的红灯持续30s后会经行一次判断，判断的结果有两种，而在经过另一个30s后会进行另一次判断，判断的结果又有两种。由于第一种情况与第二种情况之间有着递进的关系，因此可以分析出总共的可能情况有三种：1.开始时南北方向为绿灯，东西方向为红灯，经过30s后，南北方向绿灯闪烁，再

42、变为黄灯，接着变为红灯，而东西方向则变为绿灯。2.开始时南北方向为绿灯，东西方向为红灯，经过30s后，南北方向依然为绿灯，东西方向依然为红灯；再经过30s后，南北方向的绿灯开始闪烁，接着变为黄灯，在变为红灯，而东西方向则变为绿灯。3.开始时南北方向为绿灯，东西方向为红灯，进过30s后，南北方向依然为绿灯，东西方向依然为红灯；在经过30s后，南北方向还是绿灯，东西方向还是红灯；在经过第三个30s后，南北方向的绿灯开始闪烁，接着变为黄灯，再变为红灯，而东西方向则由红灯变为绿灯。3.4 主程序的设计在主程序的设计过程中，由于要用到各种计时器，计数器，输入及输出继电器，辅助继电器，寄存器等，因此提前将

43、可能用到的原件符号以及其所对应的意义先给出： X0 启动按钮 X1 北方输入 X2 南方输入 X3 西方输入 X4 东方输入 X5 停止按钮 Y1 南北方向绿灯 Y2 南北方向黄灯 Y3 南北方向红灯 Y4 东西方向绿灯 Y5 东西方向黄灯 Y6 东西方向红灯 T0南北红灯定时 T1东西红灯定时 T2东西绿灯平光 T3东西绿灯闪烁 T4东西黄灯定时 T5南北绿灯平光 T6南北绿灯闪烁 T7南北黄灯定时 具体的程序设计图如下：图3-8 梯形图图3-9 梯形图图3-10 梯形图在此次程序的设计过程中需要考虑到几个问题，第一是关于各个交通信号灯之间的联锁及互锁，例如，南北方向的绿灯与东西方向的红灯应

44、该是联锁的关系，及假设南北方向的绿灯亮，则东西方向的红灯必须亮，南北方向的绿灯与东西方向的绿的不能同时亮。假设南北方向的绿灯闪烁，则接下来南北方向的黄灯必须亮，及南北方向的绿灯与南北方向的黄灯应该是联锁的关系。与此相同，东西方向与南北方向应该有相同的联锁关系。第二个应该是关于子程序调用的问题，因为在此程序中有许多部分是相同的，例如第一次比较之后与第二次比较之后都曾在南北绿灯闪烁3s，3s后南北的绿灯变为黄灯，黄灯持续2s后变为红灯，且计数器清零，东西方向变为绿灯的情况。因此在程序编制过程中，会考虑到将此程序模块化，到要用是可以直接调用。另外一个例子是，第一次比较与第二次比较过程中都牵涉到寄存器的调用问题，也同样可以将此程序模块化，直接调用。第三个是关于计数器清零的问题，每当一边的灯由绿灯变为黄灯再变为红灯的过程中，计数器都应该清零。而在此之前的时间，计数器都应该是累计计数的。3.5 运行与调试本系统第一次在松下软件编程系统中模拟运行时，没有达到预期设计的效果。但是经过我们小组的讨论与分析之后，将数据与程序结构做出了适当的调整。调整之后再次运行时，本系统基本上能够模拟十字路口交通灯的运行状态，在输入十字路口车流量的模拟信号