毕业设计基于三菱FX2N48MR型号PLC交通信号灯控制Word格式文档下载.docx
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Keywords:
trafficlights;
PLC;
trafficflow;
optimalcontrol
第1章绪论
1.1研究背景、意义
随着社会的经济发展，交通问题成为衡量起是否具有发展潜力的重要指标。
目前我国大中小城市都出现了不同时段的交通拥堵现象，尤其是在大城市，这种现象更加明显，比如像北京、上海、南京等交通拥堵，甚至堵车的事件每天都有发生。
在高速道路建设完成的初期，它们也曾一度有效的改善了交通状况。
然而，随着交通量的超负荷增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有发挥出应有的作用，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，采用哪种有效的控制方法，最大限度的利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解城市主干道、城市同周边城区的交通拥堵状况，越来越成为我们交通部门迫切需要解决的主要问题，可见改善城市交通灯控制系统是多么的重要。
1.2智能交通的国内外发展状况
RHODES系统依托自适应交通信号控制系统，扩展到公交的结合，实现公交信号优先和公交信息发布。
DYNASMART系统基于多样式采集的信息，实时分析交通状态，利息按设计和在线评估实时信号控制、干线路径诱导等交通管理策略的运行效果，提供网络交通状态信息给公共出行者信息系统，确定与时间和当前状态相关的最优的拥挤消散策略。
日本的集成控制系统以UTMS为代表，其目标是实现交通信息采集智能化、信号控制智能化、交通信息提供智能化，并能够与交通流诱导系统VICS互相联动。
同样，这种集成系统在欧洲发展也很快，欧洲的TABASCO系统，将实时采集的交通数据，自适应交通控制系统，公路匝道调节，动态信息显示整合起来，主要是用于高峰期间平衡路网交通负荷。
运行结果表明，当前路网23%的交通负载被转移，可替换路线的行程时间仅仅增加1%，协同系统可避免过饱和的瓶颈路段形成，路面平均运行时间减少13%。
另外，FASTRAC系统也是信号控制系统基础上诱导集成的一个系统，其核心算法就是在中心运用动态交通分配，将诱导和控制结合起来。
目前，我国各城市的交通控制集成的程度不一，北京市建立了整合管理系统TTMS也就是类似国外的TCIS，以交通信息中心为轴，连接公交系统、出租车系统城市捷运系统、轻轨系统、车速信息系统等，根据规划：
第一阶段实现交通管理整合，第二阶段实现公共交通的整合，第三阶段实现信息平台的建设。
上海交通信息化建设的目标：
整合城区的交通监控系统、市郊公路及高速公路监
控系统、车辆运行监控系统以及泊车系统等方面的相关信息，形成物流信息畅通能力。
大范围的交通共用信息平台不是以逸待劳的工程，是不断吸纳、不断完善的工程。
目前，北京上海已经初步建立了比较完善的信息采集系统，能够实现交通数据采集，并判断出交通状态进行发布，为管理者和决策者提供支持，其他省会城市也基本上实现了信号控制系统、122接处警、交通违法取证系统等集成统一的指挥中心平台。
1.3交通信号灯控制理论的研究现状
静态多段配时控制。
静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。
它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。
但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。
因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。
准动态多段配时控制。
准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。
交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。
被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。
准动态多段配时控制是一闭环控制系统。
由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。
模糊控制理论。
一般控制系统的架构包含了五个主要部分，即:
定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及反模糊化。
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，因此其数学模型的建立非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。
即使经过多次简化已建立的数学模型，它的求解还必须简化计算才能完成。
所以经典控制法很难得到满意的效果。
模糊控制是一种无须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。
1.4本文的主要工作内容
本课题以三菱FX2N-48MR型号PLC进行设计，FX2N系列是小型化,高速度,高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。
除输入输出16--25点的独立用途外,还可以适用于在多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
本课题在传统的交通信号灯基础上进行改进。
改进项目为交通信号灯根据车流的不同来自动控制和改变红绿灯的点亮（熄灭）时间，从而控制车流，来缓解不同时段交通压力。
第2章PLC可编程控制器
PLC可编程控制器是以微处理器为基础而发展起来的新型工业控制装置。
它以体积小、功能强、可靠性高、以及应用安装方便的优点,在我国的工业控制中占据了主导地位,并且还在不断地发展着。
目前，PLC在国内外广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及娱乐等各个行业。
根据这一发展形势,全国各地高校都将PLC课程纳入教学任务,作为电子、电气、以及工业自动化类专业的一门必修课。
2.1可编程控制器的由来与发展
2.1.1可编程控制器的由来
本世纪60年代，计算机控制技术已经开始应用到工业控制领域，但由于计算机技术复杂，编程不方便，而且价格还很昂贵，并未得到广泛的应用。
1968年，美国通用汽车公司为了使生产的汽车款式不断推新，并且尽可能的降低制造成本，减少设计和制作周期，设法把计算机的各项功能与继电器控制系统的优点结合起来，开发出一种通用的自动控制设备，这也就是目前人们通称的可编程控制器。
随着微电子技术和计算机技术的快速发展，70年代初微处理器问世，半导体存储器的集成度也越来越高，美国、日本等一些厂家开始采用微处理器来做PLC的中央处理器，使PLC不仅具有计算机的功能而且更加小型化。
我国从1974年开始研制并于1977年在工业上应用。
2.1.2可编程控制器的发展
世界上第一台PLC是1969年美国数字设备公司研制的，限于当时的元件及计算机发展水平，早期的PLC主要是由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器中，使PLC增加了运算、数据传输及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。
20世纪70年代末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已经全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已经获得广泛的应用。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。
中国是20世纪80年代初引进、应用、研制、生产可编程控制器的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器，后来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
预计21世纪可编程控制器将会有更大的发展。
2.2PLC的定义
可编程控制器（ProgrammableController）简称PC。
个人计算机（PersonalComputer）也称PC，为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC（ProgrammablelogicController）。
国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
2.3PLC的工作原理
可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单的表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。
但个人计算机与PLC的工作方式有所不同，计算机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当键盘有键按下或I/O口有信号时则中断转入相应的子程序。
而PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用执行都是以循环扫描方式完成的。
2.3.1分时处理和循环扫描方式
以用户程序的完成来说可分为以下三个阶段：
（1）输入处理阶段：
也称输入采样，在这个阶段中，可编程控制器读入输口的状态，并将它们存放在暂存区中。
（2）程序执行阶段：
在这个阶段中，可编程控制器根据本次读入的输入数据依据用户程序的顺序逐条执行用户程序。
执行的结果都存储在输出状态暂存区中。
（3）输出处理阶段：
这是一个程序执行周期的最后阶段，可编程控制器将本次用户程序的执行结果一次性地从输出状态暂存区送到各个输出口，对输出状态进行刷新。
2.3.2PLC的两种工作状态
PLC有两种基本的工作状态，即运行状态和停止状态，运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。
2.3.3输入输出滞后时间
输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。
它由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。
2.4可编程控制器（PLC）的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触控制系统相比，电气接线及开关接点已经减少到原来的数百甚至数千分之一，故障也随之大大降低。
此外，PLC具有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。
在应用软件中，用户还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中处PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断程序。
这样，整个系统就具有极高的可靠性。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字领域。
近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、计算机数控等各种工业控制中。
加上PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，其编程语言易于为工程技术人员接受。
像梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现继电接触器电路的功能。
（4）系统设计周期短，维护方便，改造容易
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能。
因此很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，其新近产品的重量小于150g，功耗仅仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.5PLC的编程语言
常用的表达方式有：
梯形图、指令表、顺序功能图、功能块图、结构文体。
（1）梯形图：
是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器电路图演变过来的，但梯形图编程语言更强更方便。
其主要特点有：
第一，自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线，每一逻辑行起始左母线；
第二，梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”；
第三，每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源；
第四，输入继电器用于接入信号，而无线圈。
（2）指令表：
指令表也叫语句表，是程序的另一种表示方法。
它和单片机程序中的汇编语言有点类似，由语句指令依一定是顺序排列而成。
指令表程序和梯形图程序有严格的对应关系。
梯形图程序只有改写成指令表才能送入可编程控制器运行。
（3）顺序功能图：
顺序功能图常用来编制顺序控制类程序。
它包含步、动作、转换三个要素。
顺序功能编程方法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能分别处理后再依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。
（4）功能块图：
功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，就像电路图一样，它们被“导线”连接在一起。
（5）结构文体：
随着PLC的飞速发展，如果许多高级功能还使用梯形图来表示，会很不方便。
为了增强PLC的数学运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，许多大中型PLC都配备了PASCAL、BASIC、C语言等高级编程语言。
这种编程方式叫结构文本。
与梯形图相比，结构文本有两个大优点，其一是能实现复杂的数学运算，其二是非常简洁和紧凑，用结构文本编制极其复杂的数学运算程序可能只占一页纸。
梯形图（LadderProgramming）是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形。
2.6PLC的结构
可编程控制器虽然外观各异，但其硬件结构大体相同。
主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O接口）、电源及编程设备几大部分构成。
PLC硬件结构框图如下所示：
图2-1PLC系统结构图
2.6.1中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）是可编程控制器的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；
而且能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以循环扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算，结果送入I/O映像区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。
中央处理器同时也是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。
可编程控制器中采用的CPU一般有三大类：
一类为通用微处理器，如80286、80386等；
一类为单片机芯片，如8051、8096等；
另外还有位处理器，如AMD2900、AMD2903等。
一般来说，可编程控制器的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度也越快，指令功能也越强。
为了提高PLC的性能，也有的一台PLC采用了多个CPU。
2.6.2存储器
存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。
和计算机一样，可编程控制器的存储器可分为只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类。
只读存储器是用来存放永久保存的系统程序，一般为淹膜只读存储器和可编程电改写只读存储器。
随机读写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储器的数据会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。
为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外接电源后也能保持，机内随机读写存储器均配备了电池或电容等掉电保持装置。
2.6.3输入输出接口
输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。
输入接口用来接收生产过程的各种参数。
输出接口用来送出可编程控制器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。
生产现场对可编程控制器接口的要求一是要有较好的抗干扰能力，二是能满足工业现场各类信号的匹配要求，因此厂家为可编程控制器设计了不同的接口单元。
主要有：
开关量接口，其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号；
开关量输出接口，其作用是把可编程控制器内部的标准信号转换成现场执行机构所需要的开关量信号；
模拟量输入接口，其作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号；
模拟量输出接口，其作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出。
2.6.4电源
可编程控制器的电源包括为可编程控制器各工作单元供电的开关电源及为掉电保护电路供电的后备电源，后备电源一般为电池。
2.6.5外部设备
（1）编程器
可编程控制器的特点是它的程序是可变更的，能方便地加载程序，也可方便的修改程序。
编程设备就成了可编程控制器工作中不可缺少的设备。
可编程控制器的编程设备一般有两类：
一类是专用的编程器，有手持式的，其优点是携带方便，也有台式的，有的可编程控制器机身上自带编程器；
另一类是个人计算机，在个人计算机上运行可编程控制器相关的编程软件即可完成编程任务。
借助软件编程比较容易，一般是编好了以后再下载到可编程控制器中去。
编程器除了变成以外，还具有一定的调试及监控功能，能实现人机对话操作。
（2）其他外部设备
PLC还配有其他一些外部设备：
1.盒式磁带机用以记录程序或信息
2.打印机用以打印程序或制表
3.EPROM写入器用以将程序写入到用户EPROM中
4.高分辨率大屏幕彩色图形监控系统用以显示或监视有关部分的运行状态
2.6.6PLC的通信联网
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆
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