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基于PLC的智能交通灯控制系统设计.doc
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1、目录摘要1关键词1ABSTRACT.1KEY WORDS1引言21 交通灯概述31.1课题背景31.2研究目的和意义31.3本文的主要工作42 可编程程序控制器(PLC)52.1 PLC概述52.1.1 PLC的发展历程52.1.2 PLC的发展趋势62.1.3 PLC的应用72.2 PLC的硬件结构72.3 PLC的工作原理82.4本章小结93 带人行横道过马路请求的交通灯控制系统设计103.1交通灯控制设计方案分析103.2交通灯控制系统的工作方式103.2.1带人行横道过马路请求的工作方式113.2.2带流量检测的十字路口设计123.3车流量检测设计133.4 硬件设计143.4.1 P
2、LC的选型143.4.2 PLC的地址分配143.4.3 PLC的外部接线153.5 系统程序设计153.5.1系统的梯形图153.5.2系统程序分析193.6 本章小结194 系统检测与调试204.1检测与调试204.2本章小结21参考文献22致谢23基于PLC的智能交通灯控制系统设计自动化专业学生 张清路指导教师 王秀摘要:自从交通灯诞生以来,其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样,从而使交通灯显得更加智能化。在一些特殊的十字路口,如果利用普通十字路口的交通灯控制方式,会出现以下情况:一个方向上绿灯但是没有车要经过,同时另一个方向上是红灯却有车要经过。这样就降低了道路使
3、用率,浪费很多时间,因此对待特殊的十字路口要采取特殊的控制方式。选择西门子可编程控制器S7-200为核心部件,着重进行硬件接口设计,利用梯形图进行编程,实现了特殊十字路口交通灯控制系统的自动化。关键词:PLC;交通控制;自动化Design of Intelligent Traffic Light Control System baseing on PLCStudent majoring in Automation Zhang Qinglu Tutor WangxiuAbstract:Since the inception of traffic lights, their internal ci
4、rcuit control system is constantly being improved. And design becomes various so that the traffic lights are more intelligent. In some special crossroads, if the ordinary traffic lights control method is used, the following situation will occur: when there is no vehicle passing in one direction, but
5、 the traffic light is green. While there is vehicle, but the traffic light is red, resulting in the reducing of the road usage and wasting a lot of time. Therefore, the special control mode is needed on the special intersection. It is to choose the Siemens S7-200 PLC as the core components, and focu
6、s on the hardware interface design and use the ladder diagram to program. And by doing so, the automation of traffic light control system on special intersection could be achieved.Key words: PLC ;Traffic control ;Automation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:当某些特殊
7、交汇路段(如主干道和次干道)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:在车流量少的路口安装行人按钮和制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的变化。具体如下:在车流量少的路口的两个方向安装行人按钮红外线车流量检测器,当行人要过马路时,按下按钮即可检测
8、到行人要经过,当汽车经过光电开关时就会阻碍或者反射,经过转换电路转换,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,按这些要求自动调节红绿灯的变化。 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 交通灯概述1.1课题背景1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行,这是世界上最早的交通信号灯。1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的
9、煤气红绿灯。它由红绿两色旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。1869年1月2日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消。1914年,电气启动的红绿灯出现在美国,这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。 1918年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯,一种是把压力探测器安在地下,车辆一接近红灯便变为绿灯;另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下嗽叭,就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车
10、放行,以免发生交通事故。信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。1968年,联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号,面对绿灯的车辆可以直行,左转弯和右转弯,除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号,面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号,面对黄灯的车辆不能越过停车线,但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。 1.2研究目的和意义在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通,并为交通参与者的安全
11、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,更为现实的需要是能有一种能够根据流量
12、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模糊控制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当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯
13、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、组态方便。可编程控制器交通灯控制系统的特点:脱机手动工作;联机自动就地工作;上机控制的单周期运行方式;由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制;自动启动、自动停机控制方式。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。本系统采用PLC是基于以下四个原因:PLC具有很高的可靠性,通常的平均无故障时间都在30万小时以上;编程能力强,可
14、以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现;抗干扰能力强,目前空中各种电磁干扰日益严重,为了保证交通控制的可靠稳定,我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC;根据交通信号灯系统的要求与特点,我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点,是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富,可以接各种输出、输入扩充设备,有丰富的特殊扩展设备,其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的,能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制1。1.3本文的主要工作第一章,回顾交通灯的历
15、史,随着社会经济的发展,交通管制的要求越来越高,采用可编程程序控制器来代替中间继电器和过程控制的微型机,设计开发了交通灯控制系统,才会满足稳定可靠的交通控制系统需求。第二章,叙述了可编程程序控制器的产生、发展、应用的历程,通过论述可编程程序控制器的各种优点、 卓越性能、结构、原理,有一个感性的总体认识。为完成本次设计任务打下基础。第三章,结合交通灯控制系统的要求,进行硬件、程序设计,从主要部件的选择、流程的分析、程序思路的产生,主要功能的实现和各种特殊功能的设计等方面来完成本次设计任务。第四章,最后对系统进行调试和检测,通过对系统的调试和检测,再进行系统性梳理,将隐藏的不足之处加以修正和完善,
16、以使主要功能和特殊功能得以完全实现,确保顺利应用于现实中。2 可编程程序控制器(PLC)2.1 PLC概述可编程序控制器(Programmable Logic Controller,缩写PLC)是以微处理器为基础,综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变,为适应多品种小批量生产的需要,生产、发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来,虽然至今还不到40年,但由于其具有通用灵活的控制性能、简单方便的使用性能,可以适应各种工业环境的可靠性,因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、C
17、AD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱1。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史,现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域,成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展,努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用,形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术,应该是广大技术人员努力的方向。2.1.1 PLC的发展历程在可编程控制器出现前,在工业电气控制领域中,继电器控制占主导地位,应用广泛。但是电器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。1968年美国
18、通用汽车公司(G.M)为了适应汽车型号的不断更新,生产工艺不断变化的需要,实现小批量、多品种生产,希望能有一种新型工业控制器,它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线,以降低成本,缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置,而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程,使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。1969年美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求,研制成功了世界上第一台可编程控制器,并在通用汽车公司的自动装配线上试用,取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。早
19、期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能,只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller )。随着微电子技术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不仅具有逻辑控制功能,还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。20世纪80年代以后,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不仅控制功能增强,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、数据处理和图象显示等
20、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符其实的多功能控制器。PLC的发展过程大致可以分为如下几个阶段:19701980年:PLC的结构定型阶段。在这一阶段,由于PLC刚诞生,各种类型的顺序控制器不断出现(如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等),但迅速被淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成,取得了市场的认可,得以迅速发展.推广。PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟,PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。19801990年:PLC的普及阶段。在这一阶段,PLC的生产规模日益扩大,价格不断下降,
21、PLC被迅速普及。各PLC生产厂家产品的价格.品种开始系列化,并且形成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有F.F1.F2小型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。19902000年,PLC的高性能与小型化阶段。在这一阶段,随着微电子技术的进步,PLC的功能日益增强,PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加,使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发,PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外,PLC的体积大幅度缩小,出现了各类微型化PLC。三菱公司本
22、阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品,AIS/A2US/Q2A系列中,大型PLC系列产品等。2000年至今:PLC的高性能与网络化阶段。在本阶段,为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要,PLC的各种功能不断进步。一方面,PLC在继续提高CPU运算速度,位数的同时,开发了适用于过程控制,运动控制的特殊功能与模块,使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时,PLC的网络与通信功能得到迅速发展,PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备,还可以通过各种总线构成网络,为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品(包括最新的FX3u系列产品),Qn,QnP
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