基于PLC的交通灯控制电路设计.docx
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基于PLC的交通灯控制电路设计
南京工程高等职业学校
五年制高职毕业设计
姓名：
戴寿坤学号：
07102027
系部：
电子工程系
专业：
电气自动化技术
设计题目：
基于PLC的交通灯控制电路设计
指导教师：
李丽职称：
2012年2月10日
摘要
交通信号灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全行驶，维持城市道路的顺畅起到了重要的作用，睡着车辆的日益增多，交通问题将日趋严重。
日常生活中人们都要经过无数次的十字路口，所以十字利口需要一套交通信号灯的模拟控制来管理人流和车辆疏通，一边防止发生交通事故目前绝大部分的交通灯时间都是设定好的，不管是车流高峰或低谷，红绿灯的时间是不变的，还有一些交通灯能根据简单划分的时间段来调整时间，但控制起来不是很灵活，这使得城市的车流量的调节不能达到最优。
交通信号灯可采用PLC来实现交通灯来控制人流和车辆安全疏通，从而实现了十字路口交通信号灯的自动化控制，更易交通管理和控制。
本设计介绍了PLC的意义，交通灯控制系统硬件结构图，设计思路和各个功能模块的实现细节。
关键词：
PLC；硬件连接图；交通信号灯系统；
ABSTRACT
Thetrafficlightsareanimportantpartoftheurbantrafficcontrolsystem,playanimportantroletoensuresafedrivingofmotorvehicles,maintenanceofurbanroadssmooth,asleepincreasingnumberofvehicles,trafficproblemswillbecomeincreasinglyserious.Ourdailylivesandgothroughthecrossroadsofnumerouscrossliqueursetoftrafficlightsanalogcontroltomanagetheflowofpeopleandvehiclestoclearthesidetopreventcaraccidents,mostofthetrafficsignaltimingarepredetermined,trafficpeakortrough,thetimeofthetrafficlightisnottobecome,therearesometrafficlightstoadjustthetimeaccordingtoasimpledivisionoftime,butthecontrolisnotveryflexible,whichmakesthecity'strafficregulationcannotachieveoptimal.TrafficlightscanbeusedPLCtoachievethetrafficlightstocontroltheflowofpeopleandthesafetyofvehiclestoclearinordertoachieveautomaticcontrolofthecrossroadstrafficlights,moretrafficmanagementandcontrol.ThisdesignintroducesthesignificanceofthePLC,trafficlightcontrolsystemhardwarestructure,designideasandthevariousfunctionalmodulesimplementationdeta
Keywords：
PLC;hardwareconnectiondiagram;trafficsignalsystem;
引言······················································································································1
1车辆的存在与通过的检测················································································1
1.1感应线圈（电感式传感器）··········································································1
1.2电路············································································································2
1.3传感器的铺设······························································································2
2用PLC实现智能交通灯控制···········································································4
2.1控制系统的组成·······························································································4
2.2硬件配置·········································································································5
2.3交通灯的控制过程·····························································································5
2.4PLC的选型··································································································7
2.5车流量的计量·····························································································9
2.6程序流程图·································································································9
2.7流程图注释·································································································11
3模块选择·········································································································12
3.1扩展模块的选择·························································································12
3.2EM222的端子连线图··················································································12
3.3扩展模块与主机的连接形式·······································································13
3.4I/O分配·····································································································13
4.监控系统··········································································································15
4.1摄像与显示系统·························································································16
4.2储存系统·····································································································18
4.3系统应用·····································································································18
5通讯系统·········································································································19
6编程及调试········································································································22
结论·····················································································································24
致谢·····················································································································25
参考文献··············································································································26
引言
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。
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考虑，我们可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。
比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。
1车辆的存在与通过的检测
1.1感应线圈（电感式传感器）
电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线（特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋）。
当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成如图1（a）中虚线所形成的高频磁场。
当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。
当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。
当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。
由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅（本论文所涉及的检测工作方式）和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。
若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。
电感式传感器的高频电流频率为60kHz，尺寸为2×3m，电感约为100μH.这种传感器可检测的电感变化率在0.3％以上。
电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑,它是理想的传感器。
传感器最好选用防潮性能好的原材料。
1.2电路
检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器,并将之转化为标准脉冲电压输出。
其具体电路图由三部分组成:
信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。
原理框图如图2所示,输出脉冲波形见图1（b）。
1.3传感器的铺设
图1车辆检测原理图及检测电路电压脉冲输出波形
图2车辆存在与检测电路原理框图
车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地（停车线处）以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，方案如图3（以典型的十子路口为例），同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。
图3传感器的铺设
2用PLC实现智能交通灯控制
2.1控制系统的组成
车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。
当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。
本例选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便。
利用PLC，可使上述描叙的各传感器以及各道口的信号灯与之直接相连，非常方便可靠，如图4所示。
图4用PLC实现智能交通灯控制原理框图
2.2硬件配置
PLC选用FX2N-64，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。
信号灯的选择:
在本例中选用红、黄、绿发光二极管作为信号灯（箭头方向型）。
系统的组成框图
控制系统结构图如图3.1所示
图3.1交通灯控制系统
2.3交通灯的控制过程
信号灯受启动及停止按钮的控制，当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环工作，当按下停止按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号灯都熄灭。
交通灯示意图如图3.2所示，在东西南北两个方向均安装信号灯，两个方向各6个灯，分为三个方向红、黄、绿三种颜色。
控制要求：
南北主干道左转绿10S直行绿30S绿闪3S黄2S红45S右行红10S绿78S
东西人行道绿27S绿闪3S红60S
东西主干道红45S右行红10S绿78S左转绿10S直行绿30S绿闪3S黄2S
南北人行道红60S绿27S绿闪3S
正常循环控制方式
交通灯变化顺序表（单循环周期90秒）
南北向（列）和东西向（行）主干道均设有左行绿灯10S，直行绿灯30S，绿灯闪亮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左行绿灯，直行绿灯，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左行绿灯，直行绿灯，绿灯闪亮和黄灯。
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向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮，然后接3S绿闪，其他时间为红灯；同样，东西人行道通行绿灯于东西向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮，然后接3S绿闪，其它时间为红灯。
急车强通控制方式
急车强通信号受急车强通开关控制。
无急车时，按正常循环时序控制，有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止，将急车强通开关断开，信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮3次。
随后按正常时序控制。
急车强通信号只能响应一路方向的来车，若两个方向先后来急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。
图3.2交通灯示意图
2.4PLC的选型
根据设计要求，本设计共需要I/O点数为4输入/22输出。
具体需要的输入输出点数如表3.1和表3.2所示。
表3.1输入点数分配
序号
输入信号名称
电气符号
1
启动按钮
SB1
2
停止按钮
SB2
3
急车强通按钮1
SB3
4
急车强通按钮2
SB4
表3.2输出点数分配
序号
输出信号名称
电气符号
1
南北左转绿
HL2
2
南北左转黄
HL11
3
南北左转红
HL13
4
东西左转绿
HL16
5
东西左转黄
HL19
6
东西左转红
HL6
7
南北直行绿
HL9
8
南北直行黄
HL14
9
南北直行红
HL3
10
东西直行绿
HL18
11
东西直行黄
HL22
12
东西直行红
HL7
13
南北右行绿
HL10
14
南北右行黄
HL21
15
南北右行红
HL4
16
东西右行绿
HL8
17
东西右行黄
HL15
18
东西右行红
HL17
19
南北人行绿
HL12
20
南北人行红
HL5
21
东西人行绿
HL1
22
东西人行红
HL20
根据表3.1和表3.2可以确定PLC以及扩展模块的选型。
对于这种中小型自动控制中，应用德国西门子公司生产的S7-200系列PLC无疑是十分明智的选择。
在主机模块中，常用的主机有CPU222，CPU224，CPU226三种。
2.5车流量的计量
车流量的计量有多种方式:
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（3）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。
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3）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。
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）。
以上计算判别全部由PLC完成。
可以把以上不同计量判别方式编成不同的子程序，方便调用。
2.6程序流程图
本例就上述所描述的车流量统计方式,就图3中的十字路口给出一例PLC自动调整红绿灯时长的程序流程图如图5所示，其行车顺序与现实生活中执行的一样[4]，只是时间长短不一样。
程序的控制规律如下:
图5十字路口PLC自动调整红绿灯时长的程序流程图
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;
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。
图6自适应调整时间的滞环特性
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6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。
2.7流程图注释
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，不再赘述。
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。
若人车分流，右转弯车辆不受限制。
较简单，流程图中略。
车流量的计量是不间断的，与控制呈并行关系，该系统属多任务处理，编程尤其应注意。
3模块选择
3.1扩展模块的选择
S7-200系列CPU提供一定数量的主机数字量I/O点，但在主机I/O点数不够的情况下，就必须使用扩展模块的I/O点。
由于本设计的输入点很少，只PLC主机的输入点足以满足要求。
需要扩展6点输出，EM222是8DC输出，这样扩展一个EM222就满足系统要求，且比较经济合理，所以，选择EM222作为输出扩展模块。
3.2EM222的端子连线图
如图3.4所示，L+接24VDC，M接地。
上下两部分其他8个端子均为数字量输出端子。
图3.4EM222数字输出8X24VDC端子连接图
3.3扩展模块与主机的连接形式
主机和扩展模块上均有一个连接口，用专用的连线将两个接线口连通即可。
如图3.5所示。
图3.5CPU226与EM222的连接图
3.4I/O分配
如表3.3、表3.4所示，优先分配主机CPU226的地址，后分配扩展模块EM222（8输出数字量模块）的地址。
表3.3输入点分配
启动开关
0000
停止开关
0001
东西主干道绿灯
1000
东西主干道黄灯
1001
东西主干道红灯
1002
升级会员 