具有闯红灯抓拍的PLC交通灯控制系统 课程设计Word格式文档下载.docx
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参
数
采用PLC构成具有闯红灯抓拍的交通灯控制的电气控制系统。
控制要求查阅相关文献。
要
求
1）根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC硬件配置电路。
2）根据控制要求，编制PLC控制程序
3）按要求编写设计说明书并绘制A1幅面图纸一张。
考
资
料
1、《PLC电气控制技术》漆汉宏主编机械工业出版社2008
2、图书馆各类期刊文献相关数据库
3、相关电气设计手册
周次
第一周
第二周
应
完
成
内
容
完成全部方案设计：
周一、二：
查、阅相关参考资料
周二至周五：
方案设计
周六、日：
设计方案完善
完成设计说明书
周三、四：
绘制A1设计图纸
周五：
答辩考核
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
说明：
1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。
电气工程学院教务
摘要
交通信号灯的出现，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。
为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。
用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。
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
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，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。
同时有些还引入触摸屏模拟十字路口红绿灯闪亮及车辆通行，十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。
关键词:
交通灯；
PLC；
程序；
设计
1引言
1.1引言
当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。
因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。
随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。
本设计介绍了一个智能交通灯系统的设计。
该智能交通灯控制系统可以实现的功能有：
对某市区的四个主要交通路口进行监控；
各路口有固定的工作周期，并且在道路拥挤时中控中心能改变其周期；
对路口违章的机动车能够即时拍照，并提取车牌号。
在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。
而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算机应用中空前活跃的领域。
本文主要从单片机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理，用以控制过往车辆的正常运作。
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。
可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛的应用在所有的工业领域。
现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。
1.2设计的主要内容
（1）交通信号灯和闯红灯抓拍的控制要求
（2）交通信号灯和闯红灯抓拍的控制时序
（3）PLC控制电路设计
（4）交通信号灯程序设计过程
（5）交通信号灯的PLC程序
因为是交通灯的PLC控制设计，所以要了解实际交通灯的变化情况和规律。
假设一个十字路口为东西南北走向。
然后转状态1南北红灯，东西绿灯通车。
过一段时间转状态2东西绿灯灭，黄灯闪烁几次，南北仍然红灯。
再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯。
过一段时间转状态4，南北绿灯灭，闪几次黄灯，东西仍然红灯。
最后循环至状态1。
期间闯红灯抓拍系统在黄灯亮的瞬间开始工作，在红灯熄灭前2s停止工作。
2PLC控制系统设计概要
2.1设计的基本原则和内容
我们在学习了PLC的大量相关知识后，要能够把其运用在实际设计当中。
当然，要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。
那么，我们首先来看一下PLC控制系统的设计原则和内容。
一、PLC控制系统设计的基本原则
1、最大限度地满足被控对象的控制要求；
2、保证控制系统的高可靠、安全；
3、满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便；
4、选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。
二、PLC控制系统设计的基本内容
1、选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象；
2、分配I/O，设计电气接线图，考虑安全措施；
3、选择适合系统的PLC；
4、设计程序；
5、调试程序，一个是模拟调试，一个是联机调试；
6、设计控制柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。
7、验收、交付使用。
2.2设计的步骤和实现过程
一、PLC控制系统设计的一般步骤
1、对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路；
2、设计梯形图；
3、程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止；
4、现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求；
5、编写技术文件；
6、交付使用。
我们在设计流程图时，也要遵循以下过程：
1）分析生产工艺过程；
2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O；
3）选择PLC；
4）设计PLC接线图以及电气施工图；
5）程序设计和控制柜接线施工。
具体的设计步骤框图如图2-1所示。
图2-1控制系统设计步骤框图
3带抓拍功能的十字路口交通灯控制系统的硬件设计
3.1交通信号灯的控制要求
随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号灯，才使车流、人流有了规范，同时，减少了交通事故发生的概率。
然而，交通信号灯不合理使用或设置，也会影响交通的顺畅。
因此，在实际设计时要遵循一定的原则和要求。
交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。
红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。
交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。
交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使各个方向同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。
当出现闯红灯情况时抓拍系统会工作记录违章车辆。
在本设计中，我们仅以机动车信号灯为例，来说明它的控制要求。
一般的十字路口交通信号灯现场示意图如图3-1所示，其南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯，为确保交通安全，对其控制系统的要求如下。
图3-1交通灯现场示意图
1、采用PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制
系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。
SA1手柄指向左45°
时，接点SA1-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图3-2所示工作时序周而复始，循环往复工作。
SA1手柄指向中间0°
时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，。
SA1手柄指向右45°
时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮。
2、信号灯的控制原则
1）当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应禁止通行（红灯），同时南北方向的抓拍系统开始工作；
同样，当南北方向允许通行（绿灯）时，东西方向应禁止通行（红灯），南北方向的抓拍系统开始工作。
2）在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司机提前减速并刹车，应有明显的提示信号：
绿灯闪烁后黄灯亮。
3）信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。
3.2交通信号灯的控制时序
交通信号灯的控制时序如图3-2所示，它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置1表示信号灯点亮和抓拍系统工作，置0表示信号灯点灭抓拍系统停止工作。
图3-2十字路口交通灯正常工作时序
3.3PLC硬件控制电路的设计
3.3.1PLC的选型
在对PLC控制系统进行硬件结构设计时，首先，要了解各个控制对象的驱动要求，如：
驱动电压的等级、负载的性质等；
其次，要分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；
再次，要确定所控制参数的精度及类型，如：
对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等。
根据上述原则，我们要选择适合的PLC机型及外设，完成相应的PLC硬件结构配置。
因此，PLC的选型是设计中至关重要的一步。
目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种可达数百个，其性能各有特点。
所以，在设计时首先要尽可能考虑采用便于学习、掌握、维护方便、备品配件通用性强的PLC。
我国市场上流行的PLC产品有以下几家：
1）德国西门子（Siemens）公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品；
2）美国罗克韦尔（Rockwell）公司所属的AB（Allen&
Bradly）公司的产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品；
3）GE-Fanuc公司的产品；
4）法国施耐德（Schneider）公司的产品；
5）日本三菱、欧姆龙等公司产品。
本次设计的交通信号灯控制系统的主要任务和内容集中在程序编写和梯形图的绘制，由于在本设计中用到了大量的开关量、继电器、计数器以及计时器等。
而三菱公司子出产的PLC功能全，性价比高，有统一的地址分配，完全可以满足本设计的要求。
并且，在目前相关领域的控制设计中，三菱产品的应用比较广泛。
综上所述，我们采用了三菱公司FX2N-32MR，它有16输入/16输出。
3.3.2I/O配置表
I/O配置表如表3-1、3-2所示。
表3-1输入地址分配
输入地址
变量说明
X0
系统启动按钮
X1
X2
X3
X4
X5
系统停止按钮
地感线圈检测模块（东西1）
地感线圈检测模块（东西2）
地感线圈检测模块（南北1）
地感线圈检测模块（南北2）
表3-2输出地址分配
输出地址
Y0
东西红灯
Y1
东西黄灯
Y2
东西绿灯
Y3
南北红灯
Y4
南北黄灯
Y5
南北绿灯
Y10
照相机抓拍模块（东西1）
Y11
照相机抓拍模块（东西2）
Y12
照相机抓拍模块（南北1）
Y13
照相机抓拍模块（南北2）
3.3.3PLC控制电路接线图
根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，如图3-3所示。
图3-3十字路口交通信号灯PLC外部I/O分配及其接线
图中用一个输出点驱动两个信号灯，如果PLC输出点的输出电流不够，可以用一个输出点驱动一个信号灯，也可以在PLC输出端增设中间继电器，由中间继器再去驱动信号灯。
4交通信号灯控制系统的程序设计
在本设计中以城市十字路口为研究对象，根据十字路口车辆运行情况，调整各红、绿、黄灯亮的时间，利用GXDeveloper软件对其进行程序设计，实现对交通信号灯的实时控制。
4.1GXDeveloper编程软件的概述
GXDeveloper是三菱PLC的编程软件。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。
4.2交通信号灯程序设计过程
4.2.1PLC的流程图
在设计较为复杂的程序时，仅仅采用简单的逻辑处理已经很难保证程序的正确性和易读性，所以就需要采用别的方法来编制程序。
为了保证程序逻辑的正确以及程序的易读性，我们可以将一个控制过程分为若干个阶段，在每一个阶段均设立一个控制标志，当每一个阶段执行完毕，就启动下一个阶段的控制标志，将本阶段的控制标志清除。
所谓“状态”是指特定的功能，因此状态转移实际上就是控制系统的功能转移。
机电自控系统中机械的自动工作循环过程就是电气控制系统的状态自动、有序、逐步转移的过程。
这种功能流程图完整地表现了控制系统的控制过程，各状态的功能、状态转移顺序和条件，它是PLC应用控制程序设计的极好工具。
其流程图如图3-4所示。
图3-4十字路口交通信号灯PLC的流程图
4.2.2交通信号灯程序设计步骤
根据图3-4所示的状态转移过程，其具体的程序设计步骤如下：
系统启动后南北红灯亮25，同时东西绿灯先连续亮17秒，然后绿灯以一秒一次闪烁三秒，继而东西黄灯亮5秒；
然后东西红灯亮25秒，同时南北绿灯先连续亮17秒，然后绿灯以一秒一次闪烁三秒，继而南北黄灯亮5秒，如此循环往复。
在车道路口的地下，按要求埋设压电传感器感应线圈，当汽车经过时，会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感会减小，即可检测出汽车通过，并将这一信号转为标准信号，这一信号可作为PLC的输入信号，并进行计数。
计数系统在黄灯亮两秒后启动，在红灯距离结束两秒前结束。
在此期间如果计数系统计数两次则输出一个抓拍脉冲，抓拍系统启动，同时计数器复位，如此往复，结束时计数器复位。
在东西路口和南北路口分别安装有超速探测仪，如果有车辆的速度达到规定值则超速探测仪发出一个抓拍脉冲，抓拍摄像头进行照相。
4.3交通信号灯的PLC程序
在本设计中，交通信号灯PLC控制系统的程序采用梯形图语言来设计。
具体过程如下
结论
本系统结构简单，操作方便；
可现自动控制，具有一定的智能性；
对优化城市交通具有一定的意义。
本设计将各任务进行细分包装，使各任务保持相对独立；
能有效改善程序结构，便于模块化处理，使程序的可读性、可维护性和可移植性都得到进一步的提高。
在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。
我趁着做课程设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
程序中所用到的数据均可以根据实际情况进行设置，修改灵活方便。
通过此次设计，我对于VHDL硬件描述语言有了更深入地了解，也在原来所学的理论基础上得到了进一步地应用。
但由于经验上的不足，有些地方还需要做进一步地改善。
致谢
当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。
提笔写下“致谢”，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展开新的画卷。
尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。
他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。
本次课程设计让我从实践中真正了解到了“一份好的课程设计必须要充分掌握各方面知识并且能将其完美地结合起来”，从完成电路设计、元器件的选择、硬件的组装到拟定整个完整电路图、软件编写和课程设计论文的组织等，每一个步骤都需要认真思考，仔细斟酌，这让我更深刻地体会到了充分掌握各方面知识的重要性！
这次课程设计使我把书本上的理论知识运用到相关的具体内容上，让我自身的设计能力得到了培养和提高。
在设计过程中，我通过查阅大量相关资料、自学、同同学交流，向老师请教等方式，使自己学到了不少知识。
虽然经历了不少艰辛，但收获却也同样令人欣慰！
在整个设计开发过程中，我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活产生非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。
在此我要特别感谢我们指导老师，她的悉心教导以及孜孜不倦我才有了这部完整的设计，她时常督促我们认真快速的完成设计以便更好的投入到工作中，同时还要感谢和我一起奋斗共同完成这个课题的小组成员们，大家这几个月来辛苦了，于此希望老师工作顺利！
身体康健！
同小组的成员都能顺利答辩成功！
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