具有车流量监控的PLC交通灯控制系统

1、 电气工程学院课 程 设 计 说 明 书 设计题目：具有车流量监控的plc交通灯控制系统 系别： 电工程及自动化系 年级专业： 11级应用电子1班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 郭忠南 阚志忠 魏艳君 王德玉 电气工程学院课程设计任务书课程名称： 电气控制与plc课程设计 基层教学单位：电气工程及自动化系 指导教师： 郭忠南等学号学生姓名（专业）班级11级应电1 班设计题目具有车流量监控的plc交通灯控制系统设计技术参数采用plc构成具有车流量监控的交通灯电气控制系统。控制要求查阅相关文献。设计要求1) 根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括plc硬件配置电路。2) 根据控制要求

2、，编制plc控制程序3) 按要求编写设计说明书并绘制a1幅面图纸一张。参考资料1、plc电气控制技术 漆汉宏主编 机械工业出版社 20082、图书馆各类期刊文献相关数据库3、相关电气设计手册周次第一周第二周应完成内容完成全部方案设计：周一、二：查、阅相关参考资料周二至周五：方案设计周六、日：设计方案完善周一、二：完成设计说明书周三、四：绘制a1设计图纸周五：答辩考核指导教师签字基层教学单位主任签字说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。电气工程学院 教务科 目录绪论 .1第1章 可编程控制器简介.11.1 plc定义及构成.21

3、.2 plc系统的其它设备.21.3 plc的用途.31.4 plc的特点.41.5 plc的工作原理.51.6 plc的编程语言.6第二章 车流量监控设计思路.7第三章 智能交通灯的plc实现.83.1 传感器的工作原理及选择.83.2 控制原理图.103.3 控制方式及实现功能.113.4 i/o接线表.113.5 硬件接线图.123.6 控制程序流程图.133.7 梯形图.143.8 程序.16第4章 总结与体会.19致谢.20参考文献.21绪论 当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。 电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿

4、灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。 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，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。 但是若某一方向上车流量大，待红灯跳转到绿灯时，一部分的车辆经过了十字路口，还有一部分由于绿灯时间短而，不得再等下一个绿灯。这样就带来了很大的不便，若该方向上的车流量一直很大，使等候的车辆就越来越多。尤其在

5、大城市的主干道路上，若不解决这类问题，对城市的交通通行是一个严峻的考验。传统的十字路口交通灯控制通常的做法是：事先做好道路车流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的时间设置为固定值。然而，十字路口不同时刻的车流量是不固定的，采用固定时间的控制系统，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象或多车等待现象，影响了道路的畅通，这种控制方法已经不能适应现在的交通现状。具有车流量监控的plc交通灯智能控制能够根据车流量的变化自动调节红绿灯的时长，最大限度减少十字路口的车辆滞留现象，有效的缓解了交通拥挤，实现的交通控制系统的最优控制，大大提高了交通控制系统的效率。随着我国人民生活水平的不断提高，城

6、市化的推进和私家车数量的增加，道路交通拥挤的现象日益突出，智能交通控制系统有广大的应用前景。 第一章 可编程控制器简介1.1 plc定义及构成plc可编程序控制器：plc英文全称programmable logic controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是: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。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

7、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。1.2 plc系统的其它设备1) 编程设备编程器是plc开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控plc及plc所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器plc一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2) 人机界面 最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。3) 输入输出设备用于

8、永久性地存储用户数据，如eprom、eeprom写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机1.3 plc的用途plc的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使plc的成本下降,同时又由于plc的功能大大增强,使plc 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业6-9。plc的应用通常可分为五种类型：1） 顺序控制这是plc应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。plc可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、

9、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。2） 运动控制 plc制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，plc把扫描目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（cnc）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。3） 闭环过程控制 plc能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。pid（proportional intergral derivative）模块的提供使plc具有闭环控制功能,即一个具有pid控制能力的plc可用于过

10、程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,pid控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。4） 数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的plc和计算机数值控制（cnc）设备紧密结合的趋向。著名的日本fanuc公司推出的systen10、11、12系列，已将cnc控制功能作为plc的一部分。为了实现plc和cnc设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由plc送至cnc设备使用。美国ge公司的cnc设备新机种也同样使用了具有数据处理的plc。预计今后几年cnc系统将变成以plc为主体的控制和管理系统。5） 通信和联网 为了适应国外近几年来兴起

11、的工厂自动化（fa）系统、柔性制造系统（fms）及集散控制系统（dcs）等发展的需要，必须发展plc之间，plc和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅plc数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。1.4. 可编程控制器的特点1) 硬件的可靠性plc是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的plc能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中5。由于plc本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。2) 编程简单，使用方便用微机实现自动控制，常使用汇编语言编

12、程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。plc采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前打多数plc均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。3) 接线简单，通用性好plc的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与plc输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与plc输出端子连接。接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。plc的编程逻辑提供了能随要求而改

13、变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使plc具有很高的经济效益。4) 可连接为控制网络系统plc可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为5002500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1m10mbps，传输距离为5001000m，网上结点可达1024个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。5) 易于安装，便于维护plc安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统

14、改换到plc系统的情况下，plc小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。1.5 plc的工作原理plc具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。plc则采用循环扫描工作方式。在plc中，用户程序按先后顺序存放，cpu从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期大致可分为i/o刷新和执行指令两个阶段。所谓i/o刷新即对plc的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入plc中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到

15、输出端。这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“i（输入）/o(输出) 刷新”。由此可见，若输入变量在i/o刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出对输入产生了响应。反之，若在本次i/o刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。由于plc采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几个因数：一是cpu执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没

16、有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。应对响应时间做出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。1.6 plc的编程语言1） 梯形图梯形图(ladder programming)是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图

17、基础上演变而来的，它与电气操作原理相呼应。它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知。plc的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。plc的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便、修改灵活。2） 功能图功能图编程（function chart programming）是一种较新的编程方法。它的作用使用功能图来表达一个顺序控制过程。3） 布尔逻辑编程布尔逻辑编程(boolean logic programming)包括“与”（and）、或(or)、非(not)以及定时器、计数器、触发器等。第二章

18、 车流量监控设计思想本课题主要用传感器和plc相结合，以车辆等待绿灯的滞留量来确定该方向是否繁忙。 如图1以南北方向为例，每当车辆进入十字路口须进过传感器s1或n1，这时传感器产生一个脉冲信号送至plc，通过计数器进行加1运算，如果此时还是绿灯，车辆继续前行通过十字路口处近端传感器s2或n2，同样传感器产生一个脉冲信号送至plc，通过计数器进行减1运算（同一方向的2个传感器相距150米）。plc对传感器s1或n1脉冲信号的计数就可以记录驶进路口的车辆数x，plc对传感器s2或n2脉冲信号的计数就可以记录驶出路口的车辆数，将两个相对方向x、y的数值合并成一组，南北方向车辆的滞留量z1=x-y。同

19、理可得，东西方向车辆的滞留量z2。 当-10z1-z210时，则为一般情况，交通灯按正常时序亮。当z1-z2>10时，则为南北方向繁忙，东西方向一般，南北方向直行绿灯时长增加10s。当z1-z2<-10时，则为东西方向繁忙，南北方向一般，东西方向直行绿灯增加10s。绿灯时长控制表如 表1所示。 第三章 车流量监控的plc实现3.1 传感器的工作原理与选择电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线，特别适合新铺道路，可以用混凝土直接埋设，老路则需挖开在埋。当有高频电流流过电感时，公路面上就会形成如下图中虚线所形成的高频磁场。当汽车驶进这一高频磁场区时，汽车就会产生

20、涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值，当汽车离开这一高频磁场区时，该感应线圈的电感逐渐恢复到初始状态。由于电感变化，该感应线圈中流过的高频电流的振幅和相位发生变化，所以在环的始端连接上检测振幅或相位变化的检测器，就可以得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化就可以知道汽车的存在与通过。电感式传感器的高频电流频率为60khz，尺寸为2×3m，电感约为100µh，这种传感器可以检测的电感变化率在0.3%以上。电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美貌考虑，它是理想的传感器

21、。传感器最好选用能防潮性能好的原材料。车辆检测原理及检测电路电压脉冲输出波形如图1 所示检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器，并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成：信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。原理图如图3所示。3.2 控制原理图3.3 控制方式及实现功能交通灯受启动按钮控制。当按下启动按钮时，交通灯系统开始工作。当按下停止按钮时，交通灯熄灭，停止工作。正常情况下，南北方向，绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s，然后红灯亮25s，绿灯再亮20s；南北方向，红灯亮25s，然后绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s，红灯再亮25s，按这种方式循环

22、工作。当某一方向繁忙时，以南北方向为例，当z1-z2>10,即南北方向车辆滞留量比东西方向多十辆以上时，南北方向绿灯时长增加10s，东西方向红灯时长增加10s，其余时间不变，再循环。3.4 i/o接线表序号输入设备端口1启动按钮sb1x0002停止按钮sb2x0015传感器s1所驱动开关x0046传感器s2所驱动开关x0057传感器n1所驱动开关x0068传感器n2所驱动开关x0079传感器e1所驱动开关x01010传感器e2所驱动开关x01111传感器w1所驱动开关x01212传感器w2所驱动开关x0133.5 硬件接线图 本设计采用三菱的fx2n-32mr机型，该控制器有16个输入点

23、和16个输出点，性能高体积小，程序存储器的容量可以扩至8k，采用循环扫描的方式，完全可以满足需要。该系统的电气接线图如图所示。3.6 智能控制程序流程图3.7 梯形图3.8 程序第四章 总结与体会本设计采用传感器、plc、交通灯相结合，能监控车流量并根据车流量的比较自动调节十字路口红绿灯时长，实现了对交通系统的智能控制，对缓解交通拥挤，提高道路通行能力有显著效果。当有急行车到来时，通过人工控制，使急行车快速顺利的通过，减少了交通事故的发生，保障了人身安全。交通灯系统是城市道路的基础设施，良好的交通状况是一个城市发展水平和人们生活水平的象征，因此交通灯的智能控制有很大的研究价值及应用前景。在这个一个多星期的plc课程设计，通过查阅相关资料，了解了传感器的工作原理，信号转换的过程，交通灯的智能控制原理。通过自己的努力和老师的指导完成了传感器的设置、程序流程图的设计、plc的选型、程序梯形图的编程，实现了交通灯的智能控制，符合了控制要求。这次课程设计使自己认识到自己学到的知识还不够全面，需要更加扎实的学习基础知识。同时，要把学到的知识运用到实践中去，做到理论与实践相结合。实践中会出现各种因素的