基于PLC的现代城市交通灯系统.docx

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基于PLC的现代城市交通灯系统

目录

摘要……………………………………………………………………………2

绪论………………………………………………………………………………3

课题背景…………………………………………………………………………3

课程简介…………………………………………………………………………3

课程的意义………………………………………………………………………3

第一章基于PLC的现代城市交通灯系统………………………4

1.1PLC概述……………………………………………………………………4

1.2PLC的定义……………………………………………………………………4

1.3PLC的主要特点………………………………………………………………5

1.4PLC的功能……………………………………………………………………5

1.5系统简介………………………………………………………………………6

1.5.1系统特点……………………………………………………………7

1.5.2系统实现的功能和控制方法……………………………………………7

第二章系统硬件介绍……………………………………………………11

2.1硬件列表……………………………………………………………11

2.2硬件简介……………………………………………………………12

2.2.1双色二极管简介…………………………………………………12

2.2.2接近传感器………………………………………………………12

2.2.3开关电源…………………………………………………………13

2.2.4蜂鸣器……………………………………………………………14

2.2.5中间继电器………………………………………………………………15

2.2.6光电传感器………………………………………………………………16

第三章　系统软件介绍…………………………………………………18

3.1PLC编程…………………………………………………………………………18

3.1.1课程设计原则、方法……………………………………………………18

3.1.2子程序………………………………………………………………………20

3.1.3PLC软件使用………………………………………………………………22

3.2系统端口分配…………………………………………………………………29

第四章过程调试………………………………………………….31

4.1硬件调试………………………………………………………………31

4.2软件调试……………………………………………………………31

4.3软硬件调试………………………………………………………….31

4.4界面美化………………………………………………………………………………31

结论………………………………………………………………………32

致谢………………………………………………………………………32

参考文献…………………………………………………………………32

摘要

本论文共分四章，从最基本的PLC技术到现代城市交通系统的模型制作，设计者给出了明确的设计思路。

文章刚开始介绍了PLC的相关知识，给出了PLC的定义、功能、特点及发展阶段，并引申到在本系统中的应用。

在对系统特点的说明中，文章详细的给出了系统实现的功能及其控制方法。

最后介绍了系统的软硬件，文章对此系统中所用到的元器件一一做了详细介绍，并对系统的软件编程及程序编辑做了说明。

关键词PLC现代城市交通灯系统

PLC编程软件系统硬件系统

绪论

课题背景

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。

然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。

而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。

所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。

课程简介

本系统是基于PLC的现代城市交通灯指挥灯。

作为交通灯系统，它具备了一般道路交通指挥灯的功能，即通过红/绿黄三灯的亮灭来控制车流人流的通行。

本系统增加道路人车模拟。

其中绿灯亮代表路上有车通行，红灯代表人车停在路上此时禁止通行，灯灭代表此时刻路上无车。

作为创新设计，本课程具有转弯，急车通行，闯红灯报警的功能。

在课程设计中，我们以照顾弱势群体，体现人性化的目的，加入了为红绿色盲和盲人能够识别的功能。

在红绿灯亮的同时，有指针指示车行方向，让色觉异常着也能区分此时行车方向。

系统中有声音提醒功能，。

盲人过路时，盲道上盲人可以触到的开关，只要一接触，便会向控制器输入一个信号，如果此时可以通行，原先设置好的声音系统便会发出告诉盲人此时无车可以通行，如果此时不可以通行，就不发声，表示此时禁止通行。

课程的意义

通过课程的设计，使我们能够建立PLC控制系统总体的设计思路；了解PLC控制系统设计的基本原则。

掌握PLC控制系统设计的步骤和设计方法。

软件上：

更加熟悉PLC软件的应用。

编程能力上得到进一步提升，不在象以前那样只能编一些小程序。

编程思路比以前清晰，掌握更多的编程方法，能够为将来学习PLC打下一个坚实的基础。

硬件上：

以前的PLC都在实验台上进行调试，做了好几次，都不知PLC如何接线很正常，太过于理论化了，很难适用应用。

通过本次设计，能够真正学会PLC的接线方法。

对电路的设计及连接的能力有了进一步提高。

硬件设计中，能够接触到一些传感器及其他电子元件，在应用它们的过程中，学到了许多书本上没有的东西。

更加巩固所学知识。

第一章基于PLC的现代城市交通灯系统

1.1PLC概述

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员是为工业控制应用而设计制造的，早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。

它主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。

因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

1.2PLC的定义

PLC问世以来尽管时间不长，但发展迅速，为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA

（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController）,并给PC作了如下定义：

     PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令用来执行诸如逻辑顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序一部数字电子计算机；若是从事执行PC之功能着亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。

以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿、第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：

    可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的，它采用一类可编程的存储器用于其内部存储程序执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，可编程控制器及其有关外部设备都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。

总之可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力，但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时其硬件需根据实际需要进行选用、配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

图〈1〉PLC实物图

1.3PLC的主要特点

（一）高可靠性

   1.所有的I/O接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离

   2.各输入端均采用R-C滤波器其滤波时间常数一般为10~20ms.

   3.各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰

   4.采用性能优良的开关电源

   5.对采用的器件进行严格的筛选

   6.良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大

   7.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高

（二）丰富的I/O接口模块

   PLC针对不同的工业现场信号如

   •交流或直流

   •开关量或模拟量

   •电压或电流

   •脉冲或电位

   •强电或弱电等

   有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备如

   •按钮

   •行程开关

   •接近开关

   •传感器及变送器

   •电磁线圈

   •控制阀

   直接连接另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络它还有多种通讯联网的接口模块等等。

（三）采用模块化结构

   为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构，PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

（四）编程简单易学

    PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

（五）安装简单维修方便

    PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。

1.4PLC的功能

1、逻辑控制

2、定时控制

3、计数控制

4、步进（顺序）控制

5、PID控制

6、数据控制，PLC具有数据处理能力

7、通信和联网

8、其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如定位控制模块、CRT模块。

1.5系统简介

系统平面图

本系统是基于PLC的现代城市交通灯指挥灯。

作为交通灯系统，它具备了一般道路交通指挥灯的功能，即通过红/绿黄三灯的亮灭来控制车流人流的通行。

本系统增加道路人车模拟。

其中绿灯亮代表路上有车通行，红灯代表人车停在路上此时禁止通行，灯灭代表此时刻路上无车。

作为创新设计，本课程具有转弯，急车通行，闯红灯报警的功能。

在课程设计中，我们以照顾弱势群体，体现人性化的目的，加入了为红绿色盲和盲人能够识别的功能。

在红绿灯亮的同时，有指针指示车行方向，让色觉异常着也能区分此时行车方向。

系统中有声音提醒功能，。

盲人过路时，盲道上盲人可以触到的开关，只要一接触，便会向控制器输入一个信号，如果此时可以通行，原先设置好的声音系统便会发出告诉盲人此时无车可以通行，如果此时不可以通行，就发出禁止通行的声音。

1.5.1系统特点

1.本系统实现了急车过道。

2.本设计加入光电传感器实现闯红灯报警。

3.加入指针指示功能能够为色觉异常者成功指示方向。

4.具有语音系统成功为盲人服务。

5.利用PLC进行全局的总控制；

6.利用传感器进行信号的检测；

7.利用双色二极管的红绿色来模拟道路的人车通行

1.52系统实现的功能和控制方法

时序控制

作为城市交通灯控制系统，主要是通过一些信号灯来通知人们此刻路上通行情况。

让人们有规则的行走，减少路面冲突，防止意外事故的发生。

由于1.我们的眼睛对红绿黄三种颜色最为敏感2.颜色有活动的含意，要表达热或剧烈的话，最强是红色，其次是黄色。

绿色则有较冷及平静的含意。

因此，人们常以红色代表危险，黄色代表警觉，绿色代表安全。

3.红光的穿透力最强，其他颜色的光很容易被散射，在雾天里就不容易看见，而红光最不容易被散射，即使空气能见度比较低，也容易被看见，不会发生事故。

所以我们用红色表示禁止。

现在红灯停绿灯行的概念早已深入人心。

一个成功的交通灯控制系统首先必须能够实现对信号灯的控制。

因此我们做的交通灯，在控制灯上主要按以下过程进行控制。

其控制过程遵循交通灯控制的一般原则。

信号灯受一个启动开关控制。

当启动开关接通时，信号灯系统开始工作。

先南北绿灯亮，东西红灯亮。

南北绿灯亮35S后，开始闪烁。

闪烁周期为1S。

绿灯闪烁5S后熄灭。

南北拐灯亮，维持25S后，南北拐灯以1S为周期，连续闪烁5次熄灭，南北黄灯开始亮，5S后熄灭。

这一过程东西红灯一直亮并和南北黄等一起熄灭。

南北黄灯熄灭后，南北红灯开始亮。

此时东西方向，先是绿灯亮35S后熄灭，接着以1S周期闪烁5次熄灭。

拐灯亮25S后熄灭，拐灯又以1S为周期连续闪烁5次。

黄灯亮5S后熄灭转为红灯，东西黄灯熄灭的同时，南北红灯熄灭，绿灯开始亮转入第二个周期。

以后周而复始的循环。

当关闭开关动作时，所有信号灯都熄灭，系统停止工作。

急车通过

前一过程我们虽然对交通进行了有效控制，但实际中还有许多情况，需要特殊处理，不是所有的车都必须遵循交通规则的。

比如有一个人生命垂危，需要立即救治，打了120后，急救车走到路口，红灯车停了，这对病人来说是相当危险的。

如果不停直接通过，那对于路上的行人很危险，总不至于救人变为害人吧。

其他

情况如消防车，警车等，这些车都不能停的，为了更好的服务于交通我们设计急车通过功能。

让特殊情况的车辆优先通行，其他车先停下来，等特殊车辆通行结束后再恢复为正常通行状态。

对于急车通行，我们可以在路口安置一个感测急车来到的传感器。

因为声音有三要素，频率、响度和音品。

响度无法利用，我们可以从其他两方面入手，采用特定的传感器进行控制。

只要设置好急车发出的特定频率，当急车来临时，传感器就会感测到信号，发出一个信号给控制器进行急车控制。

音品技术比较复杂，可能要单独的一套系统进行控制，我们很陌生，无法采用。

受硬件限制，我们也找不到音频传感器，在这里只能采用开关进行模拟，其实只要把我们的开关换成特定的传感器装到路面上一定可以成功使用。

急车通行和直通差不多，让人很难区分此刻的状态，为了便于区分，我们在急车通行时还加入了，蜂鸣器报警。

一方面告诉别人此刻正在急车通行；另一方面当突然急车通行时，另一方向的人没能及时看到信号灯，声音信号能够及时提醒他们，以防止意外事故发生，增加马路安全系数，保证行车安全。

急车通过我们在设计时主要按照下面的过程进行控制。

急车强通信号受急车强通开关控制。

无车时，信号灯按正常时续控制。

有急车时，将急车强通开关接通，不管原来信号的状态如何，一律强制让急车来的方向亮绿灯，使急车放行。

直至急车通过为止。

急车一通过，将急车强通开关断开，信号的状态立即转为非急车路上的绿灯，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，若两方向先后将来急车，则先响应

先来的一方，随后在响应另一方。

急车通行道路情况与直通时一致在这里不在说明。

道路模拟

以往的交通灯控制实验，只对信号灯进行了控制，别人只能看到其对交通的控制过程，不能看到路上的车与人的流动情况，可以说不是一个完整的交通灯控制模拟系统。

作为创新实验，为了大家能够更好的了解路上的车流，能够知道在我们所做的交通控制灯下，人车怎样通行，我们在系统中加入了道路人车模拟系统。

系统中我们用双色二极管来模拟六车道的道路。

双色二极管共三种状态，红色模拟路上有车停靠，但不允许通行；绿色模拟车辆正在通行；不亮灯代表此路上暂时无车辆停靠。

在控制时为了有所区别我们对不同时刻、不同路段进行了不同模拟。

在直通时我们让二极管循环顺次亮灭。

即先亮前三个，2S后灭掉，同时后四个亮起来，2S后灭，同时对面路上前三个亮，2S后灭，同时后四个亮，2S后灭，同时最先亮的三个亮，循环下去，直至直通结束。

拐弯时模拟拐弯的路道的二极管在不停的闪烁，直到拐弯结束为止。

其他状态的模拟主要靠二极管的亮灭来实现。

本系统共有六种状态分别表示在绿、拐、黄、红四种灯的控制下的每种状态，具体亮灯情况如下：

南北通车

（1）绿灯亮时2、5、14、17亮绿灯

10~12、22~24、1、3、16、18、亮红灯其余灯不亮

此时表示：

南北路车辆直通，要转弯的车停靠在南北路右边直行道两边（六车道），等待转弯。

东西方向右边车道有车停靠等待通行，左边车道暂无车辆停靠。

（2）拐弯灯亮时1、3、16、18、19、21、7、9亮红灯2、17、10~12、22~24亮绿灯

其余灯不亮

此时表示：

南北方向上右边车道上的车开始转弯，其中直行道左边的车左传；右边的右转。

东西方向右边车道上的车仍在等待。

（3）黄灯亮时2、17、22~24、10~22亮红灯其余灯不亮

此时刻转弯结束，持续时间较短属缓冲时段。

只有少数车道有车停靠

以上过程东西方向一直亮红灯

东西通车

（1）绿灯亮时8、11、20、23亮绿灯16~18、1~3、10、12、22、24、亮红灯其余灯不亮

此时表示：

东西路车辆直通，要转弯的车停靠在东西路右边直行道两边（六车道），等待转弯。

南北方向右边车道有车停靠等待通行，左边车道暂无车辆停靠。

（2）拐弯灯亮时10、12、22、24、4、6、13、15亮红灯11、23、16~18、1~3亮绿灯其余灯不亮

此时表示：

东西方向上右边车道上的车开始转弯，其中直行道左边的车左传；右边的右转。

南北方向右边车道上的车仍在等待。

（3）黄灯亮时11、23、16~18、1~3亮红灯其余灯不亮

此时刻转弯结束，持续时间较短属缓冲时段。

只有少数车道有车停靠

以上过程南北方向一直亮红灯

闯红灯报警

现在交通事故以成为已成为"现代社会的第一公害"。

我国是世界上道路交通事故死亡人数最多的国家之一，每年车祸死亡人数超过8万人，伤20万人，直接经济损失近20多亿元。

机动车驾驶人违法行为、非机动车骑乘人员和行人缺乏交通安全意识，自我防范意识差，无视交通规则，是交通事故的主要原因。

虽然有很好的控制系统，但不是所有的人都会去遵守的。

有些人甚至不清楚交通规则，连自己有没有抢道都不清楚，更不用说去遵守了。

有些人是为自己方便，明知故犯，拿自己的生命去开玩笑。

为了能够更好提醒行人，也为了能够即使通知交警有人违规。

本系统具有闯红灯报警的功能。

这一功能由光电传感器和蜂鸣器共同作用完成。

将传感器装于路口，在这里由于硬件限制我们只对直行车闯红灯进行报警。

当绿灯亮时，此时有车通过，传感器检测的信号输入控制器，蜂鸣器不报警。

当转弯灯或红灯亮时，蜂鸣器便会发出声音进行报警通知行人你已违规。

这一功能虽不能阻止人们违反交通规则，但在可以增加一层防范措施，使人人都去遵守交通规则，更好的生活工作。

服务与色觉异常着

交通信号灯虽然可以很好的指挥到路人流、车流，方便大家通行。

但是采用红绿信号灯的同时也忽视了一个弱势群体色觉异常者。

在我国色盲色弱，男性占5﹪女性占0.8﹪这样算起来我国就有六千万色觉异常者，这些人都无法看懂交通信号灯。

这对与他们来说是十分不方便的。

为了能够照顾弱势群体，体现人性化，让更多的人都能很方的通行，我们的系统具有服务于色盲色弱的功能。

色觉异常者只是分不清颜色，但字体他们应该认识。

我们可以在交通灯的上面加入一个显示字体的标示牌，显示每一时刻的道路通行情况；也可以加入指针指示每一时刻的通行方向，只要他们看到这些就能即使知道道路的通行情况，不会因为看不懂信号灯而出错。

在本系统中主要运用的是指针指示系统。

这套系统主要有接近传感器和电机组成。

启动时电机开始带动指针转动，先是南北绿灯亮，当指针转到南北方向时会接触到此位置的接近传感器，有信号输入控制器让电机停止，此时指针指示方向即是通行方向。

到下一时刻，即南北拐弯灯亮时，电机有开始转动停靠在下一位置。

指针触到不是通行方向上的传感器，电机不停止。

东西方向上的控制方法与南北方向基本一致。

语音系统

虽然我们加入了指针指示系统方便了色觉异常者,但还有一些人如盲人是看不到任何东西的，所以只加入指针指示系统是远远不够的。

要想更好的体现人性化，就要考虑到盲人，使他们也能弄懂某时刻的车行情况。

盲人虽然没有视觉，但听觉一般都是正常的，我们可以用声音来为他们提示方向，让他们也能象正常一样行走。

对于语音系统，目前主要有三种方式。

1.时时提醒语音系统，在交通灯上安装一个喇叭，每时每刻都在播音提醒盲人路况。

这种系统很安全，可以时时提醒，但是一方面造成路面噪音；另一方面南北与东西声音不一样可能造成混淆，使盲人分不清。

2.两端式语音系统。

分为接收端与发射端，接收端盲人随身携带，发射端装在交通灯上。

这样避免了噪音与混淆现象。

但是让每个盲人都带个仪器走路很不现实，而且成本也很高，不容易普及。

3.触摸式语音系统。

在路上装上盲人可以触到的开关或传感器，只要触到就会有信号输入到控制系统中去。

有系统让喇叭发音，提醒盲人路况。

这种系统克服了以上两种系统的不足，但要开辟专门的盲道占用马路空间，让所有的马路都采用也不现实。

对于语音系统的具体用法可以结合具体情况，进行分析选择合适的系统。

在本系统中选用的是第三种：

.触摸式语音系统。

系统主要由开关和录音方音设备构成。

事先录好语音，系统启动后，前30S当有盲人触到开关，喇叭便会发音“此刻可以通行”，超过30S到下一循环来之前都发出“此刻禁止通行”。

急车时如果不在此方向一直发出“此刻禁止通行”，反之发出“此刻可以通行”

第二章系统硬件介绍

2.1硬件列表

名称

数量

PLC（FX2N——48MR）

1个

24V直流电源（s-75-24）

1个

空气开关（dz47-60）

2个

12V/3.8V变压器

各1个

24V中间继电器（my4nj）

12个

蜂鸣器

2个

接线端子

2个

接近（位置）传感器（tl-q5cmc1）

4个

光电传感器（e18-ds10c4）

2个

电机（rf-370ch-08880）

1个

道轨

两米

录音系统集成块

2个

双色二极管（红/绿）

170个

按扭

4个

拨子开关

2个

有机玻璃

65cm×85cm

不锈钢框架

60cm×60cm×20cm

灯泡12v

20个

导线

若干

2.2硬件简介

2.2.1双色二极管简介

3mm/5mm双色灯，可以根据自己需求做成共阴或共阳、透明或雾状，颜色可以根据实际情况调整。

2.2.2接近传感器

产品信息

产品编号：

TL0001

型号：

TL-Q5MC12MBYOMC

规格：

直流3线，DC12-24V

产品说明：

非屏蔽，检测距离5mm，NPNNO，方柱型

2.2.3