PLC实现十字路口交通灯.doc

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1、摘 要近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。随着城市机动车量的不断增加，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，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。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。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，现在，交通控制更是趋向智能化方向发展，LED交通信

2、号灯在持续发光、雨淋、灰尘等恶劣的气候条件下，仍然能保持较好的工作性能，而且价格更低廉。同时交通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。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应适合社会实际情况。经我分析现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通灯模拟控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论，实现交通灯系统的控制方法很多，可以用逻辑器件、可

3、编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。其中本人对PLC较熟悉，最终我选择了用可编程的控制器PLC来实现交通灯系统功能的设计。本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计。关键词 ：PLC 十字路口交通信号灯 交通管理 自动控制 AbstractIn recent years, with the rapid development of science and technology, PLC applications are continuously moving toward at the same time, t

4、raditional control testing update on Crescent benefits. With the citys ever-increasing volume of motor vehicles, how to use the appropriate control method to maximize the use of costly cities to build high-speed roads, trunk road and the ramp to alleviate urban areas with the neighboring state of tr

5、affic congestion has become more and more traffic transportation management and urban planning departments of the main issues to be settled urgently. Since the birth of traffic lights, its internal control system on the circuit have been constant improvements in design have also begun a wide range,

6、so all the more intelligent traffic lights. In particular, in recent years, with the electronics and the rapid development of computer technology, electronic circuit analysis and design methods have greatly improved, electronic design automation has become a modern electronic system an indispensable

7、 tool and means, and now, traffic control more is in the direction of the direction of the development of intelligent, LED traffic lights in the continuous light rain, dust and other bad weather conditions, is still able to maintain good performance, but also cheaper. At the same time traffic lights

8、 so that traffic to the emergence of effective control, for ease traffic flow, improve the road capacity, the effect of significantly reducing traffic accidents. With Chinas accession to the WTO, we should not only in economic, cultural, science and technology with international standards, in the tr

9、affic control should also be in line with international standards. As the saying goes to the rich, the first road, but the way to fix a traffic control if the roads do not open or can not be guaranteed safety. Traffic control as an important part of the traffic lights should also be suitable for the

10、 actual social situation. After my analysis of modern urban traffic control and management of the status quo, combined with traffic lights in urban and rural areas of the circuit simulation of control systems theory, computation and experimental design issues such as debugging a specific analysis fo

11、r the discussion of traffic signal systems to achieve control of many ways can the logic of devices, programmable logic controller PLC, and other programs to achieve single-chip microcomputer. Which I am more familiar with the PLC, and ultimately I chose to use programmable controller PLC to achieve

12、 the traffic lights system design. Application of the design introduced the PLC to achieve automatic control of traffic lights at a crossroads. Traffic lights on the control requirements analysis, PLC control system software and hardware design.KEYWORD: Crossroad traffic signal Traffic Management au

13、tomatic control绪 论随着我国社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，交通问题成为制约我国社会经济发展的一个大问题，我国的人口众多，现在大多数城市都经常会出现交通拥堵现象，人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分，不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多的新兴城市的出现，使得城市的交通成为了

14、一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，还有就是城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭。一个城市的交通是否便捷是衡量其是否具有发展潜力的重要指标，目前，我国大中小城市都出现了交通拥堵的现象，特别是那些大城市，如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，再加上政府大力发展的道交、出租车，使得车辆越来越多，这不仅要求道路要越来越宽阔，而且要求有新的交通管理模式和交通规则的出台。因此，自80年代后期，很多城市纷纷扩建建城市道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，加宽道路并

15、没有充分发挥出预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。 于是，旧的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾，使原来不太突出的交通问题被提上了日程。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，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。 由于交通路口的形状和规模不一，所采用的信号灯的数量、控制要求不一，控制的复杂程度也就不一样，为此、有关部门愈来愈多的注重在交通管理中引进自动化、智能化技术，比如“电子警察”、自适应交通信号灯以及耗资巨大的交通指挥控制系统等。对交通的管

16、控能力，也就从一个侧面体现了这个国家对整个社会的管理控制能力，因此各国都很重视用各种高科技手段来强化对交通的管控能力。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，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。可见改善城市交通灯控制系统是多么的重要。随着工业自动化和通信技术的蓬勃发展，PLC的应用越来越广泛。PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程

17、控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时，PLC本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。所以利用PLC技术来达到交通灯的控制，为了实现十字路口交通灯最优控制，更大程度上的缓解交通压力，我们进

18、行了实地考察，并在原有的交通控制系统上经行了充分的改造，使其达到最优控制，从而确保车辆正常顺利的运行，以下为PLC控制十字路口交通灯系统控制的设计。第一章 交通灯的发展史及可编程序控制器的概述1.1 交通灯的发展史19世纪初，在英国中部的约克城，红绿装分别代表女性的不同身份。其中着红妆的女人代表我已经结婚了，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车扎人的事故，于是人们受到红绿装的启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在英国伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师师德.哈特设计，制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红绿两色的提灯煤气交通信号灯，这是城市街道的第

19、一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲的牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面试23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。 从此，城市的交通灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过这时已是“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。 随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红黄绿三种标志）于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生使城市交通大为改善。 黄色信号灯的发明者是

20、我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电气公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一声冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到了在红绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红黄绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。 中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海英租界。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化，自动化上不断地更新，发展和完善。

21、1.2 可编程序控制器的概述 可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。1.2.1 PLC的发展PLC是计算机技术与传统继电器-接触器控制概念相结合的产物，1969年美国

22、数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器，投入通用汽车公司（GM）比生产线控制中，开创了可编程序控制器的新纪元。1971年日本开始生产可编程序控制器，1973年。欧洲开始生产可编程序控制器，1974年，我国也开始研制可编程序控制器。随着微电子技术、计算机技术、通信技术、数字控制技术化的飞速发展，可编程序控制器的数量、型号、品种以异乎寻常的速度发展。目前，可编程序控制器的生产厂家众多，产品型号、规格不可胜数，但主要分为欧日美三大块，在中国市场上，欧洲的代表是西门子，日本的代表是三菱和欧姆龙，美国的代表是AB和GE，各大公司在中国均推出自己从微型到大型等系列化产品，令人遗憾的是，国

23、产PLC始终没有突破性发展，占有市场份额很小。1.2.2 PLC的定义可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,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（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“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装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设

24、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。”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。1.3 PLC的基本硬件结构可编程序控制器的硬件结构主要由：中央处理器（CPU）、存储器（RAM,ROM）、输入输出接口（I/O）、电源及编程设备等部分组成，如图1.3：图1.31.4 PLC的特点 PLC的特

25、点有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适应性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低。第二章 硬件设计2.1 交通灯的PLC机型的选择PLC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。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。根

26、据本设计的要求只需要16个点，所以应选择一个点数、容量等都稍大一些的CPU，故CPU224为14输入/10输出，I/O共计24点，符合本设计的要求。2.2 交通灯的组成交通灯需要红、绿、黄各4只信号灯，本案由两个信号灯箱实现；系统需要启动和停止两个按钮，由按钮箱实现。2.3 交通灯 灯的参数交通灯，操作电压220V各个灯的参数：红灯波长:620-630nm,亮度4000-5000MCD,发光角度30度,电压1.8-2.2V黄灯波长:585-595nm,亮度4000-5000MCD,发光角度30度,电压1.8-2.2V蓝绿灯波长:500-510nm,亮度6000-8000MCD,发光角度30度,

27、电压3.0-3.4V2.4交通灯安装位置如图2.4为城市十字路口交通灯示意图在十字路口的东西、南北方装各装设红绿黄灯六盏，并且红、绿、黄灯按照一定时序轮流发亮。图2.4 字路口交通灯信号示意图2.5 交通灯的输入输出接线图根据设计要求，采取西门子S7-200-224型PLC为控制器，启动按钮SB1，停止按钮SB2，红黄绿三种颜色信号灯各4只，输入/输出接线，如图所示。由图可见，启动按钮SB1接入输入继电器I0.1端，停止按钮SB2接入输入继电器I0.2端，东西方向的红灯接于输出继电器Q0.0端，东西方向的黄灯接于输出继电器Q0.1端，东西方向的绿灯接于输出继电器Q0.2端，南北方向的红灯接于输

28、出继电器Q0.3端，南北方向的黄灯接于输出继电器Q0.4端， 南北方向的绿灯接于输出继电器Q0.5端，将输出电源与输出公共端1L相连图2.5 交通灯的输入输出接线图第三章 软件设计3.1 控制要求（一）控制开关 信号灯受启动及停止按钮的控制，当按动启动按钮时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮，并周而复始地循环工作，当按动停止按钮时，所有信号灯都熄灭。（二）控制要求 南北红灯维持25秒，在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东

29、西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这是南北红灯亮，东西绿灯亮。周而复始。且要求南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，否则关闭系统，并立刻报警。3.2 交通控制时序图交通信号灯正常时序控制时序图 如图3.2所示 如图3.2 交通信号灯时序控制时序图3.3 PLC输入/输出端口分配（1）I/O接口分配输入： 输出：启动 I0.0 SB1 东西红灯 Q0.0 HL1（HL7）停止 I0.1 SB2 东西黄灯 Q0.1 HL2（HL8） 东西绿灯 Q0.2 HL3（HL9） 南北红灯 Q0.3 HL4（HL10） 南北黄灯 Q0.4 HL5（HL11

30、) 南北绿灯 Q0.5 HL6（HL12）3.4 功能图为了设计思路清晰与便利，采用了顺序控制法。顺序控制就是指系统或生产设备在各输入信号的作用下，内部元件状态按照生产工艺预先规定的时间顺序变化，使得各执行机构在生产过程中自动有序地进行操作。PLC顺序控制设计法最基本的设计思路是将控制系统的一个完整的工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，然后用转换条件控制代表各步的内部编程元件，使其状态安装一丁点时间顺序变化，最终输出控制相应执行机构的动作步是根据输入量状态的变化来划分的。在任何一步之内各输出量的状态不变，但相邻两步输出量总的状态是不同的。步的这种划分方法代表各步编程元件的状态与各输出量状态之间

31、有着极为简单的逻辑关系。结合本设计要求，可以采用单流程编程法，也可以采用双流程法，应用并联分支结构，把东西和南北方向信号灯的动作分为两个流程同时启动，分别运作各自的时序运作，相互之间的配合由统一的时钟进行有机的配合，不会出现偏差，简洁明了，思路清晰。PLC通电时，系统处于初始状态S0.0，按下SB1启动按钮后，S0.1与S0.5同时接通，东西南北方向同时工作，同时定时器T37开始定时25S，T41定时20S,20S后开始闪烁电路，3S后黄灯开始亮，T43定时2S，2S后南北绿灯亮20S，再闪烁3S，3S后黄灯亮，同时东西方向红灯亮，定时器T44定时器定时30S，30S后返回S0.1和S0.5，

32、如此循环下去，如下功能图和梯形图：图3.4 程序状态功能图3.5 画出梯形图调试：将上述硬件安装接线，并将其程序写入PLC中进行调试，确认端子接线无误后，交通灯系统即可投入运行，从实际的现象来看，系统运行稳定，已经达到了本设计预期的要求，交通灯能够正常运行，同时该系统只要稍加改动，便可应用于更多十字路口的交通灯控制。结束语城市交通灯控制采用PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性高、维护方便、使用简单、通用性强等特点，PLC还可以联成网络，根据实测各十字路口之间的距离、车流量和车速等，交通灯的设计方法有多种实现方法，由于交通灯都是安装在嘈杂的交通路口，工作的稳定性、可靠性与抗干扰的能力要求

33、均较高。传统的设计方法总存在缺陷，而PLC专为工业环境下应用射击队，在交通灯控制系统中有着较大的优势。而PLC的顺序设计方法是顺序控制系统中一种先进的设计方法，不仅容易接受，提高设计效率，节省设计时间，而且程序的调试结果符合要求，在现实中有一定的推广价值。参考文献1 方承远 ，工厂电气控制技术。北京：机械工业出版社，2000.2 西门子公司，SIMATIC S7-200 可编程序控制器系统手册。2004.63 阳宪惠，工业数据通信与控制网络。北京：清华大学出版社，20034 廖常初，可编程序控制器的编程方法与工程应用重庆:重庆大学出版社,2001 5 廖常初，PLC梯形图程序的设计方法与技巧电工技术,19986 中国资料网：7 中国工控网：