施诚PLC在交通指示灯的应用.docx

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施诚PLC在交通指示灯的应用

PLC在交通指示灯的应用

姓名：

施诚

学号：

200440201030

同组设计者：

专业：

机电一体化

系部：

机电工程系

指导教师：

樊春年

起止日期：

2009年4月10日至4月14日

目录

摘要1

关键词1

继电器感应线圈plc语言编程CPU模块I/O模块1

前言2

1概述3

1.1plc的基础结构3

1.2plc的特点4

1.3PLC的应用领域4

2PLC的工作原理5

2.1继电器5

2.2逻辑运算5

2.3工作原理5

3PLC在生活中的应用5

3.1plc的编程语言5

3.2控制系统的组成6

3.3车流量的计量6

3.4程序流程图注释7

4调试和自检10

4.1调试10

6参考文献13

摘要

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。

关键词

继电器感应线圈plc语言编程CPU模块I/O模块

前言

我们大家都知道，我们每天的出行都离不开交通。

据我了解，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，是的人们怨声在道，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，我们都知道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，提高了公共的通行率，在很大发布方面上给我们提供的很大方便，也解决了很多问题。

1概述

1.1plc的基础结构

随着微处理器、计算机和数字通信技术飞速发展，计算机控制以扩展到几乎所有的工业领域。

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、低成本和高质量的生产，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线和控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，PLC（ProgrammableLogicController,可编程序控制器）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。

PLC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装置之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用，在其他领域（例如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速的发展。

PLC的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经大量地应用在各种机械设备和生产过程的电气控制装置中，各行各业也涌现出了大批应用PLC改造设备的成果。

了解PLC的工作原理，具备设计、调试和维护PLC控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。

PLC由CPU模块、输入模块、输出模块、编程器组成，CPU模块主要由微处理器和存储组成。

在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。

I/O模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号。

开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

CPU模块的工作电压一般是5v，而plc的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。

从外部引入的尖锋电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。

在I/O模块中，用光偶合器、光电晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。

手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。

它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。

使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，，并可以实现不同编程语言的相互转换。

程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。

程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。

PLC一边使用220V交流电源或24V直流电源。

内部的开关电源为各模块提供DC5V，±12V，24V等直流电源。

小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

1.2plc的特点

编程方法简单易学；

功能强，性能价格比高；

硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；

可靠性高，抗干扰能力强；

系统的设计、安装、调试工作量少；

维修工作量小，维修方便；

体积小，能耗低。

1.3PLC的应用领域

在发达的工业国家，PLC已经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：

开关量逻辑控制；

运动控制；

闭环过程控制；

数据处理；

通信联网

2PLC的工作原理

2.1继电器

它主要由电磁线圈、铁心、触点和复位弹簧组成。

继电器有两种不同的触点，在线圈断电时处于断开状态的触点称为常开触点处于闭合状态的触点称为常闭触点。

2.2逻辑运算

试用继电器电路或PLC的梯形图可以实现开关量的逻辑运算。

2.3工作原理

PLC有两种基本的工作模式，即运行（RUN）模式与停止（STOP）模式。

在运行模式，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。

3PLC在生活中的应用

3.1plc的编程语言

PLC编程语言的国际标准，IEC的PLC编程语言标准（IEC61131-3）中有5种编程语言1顺序功能图（Sequentialfunctionchart）简称（SFC）；2梯形图（Ladderdiagram）简称（LD）；3功能块图（Functionblockdiagram）简称（FBD）;4指令表（Instructionlist）简称（IL）；5结构文本（Structuredtext）简称（ST）。

3.2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。

它具有高自控性丰富的输入/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[3]。

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*，如图4所示。

图4用PLC实现智能交通灯控制原理框图

本设计例中,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输出的标准电脉冲，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）。

3.3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。

3.4程序流程图注释

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＋自适应滞环进行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

自适应调整时间的滞环进行比较（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需要少一个偏差量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值需要整定，过小则导致红绿灯切换过频，过大又不能实现适时控制。

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，应此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*性。

车辆通行的时间中包含绿、黄灯闪烁的时间，红、黄、绿三个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。

如果人车分流，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。

4调试和自检

4.1调试

PLC的应用已经很广泛应用于工业的每个领域。

在应用中不可避免的会出现一些问题，那就需要我们对他进行调试和自检。

调试好的用户程序后，一般先后模拟调试。

有的PLC厂家提供了计算机上运行，可以用来代替PLC硬件来调试用户程序的仿真软件，例如西门子公司的与STEP7编程软件配套的S7-PLCSIM仿真软件、三菱公司的与SW3D5C-GPPW-C编程软件配套的SW3D5C-LLT-C仿真软件，西门子的“LOGO!

”可编程逻辑模块的编程软件也有仿真功能。

在仿真时按照系统功能的要求，将某些位输入元件强制为ON或OFF，或改写某些元件中的数据，监视系统功能是否能正确实现在对程序进行模拟调试的同时，可以设计、制作控制屏，PLC之外其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。

完成控制屏内部的安装接线后，应对控制屏内的接线进行测试。

可在控制屏的接线端子上模拟PLC外部的开关量输入信号，或控制屏面板上的按钮和指令开关，观察对应的PLC输入点的状态变化是否正确。

用编程器或编程软件将PLC的输出点强制为ON或OFF，观察对应的控制屏内的PLC负载（如外部的继电器、接触器）的动作是否正常，或对应的控制屏接线端子上的输出信号的状态变化是否正确。

对于有模拟量输入的系统，可给屏内的变送器提供标准的输入信号，通过硬件调整或调节程序中的系数，使模拟量输入信号和转换后的数字量之间的关系满足要求。

4.1.1故障的自检

故障的自检中应用了电感式传感器。

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[1，2]。

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。

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）。

传感器的铺设

图7车辆检测原理图及检测电路电压脉冲输出波形

图8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9传感器的铺设

5结束语

我的毕业设计终于完成了。

几个月来，从设计的构思到设计的完成，每一步对我门来说都是新的尝试与挑战。

本毕业设计是在导师的悉心关怀和精心指导下完成的。

毕业设计中的许多思想和方法得益于指导老师的指导和启发，从设计选题到论文写作都倾注了指导老师的巨大心血。

本设计能顺利的完成也归功与各位老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得到体现。

在做这次毕业设计过程中使我学到了很多，我感到不论做什么事都要用心去做，才会使自己更加的成长，没有学习就不可能有实践的能力，没有自己的实践就不会有所突破，希望这次的经历能让我们在以后的学习生活中不断成长与进步。

6参考文献

1MITSUBISHIELECTRICCORPORATION.FXSeriesProgrammableControllersProgrammingManual,2000。

2廖常初主编.PLC编程及应用.北京：

机械工业出版社，2002。

3廖常初主编.可编程序控制器的编程方法与应用.重庆：

重庆大学出版社，2001。

4三菱公司PLC的资料。