具有车流量监控的PLC智能交通灯控制

燕山大学课程设计说明书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：电气工程学院年级专业：11级应用电子3班学号：110103030150学生姓名：王瑞指导教师：郭忠南目录HYPERLINK摘要……………1HYPERLINK关键词…………1HYPERLINK第一章引言………………3HYPERLINK1.1城市交通的现状与思考……………3HYPERLINK1.2本课设项目研究的目的和发展潜力…4HYPERLINK1.3本课设研究的主要思路和内容………4HYPERLINK第二章车流量监控的交通智能控制方式……9HYPERLINK2.1PLC结构功能简介…………………11HYPERLINK2.2传感器的选择和工作原理…………11HYPERLINK2.3智能交通灯的控制方式……………11HYPERLINK2.4应急情况交通控制方式……………13HYPERLINK2.5凌晨交通控制方式………………14HYPERLINK2.6智能控制流程图……16HYPERLINK第三章PLC的硬件设计………16HYPERLINK3.1I/O口分配…………11HYPERLINK3.2PLC的选择…………11HYPERLINK第四章PLC的编程设计………14HYPERLINK第五章心得体会……………16HYPERLINK参考文献……………………16HYPERLINK致谢…………16摘要本次课程设计题目是具有车流量监控的交通灯PLC智能交通等控制，课程设计报告主要包括了引言，车流量监控的PLC交通智能控制方式，PLC硬件部分，PLC编程设计等四部分组成，具体阐述了关于现今的交通状况，并根据此分析设计出具有具有流量监控的智能交通等系统，除此之外还介绍了具体智能流程设计，增加了紧急情况反应，凌晨交通控制方式，以及他们的流程示意图。所用的主要元：件传感器的类型、功能、特点以及实现的原理；PLC的功能和发展，型号选择，接线图；PLC梯形图包含在设计中，展示出具体的功能流程设计。最后的总结表达了对此次实验的心得与体会。关键词：智能控制方式、应急情况响应、凌晨交通控制方式、PLC、传感器。第1章概述当今交通的现状和思考随着人类文明的进步和社会经济的快速发展，城市机动车辆愈来愈多，从而引发的严重交通问题越来越多，而且某些情况下的交通状况让居民非常不愉快，使人民生活非常不便利，更重要的，是交通是否便捷是衡量一个城市基础建设的重要标准。目前，我国城市十字路口的交通灯控制系统基本上是采用定时控制方式，这样会产一些不足，其中一种情况就是某条道路的车流量很大却要等红灯，而另一条道车流量相对少的多却依然亮着绿灯，造成某些地方车辆拥堵，而某些地方却车辆过少，致使其他交通路口车辆不顺畅，这种状况是没有对道路进行实时监控造成的，很显然这样的交通非常不便利，而且这样的交通控制效率低，不符合当前的可持续发展战略，不够人性化。除此之外还有一种情况就是晚间23点至凌晨3点左右车流量在一些非常少，尤其在一些偏僻路段和一些小的县城，车流量非常少，如果已经沿用白天的交通灯循环装置就显得浪费时间。1.2本课设项目研究的目的和发展潜力在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为人的安全提供了强有力的保障。但是，随着经济、社会的快速发展，传统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，使其适应现在的更复杂灵活的交通状况，成为本次实验研究的课题。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，譬如在正常人们工作时间时候车流量显然是正常水平，而下班高峰的时候车流量非常大，容易造成人们生产生活中的不便利。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。而且添加的强通功能可以方便某些突发情况下的应急状况，时某些方向上红绿随时改变，这样就更加完善了交通系统。随着我国人民生活水平的不断提高，城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非常广阔的应用前景，这也为生产生活的便利性提供了更多可能。1.3本课设研究的主要思路和内容由于城市的高速发展，交通拥堵也随之增加，为了实现交通的道路的管理，力求交通管理的科学化、智能化。通过传感器检测车流量，用PLC可编程控制器实现交通灯的控制系统。该系统实现简单、经济，能够有效的疏通交通，提高了交通路口的通行能力。然而在实际验证的过程中，由于实验设备有限，无法做到利用传感器，但是在实际生产生活中，运用感应器是必要的和非常方面的的，由于在实验过程中无法运用感应器，又为了整个实验的完整性，所以增加了开关来模拟实际的东西车流较多或者南北车流较多的情况，可以达到同样的效果，而且便于对实验的现象有更好的理解。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X1，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Y1，将两个相对方向X1、Y1的数值合并成一组，南北方向车辆的滞留量N1=X1-Y1。同理可得，东西方向车辆的滞留量N2。当-15≤N1-N2≤15时，则为一般情况，交通灯按正常时序亮。当N1-N2>15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，左转绿灯时长增加10s。当N1-N2<-15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，左转绿灯增加10s。绿灯时长控制表如表1所示。表1交通灯控制时间表以上车辆的计数和车流量的比较及绿灯时长控制都由PLC完成。各传感器检测车辆，在一个红绿灯周期中，每当东西绿灯或南北绿灯亮之前，PLC都要依据脉冲的计数并进行比较判定来调整东西或南北绿灯时长。车流量监控的PLC交通灯智能控制原理如图2所示。图2智能交通灯控制原理各个的控制过程就是在当感应器接收到路口车辆数目的时候，时时向控制PLC系统反馈道路信息，按照已经设计好的原则进行合理的调整，并且基于已有的应急预案，随时响应强通指令和凌晨交通调节指令，改善交通，如此往复循环不断向控制系统反馈道路车辆信息，达到最终改善交通的目的。第2章车流量监控的PLC交通智能控制方式2.1PLC结构功能简介可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，由存储器（RAM、ROM)，输入输出单元（I/O接口)，电源以及外围编程设备等几大部分组成。控制器将计算机技术、自动控制技术、通讯技术融为一体的一种专门为适应恶劣的工业环境下而设计的工业控制装置，涉及到很多自动控制、电器方面的知识。经过多年的发展和改进，在工业生产中获得极其广泛的应用。目前，可编程控制器成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。可编程控制器（PLC）是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用一类可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、计时、计数与算术运算等操作指令，并能通过数字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及其有关外部设备都应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。PLC是综合了继电器接触器控制的优化以及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展起来的，这就使得PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。它具有可靠性，抗扰能力强；通用性强，可靠方便；采用模块化结构使系统组合更灵活方便；编程语言简单、易学、便于掌握。PLC通过编程器编制控制程序，即将PLC内部的各种逻辑部件按照控制工艺进行组合以达到一定的逻辑功能。PLC将输入信息采入到PLC内部，之后执行逻辑部件组合后所达到的逻辑功能，最后输出控制要求。这就是PLC的基本控制原理。2.2传感器的选择和工作原理本次设计采用的是电感传感器，其利用电磁感应原理把测量的物理量如位移，压力，电流和振动等转换成为线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转化为电压或电流的变化，实现非电量到电量转化。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。这种传感器的线圈匝数和和盗磁材料都是一定的，其电感量的变化是由于位置输入量的变化导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当线圈接入测量电路并接通励磁电流时就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。在设计中，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。具有以下几个显著优点：1、无活动触点、可靠性高、寿命长；2、分辨率高；3、灵敏度高；4、线性度高、重复性好；5测量范围宽。最后要求，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3所示图3车辆检测原理及检测电路电压脉冲波形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，输出脉冲波形见图2。2.3智能交通灯的控制方式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，东西方向，直行道绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s，然后红灯亮75s，左转道红灯亮25s，然后绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s，红灯再亮50s；南北方向，直行道红灯亮50s，然后绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s，红灯在亮25s，左转道红灯亮75s，然后绿灯亮20s，闪烁3s，黄灯亮2s。按这种方式循环工作。当某一方向繁忙时，以东西方向为例，即N1-N2<-15,东西方向绿灯时长增加10s，南北方向红灯时长增加10s，其余时间不变，再循环。东西方向绿灯和南北方向绿灯不能同时亮，否则报警器灯会亮报警实际情况下可以接报警器或者蜂鸣器，并关闭系统，在一定时间后系统恢复正常。2.4应急情况交通控制方式紧急情况出现，通信号受强通开关控制。无紧急情况时，交通灯按正常时序工作。当有紧急情况时，按下强通开关，不管原来交通灯状态如何，一律强制让急行车方向绿灯亮，另一方向红灯亮，直到急行车通过。急行车通过后，打开强通开关，按下启动按钮，交通灯继续正常工作。强通信号只能响应一个方向的紧急事件，若两个方向先后来急行车，则响应先来的一方，随后再响应后来的一方。若两个方向同时出现紧急情况需要快速通过，则安先东西方向，再南北方向的顺序响应。紧急情况控制流程图如图4所示。图4紧急情况控制流车图2.5凌晨交通灯控制方式由于在实际生活中存在一种情况，就是当凌晨到来的时候23点到次日3点的时候，车流量明显减少，所以如果依旧执行白天的交通灯控制系统就有可能耽误车辆通行，有可能在凌晨的时候只会有几辆车在同一时段出现在一个偏僻的路口或者城镇的路口，这样很不够人性化，耽误一些时间，所以我们可以用一个人为控制的开关，通过人为的调控使在那个时段所有路口的交通灯改为全部黄灯闪烁，以1Hz频率闪烁，直到人为将开关打开结束交通的凌晨控制。这个功能之所以能用开关，一是为了方便，再就是人为控制可以再具体情况中更加人性化的疏导交通，实现随时控制，该功能也可用在其他有特殊需要的场合。在夜间黄灯的闪烁也可以使司机提高注意力，在路口同样避免交通事故，除此之外还可以做到节能减排符合现代社会科学发展观。2.6智能控制流程图该系统的智能控制流程图如图5所示。图5智能控制流程图2.7语句表第3章PLC的硬件设计3.1I/O分配表系统输入信号：8个手动按钮，分别用作启动、停止、模拟南北强通、东西强通、南北向车流量多、东西向车流量多、凌晨交通控制、还有正常情况或者两向车流量相差不多，再增加3个输入点作为备用，共需要11个输入点。系统输出信号：东西和南北需要12个输出点，报警灯需要1个输出点，再增加3个输出点作为备用，共需要16个输出点。输入分配表序号输入设备端口1启动按钮SB1X0002停止按钮SB2X0013东西强通开关SB3X0024南北强通开关SB4X0035车流量正常时X0046南北车流量比东西多X0057东西车流量比南北少X0068凌晨车流控制X007输出分配表序号输出设备端口1南北直行红灯Y0002南北直行绿灯Y0013南北直行黄灯Y0024南北左转红灯Y0035南北左转绿灯Y0046南北左转黄灯Y0057东西直行红灯Y0068东西直行绿灯Y0079东西直行黄灯Y01010东西左转红灯Y01111东西左转绿灯Y01212东西左转黄灯Y01313报警灯Y0143.2PLC的选型本设计采用三菱的FX2N-48MR机型，该控制器有24个输入点和24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6所示。图6电气接线图第4章PLC编程设计4.1PLC梯形图第5章心得体会本设计采用传感器、PLC、交通灯相结合，成功实现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的要求，完成了对交通系统的智能控制，对缓解交通拥挤，人性化改善交通，改善道路通行能力有显著效果。当有应急情况发生时，通过强通控制，使急行车快速顺利的通过，减少了交通事故