plc控制交通灯经典毕业设计文档格式.docx
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关键词：
PLC；
交通控制；
自动化；
西门子；
接触器；
梯形图；
联网通信
前言
1.1课题研究背景
1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。
1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。
1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。
这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。
1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；
另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。
信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。
红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，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。
1.2交通灯的研究目的和意义
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。
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。
传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：
事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。
然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。
即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：
绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。
这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。
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，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。
另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。
随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。
可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；
充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；
充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
可编程控制器交通灯控制系统的特点：
①脱机手动工作；
②联机自动就地工作；
③上机控制的单周期运行方式；
④由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；
⑤自动启动、自动停机控制方式。
近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。
本系统采用PLC是基于以下四个原因：
①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；
②编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；
③抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制
的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。
西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。
西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。
本系统就是应用可编程序控制器（PLC）对十字路口交通控制灯实现控制。
1.3本课题主要研究内容
按照城市交通控制的需要，本文讨论了用PLC实现正常时序、急车强通2种控制方式，通过传感器与PLC完成对交通异常状况（滞留或堵车）的判别及处理。
正常时序控制对路面进行控制.南北方向红灯时,东西方向绿灯.绿灯闪3秒紧接着黄灯闪2秒,变红灯.南北方向红灯直接变绿灯.东西方向红灯时同理.
急车强通时,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通.急车强通信号受急车强通开关控制；
无急车时，信号灯接正常时序控制；
有急车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。
交通滞留的异常情况，在路口与路尾设置两个传感器进行检测车流量.交通路段车流量繁忙时，传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。
当一方车流量过大的时候,PLC要对控制这一路段的信号灯进行调控,让滞留或堵车的一方绿灯时间加长,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不必要的麻烦与事故,就、控制进行很方便,很便捷。
第2章系统方案分析
2.1控制要求
交通灯控制系统的控制要求如下：
1信号灯受一个起动开关控制，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。
当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
2南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，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，并维持20S。
到20S时，东西绿灯闪烁，闪烁3S后熄灭。
在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2S。
到2S时，东西黄灯熄，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。
南北绿灯亮维持25S。
然后闪烁3S，熄灭。
同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
5急车强通时,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通.急车强通信号受急车强通开关控制；
2.2交通灯工作示意图交通信号灯系统操作界面
2-2-1十字路口交通信号灯系统操作界面
2.3系统设计方案分析
按照交通灯系统控制要求下，结合西门子S7-200系列可编程控制器的特性（见附录），选择适合的型号。
设计思想分析如下：
给一个启动的输入信号，要配合一个SB1的按钮，当SB1启动按钮动作，系统工作。
首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状态。
南北方向道路亮红灯状态过程中，南北红灯亮25S,需计时器设定延时25秒，才会转入下一状态南北绿灯亮；
同时，东西方向道路也一起亮绿灯20S,需计时器设定延时20秒，才会转下一状态东西绿灯闪烁；
东西绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使东西绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3秒，才会转下一状态东西黄灯亮；
东西黄灯亮2S,需计时器设定延时2秒，才会转入下一状态东西红灯亮。
其次，东西方向道路处于禁止通行的状态，南北方向道路处于允许通行的状态。
东西方向道路亮红灯状态过程中，东西红灯亮30S,需计时器设定延时
30秒，才会转入下一状态东西绿灯亮；
同时，南北方向道路也一起亮绿灯25S,需计时器设定延时25秒，才会转下一状态南北绿灯闪烁；
南北绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使南北绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3秒，才会转下一状态南北黄灯亮；
南北黄灯亮2S,需计时器设定延时2秒，才会转入下一状态南北红灯亮，如此循环下去。
另外，当断开系统，所有信号灯熄灭；
需要按钮SB1动作断开系统，停此输入信号入可编程控制器，而最快的方法，是使可编程控制器不动作，那么肯定无信号输出。
而且，南北、东西绿灯同时亮，报警。
可编程控制器要输出一个信号，驱动一个报警灯。
综上所述，可编程控制器要满足一个信号输入（作系统接通、断开作用），七个信号输出，十字路口有十二个交通信号灯，但南北、东西两个为一组用一个输出信号控制，再加上一个报警信号驱动的报警灯。
通过如下的十字路口交通灯状态分析表、主流程图、十字路口交通灯时序图一一展开，将十字路口交通灯控制系统设计思路逐渐脉络清晰。
表2-3-1十字路口交通灯状态分析表
南北方向
交通灯状态
红灯亮25S
绿灯亮25S
绿灯闪3S
黄灯亮2S
东西方向
绿灯亮20S
红灯亮30S
十字路口交通灯状态的分析：
十字路口交通灯如下图2-3-1所示，将12个交通灯进行编号
图2-3-2十字路口交通灯状态图
这12个交通灯共有四个状态：
状态1：
南北红灯（1、7）亮，东西绿灯（6、12）亮。
状态2：
南北红灯（1、7）继续亮，东西绿灯（6、12）闪。
状态3：
南北红灯（1、7）继续亮，东西黄灯（5、11）亮。
状态4：
东西红灯（4、10）亮，南北绿灯（3、9）亮。
状态5：
东西红灯（4、10）继续亮，南北绿灯（3、9）闪。
状态6：
东西红灯（1、7）继续亮，南北黄灯（2、8）亮。
第3章系统程序设计
3.1硬件的设计
3.1.1PLC的结构及工作原理
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
其结构如图2-1所示。
中央处理单元（CPU）是PLC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键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；
并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以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映象区，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的结果送入I/O映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象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。
图3-1-1PLC的结构图
PLC工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
3输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
用
户
输
出
设
备
入
端
子
锁
存
器
映
象
寄
程序
执行
写
读
图3-1-2PLC扫描工作过程图
输入刷新
程序执行
输出刷新
一个扫描周期
图3-1-3PLC的扫描周期图
3.1.2PLC的选型
从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点1个，开关量输出点7个，如果选用CPU222/PLC，也需要扩展单元PLC，参照西门子S7-200系列特性（见附录），选用主机为CPU224（14输入/10继电器输出）。
其外形图3-1-4如上：
输入电路采用了双向光电耦合器，24VDC极性可任意选择，1M、2M为输入端子的公共端。
1L、2L为输出公共端。
CPU224另有24V、280mA电源供PLC输入点使用。
3.1.3PLC的地址分配
列出交通信号灯PLC的输入/输出点分配表，见表3-2。
定时器T=PT×
S;
定时实际时间=设定值×
精度
1ms:
T32,T96
10ms:
T33~T36,T97~T100
100ms:
T37~T63,T101~T255
输入信号
定时元件
输出信号
名称
代号
输入点编号
T33:
南北红灯工作25S
输出点编号
工作按钮
SB1
I0.0
T97:
东西红灯工作30S
报警灯
HL0
Q0.0
SB2
I0.1
T98:
东西绿灯工作20S
南北红灯
HL1.HL2
Q0.1
SB3
I0.2
T99:
东西绿灯闪烁3S
东西绿灯
HL3.HL4
Q0.2
T100:
东西黄灯工作2S
东西黄灯
HL5.HL6
Q0.3
T34:
南北绿灯工作25S
南北绿灯
HL7.HL8
Q0.4
T35:
南北绿灯闪烁3S
东西红灯
HL9.HL10
Q0.5
T36:
南北黄灯工作2S
南北黄灯
HL11.HL12
Q0.6
表3-1-5交通信号灯PLC的I/O输出点分配表
PLC的接线形式
图3-1-5PLC控制接线图
如图3-1-5所示
端口I0.0为接入系统开关的传送信号，端口Q0.0接起报警作用的信号灯，端口Q0.1接南北红灯，端口Q0.2接东西绿灯，端口Q0.3接东西黄灯，端口Q0.4接南北绿灯，端口Q0.5接东西红灯，端口Q0.6接南北黄灯。
3.2软件的设计
3.2.1主程序流程图及时序图
图3-2-1主程序流程图
图3-2-2正常时序流程图
3.2.2模拟时序图
启动
东西
绿
东西黄
东西红
南北绿
南北
黄
20S
3S
2S
25S
30S
ON
OFF
图3-2-3十字路口交通灯时序图
南北红
3.2.3正常时序梯形图
3.2.4急车强通情况
3-2-4急车强通流程图
急车强通信号受急车强通开关控制；
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，将急车强制开关断开，信号灯的状态立即转为急车放行方向上的绿灯闪3次，随后按正常时续控制；
急车强通信号只能响应一路方向的急车，若两个方向先后送急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。
交通路段经常会出现紧急情况的发生。
比如一台救护车需要急救，强通十字路口，为了病人的生命安全保障，需把此路段畅通，让救护车通过。
3.2.5车流滞留情况红绿灯时间长度控制
图3-2-4十字路口PLC自动调整红绿灯时长的程序流程图
流程图中的15s、30s、75s等时间分别为交管部门定的车辆左转弯时间、直行最小时间、允许的最大通行时间;
σ为车流量的偏差量。
以上值及其4个路口车流量的满溢值均可在程序初始化中任意更改。
车辆左转弯是造成交通堵塞很重要的一个方面，应加以适当限制，故车辆左转弯始终采用最小定时控制，以减小系统的复杂程度，提高可靠性。
车辆通行的时间中包含绿、黄灯闪烁的时间，红、黄、绿各灯的切换与现用的方式相同。
人行道的红绿灯
接线与现用的方式相同，其绿灯点亮的时刻与该方向车辆直行绿灯点亮的时
刻同步一致，但要较车辆直行绿灯提前熄灭，采用定时控制，如绿灯定时亮18s。
其目的是不让右转弯车辆过分受人行道灯的限制。
若是人车分流，右转弯车辆不受限制。
3.2.6车流量的计算
（1）每股行车道的车流量通过PLC分别统计。
当车辆进入路口经过第一个传感器1（见图11）时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减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（见图5）左行、直行、右行道上的车辆的滞留量相加，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时长的依据。
（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、右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）。
图3-11车流量的计算
图3-2-5程序流程图
上述所描述的车流量统计方式,十字路口PLC自动调整红绿灯时长的程序流程图如图8所示，其行车顺序与现实生活中执行的一样，只是时间长短不一样。
程序的控制规律如下:
（1）当各路口的车辆滞留量达一定值溢满时（相当于比较严重的堵车），红绿灯切换采用现有的常规定时控制方式;
（2）当东、西向路口的车辆滞留量比南、北向路口的大时（反之亦然），该方向的通行时间=最小通行定时时间＋自适应滞环比较增加的延时时间（是变化的），但不大于允许的最大通行时间。
其中最小定时时间是为了避免红绿灯切换过快之弊;
最大通行时间是为了保障公平性，不能让其它的车或行人过分久等。
进一步的说明在后面的注释中。
（3）自适应滞环比较（本例的核心控制规律）增加的时间的确定。
若东、西向车辆滞留量≥南、北向一个偏差量σ（如30辆车或其它值）时，先让东、西向的左转弯车左行15s（定时控制，值可改），再让直行车直行30s（直行时间的
最小值，值可改）后再加一段延时保持，直至东、西向的车辆滞留量比南、北向的车辆滞留量还要少一个偏差量σ，才结束该方向的通行，切换到其它路上，否则一直延时继续通行下去，直至到达最大通行时间而强制切换。
滞环特性如图9所示。
实际应用时σ的值需整定，过小则导致红绿灯切换过频，过大又不能实现适时控制。
3.2.7运行程序语句表
交通灯PLC
0LDI0.0启动
1ANQ0.0
2ANT97
3TONT33,+2500南北红灯25S
4LDT33
5TONT97,+3000东西红灯30S
6LDNQ0.0
7ANI0.0
8ANT33
9TONT98,+2000东西绿灯20S
10LD
T98
11TON
T99,+300东西绿灯闪烁3S
12LD
T99
13TON
T100,+200
东西黄灯2S
14LD
T33
15TON
T34,+2500南北绿灯25S
16LD
T34
17TON
T35,+300
18LD
T35
19TON
T36,+200
南北黄灯2S
20LDN
21AN
Q0.0
22AN
I0.0
23=
Q0.1
南北红灯工作
24LD
25=
Q0.4
东西红灯工作
26LD
Q0.1
27AN
28LD
29AN
30A
T32
31OLD
32=
Q0.2
东西绿灯工作
33LD
T99
34AN
T100
35=
Q0.3
东西黄灯工作
36LD
Q0.4
37AN
38LD
39AN
40A
41OLD
42=
Q0.5
南北绿灯工作
43LD
44A
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