PLC智能交通灯控制系统设计

PLC智能交通灯控制系统设计第1章绪论1.1课题来源及研究的目的和意义

随着我国经济的不断发展，人民群众生活条件越来越好，私人轿车越来越多，城区道路交通压力与日俱增，许多路段已经超出道路设计负荷，经常发生堵车、交通事故等现象；虽然政府有关部门积极采取相应措施进行缓解，但效果不太明显；特别在节假日、上、下班高峰时间，堵车现象更为严重，而交通路段中十字路口处的车辆畅通与否尤显重要。虽然，我国近来在许多大城市如北京、上海、东等地纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。这些都给市民的正常出行造成了困扰。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。智能交通灯是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具，指导车辆和行人安全有序地通行。１.２国内外技术现状及发展趋势随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通系统的控制越来越受到普遍的重视。近年来，英国、美国等西方国家均在某些城市建立智能交通控制系统。在这些系统中，大部分都在路口附近装有车辆检测器，并由各路口的控制设备或工作人员将交通控制参数通过电话线、电缆、光纤或是无线网络等方式输入到微处理器，用小型计算机控制。尤其是伴随着信息技术的发展，交通控制的概念已从交通管理者的行为改变为交通管理者和道路使用者共同的行为，从而使得交通的最优化向全局最优发展。在这些发展中，除了新设备的应用外，数据的采集、传输、处理、存储与发送等技术的发展也起了关键的作用。新型的监测器，包括用摄像机采集图像信息和进行图像处理技术，为人们提供了大量的时变数据；新的通信技术，包括光纤通信、无线通信等技术，能使人们更快的传送数据。而计算机技术的发展，使交通控制系统的发展又向前进了一大步。这些控制技术与现代控制理论、现代的管理方法相结合，使交通控制系统日趋完善。与国外相比，我国目前的交通控制很落后，目前中国城市的问题呈现如下些问题：管理不力，秩序混乱；没有科学、合理、有效的城市交通监控系统。由此带来的后果表现为道路的通行能力明显低于设计要求且波动性大、出行难，交通事故发生率高，交通环境恶化，出行者易疲劳等问题。１.３主要研究内容、研究方法及思路利用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。本课题主要应用传感器与plc相结合，以车辆等待绿灯的滞留数来确定该方向是否繁忙，从而解决交通堵塞问题。在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先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，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，需要一种新型的控制方法才能较好地解决这个问题。智能交通系统（ITS——IntelligentTransportSystems）ITS是一个跨学科、信息化、系统化的综合研究体系，其主要内容是：将先进的人工智能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通讯技术及电子传感技术等有效的集成，并应用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。交通控制系统是ITS研究的一个重要方面。由于交通系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性，是一个典型的分布式非线性系统，而且具有多种信息来源、多传感器的特点，用传统的理论与方法很难对其进行有效的控制。把先进的智能控制技术、信息融合技术、智能信息处理技术与交通管理技术结合起来，代表着城市交通信号控制系统发展的方向。智能交通的发展是现代社会经济发展的客观要求，交通运输是国民经济和现代社会发展的基础。由于现代社会城市化速度越来越快、国民经济的高速增长、全球经济的一体化进程加快、个人旅行与休闲时间的不断增加以及人们对交通需求越来越高，智能交通便成为现代社会经济发展的客观要求。１.４主要研究内容由于城市的高速发展，交通障碍也随之增加，为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。本课题主要应用传感器与plc相结合，以车辆等待绿灯的滞留数来确定该该方向是否繁忙。如下图1以南北向为例，每当车辆进入十字路口必先经过检测器1和3，检测器就会发生2个脉冲给PLC，PLC对检测器1和3的计数就可得到车辆进入候车入口的总数和Y。车辆继续往前就会经过检测器2和4，同样检测器2和4也会发出2个脉冲给PLC，PLC对检测器2和4脉冲的计数就会得到车辆驶出候车入口的总数和X，那么Y(进入总量)-X（驶出总量）=Z1(南北向车辆滞留数),同样，东西方向，PLC通过对检测器脉冲的计数就可得到滞留量Z2。图1十字路口传感检测器布置设Z1-Z2>20，则南北方向繁忙，东西一般，南北直行绿灯时长加5s,南北左转绿灯时长加5s，东西红灯时长加10s。Z1-Z2<-20，则东西方向繁忙，南北一般，东西直行绿灯时长加5s，东西左转绿灯时长加5s，南北红灯时长加10s。-20<=Z1-Z2<=20，则设为一般情况，控制灯正常闪亮。绿灯时长东西 南北繁忙一般繁忙正常东西直行绿灯加5s,东西左转绿灯加5s一般南北直行绿灯加5s,南北左转绿灯加5s正常表1绿灯时长控制以上车辆的计数和车流量的比较及绿灯时间长度控制全部由PLC完成。各检测器时刻检测车辆，在一个红绿灯周期中，每当东西或南北绿灯亮之前，PLC都要依据脉冲的计数判定东西、南北的车流规模，然后根据以上简述的智能控制原则，调整绿灯时长。第2章智能交通灯的理论和方法2.1传感器的选择选择车辆检测器的类型主要可分为压力检测器、磁感应式检测器、声音检测器、光电检测器、超声波检测器、雷达检测器、环形线圈检测器等。本着实用性、经济性等原则，本设计选用具有高准确率、低成本、高可靠性的光电传感器。光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。感应控制是本系统的重点也是不同于一般交通信号控制之处，其主要思想为：光电传感器检测十字路口各方向的车流，每当有车辆经过，检测器就会发出一个脉冲并传输给PLC（如图3），PLC通过对脉冲的计数就可得到各方向的车流量，然后PLC通过一定的智能控制原则根据各方向车流量的大小自然的改变相应的绿灯灯亮时间从而尽可能减少车辆等候时间图3检测器工作原理和波形2.2智能交通信号灯正常控制方式信号灯受启动开关控制。当启动开关接同时，信号灯系统开始工作，启动开关断开时所有信号灯熄灭。一般情况下，先南北红灯亮50S，南北绿灯亮20S，闪烁3S，黄灯亮2S，此时南北左转红灯亮了75S，然后南北直通红灯亮25S,同时南北左转绿灯亮20S，闪烁3S，黄灯亮2S。东西方向则是先直通绿灯亮20S，闪烁3S，黄灯亮2，然后红灯亮25S，此时东西左转灯红灯先亮25S，然后左转绿灯亮20S，闪烁3S，黄灯亮2S,然后东西直通红灯和左转红灯都亮50S。当某方向繁忙时（假设南北繁忙）。检测开关SB3自动闭合，南北绿灯时长加5s，东西红灯时长增加5s,其余时间不变，再循环。南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮则报警并关闭系统。2.3急车强通控制方式急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，信号灯按正常时序控制。有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号灯的状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。急车一过，将急车强通开关断开，控制灯恢复正常，急车强通信号只能响应一路方向的急车，若两个方向先后来急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。若2个方向同时来急车，则按东西，南北顺序依次响应。2.4程序流程图为了方便分析，以下是该系统的正常控制程序流程图-20<=Z1-Z2<=20-20<=Z1-Z2<=20否是东西道南北道直行道左转道直行道左转道绿灯亮20s闪3s黄灯亮2s红灯75s红灯25s绿灯亮20ss闪3s黄灯2s红灯50s红灯50sss绿灯20s闪烁3s黄灯2s红灯25s红灯75s绿灯20s闪烁3s黄灯2s开始图6基本控制流程图Z1-Z2>20检测开关SB3自动闭合南北直通绿灯增加5s东西左转绿灯加5s是否检测开关SB4自动闭合东西直通绿灯增加5s东西左转绿灯加5s第3章PLC硬件设计3.1I/O分配表序号输入设备端号输出设备端号1启动按钮SB1X0南北红灯Y02停止按钮SB2X1南北绿灯Y13自动开关SB3X2南北黄灯Y24自动开关SB4X3南北左转红Y35东西强通开关SB5X4南北左转绿Y46南北强通开关SB6X5南北左转黄Y57东西红灯Y68东西绿灯Y79东西黄灯Y1010东西左转红Y1111东西左转绿Y1212东西左转黄Y1313报警灯Y143.2I/O分配点数估算系统输入信号：手动选择按钮4个，需要4个输入端自动选择按钮2个，需要2个输入端以上共需要6个输入信号点，考虑到以后可能会对系统进行补充调整，所以再增加2个备用点，这样就共需要8个输入点。系统输出信号：南北和东西需要12个输出信号，再加1个报警器，因此共需要13个输出信号，考虑到以后可能补充调整再加2个信号点，所以一共要15个输出点。3.3PIC的选型本设计可采用三菱的FX2-32MR机型，该控制器有16个输入点和16个输出点，性能高体积