【基于PLC的交通信号灯控制系统设计7000字（论文）】

基于PLC的交通信号灯控制系统设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u19819第一章绪论 1149811.1课题背景 1119071.2课题的意义 1279901.3课题设计的主要内容 2149501.4本章小结 226833第二章可编程序控制器（PLC） 3179642.1PLC的概述 3143232.2PLC的基本结构 3148542.3本章小结 43786第三章交通灯控制系统设计 571593.1研究设计中需解决的问题 5155373.2控制系统要求 54363.2.1控制系统设计方案分析 5320703.3硬件设计 8108033.3.1PLC的选型 815813.3.2PLC的地址分配 8176423.3.3PLC接线图 9245493.4系统程序 10235033.4.1系统梯形图 10189933.4.2系统模拟仿真图 12160253.5本章小结 1312521第四章系统调试与运行 142134.1大体思路流程 1472114.2系统接线及运行 1480074.3本章小结 1627701第五章总结与展望 1791815.1总结 17116465.2展望 176909参考文献 18第一章绪论1.1课题背景从21世纪初至今，由于今年来我国社会经济和现代化工业生产力的迅猛发展，我国社会和人民生活的物质条件比上一个世纪有了质的飞跃,路面上的各种公共交通工具和私家车越来越多，导致一些大中型城市的交通拥堵严重，并且这些城市近几年来的交通事故频繁发生。我国人口规模和数量较多，如何协调好路、车、人之间的关系，解决交通拥堵问题，开始慢慢成为社会各界普遍关注的话题，这一影响人们日常生活的问题在很多大中型城市都有体现，尤其是北上广这样大城市都出现了交通运行超负荷的情况。由于受到城市地面发展空间的限制，以及私人汽车数量急剧增加等因素的影响，交通拥挤和十字路口堵车现象愈加严重。同时，在一些一二线大中型城市中，随着城市建筑数量的增多，交通路线也越来越复杂，而解决城市交通困难的有效途径，其中之一便是，对十字路口交通信号的管理和控制，如何采用合适的控制方法，设计一个集智能化和自动化为一体的交通灯控制系统对城市的发展起着关键性的作用。因此，智能化交通灯控制系统的设计迫在眉睫。1.2课题的意义城市交通管控最重要的组成成分就是对交通信号灯系统的控制,对维持城市交通的秩序、缓解交通拥挤和堵塞、保证机动车辆和路上行人的安全行驶起到了非常重要的作用。因此,结合目前我国大部分城市普遍存在的行人多,道路交通复杂等现状的,研究设计出真正的适合于我国自己的特点,适用于大部分城市的智能交通灯光控制系统,改善我国交通现状显得非常重要。从而十字路口的通行控制能力,缓解交通拥挤。在我国大部分地区十字路口的交通自动控制系统中,一般均是采用定时监测的方式,事先进行车流量和通行行人频率的调查,运用统计的方法,将东西南北方向红绿灯的延时预先定时设计。然而由于路口存在上下班的高峰时段,实际行驶中车流辆的多少和变化幅度非常大,往往都是我们无法预测的,很多路口在不同的时间段也有可能出现很大的差异,有时甚至还会出现一些红灯的方向滞留了很多人和车辆来等待通行,反观一些绿灯的方向几乎没有通行的车辆。然而,这种车流量和速度变化的一种偶然性也是我们无法准确地预测的,定时统计方法己经远远无法完全适应迅速前进的现代轨道交通运行状况,需要一种智能的交通信号灯,可以由汽车自身根据其车流量和速度变化的情况来实现自动地适应和控制。现如今,在我国大多数城市,交通信号灯的控制采用固定切换时间间隔的控制方式。但是因为复杂性,交叉口处车辆和行人在不同时段的通流量具有随机性和不确定性,固定的转换时间间隔往往会导致城市交通拥堵,造成出行不便和时间浪费,影响道路的通行。另外随着高科技信息技术在现代人们的各种日常生活工作中的普遍推广应用,城市中各种特殊地区的交通电磁干扰越来越严重,为了有效地维护保证整个大型城市的公共交通系统运行安全，控制管理系统的可靠、稳定和安全工作运行,使用一台plc、plcd等技术设备才能在恶劣地形和电磁干扰下正常工作运行。1.3课题设计的主要内容本系统设计采用PLC做系统控制器,完成了对城市十字路口各个道路交通信号灯的全方位自动控制与监测、救护应急控制等。根据具体的城市十字路口交通情况和需求,通过十字路口交通信号中心的主机,控制不同十字路口的PLC,从而控制每一个十字路口交通指示灯的改动。PLC有着网络通信能力强、价格便宜、使用灵活等优势,通过改变信号灯的颜色和交通灯闪烁时间的长短来完成对交通的指挥,以及对各路口车辆和行人状态进行实时的监控,以及对机动车辆是否违章,对违章车辆进行拍照记录车辆信息,并把记录的数据存储、上传、处理。本设计中主要是利用S7-200PLC编程的软件对系统进行了编写程序,采用梯形图与程序流程图相结合的方式来编写整个系统的程序,实现对城市交通的管理和监控,从而保障车辆与行人在城市道路各路口顺畅通行以及安全。PLC交通灯控制系统的特点：①通用性强，使用方便；②故障少、功能强、适应面广；③可以组建网络。④设计安装、维修方便；⑤编程简单，容易掌握；⑥可靠性高，抗干扰能力强；1.4本章小结本章主要介绍了本文研究的课题背景，对研究此课题的意义进行了系统概述，简述了课题设计的主要工作内容，以及介绍了PLC交通灯控制系统的主要特点，指出了论文设计的大致方向。第二章可编程序控制器（PLC）2.1PLC的概述可编程控制器(ProgrammableLogicController，PLC)，是一种以微处理器为设计基础和技术核心，综合了利用现代化计算机技术、通信技术、信号图像处理等新型信息技术，以及利用移动端和互联网等新兴信息技术,用于设计实现各种工业控制自动化编程控制的新型通用工业编程控制器,可以将工业控制的编程指令随时地自动载入保存到外部控制内存中，并同时进行编程保护和数据储存而使操作一并执行。PLC它是随着我国现代科学和信息技术的快速发展与不断进步,以及当代我国先进现代机械工业技术生产力而快速发展起来的，由一个中央处理控制单元(CPU)、编程器、输入控制电路、输出控制电路、系统控制程序、电源、数字模拟转换等功能单元组成。PLC自1969年正式问世以来,其主要技术应用发展虽然短暂,但由于其设计通用性强,使用容易方便、重量轻、功耗低;设计安装、维修方便;编程简单,容易掌握;可靠性高,抗干扰能力强等众多优点,可以在各种复杂恶劣的环境中使用,因而被广泛应用于工业生产。在我国，PLC技术已经有了40年的发展历史，现在工业上使用的PLC已经相当于一台小型电脑的主机，其强大的功能和卓越的优势，使其成为提高工业生产力和工业控制技术的重要装备和强有力的支撑,随着全球工业水平的不断发展，PLC在我国被很大规模的应用，形成具有自主知识产权和发展前景的可编程控制技术，并且努力走在世界技术前沿，我国的广大技术人员应该不断加油，努力为之奋斗REF_Ref1852\r\h[15]。2.2PLC的基本结构PLC是被广泛用于各种工业控制技术的专用计算机。其硬件结构与微机基本相同。主要由机架外壳、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信设备、电源和编程软件等设备组成。PLC的一些特殊功能模块用来完成一些特殊的任务。（1）CPU模块中央处理器）（CPU）是PLC控制中心。它主要由微处理器和数据库存储设备组成，这些设备按照PLC程序接收和储存用户程序并向开发人员提供的数据，履行其职能，并可以诊判断出用户程序中的一些语法错误。（2）信号模块输入和输出模块，称为I/0模块，可分为不同信号的开关输入/输出，模拟输出模块，这是外部设备与处理器模块之间的桥梁。（3）功能模块为了提高PLC的功能性，扩大应用范围，减少对处理器的压力，制造商开发了功能模块，这主要用于与高实时控制和储存容量有关的一些任务。（4）接口模块在进行多个系统的控制时，控制过程较单个系统复杂程度大了很多,，一个机架不能容纳全部模块，需要追加一个或一个以上的扩展器。（5）通信设备通信设备可以实现两个不同PLC之间、PLC与计算机之间、PLC与其他智能设备之间的通信。（6）电源模块电源模块在整个系统中，对维持正常工作起着至关重要的作用。没有良好可靠的电源，它就不能正常工作。。（7）编程设备编程设备最常用的是计算机，它可以在计算机屏幕上生成和修改各种文本程序或图形程序。。图2-1PLC的结构图2.3本章小结本章介绍的是PLC的简述、工作原理、PLC的应用、PLC的基本结构等。PLC是本设计的重要内容，只有更好地了解了PLC的工作原理、基本组成才能把本设计完成的更好。第三章交通灯控制系统设计3.1研究设计中需解决的问题1.讲述交通灯控制系统的设计思路、制定合理的设计方案。2.选择PLC的型号，画出交通灯状态分析表、地址分配表、程序流程图。3.进行PLC梯形图控制程序的编写、完成PLC端子的接线工作。4.进行程序的模拟仿真，完成调试工作。3.2控制系统要求系统的基本设计思路分析如下：设定一个启动输入信号，由按钮SB1控制，红绿灯由控制系统的启停开关控制，当启停开关打开时，交通信号灯控制系统工作，交通灯控制系统的控制要求如下：首先，南北方向亮红灯，东西方向亮绿灯，当启动开关关闭后，红绿灯的所有交通灯都关闭。东西方向的绿灯和南北方向的绿灯不能同时亮起，如果它们同时亮起，必须关闭交通灯控制系统，报警系统会启动报警。南面和北面的红灯亮起30秒后，东面和西面的绿灯会亮起并保持25秒，25秒后东面和西面的绿灯会闪烁3秒后关闭。当东面和西面的绿灯关闭后，黄灯亮起2秒后关闭，东面和西面的红灯会开始发亮。同时，南方和北方的红灯熄灭，南方和北方的绿灯亮起REF_Ref17437\r\h[2]。东、西红灯亮30秒，南、北绿灯同时亮起并保持25秒，25秒后南、北绿灯闪烁3秒后熄灭。当南北绿灯熄灭时，南北黄灯同时亮起，2秒后熄灭，而南北红灯和东西绿灯亮起[REF_Ref17437\r\h[2]。5.如此循环往复。3.2.1控制系统设计方案分析首先，刚开始时南、北两方向交通车道处于禁止行驶的状态，交通信号灯显示红灯；东、西两个方向道路均处于允许通行的状态，交通信号灯显示绿灯。南北方向交通红灯时，南北方向红灯30S，设置定时器自行配置延时30秒，然后自动切换到下一个运行模式南北方向绿灯，同时东西方向交通也一起绿灯亮25S，设置延时25秒，然后切换到下一个运行模式东西方向绿灯闪烁。东西向绿灯开始闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）运行使东西向绿灯闪烁，定时器设定延时3秒，接着东西向黄灯亮起；东西向黄灯2S，定时器设定延时2秒，然后自动切换到下一个运行模式东西向红灯亮起[3]。紧接着，东西向道路禁止通行，交通灯为红色，而南北向道路允许通行，交通灯为绿色。在东西向红灯的过程中，东西向红灯30S，用计时器设置一个30秒的延时，然后切换到下一个东西向绿灯的状态；同时，南北向绿灯25S，用计时器设置一个25秒的延时，然后切换到下一个南北向绿灯闪烁的状态。南北绿灯开始闪烁3S，使用振荡器或脉冲源（秒/次）闪烁南北绿灯，定时器设置为延迟3秒，然后切换到下一个模式南北黄灯；南北黄灯2S，定时器设置为延迟2秒，然后切换到下一模式。如上述循环往复执行程序。当开停按钮SB1断开连接后，停止将输入的信号送到可编程控制器，系统就会自动断电，所有信号灯都自动熄灭熄灭；在本设计中要满足一个信号输入（作系统接通、断开作用），七个信号输出。表3-1十字路口交通灯状态分析表南北方向交通灯状态红灯亮30S绿灯亮25S绿灯闪3S黄灯亮2S东西方向交通灯状态绿灯亮25S绿灯闪3S黄灯亮2S红灯亮30S交通灯状态分析：图3-1交通灯状态分析图如下图3-1所示，将12个交通灯逐一编号这12个交通灯共有六个状态：状态1：南北两侧红灯（1、7）亮，东西两侧绿灯（6、12）亮。状态2：南北两侧红灯（1、7）继续亮，东西两侧绿灯（6、12）闪。状态3：南北两侧红灯（1、7）继续亮，东西两侧黄灯（5、11）亮。状态4：东西两侧红灯（4、10）亮，南北两侧绿灯（3、9）亮。状态5：东西两侧红灯（4、10）继续亮，南北两侧绿灯（3、9）闪。状态6：东西两侧红灯（1、7）继续亮，南北两侧黄灯（2、8）亮。图3-2程序流程图3.3硬件设计3.3.1PLC的选型本设计中，共有开关量输入1个，开关量输出7个，选用主机为CPU224的PLC。图3-3CPU224外形图3.3.2PLC的地址分配列出交通信号灯的PLC输入、输出信号分配表，见表3-2.表3-23.3.3PLC接线图如图3-4所示图3-4PLC控制接线图端口I0.0为系统输入信号的传送端口，端口Q0.0为系统起报警作用的信号灯，端口Q0.1为南北绿灯，端口Q0.2为南北黄灯，端口Q0.3为南北红灯，端口Q0.4为东西绿灯，端口Q0.5为东西黄灯，端口Q0.6为东西红灯REF_Ref17437\r\h[2]。3.4系统程序3.4.1系统梯形图3.4.2系统模拟仿真图如图3-5，端口Q0.3为南北红灯，端口Q0.4为东西绿灯，当按下开停按钮SB1，系统得电I0.0接通，南北方向红灯亮维持30S,东西绿灯亮25S，25S后绿灯闪烁3S，然后黄灯亮2S后转入下一状态。图3-5系统模拟图（1）如图3-6，Q0.1为南北绿灯，Q0.6为东西红灯，东西方向红灯亮维持30S，南北方向绿灯亮25S，25S后绿灯闪烁3S,然后黄灯亮2S后转入下一状态图3-6系统模拟图（2）3.5本章小结本章的主要工作是进行交通灯控制系统的设计，提出研究设计中需要解决的主要问题，制定控制系统的设计方案，写出程序流程图，选择主机为CPU224的PLC作为本设计的主要硬件，编写PLC程序并进行模拟仿真，初步检测编写的程序有无错误并及时修改。第四章系统调试与运行4.1大体思路流程1、硬件调试：硬件调试使用软件系统和基本测试设备（万用表、示波器等）来检查用户系统硬件是否有错误。硬件调试可以分为两个阶段：静态调试和动态调试[4]。①静态调试静态调试是一种在用户系统未运行时检测硬件的方法。第一步：视觉检查。检查各种外部元件和电路中是否有断线。第二步：打开电源，进行测量。打开电路板的电源，检查所有插座或部件的电源是否符合要求。第三步：电源检查。只有当应用程序构建软件以在线应用模式运行时，才能对用户系统进行修改。②动态调试动态调试是指硬件检查，正常操作时，当一个用户系统处于工作状态，发现并及时排除可能存在于设备内部故障、用户系统硬件中的故障、设备连接逻辑错误REF_Ref26989\r\h[5]。软件调试：软件调试是一个过程，通常需要系统加载程序，合并程序和设备数据，执行程序，并发现程序中的语法和逻辑错误，然后进行调试以改变它们。修改程序以检查逻辑错误。如果发生错误，返回到编程环境，检查梯形图是否有错误，修改程序，然后再调试REF_Ref27590\r\h[6]。4.2系统接线及运行使用实验室的PLC试验台，通过现有的电源模块、PLC主机模块以及十字路口交通灯控制模块，使用USB口通信电缆连接电脑和PLC主机模块，用导线连接主机模块和十字路口交通灯控制模块，实现系统运行，检查系统程序有无运行错误，观察交通灯自动控制模块面板上的指示灯是否满足系统控制要求，用计算机监控系统运行，并在线修改完善系统的程序。1、程序设计根据控制要求，明确输入与输出信号的个数。2、硬件接线根据I/O地址分配表，连接实验各个模块，完成PLC与计算机的连接和通信工作。3、载入系统程序将编写好的程序载入计算机，将PLC设置到RUN模式运行程序启动开关按钮，观察程序运行状态，若发现错误及时修改重新运行。模块接线图如图4-1所示图4-1模块接线图系统运行图如图4-2图4-2系统运行图4.3本章小结本章是对控制系统实现运行与调试的过程，系统调试分为硬件调试和软件调试，使用交通灯自动控制模块观察控制状态，通过计算机完成系统的检测以及程序的在线修改，确保系统正常工作。第五章总结与展望5.1总结在交通信号灯控制系统的研究中，我认真调查了很多文献和资料，知道了在社会发展过程中，交通信号灯对交通起着重要的作用。怎样才能提高交通效率、如何将自动化应用于交通控制、如何使交通控制更加智能化都是需要我考虑在内的。在本设计中，作为电气工程及自动化专业的学生，我重点研究的是交通灯的控制自动化，利用PLC控制信号灯，使交通顺畅。在设计S7-200PLC交通灯控制系统时，以西门子PLC为控制器，建立一个交通灯控制系统的模型，根据模型设计电子控制电路，将电子控制电路作为硬件部分。根据电气控制电路设计的输入输出，来定义端口地址。最后，完成了最主要梯形图的编程工作，通过PC将程序导入PLC控制器。完成以上工作后，需要调试和运行，在调试和运行中发现问题并解决。通过研究城市的交通流量，及调整交通灯的时间来改进控制系统，使控制系统更加完善。当然，这个设计仍然存在缺陷，由于过于重视信号的控制，交通道路整体的通行量和通行人数的统计缺少了这个部分。5.2展望与传统的交通灯控制和智能交通灯控制相比，智能交通灯控制具有减少车辆停靠和占用道路，从而提高道路通行率的优点，特别适合大流量交叉口交通流量和无天桥。使用用PLC控制交叉口的红绿灯，控制效果比用该方法在时间上更为明显。以PLC为系统控制器的主要核心，系统编程简单容易，可以运用互联网进行网络监测和控制，具有很好的应用价值，适应当下我国交通管制和管理的现状。随着社会与科技的进步，需要更加智能的交通控制系统来满足社会的需求。总的来