十字路口交通灯控制.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除存档资料 成绩： 华东交通大学理工学院课 程 设 计 报 告 书所属课程名称 可编程控制器技术及应用 题 目 十字路口交通灯控制 分 院 电 信 分 院 专业班级 学号 学生姓名 指导教师 精品文档序号项 目等级优秀良好中等及格不及格1课程设计态度评价2出勤情况评价3任务难度评价4工作量饱满评价5任务难度评价6设计中创新性评价7论文书写规范化评价8综合应用能力评价综合评定等级课程设计（论文）评阅意见评阅人 职称 摘 要随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。解决好十字路口交通信号灯控制问题是保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。但现有的十字路口交通信号灯控制系统大都采用继电器或单片机实现，且都是单一的固有时序控制，不能够根据实际路面车流量情况进行调节控制，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点。为了弥补原交通信号灯系统存在的种种缺点，本文设计了基于PLC控制的交通信号灯控制系统。该系统选用的可编程逻辑控制器是德国西门子公司的S7-200，具有一定的智能性，即可以根据路面车流量大小对十字路口的交通信号灯按高峰期、正常期和晚间几个时段进行分时控制。关键词：十字路口 交通信号灯控制系统 可编程逻辑控制器（PLC） 分时控制目录摘 要- 3 -1 设计背景- 5 -1.1 背景概述- 5 -1.2 可编程逻辑控制器简介- 5 -2 十字路口交通信号灯PLC控制系统简介- 6 -2.1 控制对象及要求- 6 -2.1.1 控制对象- 6 -2.1.2 控制要求- 6 -2.2 系统简介83 系统硬件设计83.1 PLC端子接线图83.2 硬件选型94 系统流程图105 软件设计105.1 系统I/O分配105.2梯形图126总结15参考文献16致谢161 设计背景1.1 背景概述随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。马路上经常会看到这种现象:一旦整个路口的交通信号灯出现故障，若没有交警的及时疏导，该路口就会塞得一塌糊涂，甚至造成严重的交通事故。原交通信号控制大都采用继电器或单片机实现，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点,越来越不能适应城市道路交通高速发展的要求。另外，根据人车流量的多少，可能随时增加路口的交通信号，比如增加转弯或人行道交通信号，原有系统的制约性就更加明显了。为了弥补原交通信号灯系统存在的以上缺点，我们引入了基于PLC控制的交通信号灯控制系统。本文对十字路口交通信号灯控制系统，运用可编程逻辑器件PLC做了软件与硬件的设计，能基本达到控制要求。系统仅实现了小型PLC系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试工作。如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多、更深入的研究。1.2 可编程逻辑控制器简介可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC) 根据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：“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。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，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，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备。 在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它的内部存储器可以执行逻辑运算、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或输出控制各种类型的机械或生产过程。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。最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子(SIEMENS)公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。2 十字路口交通信号灯PLC控制系统简介2.1 控制对象及要求 2.1.1 控制对象本系统的控制对象有六个，分别是：东西方向红灯 两个；南北方向红灯 两个；东西方向黄灯 两个；南北方向黄灯 两个；东西方向绿灯 两个；南北方向绿灯 两个；2.1.2 控制要求用PLC设计交通灯控制系统，要求如下：按下启动按钮SB1后，依下面顺序运行：南北向绿灯亮20s，东西向红灯亮；20s后，南北绿灯闪烁2次，每隔0.5s一次，在此期间东西向红灯亮；南北绿灯闪5次后熄灭，两个方向黄灯同时亮5s，东西向红灯仍然亮；黄灯亮2s后熄灭，南北向换红灯，东西向换绿灯亮30s；东西向绿灯30s后闪2次，南北向红灯亮；东西向绿灯闪3次后熄灭，两个方向黄灯亮2s，南北向红仍然亮；黄灯亮2s后南北向换绿灯，东西向换红灯。依次循环，按下停止按钮SB2后，本循环结束后停止。由表一可知：南北信号绿灯亮绿灯闪黄灯亮红灯亮时间25s3s2s30s东西信号红灯亮绿灯亮绿灯闪黄灯亮时间30s25s3s2s表一：十字路口红绿灯系统控制要求图2.1 交通信号灯的位置2.2 系统简介本系统是一个十字路口交通灯的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制。本系统具有一定的智能性，控制方案为：（2） 南北方向绿灯亮35秒，东西方向红灯继续亮；（3） 南北方向绿灯闪烁3秒；东西方向红灯继续亮；（4） 南北方向黄灯亮 2秒；东西方向红灯继续亮；（6） 东西方向绿灯亮35秒，南北方向红灯继续亮；（7） 东西方向绿灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮；（8） 南北方向黄灯亮 2秒；东西方向红灯继续亮；然后跳至第（1）步依次循环。3 系统硬件设计3.1 PLC端子接线图根据信号灯的控制要求，所有的器件有：三菱FX系列PLC、起动按钮SB1、停止按钮SB2、红黄绿色信号灯各4只，输入输出端口接线如图4所示。图3.1 PLC外部接线图起动按钮SB1接输入继电器X0端，停止按钮SB2接于输入继电器Xl端，东西方向的绿灯接于输出继电器Y5端，东西方向的黄灯接于输出继电器Y4端，东西方向德红灯接于输出继电器Y3端，南北方向的绿灯接于输出继电器Y2端，南北方向的黄灯接于输出继电器Y1，南北方向红灯接于输出继电器Y0。将输出端的COM1及COM2用导线相连，输出端的电源为交流220V。如果信号灯的功率较大，一个输出继电器不能带动两只信号灯，可以采用一个输出点驱动一只信号灯，也可以采用输出继电器先带动中间继电器，再由中间继电器驱动信号灯。3.2 硬件选型城市道路交通信号控制是典型的开关量顺序控制，采用PLC能充分利用它的优点。在这里我们采用德国西门子公司的S7-200可编程控制器，它是积木式结构，安装比较方便，中央处理单元和信号模板有多种类型，另外还具有如位控单元、PD调节等特殊功能模块。根据本系统输入点数及控制要求，中央处理单元可选用CPU224，该CPU板上本身具有10个数字量输入点，6个非隔离数字量输出点，最多能够带8个数字量信号模板。电源模块将交流电源转换成供CPU，存储器等所有扩展模块使用的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心，它的好坏直接影响到PLC的稳定性和可靠。S7-200属于小型PLC，电源模块与CPU模块封装在一起，通过连接总线为本机和扩展模块提供+5V（DC）电源。同时，还可通过端子向外输出一个+24V（DC）电源，供本机输入点和扩展模块继电器线圈使用。需注意的是，从资料中我们了解到，外部电源不可与S7-200的传感器电源并联使用。否则，交会导致两个电源的竟争而影响它们各自的输出，缩短其使用寿命，使得一个或两个电源同时失效，使PLC系统产生不正确的操作。正确的使用方法是S7-200的传感器电源和外部电源应该在不同的点上提供电源，而两者之间只能有一个会共连接点。由于根据控制要求所确定的输入输出点分别人二个和九个，由于我们是以一个路口信号单独控制为例，考虑到够用为准。所以我们选择了CPU224这一具有较强控制功能的控制器。另外，在硬件选型时，不要忘记完成现场测试及软件编程时所需的一些设备。综上，得到系统硬件配置如表1所示：表3-1 硬件配置表名 称数 量DC24V电源1CPU2241PC/PPI编程电缆1STEP7编程软件1PC机14 系统流程图根据系统设计要求画出流程图图4.1：系统流程图5 软件设计5.1 系统I/O分配分析PLC的输入和输出信号,在满足控制要求的前提下,要尽量减少占用PLC的I/O点。由系统控制要求可见，由控制开关输入的启、停信号是输入信号。由PLC的输出信号控制各指示灯的亮、灭。在交通灯布置图中，南北方向的三色灯共八盏，同颜色的灯在同一时间亮、灭；所以，可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制。同理，东西方向的三色灯也依次设计。再加上东西方向左转的三色灯共九盏，所以其占9个输出点。由此可得系统I/O分配如表2所示：表5-1 I/O分配表输入/输出设备/器件名称I/O地址符号名数据类型输入校正当前时钟I0.0SB0BOOL程序启停按钮I0.1SB1BOOL输出东西方向绿灯Q0.0Q1DINT东西方向黄灯Q0.1Q2DINT东西方向红灯Q0.2Q3DINT南北方向绿灯Q0.3Q4INT南北方向黄灯Q0.4Q5INT南北方向红灯Q0.5Q6INT本控制系统的控制原理是：用一路数字量的不同输入状态来判定是否对时钟进行初始化，用一路数字量的不同输入状态分别用作程序的启动和停止控制，每一方向有红、黄、绿及转弯四种信号灯，分别对应四位数字量输出，两个方向共有8位数定量输出；在某一方向用两个延时脉冲定时器分别控制该方向黄灯闪烁的亮、灭时间，根据道路人车流量多少，分别设置各信号灯亮灭时间的长短，通过6个定时器依次交替工作，就可实现各方向交通信号灯的顺序工作。本文所设计的软件由一个主程序和四个子程序（时钟初始化子程序，晚间时段交通灯控制子程序，正常时段交通灯控制子程序和高峰时段交通灯控制子程序）组成。主程序主要任务包括：读取两个开关状态，根据开关的不同状态做出相应的处理，当开关SB0闭合时则对时钟进行初始化，反之则不对时钟进行初始化；当开关SB1闭合时，开始工作，并做处理，根据处理后的时钟值的大小判定当前时间是属于哪个时间段，并调用相应的交通灯控制子程序，反之，则停止程序的运行主程序流程图如图5所示。程序中将用到6个定时T37-T42，各定时器的功能如表5所示。该程序实现了信号由东西左转、东西直行、南北直行依次循环变化。其优势思路简单，容易理解，对时钟的校正以及各时段的起始时间和终止时间的修改方便。如路口要求在晚上10：00以后实行各方向黄色信号灯闪烁功能，只需要将实时采集PLC的时钟信号作为一个子程序的跳转条件，再增加一段闪光程序即可。如果需要将几个路口集中到一台PLC控制，根据实际需要的I/O点数，硬件上再增加相应的数字量输出模板即可。需要指出的是，用PLC实现城市道路关通信号控制，最好几个路口共用一套PLC，这样可以大大降低工程成本。5.2梯形图图5.1 梯形图图5.2 实物图6总结PLC还具有功能强，适应面广的特点。今天的PLC已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发展，不仅在交通灯中控制自如，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。由PLC控制十字路口的指示灯,维护方便,可按需要随意修改指示灯亮的时间,更是体现了城市管理工作的现代化。PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其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，特别对于多岔路口的控制可方便地实现。目前大多数品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，所以将同一条路上的信号灯组成一局域网功进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。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，合理确定各路口信号灯之间的时差，把N台PLC联网到一台控制电脑上，以方便操作、管理和监控，从而极大地提高城市道路交通管理能力。用PLC控制十字路口的指示灯，维护方便，可按需要随意修改指示灯亮的时间，更体现了城市管理工作的现代话。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我趁着做课程设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。通过这