PLC控制交通灯系统设计.docx

1、PLC控制交通灯系统设计 学校代码：11517 学 号： HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 毕业设计（论文）题 目 PLC控制交通灯系统设计 学生姓名 专业班级 电气工程 学 号 系 （部） 电气信息工程系 指导教师(职称) 完成时间 河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论

2、文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名： 年 月 日 河南工程学院毕业设计(论文)原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 年 月 日河南工程学院毕业设计（论文）任务书题目 PLC控制交通灯系统设计 专业 电气工程及其自动化 学号 姓名 主要内

3、容、基本要求、主要参考资料等：主要内容：本次毕业设计分为以下几部分组成：PLC基础知识简介，分析编程方案，交通系统PLC编程，程序编程和调试等。基本要求：通过本次设计要熟练PLC编程软件的应用，进一步加深对PLC指令的理解。主要参考资料：1 黄继昌等. 传感器工作原理及应用实例M. 北京:人民邮电出版社,1998.2 张万忠. 可编程控制器应用技术M. 北京:化学工业出版社,2001.3 英R.J.索尔特. 道路交通分析与设计M. 张佐周等译. 北京:中国建筑工业出版社,1982.4 阮友德电气控制与PLC实训教程M北京：人民邮电出版社，20085 洪清辉，何燕阳基于PLC的交通灯智能控SUJ

4、漳州师范学院学报(自然科学版)，2005，(3)：66706 刘智勇基于PLC的模糊智能交通控制系统J公路交通科技，No6，19987 PLC基础知识简介EBOLhttp：plccomarticle200859595-18 李建武，黄甫正贤城市单路口交通模糊控制系统的实现J电气传动自动化，2000.9 邱道尹S7300400PLC入门和应用分析M北京：中国电力出版社，200810 张风珊电气控制及可编程序控制器(第2版)M北京：中国轻工业出版社，200311 常健生检测与转换技术北京：机械工业出版社199212 王建，张宏松下PLC与典型应用M中国电力出版社，200913 李国厚PLC原理与应

5、用M清华大学出版社200514 编写组工厂常用电气设备手册M工厂常用电气设备手册(第2版)M北京：中国电力出版社，199815 马志溪电气工程设计M北京：机械工业出版社，200216 郁汉琪电气控制与可编程序控制器应用技术M南京：东南大学出版社，200317 吴晓君，杨向明电气控制与可编程控制器应用M北京：中国建材工业出版社，2004完 成 期 限：2011年5月30号指导教师签名： 专业负责人签名： PLC控制交通灯系统设计摘 要交通信号灯控制是通过对交通流量的控制以达到改善人和货物的安全运输，提高交通运营效率。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

6、甚至无法用现有的数学方法加以描述。目前国内十字路口的交通灯控制一般是定时切换控制的。在当今高速发展的社会里，交通问题成为大家关注的社会问题，汽车数量的直线上升及现有的定时切换控制交通方式的局限性都使得我们有必要寻求一种智能的交通控制系统，基于此本论文的思路是：通过探测器(即电磁感应线圈)探测出汽车的流量后自动调节红绿灯的时长。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。为了解决十字路口的交通拥挤状况，本文提出了一种基于PLC、车流量检测系统和数值比较器的十字路口交通灯实时控制方案。该设计系统地介绍了交通灯控制系统的组成和设计方案，并进行了程序设计。通过车流量检测系统实现了

7、对十字路口车流量的智能检测，并根据车流量的变化，实时地对红绿灯时间进行合理调配，从而提高了十字路口的通行能力。关键词 实时控制；PLC；数值比较The System Design of PLC Control Traffic Light ABSTRACTThe Traffic Signal Controlling is a realization method which by adjusting the traffic flow to achieve the improvement of the safety of the person and car go transportation a

8、nd the enhancing of the operation efficiencyTransport system is a complex system of randomness，ambiguity and uncertainty，It is very difficult to establish the mathematical model and sometimes it is impossible to use the existing mathematical methods to describe it。At present inside the country the t

9、raffic lights at crossroads is generally controlled by timing switch。Now in high speed developed society the traffic problem becomes the social problem that everybody pay attention to，the car quantity run high straightly and the limitation of the current timing switch control method of the traffic l

10、ights make it necessity for US to look for a kind of intellective transportation control system。Based on this idea the train of thought of vehicleThe counted number of the vehicle flow and the control of the hours of the traffic lights can be realized by PLCIn order to solve traffic congestion situa

11、tion of the crossroads, a real-time control system of crossroads traffic lights based on PLC, traffic flow monitoring system and digital comparator is presented in this paperThe design systematically introduced the composition and design program of the control system of traffic lights, and then desi

12、gn a procedure. This system use a method of traffic flow detection system to automatically adjustment the time of the traffic lights according to the traffic flow of the crossroads. So it can improve the traffic capacity at the crossroadsKEY WORDS Real-time control；Programmable Logic Controller；Digi

13、tal comparison1 绪论1.1 交通信号灯的作用与研究意义 1.1.1 交通信号灯的作用随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。交通问题不仅在发展中国家，就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。因此，不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。事实上，由于交通

14、系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。在本设计中，采用的是调节交通信号灯的红绿灯时间来改善交通通行率。 交通信号灯已有100多年的历史了。过去的信号灯是由人工控制的，现在发展到自动控制，并由各个路口的各自为班发展到一条线或一个区域的联动，这样，车辆经过的路口都可能会一路绿灯，大大提高了道路的交通效率。交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色，又叫红绿灯。红灯表示停止或禁止通行，绿灯表示通行，黄灯表示马上要出现红灯。车辆不能越过停车线，如果车辆已十分接近停车线而不能安全停车时，可以进入交叉路口。1.1.2研究意义在十字路口设置交通灯可以对交通进行有

15、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

16、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仍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根据车流量控制的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

17、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。1.2 PLC发展的现状可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC )为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断

18、扩大。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。在可编程控制器出现前，在工业电器控制领域中，继电器控制占主导地位。但是电气控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。1969年美国数字设备公司根据美国通用汽车公司的要求研制成功了世界上第一台PLC，并在通用汽车公司的自动装配线上使用，取得很好的成果。从此这项技术迅速发展起来。早期的PLC仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继

19、电器控制，故称为可编程控制器。随着微电子和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑运算，还增加了算术运算、数据处理和数据传送等功能。20世纪80年代后，随着大规模，超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制能力增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图像显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理，联网通信等功能的名副其实的 多功能控制器。自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相

20、继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的通用工业控制装置。1.3 PLC的特点 1.可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障

21、时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎

22、PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5.体积小，重量轻，能耗低 以超小型

23、PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 1. 4 PLC的发展趋势(1)向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的储存容量。(2)向超大型、超小型两个方向发展。以适应不同类型的自动控制系统的需要。(3)PLC大力开发智能模块，加强联网通信功能。为了扩大适用范围，厂家还制定了通用的通信规则，已构成更大的网络系统。(4)增强外部故障的检测与处理能力。外部故障的几率很大，因此，PLC厂家致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠

24、性。(5)编程语言多样化。PLC结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富。多种语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多种产品。国内PLC市场仍以国外产品为主，如Siemens、A-B、OMRON、三菱、GE的产品。经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，可以说PLC在我国尚未形成制造产业化。在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。专家估计，2000年PLC的国内市场销量为15(20万套（其中进口占90%左右），约25(35亿元人民币，年增长率约为12%。预计到2005年全国

25、PLC需求量将达到25万套左右，约35-45亿元人民币。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。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。（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

26、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。过程控制在冶金、化工、

27、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。2 PLC的结构及原理2.1 PLC的结构PLC 实质上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相同。从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两

28、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。PLC的基本结构框图如图2-1所示： 图2-1 PLC的基本结构框图（1）CPU的构成：PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台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

29、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。 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电

30、路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。箱体式PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接I/O模板或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC作设定，如设定起始工作方式、内存区等。（2）I/O模块：PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，

31、I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。（3）电源模块：有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。（4）底板或机架：大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。（5）PLC 的外部设备：外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。监视设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等