基于PLC的交通信号灯控制系统设计.docx
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基于PLC的交通信号灯控制系统设计
绪论
城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。
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，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。
目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。
所以经典控制法很难得到满意的效果。
而模糊控制是一种无须建立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。
近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。
根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。
通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。
绪论-----------------------------------------------------------------------------Ⅰ
1应用背景与需求-------------------------------------------------------1
1.1交通灯现状与发展---------------------------------------------1
1.2PLC研究的目的与意义----------------------------------------2
2控制任务分析--------------------------------------------------------3
2.1控制要求-----------------------------------------------------------3
2.2控制任务析-----------------------------------------------------4
3ＰＬＣ选型及输入输出地址定义-----------------------------5
3.1选型------------------------------------------------------------------5
3.2输入输出定义----------------------------------------------------5
3.3输入输出接线图------------------------------------------------6
4程序设计------------------------------------------------------------------7
4.1状态转移图-------------------------------------------------------7
4.2梯形图--------------------------------------------------------------7
5系统安装与调试-------------------------------------------------------12
5.1输入程序-----------------------------------------------------------12
5.2系统安装----------------------------------------------------------13
5.2.1元件表-----------------------------------------------------------13
5.2.2安装接线--------------------------------------------------------13
5.3系统调试-----------------------------------------------------------16
结束语-------------------------------------------------------------------------17
致谢-----------------------------------------------------------------------------18
参考文献----------------------------------------------------------------------19
1应用背景与需求
1.1交通灯系统的现状
随着社会经济的发展，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，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。
自80年代后期，很多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。
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。
据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制（不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况），这样必然产生如下弊端:
当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。
1.2PLC研究的目的与意义
智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。
出于便捷和效果的综合目的考虑，我们用如下方案来控制交通路况:
制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。
具体如下:
在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。
PLC的智能控制原则是控制系统的核心，是系统如何依据车辆脉冲的计数结果自动输出以调节红绿灯的时间长度的控制逻辑。
另外，由于十字路口的交通灯控制是实时的，考虑到小型PLC的长处是控制而非复杂的逻辑运算，所以，我们尽量简化逻辑运算，以提高PLC的控制输出速度。
现在交通信号灯控制一般采用单片机控制，单片机能完成交通灯一般的控制过程，其功能比传统继电器控制电路要强大的多，但可靠性不够高，控制功能还不够完善。
PLC是专为工业自动化控制设计的，在面向对象控制这一块，其控制功能的强大是无法比拟的，通过多种多样的扩展模块，可以做到外部接线简化、内部工作的高可靠。
另外PLC易学易懂，虽然价格比单个CPU贵，但性价比高。
也可以说PLC是一个技术成熟、工作可靠的单片机应用系统。
由于稳定性高，抗干扰能力强，不久的将来，PLC控制系统将会在交通灯方面做出巨大的贡献。
2 控制任务分析
2.1控制要求（系统示意图，控制要求表）
表2-1
信号灯控制要求表
东西方向
信号
绿灯亮
绿灯闪烁
黄灯亮
红灯亮
时间
25秒
3秒（三次）
2秒
30秒
南北方向
信号
红灯亮
绿灯亮
绿灯闪烁
黄灯亮
时间
30秒
25秒
3秒（三次）
2秒
（1）、我们假设依据车流量得出的信号控制输入如上表（2-1）所示来进行实验室模拟实验。
（2）、系统工作受开关控制，起动开关ON时则系统开始工作；起动开关OFF时则系统停止工作。
（3）、控制对象有六个：
东西方向红灯两个，南北方向红灯两个；
东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个；
东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个。
下图是十字路口交通信号灯示意图。
信号灯的动作受开关总体控制，按一下起动按钮，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环动作；按一下停止按钮，所有信号灯都熄灭。
信号灯控制的具体要求如上表（2-1）所示。
图2-1交通灯示意图
2.2控制任务分析
由于十字路口的交通灯，南北方向的车辆都是同时停止，同时流通的，东西方向也是这样，所以只要取南、北方向车辆的最大值和东、西方向的最大值进行比较，而不是对南、北方向车辆总和与东、西方向的车辆总和进行比较。
根据实验室十字路口交通信号灯的控制要求，可作出信号灯的控制时序图如下图（2-2）所示：
图2-2交通信号灯控制的时序图
3ＰＬＣ选型及输入输出地址定义
3.1选型
PLC高性能小型可编程控制器，具有较高的性价比，应用广泛。
它不仅具备了以往的小型PLC所具有的功能，而且还可连接可编程控制终端,尽可能使安装空间最小化，并实现了具有2点-7点输入输出点数的弹性构成，为了节省节点的个数，它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。
只有选择了符合要求的产品才能达到既可靠又经济的要求，三菱公司FX2N-16MR系列的PLC适合本次实验的要求，因此我们选择三菱系列型号的可控制编程器。
3.2输入输出定义
根据对控制任务的分析，我们将输入输出定义如下表（3-1）所示:
启动按钮
SB1
停止按钮
SB2
东西主干道绿灯
Y0
东西主干道黄灯
Y1
东西主干道红灯
Y2
南北主干道绿灯
Y4
南北主干道黄灯
Y5
南北主干道红灯
Y6
起动按钮SBl接于输入继电器XO端，停止按钮SB2接于输入继电器X1端；
东西方向的绿灯接于输出继电器Y0端，东西方向黄灯接于输入继电器Y1端，东西方向的红灯接于输出继电器Y2端；
南北方向的绿灯接于输出继电器Y4端，南北方向的黄灯接于输出继电器Y5，南北方向红接于输出继电器Y6。
将输出端的COM1及COM2用导线相连，输出端的电源为交流220V。
如果信号灯的功率较大，一个输出继电器不能带动两只信号灯，可以采用一个输出点驱动一只信号灯，也可以采用输出继电器先带动中间继电器，再由中间继电器驱动信号灯。
3.3输入输出接线图
根据信号灯的控制要求，本模块所用的器件有：
PLC控制单元，起动按钮SB1，停止按钮SB2，红黄绿色信号灯各四只。
输入／输出端口接线如下图所示：
图3-1输入／输出接线图
4程序设计
4.1状态转移图
图4-1状态转移图
说明：
启动开关进入PLC工作状态，根据信号输入（我们让东西主干道绿灯先亮，南北主干道红灯先亮）各个信号灯按照我们规定的时间依次亮起，然后循环往复。
按下结束按钮停止工作。
4.２梯形图
本模块我们采用基本逻辑的编程实现信号灯的控制。
灯亮采用编程软件定时器实现，灯闪采用由定时器组成的脉冲发生器实现。
现在我们来分析一下由T10及T11组成脉冲发生器的梯形图。
图4-2周期为1秒的脉冲发生器
由上图可知，当M100闭合时，T10得电，延时0．5秒后，T10触点闭合，定时器T11得电，延时0．5秒后，其常闭触点T11断开，T10线圈失电，其触点T10断开，而定时器T10再次得电，0．5秒后，T10再次闭合……，如此周而复始，即可得到T10触发的工作波形如下图（4-3）所示
图4-3T10触电的脉冲波形
图4-4逻辑指令梯形图
工作时，可编程控制器处于运行状态，按动起动按钮SB1，则辅助继电器M10得电并自锁，由梯形图可知，首先接通输出继电器Y6，及Y0，使得南北方向的红灯亮、东西方向的绿灯亮。
大家根据梯形图的文字说明及上面的时序图，不难分析交通信号灯的整个周期工作过程。
按停止按钮SB2，则辅助继电器M100断电并解除自锁。
整个系统停止运行，所有信号灯熄灭。
按上述指令输入PLC编程器运行。
交通灯信号控制梯形图对应的指令如下：
1LDX000
2ORM100
3ANIX001
4OUTM100
5LDM100
6ANIT1
7OUTT0K300
9LDT0
10OUTT1K300
13LDM100
14ANIT0
15OUTT2K250
18LDT2
19OUTT3K30
22LDT3
23OUTT4K20
26LDT0
27OUTT5K250
30LDT5
31OUTT6K30
34LDT6
35OUTT7K20
38LDM100
39ANIT0
40OUTY006
41LDT0
42OUTY002
43LDY006
44ANIT2
45LDT2
46ANIT3
47ANDT10
48ORB
49OUTY000
50LDT3
51ANIT4
52OUTY001
53LDY002
54ANIY005
55LDT5
56ANIT6
57ANDT10
58ORB
59OUTY004
60LDT6
61ANIT7
62OUTY005
63LDM100
64ANIT11
65OUTT10K5
68LDT10
69OUTT11K5
72END
5系统安装与调试
5.1输入程序
图5-1程序输入
5.2系统安装
5.2.1元件表
实验室安装所需元件器材如下表（5-1）所示：
序号
名称
型号规格
数量
单位
备注
1
安装板
600mmX800mm
1
块
木板或铁板
2
PLC
FX2N-16MR
1
台
3
导轨
DIN
0.3
米
4
空气断路器
Multi9c65ND20
1
只
5
熔断器
RT28-32
4
只
6
指示灯
XB2-BVB3C24V
4
只
绿色
7
XB2-BVB4C24V
4
只
红色
8
XB2-BVB5C24V
4
只
黄色
9
转换开关
XB2-BE101C
1
只
10
控制变压器
JBK3-100380/220V
1
只
11
按钮
LA4-3H
1
只
12
端子
D-20
20
只
13
铜塑线
BV1/1.13m㎡
25
米
14
BVR7/0.75m㎡
10
米
15
紧固件
M4*20螺杆
若干
只
16
M4*12螺杆
若干
只
17
○4平垫圈
若干
只
18
○4弹簧垫圈及
○4螺母
若干
只
19
号码管
若干
米
20
号码笔
1
支
表5-1
5.2.2安装接线
a）元器件布局图
依据实验室工作台具体情况,我们将元件按下图（5-2）分布：
图5-2元器件布局图
b）、安装接线
图5-3完整的系统图
5.2.3将程序写入PLC
将程序写入PLC的方法有两种，一种是用专用的编程器（如手持式编辑器）传输到PLC，一种是在电脑安装上编程软件后通过编程电缆传输到PLC。
各种PLC的编程软件不同，编程电缆也有所不同，具体的操作方法可根据具体情况而定，在现场一般用编程器修改调试。
因为本设计是在实验室模拟实际交通灯控制情况，故采用电脑编程通过数据写入的方式。
5.3系统调试
图5-4系统调试图
经过调试程序没有错误，信号灯依照要求依次亮起，能满足初步设定的控制要求。
结束语
用PLC控制交通信号灯要充分利用其特点：
1、高可靠性2、丰富的I／O接口模块3、采用模块化结构4、编程简单易学5、安装简单，维修方便。
本例在设计的过程中主要的难点、重点是编程思路、部分功能指令的应用、梯形图的设计、系统程序输入及调试方法。
本系统采用“规模分档”的绿灯时长智能控制原则，即：
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.
兴趣是自发形成的，而默契是慢慢培养出来的，当前社会，科技迅速发展，知识更新速度大大加快，只有我们共同去探索，用自己的双手去征服每一个困难，用我们新的力量去打造一片创新的领域。
致谢
一次又一次的学习，我们慢慢地在体会、研究和感悟，终于开始领会到将近成功的那一份喜悦。
从撰写报告、查找资料、程序设计，到整理每一个次的调试，我们学会了细心和耐心，也品尝到了酸、甜、苦、辣。
无数的成功与失败更加肯定了我们的研究成果。
兴趣是自发形成的，而默契是慢慢培养出来的。
感谢一直以来给予我们指导和帮助的老师，让我们少走了很多的弯路；很感谢学校给予我们学习及展示自己、肯定自己的机会；也很感谢一直以来我们共同努力的战友们。
谢谢你们！
参考文献
［1］《机电系统PLC控制技术》张广明李果朱炜编著国防工业出版社2007.3
［2］《机床电气控制技术》齐占庆王振臣编著机械工业出版社1997.5［3］《可编程控制器原理与应用》宋建成编著科学出版社2004.1
［4］《可编程控制器原理与应用及应用教程》李树雄编著北京航空航天大学出版社2003.9
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