基于PLC的交通灯设计(共23页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上基于PLC的交通灯设计摘 要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；车流量；检测专心-专注-专业1 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、组态方便。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。1.3 PLC的特点及应用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。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。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、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2.2 PLC的工作原理PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。当PLC投入运行后，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。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。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。2用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。PLC的扫描工作过程如图2-2、图2-3所示 ：图2-2 PLC的扫描工作过程图 图2-3 PLC的扫描周期图3 系统的方案设计3.1 系统的方案设计目前的智能交通灯控制系统有以红外感应车流量的、有按预定时间段改变通行时间的，有以电视监控信息来干预的等多种方法与手段，各有特点。本设计是一个以车流量为核心的智能交通灯自动控制系统，通过使用一种车流量检测系统检测车量，实现了十字路口交通灯的智能控制。 该车流量检测系统利用图像处理与识别技术，通过视频信号检测道路交通流量。具体地讲是利用摄像头作为视频探头，由图像处理设备将视频信号转换成数字图像，计算机对数字图像进行处理，识别车辆，当车辆通过“虚拟线圈”时统计车流量及相关车辆信息，并将数据传输到控制中心，也可存储在硬盘上。根据车流量检测系统测出的车流量，利用数值比较器进行比较，将南北和东西两个方向车流量的比较结果送入PLC进行控制，从而调节两个方向红绿灯时间的长短。3.2 十字路口交通灯布置图根据系统的方案设计可分析得出，本系统需要合理配置车流量线圈检测系统、数值比较器、PLC和红绿灯。其布置图如下图所示：图3-1 十字路口布置图3.3 系统的控制要求如果十字路口实行交通灯智能控制系统，则相当于一个有经验的交警对各方向的车辆进行统计，根据车流量的不同分配以不同的绿灯时间，从而进行合理的调配，防止车辆的堵塞，较好地解决了上述问题，这是代替模拟控制的有效办法。智能交通灯控制系统由车流量检测系统、数字比较器、控制器PLC、红黄绿交通信号灯、输入输出接口电路和电源等组成。其实现的控制流程图如下所示：图3-2 控制流程图交通灯控制系统的控制要求如下：1 信号灯受一个起动开关控制，当起动开关接通时，检测系统检测到的信号经数值比较器，将结果送给PLC。系统开始工作，且先南北绿灯亮，东西红灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。2 南北绿灯亮维持一段时间后南北黄灯闪烁，同时东西红灯亮相同时间后红灯闪烁。3 南北黄灯闪烁5秒。南北红灯亮一段时间，同时东西红灯闪烁5秒，东西绿灯亮与南北方向相同时间。4南北红灯亮维持一段时间后南北红灯闪烁5秒，熄灭。同时东西绿灯维持相同时间后，东西黄灯闪烁5秒，熄灭。5 周而复始。 4 系统器件选型和资源配置4.1 系统器件的选型4.1.1 PLC的选型从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点4个，开关量输出点6个，参照西门子S7-200系列特性（见附录），选用主机为CPU222（8输入/6继电器输出）。其外形图如下： 图4-1 CPU222外形图1M、2M为输入端子的公共端。1L、2L为输出公共端。CPU222 24V DC电源 ，24V DC输入，24V DC输出。100230V AC电源，24V DC输入继电器输出。4.1.2 车流量检测系统的选用目前市场上有多种车流量检测系统，比如视频智能车辆计数系统、压力检测器、水平传感器、雷达检测或微波检测等。本系统使用视频智能车辆计数系统，系统的功能特点与优点如下：1.智能化车辆统计信息提取及管理 基于智能视频图像处理，可以准确智能计算停车车辆数目。 该系统无需人工干预，完全智能化，24小时不间断的实时停车场信息提取及处理。 2.高效准确稳定的系统性能 产品应用安全可靠，低功耗，使用寿命长。 高准确率：白天的检测准确率可以达到99以上，晚上的检测准确率可以达到98。 3.灵活的应用功能 可以应用于一切十字路口的智能车辆计数。 该产品安装简易方便，不对现场产生任何破坏及影响。 4.与其他产品相比的优点 压力检测器：破坏现场路面，安装难度大，不易维护；水平传感器：通过发送红外线光束来检测车流量，精确度在车流量大的时候无法保证；雷达检测或微波检测：该产品成本高，不易维护。4.1.3 数字比较器的选用数值比较器是用于数字信号的比较，例如：在数据A和B比较中，如果A>B，则输出A大于B的结果信号Y0(A>B)=1，Y1(A<B)=0,Y2(A=B)=0；如果A=B，则输出A等于B的结果信号Y0(A>B)=0，Y1(A<B)=0,Y2(A=B)=1；如果A<B，则输出A小于B的结果信号Y0(A>B)=0，Y1(A<B)=1,Y2(A=B)=0。本系统采用的是4位数值比较器CC14585。其管脚图如下所示：图4-2 CC14585管脚图CC14585 4位数值比较器的功能列表如下：表4-1 数值比较器的功能表4.2 I/O地址分配PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。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。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：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。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA、0-20mA）、电压型（0-10V、0-5V）等；按精度分，有12bit、14bit、16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少。在本系统中要用到接通延时定时器，接通延时型定时器是各种PLC中最常见最基本的定时器，这种定时器在 SIEMENS的PLC中，称为SD型定时器。其定时时间T=PT×S，即定时时间=设定值×精度。1ms: T32, T96 10ms: T33T36, T97T100 100ms: T37T63, T101T25根据系统的控制要求可分析得出PLC的输入/输出点分配表见表4-2。表4-2 PLC的输入/输出点分配表输入信号定时元件输出信号名称代号输入点编号T37，T38，T39，T40，T41，T42，T43，T44，T45，T46，T47，T48名称代号输出点编号工作开关SB1I0.0T37，T41，T45分别代表南北绿灯亮30秒，20秒，25秒，东西红灯亮30秒，20秒，25秒南北绿灯L0Q0.0比较结果Y0I0.1T38，T42，T46：南北黄灯闪烁5秒，东西红灯闪烁5秒南北黄灯L1Q0.1比较结果Y1I0.2T39，T44，T47分别代表南北红灯亮20秒，30秒，25秒，东西绿灯亮20秒，30秒，25秒南北红灯L2Q0.2比较结果Y2I0.3T40，T45，T48：南北红灯闪烁5秒，东西黄灯闪烁5秒东西绿灯L3Q0.3东西红灯L4Q0.4东西黄灯L5Q0.54.3 交通灯系统的接线形式 基于PLC的十字路口交通灯控制接线图如图4-3所示：图4-3 系统控制接线图端口I0.0为接入系统开关的传送信号，端口Q0.0接南北绿灯，端口Q0.1接南北黄灯，端口Q0.2接南北红灯，端口Q0.3接东西绿灯，端口Q0.4接东西红灯，端口Q0.5接东西黄灯。I0.0 接线圈M0.0，I0.1接线圈M0.1，I0.2接线圈M0.2。5 系统程序设计5.1系统的程序思想设南北方向最大车流量为A，东西方向最大车流量为B。其流程图如下所示：图5-1 主程序流程图 图5-2 状态S1流程图 图5-3 状态S2流程图 图5-4 状态S3流程图5.2 系统的程序设计系统的主梯形图如下所示：图5-5 由数字比较器出来的结果决定三个线圈的通断 I0.1、I0.2、I0.3由数字比较器的结果控制，当南北方向车流量比东西方向大时，I0.1为1，I0.2、I0.3为0，线圈M0.0通电，当南北方向车流量比东西方向小时。I0.2为1，I0.1、I0.3为0，线圈M0.1通电当两个方向车流量相等时，I0.3为1，I0.1、I0.2为0，线圈M0.2通电。图5-6 设定的红绿灯的时间由线圈M0.0控制通断当线圈M0.0通电时，计时器T37、T38、T39、T40开始计时，30秒后T37通电，35秒后T38通电，55秒后T38通电，60秒后计时器T37、T38、T39、T40均断电。图5-7 设定的红绿灯的时间由线圈M0.1控制通断当线圈M0.1通电时，计时器T41、T42、T43、T44开始计时，20秒后T41通电，25秒后T42通电，55秒后T43通电，60秒后计时器T41、T42、T43、T44均断电。图5-8 网络6：设定的红绿灯的时间由线圈M0.2控制通断 网络7：开关控制南北绿灯网络6：当线圈M0.2通电时，计时器T45、T46、T47、T48开始计时，20秒后T45通电，25秒后T46通电，55秒后T47通电，60秒后计时器T45、T46、T47、T48均断电。网络7：启动开关I0.0闭合，当线圈M0.0通电时，南北绿灯亮30秒；当线圈M0.1通电时，南北绿灯亮20秒；当线圈M0.2通电时，南北绿灯亮25秒。图5-9 网络8：表示说明南北黄灯闪烁5秒 网络9：南北红灯亮，然后闪烁5秒网络8：当T37通电时南北黄灯闪烁，5秒后T38通电，常闭开关动作，闪烁结束。其余同理；网络9：当T38通电时，南北红灯亮，维持到T39通电，T39常闭开关动作；接着南北红灯闪烁5秒，其余同理。图5-10 网络10：东西绿灯亮 网络11：东西黄灯闪烁5秒网络10：当T38通电时，东西红灯亮，20秒后T39通电，T39常闭开关动作，红灯熄灭；当T42通电时，东西红灯亮，30秒后T43通电，T43常闭开关动作，红灯熄灭；当T46通电时，东西红灯亮，25秒后T47通电，T47常闭开关动作，红灯熄灭。网络11：当T39通电时，南北黄灯开始闪烁，5秒后T40通电，T40常闭开关动作，东西黄灯熄灭；当T43通电时，南北黄灯开始闪烁，5秒后T44通电，T44常闭开关动作，东西黄灯熄灭；当T47通电时，南北黄灯开始闪烁，5秒后T48通电，T48常闭开关动作，东西黄灯熄灭。图5-11 东西红灯亮然后闪烁5秒按下启动按钮I0.0时，当线圈M0.0得电时，东西红灯开始亮，30秒后T37通电，T37常闭开关动作，南北红灯开始闪烁，5秒后T38得电，T38常闭开关动作，南北红灯熄灭；当线圈M0.1得电时，东西红灯开始亮，20秒后T41通电，T41常闭开关动作，南北红灯开始闪烁，5秒后T42得电，T42常闭开关动作，南北红灯熄灭；当线圈M0.2得电时，东西红灯开始亮，25秒后T45通电，T45常闭开关动作，南北红灯开始闪烁，5秒后T46得电，T46常闭开关动作，南北红灯熄灭。5.3 系统程序分析当开关SB1合上时，根据车流量检测系统的测量结果，相应线圈得电。即当南北车流量比东西方向大时，线圈M0.0得电；比东西方向小时，线圈M0.1得电；一样多时，线圈M0.2得电。当线圈M0.0得电时，T37通电待30秒后动作（南北绿灯熄灭），南北黄灯闪烁5秒，与此同时，东西方向红灯亮30秒后熄灭，接着红灯闪烁5秒。南北黄灯闪烁5秒后红灯亮20秒，接着红灯闪烁5秒，与此同时，东西方向绿灯亮20秒后，黄灯闪烁5秒。当线圈M0.1得电时，T37通电待20秒后动作（南北绿灯熄灭），南北黄灯闪烁5秒，与此同时，东西方向红灯亮20秒后熄灭，接着红灯闪烁5秒。南北黄灯闪烁5秒后红灯亮30秒，接着红灯闪烁5秒，与此同时，东西方向绿灯亮30秒后，黄灯闪烁5秒。当线圈M0.2得电时，T37通电待25秒后动作（南北绿灯熄灭），南北黄灯闪烁5秒，与此同时，东西方向红灯亮25秒后熄灭，接着红灯闪烁5秒。南北黄灯闪烁5秒后红灯亮25秒，接着红灯闪烁5秒，与此同时，东西方向绿灯亮25秒后，黄灯闪烁5秒。自南北红灯闪灭及东西黄灯闪亮时间达到相应时间后，T40、T45、T48的动断触点断开，T37、T41、T45动断触点复位，线圈M0.0、M0.1、0.2重新得电,只要没有断开按钮SB1，系统继续循环下去。