基于plc的智能交通灯控制系统设计毕业论文


    毕 业 论 文(设计) 论 文 题 目 智能交通灯设计 (英 文) the design of intelligent traffic lights 学 院: 专 业: 车辆工程 姓 名: 学 号: 指导教师: 2015年 月 日 摘 要 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。 关键字:交通灯 PLC 通讯 科学管理 渐进式交通灯 梯形图 Abstract The programmable preface in PLC controller is a kind of new industry controls the device,it regard microprocessor as the foundation, synthesizing the calculator technique, automatic control technique to develop with the communication technique .It has the construction simple, the plait distance is convenient, high etc. in dependable advantage, already extensive used for the industry process with the automatic control of the position inside.According to the covariance, the programmable controller is a kind of equipments that industry automate to equip the inside the application at most.The expert thinks, the programmable controller will become the main means that aftertime industry control with the one of the important foundation equipmentses, the PLC, robot, CAD/ CAM will become three major of pillar that industry produce.Because the PLC has to the strong characteristic in adaptability in environment in usage, its inner part settles at the same time the machine resources is abundant very, can to current widespread usage of“ enter the type gradually“ the signal beacon proceeds the precision controls, special the oscular control in a many branch roads can realizes expediently.So that is applied the PLC more and more now in transportation light system inside.At the same time, PLC still ha ve the communication internet function, constitute the same of the signal beacon on the road a the bureau area net proceeds to unify to adjust a management, can shorten the vehicle go through waiting time, realizing scientific management. Keywords: The transportation light, PLC , Communication,scientific management,enter the type gradually 目 录 第一章 绪论···························································1 1.1 引言································································1 1.2 智能交通灯国内外发展状况·········································1 1.3 本课题的主要研究内容·············································2 第二章 PLC的功能介绍··············································4 2.1 PLC的基本概念和基本结构·········································4 2.2 PLC的特点和应用领域··············································6 2.3 PLC的工作原理·····················································7 2.4PLC的性能指标和软件体统 ········································ 9 第三章 基于PLC的智能交通灯控制系统设计·················12 3.1 PLC型号的选定以及可行性分析····································12 3.2 光电计数器与选型·················································12 3.3光电计数器的铺设·················································13 3.4设计思路···························································14 3.5 I/O地址的分配····················································17 3.6交通灯各种情况的时序分析········································18 3.7主程序的设计······················································19 3.8运行与调试························································30 第四章 总结与展望··················································31 参考文献································································32 致谢······································································33 第一章 绪 论 1.1 引言 目前,我国许多大中城市的交通压力都非常大。部分交通路口的信号灯工作时间不合理,交通违章或肇事记录不确切。所以,改善与提高现有的交通系统的工作效率,加强交通路口的信号灯控制和安全状况的监控是非常重要的。 交通灯控制系统的发展有着悠久的历史,伴随着人类工业文明的发展,汽车以及其他各种交通工具呈现出一片欣欣向荣的景象。各种交通工具的大量使用使得人们的出行更加方便,但随之而来的是交通的压力越来越大,各个路口对于对于交通指挥系统的需求大量增加。早在1868年,全世界第一台煤气是红绿两色照明灯由英国工程师纳伊特安装在了伦敦威斯特敏斯特街口,它可以控制车辆的通行,但是不久,这种交通灯便消身匿迹了,原因是由于一场爆炸事故。盗了1914年左右,交通灯又重新出现了,美国的克利夫兰制造了一款由电力驱动的交通灯,它被安装在了纽约和芝加哥等地,这种交通灯的概念已经和现在大致相同。1926年,自动化控制的交通灯得到利用,这为现代城市交通奠定了基础。1968年,联合国《道路交通和道路标志信号协定》对交通灯的各种意义做出了明确的规定,绿灯行,绿灯车道的车辆可直行可左拐可右拐,如果前面有禁止标志的则除外。并且左右拐弯的车辆必须让直行车辆和行人先行。红灯停,红灯车道的车辆不准超过人行道。黄灯等一等,黄灯车道的车辆必须减速,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。交通灯的使用大大缓解了交通压力,使得城市的拥堵显现得到了一定程度的缓解,使人们的出行现状得到了改善。但是随着当今经济的飞速发展,汽车的拥有量不断上升,传统的交通灯系统已经越来越不能满足交通压力的需求。在这样的背景下,本次论文设计的任务主要是设计一款能根据路面车流量的变化,进而调整交通灯读秒时间的交通灯系统,从而改善路面交通压力,同时也可以节约交通资源。 1.2智能交通灯国内外发展状况 智能交通系统的发展,最早可以追溯到20世纪七八十年代的一系列车辆导流系统新技术的开发和应用。1991年美国通过“地面交通效率法”(ISTEA),俗称“冰茶法案”,从此美国的IVHS研究开始进入宏观运作阶段。1994年,美国将IVHS更名为ITS。之后,之后,欧洲、日本等也相继加入了这一行列。经过30 年的发展,美国、欧洲、日本成为世界ITS研究的三大基地。 美国是当今世界在ITS开发领域发展最快的国家,它从上个世纪80年代开始,先后开展了与智能汽车技术相关的PATH、 IVI、VII和CVHAS等国家项目1995年3月美国交通部正是出版了“国家智能交通系统项目规划”,明确规定了智能交通系统的7大领域和29个用户服务功能目前7大领域包括:出行和交通关系系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。 日本于上个世纪90年代初就制定了大力发展智能交通系统的国家爱战略,其中智能汽车作为只鞥交通的重要组成部分,也得到了深入研究。日本政府主导的先进安全汽车ASV项目已于2000年取得初步实用化成果。 我国ITS 的发展起步较晚,70年代以来,从国外引进、消化了一些项目,并进行了一些ITS或类ITS基础项目的研究和应用。70年代中至80年代初,主要是进行城市交通信号控制试验研究,80年代中至90年代初,在一些大城市引进和消化城市交通信号控制系统,实现了一些(高速)公路监控系统、高等级公路电子收费系统和路边信息服务系统。90年代中以来,开始研究部门ITS发展战略和GIS、GPS、EDI在交通中的应用等,重视交通信息网络的建设,公路和桥梁管理用基础数据库和道路交通量和气象数据采集等经过多年的努力,也已取得明显的进展。 1.3 本课题的主要研究内容 此次设计的主要内容是在传统的交通灯基础之上,通过PLC进行编程,设计出一款能够根据车流量的变化来智能化调整交通灯读秒时间的交通灯控制系统。要实现预期目的的初期设想是在十字路口东西南北各个方向上安装光电计数器,以此来统计各个路口的车流量,再将数据输入计算机中央控制系统对数据进行分析,根据预先设定的参数,智能化的判断各个交通路口的拥堵情况,从而通过PLC控制系统来适当的调整红绿灯的读秒时间。并且在此基础之上,若交通灯路口遇到特殊车辆或者紧急情况,该系统也能切换到人工控制模式,实现强通控制,从而保证路面交通的正常运行。此系统不仅成本低,维护方便,而且能在最大程度上缓解交通压力,节约交通资源。 本设计主要设计利用PLC来实现十字路口交通灯的控制与监控。通过交通中心的主机根据具体城市各路口的需要控制各个十字路口的PLC,从而控制十字路口交通灯的变化,以及对各个路口 的安全状况进行监控,监控机动车是否违章、是否肇事,并把记录的结果存储、上传和处理。 本设计的上位机采用PC机,通过安装在十字路口的监控设备以及移动电子监控设备,对各个十字路口的安全状况进行监控。下位机采用德国西门子的S7-200系列的CPU226做主机,配以扩展模块EM222。设计中采用S7-200编程软件进行编程。采用顺序功能图与梯形图相结合的方法设计程序。实现对城市十字路口的合理控制与监控。 第二章 PLC的功能介绍 2.1 PLC的基本概念和基本结构 2.1.1 PLC的基本概念 PLC问世以来,尽管时间不长,但发展迅速。为了使其生产和发展标准化,美国电气制造商协会NEMA(National Electrical Manufactory Association)经过四年的调查工作,于1984年首先将其正式命名为PC(Programmable Controller),并给PC作了如下定义:   “PC是一个数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑,顺序,计时,计数与演算等功能,并通过数字或类似的输入/输出模块,以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着,亦被视为PC,但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”   以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿,第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义:   “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。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。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。”   总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。 2.1.2 PLC的基本结构 1.中央处理器(CPU) CPU是PLC的核心部件,CPU模块在PLC中相当于大脑和心脏,是整个PLC控制系统的神经中枢。它的主要功能如下: ⑴ 接受和储存用户程序和数据 ⑵ 扫描现场设备的数据和状态,存入数据区 ⑶ 检测和诊断电源,PLC内部电路工作状态和程序中的语法错误 ⑷ 从存储器中逐条读取用户程序,经过指令解释后,去开启或关闭相关控制电路,完成相关的逻辑运算和算术运算。 ⑸ 根据数据处理的结果,刷新相关标识位的状态和输出状态寄存器表的内容,以实现输出控制,制表打印或数据通信等功能。 PLC中采用的CPU一般有三大类:通用处理器、单片机芯片和微处理器。其中小中型PLC一般采用微处理器或单片机,而大型的PLC大多采用高速位片式处理器。档次越高,PLC的位次也越多,运行的速度越快,功能也会更强大。 2.存储器 存储器一般分两种:系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序,它是由厂家开发固化好了的,用户不能更改,PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源,I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行,从而完成复杂的控制功能。常用的存储器类型有CMOS RAM、EPROM、EEPROM.由于系统程序用来管理PLC系统,用户不能直接存储,因此PLC产品中所说的存储类型及其容量,是指用户程序存储器而言。PLC中所配用的用户存储器的容量大小有较大差别,小型的在8K以下,大型的可以达到256K. 3.输入输出(I/O)模块 输入模块和输出模块简称I/O模块,他是联系外部设备和CPU模块的桥梁。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,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。输入模块用来接收和采集输入信号,输出模块用来送出PLC运算后得出的控制信息,并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。PLC有多重I/O模块,常见的有数字I/O模块、模拟量I/O模块、快速响应模块,高速计数模块和PID控制模块等。 4.电源 PLC配有开关式稳压电源,用来将外部供电电源转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器(例如接近开关)提供DC 24V电源,驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体,大中型PLC都有专门的外部电源部件,驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。为防止PLC内部重要数据的丢失,PLC还带有锂电池作为后备电源。 5.编程器 编程器用来生成用户程序,一般分为手持式编程器和图形编程器。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图,只能输入好编辑指令表程序,因此又叫做指令编辑器。它的体积小,价格便宜,一般用来给小型的PLC编程,或者用与现场调试和维护。图形编程器既可以用指令语句进行编程,又可以用梯形图编程;既可联机编程,又可脱机编程,操作方便、功能强。 现在,很多PLC都可以用计算机作为编程工具,在计算机上直接生成和编辑梯形图或指令表,并可以实现其转换。最重要的是这种程序可以存盘或者打印,也可通过网络远程传送。 6.其他外部设备 PLC还包含有一些其他的外部设备,如合适磁带机、打印机、EPROM写入器等。 编程器 I/O 扩展 单元 打印机 外 设 接 口 计算机 I/O 扩 展 接 口 存储器 系统 用户 数 程序 程序 据 盒式磁带机 条码扫描仪 按钮触点 ...... 行程开关 指示灯 电磁线圈 ...... 电磁阀 输 出 接 口 CPU 输 入 接 口 电源 输出设备 输入设备 图2-1 PLC的基本结构 2.2 PLC的特点和应用领域 2.2.1 PLC的特点 1、高可靠性   (1)所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。   (2)各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms.   (3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。   (4)采用性能优 良的开关电源。   (5)对采用的器件进行严格的筛选。   (6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。   (7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。   2、丰富的I/O接口模块   PLC针对不同的工业现场信号,如:交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位; 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如:按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。   另外为了提高操作性能,它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块,等等。   3、采用模块化结构   为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU,电源,I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。   4、编程简单易学   PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。   5、安装简单,维修方便   PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。   由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。 2.2.2 PLC的应用领域 1.开关量的逻辑控制。取代传统的继电器,不仅可以控制单台设备,也可以控制多机群及自动化流水线,这是它应用的最广泛的领域。 2.模拟量与过程控制。可以对温度、压力、流量、液位等模拟量进行控制,还可以用于位置控制、速度控制以及过程控制等。 3.运动控制。PLC可以用于圆周运动或者直线运动的控制,驱动步进电机或者伺服电机,PLC广泛的应用于机械、机床、机器人等。 4.数据处理。可以进行数学运算、数据传输、转换、排序、查表等一系列操作,也可以通过通信设备传输到别的设备。 5.通信联网。通过双绞线或者同轴电缆等可实现PLC与PLC之间或者PLC与计算机之间的信息交换。易于建立工厂的自动化办公网络。 2.3 PLC的工作原理 CPU不断的执行用户的程序和任务的语句,这一过程称为扫描。一个扫描的周期包括输入、执行、处理、自诊断、输出等过程。这一过程的运行时循环往复不断经行的。它的过程如图2-2所示。 PLC由软件系统和硬件系统两部分组成。再硬件系统满足要求,软件系统已经编制好的情况下,它会不断的执行软件系统以及预设好的指令代码。扫描周期和用户程序不是一个概念,扫描周期包括用户程序。即使用户程序不执行,扫描周期也在继续,只是这一过程不再包含用户程序、输入、输出这三个方面。 1.自诊断测试扫描。PLC的自监视过程不仅可以保障设备还可以实时的反映故障。时间监视器完成这种自监视。当一个扫描周期开始时,PLC中的硬件计时器会自动的更新。而用户可以根据自己的需要来修改WDT,它的数值在100到200,而且设计人员可以通过标志位来处理错误的结果。 2.与网络进行通信的扫描。大型有网络的PLC有网络扫描过程,而小型的PLC则没有这种扫描过程。PLC与PLC之间以及PLC与计算机之间可以通过网络宽带来进行通信。 3.用户程序扫描。只要机器是正常运行的,那么,该扫描过程会移植存在。用户可以通过软件来根据自己的需要来有目的的控制这一过程。扫描过程的时间与用户程序的长短有着密切的关系。 4.读输入与写输出扫描。同样,只要机器是正常运行的,这一过程贯穿于整个扫描过程。并且该过程同样是可控的。如果CPU要处理程序,它不从及既不从输入点读取,也不直接送到输出点。而是通过计算机内部的输入映像寄存器和输出映像寄存器。输入映像寄存器控制输入值,而输出映像寄存器则保存运算的结果。在一个扫描过程中,输入点的状态会被所入到输入映像寄存器,而一样,输出映像寄存器的指会被所入到相应的输出点。未来满足现场施工和运作的要求,PLC支持I/O接口可受用户控制的特点。用户可以锁定或者开锁I/O接口,而且锁定 后,I/O接口的扫描过程便不再运行。这一过程的好处是,可以有效的节约I/O端口的扫描时间,提高效率。 在读输入阶段,CPU对各个输入端子进行扫描,通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段,CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描,PLC在执行用户程序时会事先参考输入映像寄存器和输出映像寄存器,最后将结果传送到输出映像寄存器中。程序执行时,就算输入子端变化,这一个工作周期,输入寄存器也不会改变,只是会在下一个周期被读入。同样,输出锁存器会锁定输出映像寄存器,通过输出电路,这一结果会被输出。 由上述分析得出循环扫描有如下特点: ⑴ 扫描过程周而复始地进行,读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。 ⑵ 输入映像寄存器的内容是设备驱动的,在程序执行过程中的一个工作周期内输入映像寄存器的值保持不变,CPU采用集中输入的控制思想,只能使用输入映像积存的值来控制程序的执行。 ⑶ 程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值,而在程序执行阶段,输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件,同时又可以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。此时的修改不会影响输出锁存器的现在输出值,这是与输入映像寄存器完全不同的。 ⑷ 对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件,所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与编程顺序有关的,即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值,这是编程人员要注意的问题。 各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟,这是PLC的主要缺点。各PLC厂家为了缩小延迟采取了很多措施,编程人员应对所使用型号的PLC的延迟时间的长短很清楚,它是进行PLC选型时的重要指标。 2.4 PLC的性能指标和软件系统 2.4.1 PLC的性能指标 1.编程语言及指令功能.。PLC常用的编程语言有梯形图、语言表、流程图等。对于特定厂家生产的PLC,其编程语言不同,若PLC可用多种语言编程,则其可移植性较好。PLC的指令条数和综合性指标能够反映出该PLC的功能强弱。 2.I/O点数。I/O点数是指系统所能接入和输出的总的最大数量。通常用I/O点总数表示I/O开关量,而用I/O通道数表示模拟量。 3.用户程序储存容量。用户程序储存容量是指存放用户程序的储存器的容量,用字节K表示。对于一般的逻辑操作指令,一条指令占一个字节,而对于计时、计数和位移等则要占用两个字节,数据操作通常要占用2~4个字节。 4.扫描速度。指执行1024条基本指令用时。 5.内部寄存器的配置与容量。辅助继电器、计时器、计数器、移位寄存器、特殊继电器等都叫做内部寄存器。这些内部寄存器可用于存放各种数据,内部寄存器的大小与多少直接影响用户编程的灵活与方便。 6.其他的功能。例如输入与输出方式、特殊功能模块、自诊断功能、通信联网功能、高数计数、远程I/O能力和监控功能等。 2.4.2 PLC的软件系统 PLC的硬件系统和软件系统是相辅相成的,就像一个人的骨骼和血肉一样。骨骼是支撑整个身躯的硬性指标,没有骨骼其他的就无从说起,而血肉也是一个人正常活动所必须的。PLC的软件系统分为系统程序和用户程序。 1.系统程序 系统程序是由PLC生产厂家提供,并且固化在EPROM中,用户不能直接读取。系统程序由管理程序、编译程序、标准程序三个部分组成。管理程序用于对PLC输入、输出、运算等操作的时间顺序的管理,规定数据和程序的存放地址。编译程序则是把程序语言翻译成机器语言的程序。标准模块程序由多个独立的程序模块组成,每个程序模块完成一种独立的功能。根据要完成不同的共组来选择不同的功能模块。 2.用户程序 用户程序是指根据不同的工作要求,用户用PLC程序语言编制的应用程序,以实现各种控制要求。小型的PLC很简单,整个程序不用分段,按顺序编制。但是大型的PLC的用户程序很复杂。为了简化用户编程的难度,可以把用户程序划分为程序模块,通过模块的组合来组成一个大的完整的用户程序。 用户程序的模块: ⑴ 组织模块。用于控制主程序的运行方式及个组织模块的组织关系。 ⑵ 程序模块。按电气控制的要求,把不同的控制内容划分为程序段。 ⑶ 功能模块。用来描述特定功能的程序模块。它的使用使得PLC超出了传统的顺序逻辑、计时、计数等功能。 ⑷ 步进模块。用于步进顺序操作。 ⑸ 数据模块。可用来存放数据,可以是固定的数据或者是可变的数据,类似于寄存器。 第三章 基于PLC的智能交通灯控制系统设计 3.1 PLC型号的选定以及可行性分析 本设计拟采用三菱FX2―64MR―001型PLC,此型号是PLC家族中最先进的PLC之一。它具有一些显著的特点:最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各个国家不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块,因此在选定的过程中,他有着广泛的选定范围。它的各方面参数如下:I/O总数为64、输入数目为32、输出数目为32、型号为漏型。采用24V、400mA直流电源,它优良的快速断开端子块使得接着线缆也可以更换单元,并且它的远程维护功能使得远处的编程软件可通过调制解调器通信来监测、上载和卸载程序和数据。与其他PLC相比,本PLC价格便宜,功能齐全,除了有着速度、逻辑、定位等优越之处而且还安装简单,维修方便。本设计中的十字路口东西南北四个方向各有一个光点计数器来统计通过车子的辆数,再加上启动开关和停止开关总共需要6个输入接口。而东西南北每个方向各有红绿黄灯一个,一起总共有交通信号灯12个,也就是需要12个输出接口。据此看来,选择三菱FX2―64MR―001型PLC完全能够满足要求。 3.2光电计数器与选型 3.2.1光电计数器的原理 光电计数器是通过光感应器将物理信号转变为电信号进而进行数据统计的一种器械,现在市面上的观点感应器种类繁多,其基本原理如图: 数字显示 信号处理 信号采集 信号产生 图3-1 光电计数器的基本原理 信号产生:由发光二极管将电信号转化成光信号,有电流经过时会发出光来。 信号采集:发光二极管的PN节处通过管壳的玻璃窗口能够接受外部光源从而将光信号转变成电信号。 信号处理:对信号进行放大和整形。 数字显示:通过十进制计数芯片将电信号转变成可读的数字。 光电计数器的电路图如下: 图3-2 光电计数器的电路图 3.2.2光电计数器的选择 普通的光电开关在市面上种类繁多,而且价格便宜,基于本设计对于光电计数器的要求较高,要求光电计数器在各种气象条件下均能保持良好的运行状态,并且使用寿命长,无需经常更换。在参考市面上各种光电计数器的性能指标以及相对经济性的情况下,本设计拟采用乐清市柳市普邦接近开关厂生产的NI35-CP40-FZ3X2型号光电开关,该开关采用最常用的无接触检测解决方案。即接近传感器是电感型的,即通过电磁波,来感应经过传感器检测面附近的金属物体。该铲平采用专用的IC,抗干扰能力强,并且检测距离是普通产品的1.5到2倍。该产品的抗噪能力强,漏电流为0.6mA,残留电压3.5V以下。接近开关与电缆接近部位采用强化电缆使其弯曲度和使用寿命是一般开关的9倍以上。别且该开关内部还内置过压,过流,反接保护电路。 图3-3 NI35-CP40-FZ3X2型光电开关 3.3光电计数器的铺设 通过对路面车流量长期的观测,以及对数据经行分析,最终和小组成员讨论出将光电计数器安装在距离十字路口30米出较为合适。通过光电计数器的计数,可以统计出在路口为红灯时光电计数器到十字路口交叉口处这一段范围内的车辆数。进而完成对数据的统计工作。十字路口的情况以及光电计数器的铺设状况如图: 图3-4 十字路口光电计数器的铺设情况 3.4设计思路 正常时序时:交通灯控制系统的控制要求如下 1.一个启动开关控制信号,当起动开关接通时,信号系统开始工作,且先南北红灯亮,东西绿灯亮。倘若要所有信号灯熄灭,则关闭启动开关。 2.南北绿灯和东西绿灯不能同时亮,如果同时亮则信号系统应该停止运行,并报警。 3.南北红灯亮维持25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮,东西绿灯持续亮20S。到20S时,东西绿灯闪烁3S,之后熄灭。在东西绿灯熄灭时,东西黄灯亮2S后熄灭。到2S时,当东西黄灯熄时,东西红灯亮。同时,南北红灯熄灭,南北绿灯亮。 4.东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮25S。然后南北绿灯闪烁3S,熄灭。同时在南北绿灯熄灭的时候,南北黄灯亮2S后熄灭,这时南北红灯,东西绿灯。 5.周而复始。 设计思路的流程图如下: 比较南北与东西的车流量 南北方向为绿灯,东西方向为红灯,持续30秒 开始 南北的绿灯闪烁3秒后变为黄灯,且黄灯持续2秒,东西为红灯 南北的车流量小于 东西的车流量 南北为红灯,东西为绿灯,计数器清零,持续30秒 南北的车流量 大于东西的 比较南北与东西的车流量 南北为绿灯,东西为红灯,持续30秒 车流量 循环比较 南北的车流量小于 南北的绿灯闪烁3秒后变为黄灯,且黄灯持续2秒,东西为红灯 东西的出流量 南北为红灯,东西为绿灯,计数器清零,持续30秒 南北的车流量大 于东西的车流 循环比较 南北的绿灯闪烁3秒后变为黄灯,且黄灯持续2秒,东西为红灯 南北为红灯,东西为绿灯,计数器清零,并且持续30秒 循环比较 南北为绿灯,东西为红灯,持续30秒 量 图3-5设计流程图 当启动开关打开时,南北方向绿灯亮,东西方向红灯亮,在南北方向的绿灯和东西方向的红灯亮的过程中,东西南北各个方向的计数器持续计数。30s后将南北方向的计数器读数相加得到数据N1,东西方向的计数器读数相加得到数据D1,将南北方向的数据N1和东西方向的数据D1,进行比较倘若N1>=D1,则南北方向的绿灯继续持续30s,东西方向的红灯继续持续30s,这一过程中计数器在上一个30s的基础上持续累加。30s后,南北方向的计数器读数相加得到数据N2,东西方向的计数器读数相加得到读数D2,将南北方向的数据N2与东西方向的数据D2经行比较,倘若N2>=D2,则南北方向的绿的继续持续30s东西方向的红灯继续持续30s。30s后,南北方向的绿灯闪烁3s,3s后绿灯变为黄灯,在这一过程中,东西方向依然保持为红灯,且持续时间为5s。5s过后,南北方向自动变为红灯,而东西方向自动变为绿灯,且东西南北四个方向的计数器都要清零。东西方向的绿灯持续30s,南北方向的红灯持续30s,且30s后将东西方向的车流量与南北方向的车流量进行比较,比较的结果如上,如此循环往复。而且在上面的第一次比较过程中,倘若南北方向的车流量小于东西方向的车流量,即N1<D1,则南北方向的绿灯闪烁3s,3s后南北方向的绿灯变为黄灯,黄灯持续的时间为2s,此时东西方向的红灯持续5s。5s过后南北方向的黄灯变为红灯,东西方向的红灯变为绿灯,并且东西南北各个方向的计数器清零。30s之后又继续比较南北方向与东西方向的车流量,比较结果如上,并且循环往复。上面第二次的比较结果和第一次的比较结果相似,依次循环往复。在比较南北方向的车流量与东西方向的车流量的过程中,要保持车流量大的一方通行的时间尽量长一些。但是每一方向的持续通行的总时间也不能长于95s,每一方向通行的最短时间不因短于35秒。并且不管对于那一方向,在有绿灯变为红灯这一过程中,绿灯必须持续闪烁3s,且黄灯必须持续2s。倘若绿灯没有变,计数器的读数应该是在前一个30s的基础上相加而得来的。绿灯每变为红灯一次,东西南北各个方向的计数器读数应该清一次零。在这里由于时间和技术的限制,没有具体讨论人行道的计数方式,但是南北人行道的通行时间和南北方向车道的通行时间是一致的,相同,东西方向的人行道和东西方向车道的通行时间也具有一致性。实际上,还可以通过计数器来统计各个人行道的人流量来更加精确的计算各个通道的通行时间,但是这里涉及到的计算相当复杂,而且实现的成本也比较高,在此设计中尚不做考虑。基于现在各大城市的车流量越来越大,城市越来越拥堵,再设计中我们还考虑到若能将城市各大路口的车流量数据统一起来,由中央计算机统一分析和调控各个路口的读秒时间,那样缓解交通压力的效果坑定会更加明显。但是这项计划的投资肯定是巨大的,在此仅仅是提及一下思路,希望在以后的城市 规划中可以看到。 3.5 I/O地址的分配 图3-6 I/O地址的分配 在此设计过程中东西南北每个方向各有红绿黄三个交通信号灯,因此交通信号灯的总数为12个,也就是输出端口必须有12个。而东西南北每个方向各有一个光电计数器,加上启动按钮和停止按钮,也就是输入端口必须有6个。本设计采用三菱FX2―64MR―001型PLC,如图所示,该接线的输入采用220V的交流,而输出则采用12V的直流端口分配为: 输入设备 输入点接口 输出设备 输出点接口 启动按钮 X0 南北方向绿灯(2个) Y1 北方计数器输入 X1 南北方向黄灯(2个) Y2 南方计数器输入 X2 南北方向红灯(2个) Y3 西方计数器输入 X3 东西方向绿灯(2个) Y4 东方计数器输入 X4 东西方向黄灯(2个) Y5 停止按钮 X5 东西方向红灯(2个) Y6 3.6交通灯各种情况的时序分析 根据上面的设计可以知道,每一次当一个方向的绿灯持续30s,另一个方向的红灯持续30s后会经行一次判断,判断的结果有两种,而在经过另一个30s后会进行另一次判断,判断的结果又有两种。由于第一种情况与第二种情况之间有着递进的关系,因此可以分析出总共的可能情况有三种: 1.开始时南北方向为绿灯,东西方向为红灯,经过30s后,南北方向绿灯闪烁,再变为黄灯,接着变为红灯,而东西方向则变为绿灯。 2.开始时南北方向为绿灯,东西方向为红灯,经过30s后,南北方向依然为绿灯,东西方向依然为红灯;再经过30s后,南北方向的绿灯开始闪烁,接着变为黄灯,在变为红灯,而东西方向则变为绿灯。 3.开始时南北方向为绿灯,东西方向为红灯,进过30s后,南北方向依然为绿灯,东西方向依然为红灯;在经过30s后,南北方向还是绿灯,东西方向还是红灯;在经过第三个30s后,南北方向的绿灯开始闪烁,接着变为黄灯,再变为红灯,而东西方向则由红灯变为绿灯。 如此分析下来,这三次情况之间有着高度的相似性,且每一次情况与上一次之间有着一定的联系,程序循环执行,根据不同的比较结果可以对交通灯读秒时间进行智能的控制,有效的控制十字路口的车流量。现就第二种情况对交通灯经行时序分析,分析结果如下: 图3-7 各交通灯路口的时序情况 3.7 主程序的设计 在主程序的设计过程中,由于要用到各种计时器,计数器,输入及输出继电器,辅助继电器,寄存器等,因此提前将可能用到的原件符号以及其所对应的意义先给出: X0 启动按钮 X1 北方输入 X2 南方输入 X3 西方输入 X4 东方输入 X5 停止按钮 Y1 南北方向绿灯 Y2 南北方向黄灯 Y3 南北方向红灯 Y4 东西方向绿灯 Y5 东西方向黄灯 Y6 东西方向红灯 M100 启动记忆辅助继电器 M10、M11、M12 比较辅助继电器 M20、M21、M22比较辅助继电器 T0南北红灯定时 T1东西红灯定时 T2东西绿灯平光 T3东西绿灯闪烁 T4东西黄灯定时 T5南北绿灯平光 T6南北绿灯闪烁 T7南北黄灯定时 具体的程序设计图如下: 图3-8 梯形图 图3-9 梯形图 图3-10 梯形图 图3-11 梯形图 图3-12 梯形图 图3-13 梯形图 图3-14 梯形图 图3-15 梯形图 图3-16 梯形图 图3-17 梯形图 图3-18 梯形图 图3-19 梯形图 图3-20 梯形图 运行程序语句表: 0 LD X000 1 OR M100 2 ANI X005 3 OUT M100 4 LD M100 5 ANI T1 6 OUT T0 K300 9 LD T0 10 OUT T1 K300 13 LD M100 14 ANI T0 15 OUT T2 K250 18 LD T2 19 OUT T3 K30 22 LD T3 23 OUT T4 K20 26 LD T0 27 OUT T5 K250 30 LD T5 31 OUT T6 K30 34 LD T6 35 OUT T7 K30 38 LD M100 39 ANI T5 40 OUT Y001 41 LD M100 42 ANI T1 43 OUT Y001 44 LD T1 45 CALL P10 48 LD T1 49 CMP D5 D6 M10 56 MPS 57 LD M10 58 OR M11 59 ANB 60 OUT M1 61 MPP 62 AND M12 63 OUT M2 64 LD M1 65 OR Y001 66 ANI T5 67 OUT Y001 68 LD M1 69 OR Y006 70 ANI T1 71 OUT Y006 72 LD T5 73 CALL P10 76 LD T5 77 CMP D5 D6 M20 84 MPS 85 LD M20 86 OR M21 87 ANB 88 OUT M3 89 MPP 90 AND M22 91 OUT M4 92 LD M3 93 ORI Y001 94 ANI T5 95 OUT Y001 96 LD M3 97 OR Y006 98 ANI T1 99 OUT Y006 100 LD T5 101 ANI T3 102 AND T10 103 OUT Y001 104 LD T3 105 ANI T4 106 OUT Y002 107 LD T4 108 OR Y003 109 ANI T0 110 OUT Y001 111 LD T4 112 OR Y004 113 ANI T2 114 OUT Y004 115 LD T4 116 CALL P11 119 LD M4 120 OR Y001 121 ANI T6 122 AND T10 123 OUT Y001 124 LD T6 125 ANI T7 126 OUT Y002 127 LD T7 128 OR Y003 129 ANI T0 130 OUT Y003 131 LD T7 132 OR Y004 133 ANI T2 134 OUT Y004 135 LD T7 136 CALL P11 139 LD M2 140 OR Y001 141 ANI T6 142 AND T10 143 OUT Y001 144 LD T6 145 ANI T7 146 OUT Y002 147 LD T7 148 OR Y003 149 ANI T0 150 OUT Y003 151 LD T7 152 ANI T2 153 OUT Y004 154 LD T7 155 CALL P11 158 LD T7 159 ANI T11 160 OUT T10 K5 163 LD T10 164 OUT T11 K5 167 FEND 168 P10 169 LDP X000 171 MOV K0 D1 176 MOV K0 D2 181 MOV K0 D3 186 MOV K0 D4 191 LD X001 192 INCP D1 195 LD X002 196 INCP D2 199 LD X003 200 INCP D3 203 LD X004 204 INCP D4 207 LD T1 208 ADD D1 D2 D5 215 LD T1 216 ADD D3 D4 D6 223 P11 224 LD T7 225 RST D1 228 RST D2 231 RST D3 234 RST D4 237 END 238 在此次程序的设计过程中需要考虑到几个问题,第一是关于各个交通信号灯之间的联锁及互锁,例如,南北方向的绿灯与东西方向的红灯应该是联锁的关系,及假设南北方向的绿灯亮,则东西方向的红灯必须亮,南北方向的绿灯与东西方向的绿的不能同时亮。假设南北方向的绿灯闪烁,则接下来南北方向的黄灯必须亮,及南北方向的绿灯与南北方向的黄灯应该是联锁的关系。与此相同,东西方向与南北方向应该有相同的联锁关系。第二个应该是关于子程序调用的问题,因为在此程序中有许多部分是相同的,例如第一次比较之后与第二次比较之后都曾在南北绿灯闪烁3s,3s后南北的绿灯变为黄灯,黄灯持续2s后变为红灯,且计数器清零,东西方向变为绿灯的情况。因此在程序编制过程中,会考虑到将此程序模块化,到要用是可以直接调用。另外一个例子是,第一次比较与第二次比较过程中都牵涉到寄存器的调用问题,也同样可以将此程序模块化,直接调用。第三个是关于计数器清零的问题,每当一边的灯由绿灯变为黄灯再变为红灯的过程中,计数器都应该清零。而在此之前的时间 ,计数器都应该是累计计数的。 3.8 运行与调试 本系统第一次在三菱软件编程系统中模拟运行时,没有达到预期设计的效果。但是经过我们小组的讨论与分析之后,将数据与程序结构做出了适当的调整。调整之后再次运行时,本系统基本上能够模拟十字路口交通灯的运行状态,在输入十字路口车流量的模拟信号后,系统能够做出预期设计的反映。能够根据十字路口的车流量情况适当的调整交通信号灯的读秒时间。 第四章 设 计 总 结 设计接近尾声,针对本设计的设计初衷和设计的过程,有许许多多值得我们反思和要注意的地方。本设计的设计初衷是设计出一款有别于现在一般普通交通灯控制系统的智能交通灯控制系统。现在普通交通灯控制系统的设计思路是在预先人工设置参数的基础上循环的交换南北两方向的交通灯读秒时间。它的读秒时间是固定的,读秒的周期也是固定的,最重要的是它不能根据路面的车流量智能的调整红绿灯的读秒时间。 而对于本设计,它是立足于基本交通灯的设计思路之上,将基本交通灯控制系统稍作改变,从而实现交通智能控制的控制系统。它通过铺设在交通路口的光电计数器,能够实时的读取路面的查流量信息,通过控制系统加以分析,能够智能的调整交通信号灯的读秒时间。本设计的设计思路是通过将交通控制时间加以细分,分段进行比较。在不同的时间段通过光电计数器的输入数据,实时的比较南北两车道的车流量,并根据比较的结果来选择通行的时间。这种设计的好处是不仅能够有效的缓解路面的交通压力,控制车流量,而且可以节约大量的交通资源,做到交通资源合理利用。 本设计能够在一定程度上缓解交通的压力,但是本设计也存在一定的缺陷。例如,如果能将几个交通路口的车流量数据集中起来,做到数据共享,从而根据几个交通路口的数据来智能的控制交通灯,那么这样的话,缓解车流量的效果会更加明显,效果会更加好,智能化程度会更高。同时,本设计是通过光电计数器来统计车辆数,进而进行比较的。如果能统计出出流量来进行比较,那么将会更加接近实际的情况,控制的效果也会更好。但是这样的话设计的难度会大大的增加,这里由于设计的时间原因,只做讨论。 最后,我们小组根据设计的相关硬件要求,大约估算了一下施工成本。与现在的交通灯控制系统相比,本设计的控制成本也不算高,和当前控制成本相差无几。由于它的设计思路是在原交通控制灯的基础上改进而来,这使得对于本系统的维护和操作也是比较方便的,不必进行特殊的培训和指导。 参 考 文 献 [1] 彭树生.PLC单片机原理及应用.机械工业出版社.2002.1.1 [2] 王晓军.可编程控制器原理及应用.化学工业出版社.2010.9.4 [3] 杜荔编.微机原理及其接口.清华大学出版社.2011.3.1 [4] 曹克澄.单片机原理及应用.第二版.机械工业出版社.2009.1.1 [5] 龚捷.接口技术.化学工业出版社.2009.1.1 [6] 韩九强.传感器与检测技术.清华大学出版社.2010.9.1 [7] 于泉.城市交通信号控制基础.冶金工业出版社.2011.1.1 [8] 周蔚吾.道路交通信号灯控制设置技术手册.知识产权出版社.2009.1.1 [9] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计.人民邮电出版社.2004.7.1 [10] 路林吉.PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社.2009.4.8 [11] 陈立定.电气控制与可编程控制器.华南理工大学了版社2006.2 [12] 何衍庆.可编程控制器原理及应用技巧.第二版.化学工业出版社.2003.1.1 [13] 廖常初.可编程控制器的编程方法与应用.重庆大学出版社.2001.2.1 [14] 廖常初.PLC梯形图程序的设计方法与技巧.电工技术出版社.2004.9 [15] 廖常初.PLC梯形图的书许控制设计法与顺序功能图.电子技术杂志.2001.第11期 [16] 廖常初.PLC梯形图的顺序控制设计法.电子技术杂志.2001.第10期 [17] 吴建强.可编程控制器原理及应用.哈尔滨工业大学出版社.2011.7.12 [18] 邱公伟.可编程网络通讯及应用.清华大学出版社.2000.3 [19] 郑凤翼.轻松解读三菱FX2N系列PLC原理与应用.机械工业出版社.2011.10 致 谢 历经了3个月的分析与设计,与小组讨论了各种各样的方案,最终这款基于PLC的智能交通灯控制系统的设计总算是尘埃落定了。回首这3个月来的的点点滴滴,还是有许许多多的感受涌上心头。刚开始的时候我们遇到了很多问题,在这里要特别感谢我的导师XX老师,徐老师在早期的准备工作和后期的方案选定以及具体的程序设计上给了我极大的帮助。通过对徐老师早期给我们资料的分析,让我对于此次设计的整体框架有了一个大概的了解,这也构成了我们之后每一步设计走向的基础。其次,XX老师在我们设计过程中对于我的方案也给出了许许多多好的建议以及改进的方案。在整体的程序编程过程中,由于我对于整个程序所用到的知识不了解,XX老师给我的资料给了我极大的帮助,让我少走了许多弯路。 每一次经历都是一笔宝贵的财富,这次设计是大学生活最后一段路程了,设计告毕,我们的大学生活也要接近尾声。回首设计的过程,回首经历的种种,也算是为我四年的大学生活画上一个完整的句号。或许若干年后,当我再次回首这些日子的时候,我也会会心一笑了。 设计者: 日期:2015年 月 日 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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