基于PLC的交通灯控制系统的设计与实现.docx
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基于PLC的交通灯控制系统的设计与实现
南京理工大学
毕业设计说明书（论文）
作者:
蔡骏
学号：
0901510115
学院（系）:
机械工程学院
专业:
机械工程及其自动化
题目:
基于PLC的交通灯控制系统的设计与实现
—车流量检测智能交通系统控制
指导者：
评阅者：
2013年6月
毕业设计说明书（论文）中文摘要
随着城市机动车量的不断增加，自80年代后期,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。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，缓解交通拥堵状况，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。
传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结构复杂，可靠性低，故障率高,较难实现功能的变更。
而可编程控制器（PLC）以微处理器为核心，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活方便等优点。
本文对所设计的以车流量为核心的智能交通控制系统的硬件结构，软件程序，功能特征进行了论述，并重点对运用地感线圈检测车流量的原理，安装方法和主控制程序的设计进行了详细的阐述。
关键词车流量地感线圈PLC智能交通
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleThedesignandimplementationofatrafficlightcontrolsystembasedonPLC
Abstract
Withtheincreasingvolumeofmotorvehiclesinthecity,sincethelate1980s,manylargecitiessuchasBeijing,Shanghai,Nanjingandothertrafficoverloadoperation.So,howappropriatecontrolmethod,agoodcitytomaximizetheuseofhigh-speedroads,easetrafficcongestion,hasincreasinglybecomethemainproblemtobesolvedintransportationmanagementandurbanplanningdepartments.Traditionaltrafficsignalcontrolgeneralelectroniccircuitsandrelays,thecomplexstructure,lowreliability,highfailurerate,ismoredifficulttoachievefunctionalchanges.Programmablelogiccontroller（PLC）microprocessorcore,withhighreliability,strongcontrolfunction,usingtheflexibilityadvantages.
Thispaperdiscussedthedesignoftrafficflowatthecoreoftheintelligenttrafficcontrolsystemhardwarestructure,softwareprograms,functionalcharacteristics,withanemphasisontheuseofthetrafficvolumeofthesensecoildetectionprinciple,theinstallationmethodandthedesignofthemaincontrolprogramadetailedexposition。
KeywordsFlowratevehiclesInductioncoilIntelligenttrafficPLC
1引言………………………………………………………………………………1
1.1交通灯的发展历史……………………………………………………………1
1.2交通灯限额现状……………………………………………………………2
1.3交通灯的发展……………………………………………………………………2
1.4国内外的发展现状及待解决的问题……………………………………………2
1.5课题研究的意义……………………………………………………………3
2可编程控制器（PLC）………………………………………………………4
2.1PLC的概述……………………………………………………………………4
2.2PLC的发展历史…………………………………………………………………4
2.3PLC的基本结构………………………………………………………………5
2.4PLC的工作原理…………………………………………………………………6
2.5PLC的特点……………………………………………………………………7
2.6PLC类型…………………………………………………………………………9
3地感线圈车辆检测器…………………………………………………………10
3.1地感车辆检测器的工作原理…………………………………………………10
3.2车辆检测器的系统组成………………………………………………………10
3.3地感线圈的选择………………………………………………………………11
4交通灯控制系统的设计…………………………………………………………13
4.1控制系统的组成………………………………………………………………13
4.2车流量检测器…………………………………………………………………13
4.3数码管显示电路………………………………………………………………15
4.4PLC控制设计…………………………………………………………………17
4.5I/O引脚分配及接口线路……………………………………………………19
4.6PLC梯形图的编制……………………………………………………………23
5PLC程序的仿真………………………………………………………………34
结束语………………………………………………………………………………36
致谢…………………………………………………………………………………37
参考文献………………………………………………………………………………38
1引言
在经济迅猛发展的时代，城市车辆日益增多，堵车现象已成为全社会所关注的问题。
提高车辆通过路口的效率，减少车辆在路口的等待时间，是解决这一问题的有效途径。
当前，许多城市在十字路中使用的交通灯为固定时间转换的控制方式，可是这样的控制方式已不能满足繁忙的交通需求。
如今许多科研人员都是研究以智能交通灯来取代传统的模拟信号指挥灯，许多文献中也提出了一些智能方案，由于这些方案和措施或不够成熟，或方法复杂，或造价成本过高，或安装施工不方便，使得智能交通系统难以推广。
因此，研究和改进这些方案和措施，对推广和应用智能交通系统有重要的作用[1]。
智能交通系统成为如今研究的方向，处于便捷和效果的综合考虑，可以使用安装传感器和PLC的方案：
在离路口50米处安装地感线圈，通过地感线圈将车流量转化成电信号，并将这一信号转化成标准脉冲信号作为PLC的控制输入，通过PLC计数，将数据传入CPU中，由CPU自动调节红绿灯的变化。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子控制装置，是一种较理想的控制器选择。
PLC采用可擦除存储器，在其内部进行计算，计时，逻辑运算，顺序运算等指令，并且通过数字化或模拟量的输出，控制各种类型的生产[2]。
PLC具有输入输出简单，抗干扰能力强，编程简单，造价低等特点。
1.1交通灯的发展历史
19世纪初在英国中部的约克城红、绿装分别代表女性的已婚和未婚。
由于马车速度较快，在英国国会大厦面前经常发生马车撞人事件。
于是人们从约克城女性着装颜色得到启示，在1868年12月10日第一代信号灯就在伦敦议会大厦的广场上诞生了。
在交通灯的下面有一位交警随时变化交通灯的颜色。
后来在交通灯的红绿灯上面装上红绿玻璃罩使颜色更加醒目。
在交通灯使用了不久之后，交通灯发生爆炸，在交通灯下面控制的警察也为此断送了性命，直到1914年在美国的克利夫兰市才再次使用交通灯，不过这时候使用的便是比较先进的“电气信号灯”。
稍后又在纽约和芝加哥等城市相继重新出现了交通信号灯。
随着科技的不断进步，交通工具也日益增多，真正意义上的红，黄，绿三色交通灯于1918年诞生。
它是三色圆形的投影器，它被安装在纽约五号街道的一个高塔上面，它的出现大大的改进了纽约的交通。
我国的胡汝鼎是黄色交通灯的发明者，他怀着“科学救国”的抱负到美国进行深造。
有一天他站在路口等待绿灯通行，当绿灯时，他准备通行，可是却有一辆汽车飞快的从他身边擦过，回到宿舍他发现到只有两个信号灯的弊端。
经过他的多方面考察，他认为在红绿灯中间加上一个黄色信号灯来提醒人们注意路口。
随后他对于加警示灯的建议得到了有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯在全世界的海、陆、空三面得到了空前的发展。
据民国史料记录，我国第一台交通信号灯出现在上海外滩的南京路路口。
1982年北京公安交管处在长达2年的努力下终于成功开发了我国首个岗伞式信号灯，继而在研发人员的拼搏努力下于1983年陆续在天安门东、王府井大道、北京东路安装使用。
1.2交通灯的现状
传统的十字路口交通灯，通常的做法是：
事先经过车流量的调查，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，实际上车流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时间段甚至可能产生很大的差异。
即使是经过长期运行，较为实用的方案，仍然会出现这样的情况：
绿灯方向几乎没什么车辆，而红灯方向却排长队进行等待通行。
这种多等少的情况，不仅使司机乘客怨声载道，而且对人力物力资源也是一种巨大的浪费。
这种流量变化偶然性是无法建立准确的模型的，统计的方法不能适应迅猛发展的交通现状[5]。
1.3交通灯的发展
城市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，通过使用一个数学模型来反应实际路口交通状态时非常困难的[6]。
而采用基于车流量的检测的的交通控制系统，通过传感器的电信号传输到计算机中，计算机对其进行判断得出合理的结果，再通过PLC控制红绿灯的时间，通过相对智能化的交通指挥，能够有效减少路口延误时间和停车次数，更加精确地控制非线性的、随机性的路口车流量，极大的提高路口通行能力[7]。
智能交通系统是以传统的交通工具理论与实践为基础，以提高交通系统的可靠性、舒适性、安全性及运行效率为目的，运用电子技术、数据通讯传输技术、传感技术、系统工程技术等科学技术成果，对传统的交通工具、交通指挥系统、交通运行管理方法进行提高和完善。
从而使交通设施得到充分利用，提高交通运载能力和运行安全性，最终使交通运输服务和管理智能化。
1.4国内外的发展现状及以待解决的问题
对于大部分城市而言，交通路口的红绿灯均采用固定转换时间的控制方法。
但由于各个十字路口在不同时间的车流量是随机的，采用固定时间的控制方法经常会出现空等现象从而影响了道路的畅通[10]。
随着自动化控制和计算机技术的不断发展，交通运输的不断优化，国内正在形成一批有实效的智能交通系统。
目前设计交通灯的方案有很多：
有应用CPLD设计实现交通灯控制器方法，有应用PLC对交通灯控制系统的设计，也有应用单片机事先对交通信号的设计方法[11]。
例如澳大利亚的SCAT系统采取分层梯阶式控制结构。
监控主机与管理主机相联，各个地区的监控主机把各个地方交通数据送到管理计算机，监控计算机连续地监视所有路口的信号运行、检测器的工作状况[12]。
各个地区的主控制器用来分析各个路口的车流量情况并对此情况进行分析之后控制交通灯的运行。
SCOOT系统充分体现出只能控制的便捷性。
英国的SCOOT系统SCOOT是由英国道路研究所在TRNSYT系统的基础上采用自适应控制上提出的动态交通系统[13]。
SCOOT系统是通过安装每条进口车道的车辆检测器所采集的车辆信息，进行数据分析从而形成方案来适应不同的车流量[14]。
国内对智能交通系统的研究发展较晚，现阶段我国一方面进行改进城市交通系统的研究，另一方面采用引进和自主改进的方法来建立城市交通系统。
虽然取但我国实际情况决定了需要对这些系统进行改进比如需要完善信号系统控制现有的信号控制还存在一定的局限性。
需要合理解决混合交通流问题[15]。
1.5课题研究的意义
交通系统是当今社会的“血液循环系统”，随着经济的不断发展和城市规模的不断扩大，城市之间的贸易和社会活动的日益增多，导致交通量不断膨胀，交通堵塞问题成为限制城市发展的重要问题。
目前我国城市交通灯控制系统大都采用固定转换时间间隔的控制方法，这种方式对于交通管理效率很低，容易造成交通拥挤，因此城市交通系统需要一种能够依据车流量、季节等多方面因素能自动调节红绿灯时间的智能交通系统。
这样才能大大减缓城市交通的堵塞问题，缓解交通拥挤，从而提高交通控制的效率。
利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。
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。
2可编程程序控制器（PLC）
2.1PLC的概述
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：
“一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
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。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计[16]。
”
PLC是在继电器控制和计算机技术的基础上，逐渐发展成的以微处理器为核心，集微电子技术，自动化技术，计算机技术，通讯技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置，目前已在工业，交通运输，农业，商业等领域得到广泛的应用，成为各行业的通用控制核心产品[17]。
PLC控制系统的设计基本原则：
（1）最大限度的满足被控对象的控制要求。
（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。
（3）保证控制系统安全可靠。
（4）考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。
2.2PLC的发展历史
1968年美国通用公司提出一种新型控制器的概念，从而代替继电器的使用。
1969年美国数字公司成功的研发出了第一代可编程控制器，满足了通用公司对这种新型控制器的理论要求。
随着科学技术的不断发展，现在已经研发出第五代可编程控制器的产品。
在以机械性为特征的机械制造业和将原料转化成产品的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，它按照特定的逻辑顺序，另外还有与顺序等无关的逻辑进行连锁控制;还有大量的模拟量，计数器，计时器等报警状态量为主的离散量数据监视。
为了满足这些控制和监控的要求，所以PLC成为取代继电器的产品。
在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的百分比[18]。
在八九十年代是PLC发展的黄金时期，年增长率一直保持为30%左右。
由于PLC在在模拟能力和网络同步方面的，占领了30%左右的DCS市场并且垄断了很多行业（如污水处理行业）。
但是由于工业PC（IPC）的出现，PLC的部分市场也被IPC和FCS占据了，所以PLC的增长速度缓慢。
目前全球各个厂家生产将近300多种PLC，主要应用在粮食，汽车制造，化学制药，造纸，采矿等行业
2.3PLC的基本结构
2.3.1电源
可编程逻辑控制器的电源对于整个控制系统起着极大的作用。
可编程控制器能否正常运行同时也取决于一个良好稳定的电源。
因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，PLC也可以直接接到交流电源上面。
2.3.2中央处理单元（CPU）
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
2.3.3I/O模块
常用的I/O分类如下：
摸拟量：
按信号类型分可以分为有电流型、电压型等；按精度可以分为12bit，14bit，16bit等。
除了上述通用I/O外，还有脉冲、热电偶、热电阻等特殊的I/O模块。
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
按I/O点数确定使用的规格，可以根据自己的需要自行变化，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力（受到机架地槽或最大底板的限制）。
2.4PLC的工作原理
当可编程逻辑控制器开始工作时，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。
PLC的一个工作扫描周期即完成这个三个周期。
在PLC的运行当中，PLC中的CPU将以一定的运行速度重复地运行上述三个阶段的内容。
2.4.1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[20]。
2.4.2用户程序执行阶段
在用户执行程序阶段，PLC总是总是自上而下的读取用户程序。
对于每条程序的读取，总是先扫描程序左边的各个触电构成的控制路线，然后进行逻辑运算，再根据逻辑运算结果，将逻辑线圈在系统RAM储存状态进行刷新。
中央处理器CPU将逐条执行用户指令程序，即按程序要求对数据惊醒逻辑，算数运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中。
2.4.3输出刷新阶段
当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段，在这一阶段中，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态转存到输出锁存器中，并通过一定的方式输出，驱动外部负载。
2.5PLC的特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
2.5.1使用方便，编程简单
梯形图是PLC最重要也是最普及的一种编程语言，无需计算机只是，其电路符号和表达方式与继电器电路原理土相似，技术人员和工人能很快掌握使用。
另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
编程方法简单易学。
当前，大多数PLC的编程采用的是与继电器控制相似的梯形图，它比较直观的反映出电路原理，清晰易懂因此受到广泛欢迎。
PLC还针对客户的具体性能要求开发顺序功能图语言，简化了复杂控制系统的编程。
控制程序可变，具有很好的柔性。
在更改控制功能时，采用PLC控制就不需要改变硬件设备，只对PLC的程序进行更改。
因此，从这个意义上来说，它具备很好的柔性控制能力。
正因如此，PLC在柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以至于工厂自动化（FA）中被大量采用。
2.5.2功能强，性能价格比高
用户程序实现逻辑控制，所需要的继电器，中间继电器，定时器，计数器等功能元件，都是由存储单元来代替，一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，相当于过去一个大规模的继电器控制系统。
另外，PLC所提供的软元件触电可以无限次的使用，方便的实现复杂的控制功能。
它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
体积小、功耗小、性价比高。
由于半导体集成电路的应用，PLC的体积相对较小。
以小型PLC（西门子S7-200系列CPU226）为例，它具有40个I/O接口，24个输入和16个输出，7个扩展模块，最大可扩展数字量点数248，掉电保持时间为100h,内部继电器达到256个，其尺寸仅为216×127×110mm。
再比如说，一台收音机大小的PLC具备相当于三个1.8m高的继电器柜的功能，节能可达到一半。
如三菱的FX系列的PLC有1540个继电器、1000个状态器、256个定时器、235个计数器，还有大量的数据寄存器，而它的尺寸大小是350×90×87mm,它的重量为1.5Kg。
因此可见PLC是机电一体化的最合适的产品。
2.5.3接口简单，维护方便
PLC的接口都是按照工业自动化控制的要求所设计，其接口有较强的带负载能力，输入输出端口可以直接与220V的交流电源或者24V直流等强电相连接，PLC接口电路一般都是模块化的、集成化的，当其发生故障时便于维修更换。
有些PLC可以直接在带电情况下插拔输入输出模块，可以不需要停电的情况下直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间
2.5.4可靠性高，抗干扰能力强
在抗干扰方面，PLC在结构设计，内部电路设计，系统程序执行等方面都给予了充分的考虑。
比如，对主要器件的部件用良好的材料进行屏蔽，信息保护和恢复，I/O回路与微处理器电路之间用光电耦合器隔离等。
2.5.5控制系统易于实现，开发工作量少，周期短
由于PLC具有集成化，标准化，系列化和良好的扩展性等特点，在多数情况下面，都是比较好选择PLC的系统，它们不仅能够完成各种特定的要求的控制，还能节约PLC的系统设计，安装和测试等环节的时间和工作量。
2.5.6维修工作量小，维修方便
PLC运行中发生故障的机率很低，并且PLC自身具备完善的自诊断功能。
当PLC的外部输入装置和执行装置发生故障的时候，可以根据PLC内置的显示装置和软件装置，方便地查明故障。
一般PLC构建都是比较小，并且采用集成模块化生产结构，当PLC发生故障或者算坏时，可以更换整机或模块迅速排除故障。
2.6PLC的类型
可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类。
按应用环境分为现场安装和控制室安装两类，按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型[21]。
整体性PLC中I/O点数是固定的，所以用户选择的余地很小，这种类型的PLC广泛用于小型控制系统的应用。
模块型PLC可以提供不同类型的I/O插卡，所以用户使用的范围比较广，方便功能扩展，一般应用于大中型控制系统的使用。
3地感线圈车辆检测器
3.1地感车辆检测器的工作原理
地感线圈车辆检测器，是一种基于电磁感应原理的车辆检测器。
它通常在同一
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