交通信号灯系统设计.docx
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交通信号灯系统设计
摘要
PLC交通灯毕业论文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。
PLC的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档.这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率。
为了弥补原交通信号灯系统存在的以上缺点，采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。
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,可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理.
关键词：
智能、PLC、交通灯、可编程控制
Abstract
AnewtypeofindustrialcontroldevicesPLCtrafficlightsgraduationthesisinquirytechnologyevolved.Ithastheadvantagesofsimplestructure,easyprogramming,highreliability,hasbeenwidelyusedinautomaticcontrolofindustrialprocessandlocationofthe.Accordingtostatistics,theprogrammablecontrollerisakindofequipmentformostapplicationsinindustrialautomationdevice.
IntelligentPLCcontrolprincipleisthecoreofthecontrolsystem,usingPLCtoEast-Westornorth-southdirectionofthevehiclewereclassifiedaccordingtothenumberofscale,east-westandnorth-southdirectioncorrespondingtoagivenlengthofgreentimealsoaccordingtocertainrulesofclassification.Thiscanbeachievedbythecarflowscalegivengreentime,reachingthemaximumthevehicleclearance,reducingthecrossroadsofthevehiclestagnation,relievetrafficcongestion,toachieveoptimalcontrol,soastoimprovetheefficiencyoftrafficcontrolsystem.Inordertomakeupforthedisadvantagesabovetrafficsignallampsystemexist,aneffectivemethodtocontrolthetrafficlightsistobeimperative.
PLChasthecharacteristicsoftheuseofenvironmentaladaptability,whileitsinternaltimerisveryrichinresources,theprogressive"signalforprecisecontrolofcommonlyusedatpresent",especiallyforthecontrolcanbeeasilyachieved.SothePLCisnowincreasinglyusedintrafficlightssystem.Atthesametime,PLCcommunicationsnetworkalsohasitsownfunctions,willbethesamesignalontheroadtoformaunifiedLANamanagement,canreducethewaitingtimeofvehicles,therealizationofscientificmanagement.
Keywords：
intelligent、PLC、trafficlights、programmablelogiccontrol
目录
第一章绪论2
第一节研究目的和意义2
第二节本文的主要工作3
第二章PLC的特点及应用4
第一节概述4
第二节PLC的特点4
第三节PLC的结构4
第四节PLC的工作原理5
第五节PLC的应用5
第三章交通灯信号控制系统7
第一节十字路口交通灯控制实际情况7
第二节结合十字路口交通灯的路况模拟控制实现7
第三节流程图8
第四章十字路口交通信号PLC控制系统11
第一节控制对象11
第二节控制要求11
第三节控制规律11
第五章十字路口交通信号PLC控制系统的具体设计12
第一节硬件设计12
第二节软件设计13
第三节测试结果16
第六章总结17
第一节行人道红绿灯和主干道红绿灯的对应关系17
第二节手动车流控制按键的控制方式17
第三节交通灯的闪亮17
第四节PLC智能化控制交通灯的方法17
结束语19
谢辞20
参考文献21
第一章绪论
第一节研究目的和意义
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。
第二节本文的主要工作
回顾交通灯的历史，随着社会经济的发展，交通管制的要求越来越高，采用可编程程序控制器来代替中间继电器和过程控制的微型机，设计开发了交通灯控制系统，才会满足稳定可靠的交通控制系统需求。
通过论述可编程程序控制器的各种优点、卓越性能、结构、原理，有一个感性的总体认识。
并结合交通灯控制系统的要求，进行硬件、程序设计，从主要部件的选择、流程的分析、程序思路的产生来完成本次设计任务。
第二章PLC的特点及应用
第一节概述
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。
第二节PLC的特点
1.可靠性高，抗干扰能力强；
2.通用性高，使用方便；
3.程序设计简单，易学，易懂；
4.采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；
5.系统设计周期短；
6.安装简便，调试方便，维护工作量小；
7.对生产工艺改变适应性强，可进行柔性生产。
第三节PLC的结构
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。
接受驱动
现场信号受控元件
图2-1PLC的基本结构框图
第四节PLC的工作原理
1、输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。
2、程序执行阶段：
PLC对用户程序扫描。
3、输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。
第五节PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2.模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3.运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4.过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5.数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6.通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
第三章交通灯信号控制系统
第一节十字路口交通灯控制实际情况
1．南北主干道：
直行绿灯闪亮27S、直行绿灯闪3S、左转绿灯闪10S、左转绿闪3S、黄灯2S、红灯45S；
2．东西人行道：
红灯亮45S、绿灯亮27S、绿灯闪3S、红灯亮60S；
3．东西主干道：
红灯亮45S、直行绿灯亮27S、直行绿灯闪3S、左转绿灯亮10S、左转绿闪3S、黄灯2S；
4．南北人行道：
绿灯亮27S、绿灯闪3S、红灯亮60S；
5．循环控制方式；
6．交通灯变化顺序表（单循环周期90秒）。
一、南北向（列）和东西向（行）主干道
南北向（列）和东西向（行）主干道均设有直行绿灯27S，直行绿灯闪亮3S，左行绿灯10S，左转绿闪3S，黄灯2S和红灯45S。
当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪，左转绿灯，左转绿灯闪亮和黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪，左转绿灯，左转绿灯闪亮和黄灯。
二、南北向和东西向人行道
南北向和东西向人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。
南北人行道通行绿灯应在南北主干道直行绿灯点亮时点亮，当南北主干道直行绿灯闪亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。
东西人行道通行绿灯于东西主干道直行绿灯点亮时点亮，当东西主干道直行绿灯闪亮是东西行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。
第二节结合十字路口交通灯的路况模拟控制实现
在PLC交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有3个控制灯，分别为：
●禁止通行灯（亮时为红色）
●准备禁止通行灯（亮时为黄色）
●直通灯（亮时为绿色）
另外行人道东西南北每面都有2个控制灯,分别为：
●禁止通行灯（亮时为红色）
●直通灯（亮时为绿色）
结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统如下：
当交通灯系统启动开关接通时。
一、南北向（列）和东西向（行）主干道
南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯10S，绿灯闪亮2S（亮0.1灭0.1）,黄灯2S和红灯14S。
当南北主干道红灯点亮时，东西住干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。
二、南北向和东西向人行道
南北向和东西向行人道均设为通行绿灯和禁行红灯。
南北人行道通行绿灯应在南北主干道绿灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。
东西行人道通行绿灯于东西主干道绿灯点亮是点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西行人道绿灯也要对应闪亮，其时间为红灯。
图3-1交通灯监控系统图
第3节流程图
图3-2交通灯模拟控制系统流程
向绿灯（G—SN）两个；
东西方向左转弯绿灯（L—EW）两个；
南北方向左转弯绿灯（L—SN）两个
第二节控制要求
系统工作受开关控制，启动开关“ON”则系统开始工作，启动开关“OFF”则系统停止工作，所有灯关闭。
若因故障使东南西北的绿灯同时亮，系统能自动报警并自动关闭所有红、绿灯，转入提示警告方式。
第三节控制规律
（1）系统24小时循环运行，工作规律按时序图运行。
绿灯闪烁时按0.5
秒间隔运行。
（2）提示警告方式运行时，控制规律为：
东、南、西、北四个方向黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭。
黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。
第五章十字路口交通信号PLC控制系统的具体设计
第一节硬件设计
一、编程地址分配
分析PLC的输入和输出信号,在满足控制要求的前提下,要尽量减少占用PLC的I/O点。
由系统控制要求可见，由控制开关输入的启、停信号是输入信号。
由PLC的输出信号控制各指示灯的亮、灭，综合有9个输出点，由此可得系统I/O分配表。
交通信号灯控制I/O分配如图所示；
表5-1I/O分配图表
类别
元件
端子号
作用
输入
SB1
00000
启动按钮
SB2
00001
停止按钮
输出
HL1
00200
南北向红灯
HL2
00201
东西向绿灯
HL3
00202
东西向黄灯
HL4
00203
东西向红灯
输出
HL5
00204
南北向绿灯
HL6
00205
南北向黄灯
HL7
00206
报警提示
二、.设计接线图
图5-2交通信号PLC控制输入输出接线图
第二节软件设计
一、时序图
二、梯形图程序设计
图5-4梯形设计图
第三节测试结果
1.将计算机上用OMRONCX-P编程软件编写的程序下载到OMRONC200H型PLC上。
2.将PLC与PLC的调试单元、输入、输出和COM连接好，按设计线图用实验导线链接到TVT90-3交通信号灯控制实验板上，用实验导线插接PLC调试单元的输入输出COM和+24V直流电源端。
3.按下PLC调试单元上的启动按钮SB1，交通信号灯应按要求工作，按下停止按钮SB2，交通灯全部熄灭。
4.如不是按控制要求动作，应检查程序并进行修改，直到调试正确为止。
第六章总结
第一节行人道红绿灯和主干道红绿灯的对应关系
因为实际的红绿灯控制中行人道的红绿灯和主干道的红绿灯是有这一定的对应关系的，所以在编程前一定要理清它们，这样有利于在编程时简化程序、减少PLC不必要的运算。
第二节手动车流控制按键的控制方式
手动车流控制按键是对相应的主干道绿灯延长的进行控制，但不能使它在按下时使改变当时的红绿灯显示情况，如现在是南北红灯东西绿灯时按下南北绿灯延长按键就不能使它变成南北绿灯东西红灯。
这就涉及到了一个请求和响应的关系。
第三节交通灯的闪亮
交通灯绿灯在实际运行中是要经过闪烁的，所以在设计程序中也要加入这个功能，参考了一些PLC的交通灯程序介绍时发现PLC中有一些继电器可以实现闪烁这些继电器也就是PLC内部的功能继电器，这是一种硬件实现功能的方法，虽然程序可以减少但比较死板闪烁频率不能控制。
由于对PLC内部的功能继电器不太熟悉（不同型号的PLC内部功能继电器编号也不一样）我想了一个用程序实现的方法（程序段在第86条~第94条指令之间），此方法可以说是软件实现功能的方法，虽然程序加长了但闪烁频率可以控制比较灵活。
第四节PLC智能化控制交通灯的方法
传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。
然而实际上交通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、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，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。
而模糊控制恰恰具有这方面的优势。
此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模糊控制传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。
然而实际上交通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、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，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。
而模糊控制恰恰具有这方面的优势。
此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模糊控制此控制系统的输入量是指十字路口各方向上车辆数的动态变化量。
具体由传感器采集后送入可编程序控制器。
在十字路口的四个方向（E、S、W、N）的近端J（斑马线附近）和远端Y（距斑马线约100米处）各设置一个传感器，分别统计通过该处的车辆数。
为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两部分：
其一是固定的10秒作为路口车辆状态参数的采集时间t1；其二是根据两个方向车辆流量变化进行模糊决策的延时t2。
然后通过传感器采集后的排队等候的车辆数送往PLC进行模糊推理运算得出延迟时t2，最后由t1和t2来实现对十字路口车流量的灵活控制。
结束语
经过本次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了电气控制及PLC这门课程，不仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的强，可以通过平时学的知识自己设计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。
学习，而这是自主的去思考突破，是自身的能动力起了作用。
谢辞
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“谢辞”，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。
参考文献
1.廖常初主编，PLC基础及应用，北京：
机械工业出版社，2004：
49-55.
2.廖常初主编，工业自动化，北京：
电子工业出版社，1997：
48-65
3.廖常初主编，PLC基础及应用，北京：
机械工业出版社，2002：
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