交通燈信號控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 XX理工教育學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 學(xué)生姓名 年 級 專 業(yè) 工業(yè)自動化 指導(dǎo)教師 評定成績 摘 要 交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。為了實(shí)現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進(jìn)性、科學(xué)化。用可編程控制器實(shí)現(xiàn)交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、經(jīng)濟(jì)，能夠有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合交通的實(shí)際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡單實(shí)用的城市交通燈控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)方案。根據(jù)前后相流量來決定信號燈配時的模糊控制系統(tǒng)的理論研究成果，用

2、PLC實(shí)現(xiàn)單個十字路口交通信號燈模糊控制的方法，以單個十字路口4相位交通燈為例，把PLC作為一個模糊控制器，采用梯形圖編程。通過實(shí)驗(yàn)保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能根據(jù)不同的交通流量進(jìn)行模糊控制決策，優(yōu)化信號燈的配時，從而可以有效的解決交通流量不均衡、不穩(wěn)定帶來的問題。 第 14 頁目 錄摘要-1.交通燈現(xiàn)狀和PLC研究的目的-11.1 交通燈的現(xiàn)狀-11.2 PLC研究的目的-12交通燈控制需求分析-22.1 控制需求-22.2 控制需求分析-43.程序設(shè)計(jì)-53.1 指示燈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖-53.2 相關(guān)控制梯形圖-64.系統(tǒng)安裝與調(diào)試-94.1輸入程序-9 4.2 系統(tǒng)安裝-104.3系統(tǒng)調(diào)試-11

3、體 會-12參考文獻(xiàn)-131交通燈現(xiàn)狀和PLC研究的目的1.1交通燈的現(xiàn)狀隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動車量的不斷增加，許多大城市如北、上、廣等地出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。高速道路在一段時間里曾有效地改善了交通狀況，然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝

4、道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國城市里的十字路口交通系統(tǒng)大都采用定時來控制(繁忙路段或高峰時段用交警來取代交通燈)，這樣必然產(chǎn)生如下弊端:當(dāng)某條路段的車流量很大時卻要等待紅燈，而此時另一條是空道或車流量相對少得多的道卻長時間亮的是綠燈，這種多等少的尷尬現(xiàn)象是未對實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控所造成的，不僅讓司機(jī)乘客怨聲載道，而且對人力和物力資源也是一種浪費(fèi)。 1.2 PLC研究的目的可編程控制

5、器（Programmable Controller）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。利用可編程控制器的工作原理，用如下方案來控制交通路況:制作傳感器探測車輛數(shù)量來控制交通燈的時長。具體如下:在入路口的各個方向附近的地下按要

6、求埋設(shè)感應(yīng)線圈，當(dāng)汽車經(jīng)過時就會產(chǎn)生渦流損耗，環(huán)狀絕緣電線的電感開始減少，即可檢測出汽車的通過，并將這一信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號作為可編程控制器的控制輸入，并用PLC計(jì)數(shù)，按一定控制規(guī)律自動調(diào)節(jié)紅綠燈的時長。PLC 的智能控制原則是控制系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)如何依據(jù)車輛脈沖的計(jì)數(shù)結(jié)果自動輸出以調(diào)節(jié)紅綠燈的時間長度的控制邏輯。且為了提高PLC 的控制輸出速度，需要盡量簡化邏輯運(yùn)算。 單片機(jī)控制的交通燈可靠性不夠高，控制功能還不夠完善。PLC是專為工業(yè)自動化控制設(shè)計(jì)的，在面向?qū)ο罂刂七@一塊，其控制功能的強(qiáng)大是無法比擬的，通過多種多樣的擴(kuò)展模塊，可以做到外部接線簡化、內(nèi)部工作的高可靠。另外PLC易學(xué)易懂，

7、雖然價(jià)格比單個CPU貴，但性價(jià)比高。也可以說PLC是一個技術(shù)成熟、工作可靠的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，不久的將來，PLC控制系統(tǒng)將會在交通燈方面發(fā)揮巨大的作用。2.交通燈控制分析2.1控制要求（系統(tǒng)示意圖，控制需求表） 表2-1信號燈控制需求表東西方向信號綠燈亮綠燈閃爍黃燈亮紅燈亮?xí)r間25秒3秒（三次）2秒30秒南北方向信號紅燈亮綠燈亮綠燈閃爍黃燈亮?xí)r間30秒25秒3秒（三次）2秒（1）、我們假設(shè)依據(jù)車流量得出的信號控制輸入如上表（2-1）所示來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)。 在PLC交通燈模擬模塊中，主干道東西南北每面都有3個控制燈，分別為： 禁止通行燈 （亮?xí)r為紅色） 準(zhǔn)備禁止通行

8、燈 （亮?xí)r為黃色） 直通燈 （亮?xí)r為綠色）另外行人道東西南北每面都有2個控制燈,分別為： 禁止通行燈 （亮?xí)r為紅色） 直通燈 （亮?xí)r為綠色（2）、系統(tǒng)工作受開關(guān)控制，起動開關(guān)ON時則系統(tǒng)開始工作；起動開關(guān)OFF時則系統(tǒng)停止工作。 （3）、控制對象有六個：東西方向紅燈兩個，南北方向紅燈兩個；東西方向黃燈兩個，南北方向黃燈兩個；東西方向綠燈兩個，南北方向綠燈兩個。下圖是十字路口交通信號燈示意圖。信號燈的動作受開關(guān)總體控制，按一下起動按鈕，信號燈系統(tǒng)開始工作，并周而復(fù)始地循環(huán)動作；按一下停止按鈕，所有信號燈都熄滅。信號燈控制的具體要求如上表（2-1）所示，交通燈的示意圖見下圖：圖2-1 交通燈示意圖

9、2.2控制需求分析按照交通燈系統(tǒng)控制要求下，結(jié)合西門子S7-200系列可編程控制器的特性，選擇適合的型號。設(shè)計(jì)思想分析如下：給一個啟動的輸入信號，要配合一個SB1的按鈕，當(dāng)SB1啟動按鈕動作，系統(tǒng)工作。首先，南北方向道路處于禁止通行的狀態(tài)，東西方向道路處于允許通行的狀態(tài)。南北方向道路亮紅燈狀態(tài)過程中，南北紅燈亮30S,需計(jì)時器設(shè)定延時30秒，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)南北綠燈亮；同時，東西方向道路也一起亮綠燈25S,需計(jì)時器設(shè)定延時25秒，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西綠燈閃爍；東西綠燈閃爍3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使東西綠燈閃爍，還要需計(jì)時器設(shè)定延時3秒，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)東西黃燈亮；東西黃燈亮2S,需計(jì)時

10、器設(shè)定延時2秒，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)東西紅燈亮。其次，東西方向道路處于禁止通行的狀態(tài)，南北方向道路處于允許通行的狀態(tài)。東西方向道路亮紅燈狀態(tài)過程中，東西紅燈亮30S,需計(jì)時器設(shè)定延時30秒，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)東西綠燈亮；同時，南北方向道路也一起亮綠燈25S,需計(jì)時器設(shè)定延時25秒，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南北綠燈閃爍；南北綠燈閃爍3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使南北綠燈閃爍，還要需計(jì)時器設(shè)定延時3秒，才會轉(zhuǎn)下一狀態(tài)南北黃燈亮；南北黃燈亮2S,需計(jì)時器設(shè)定延時2秒，才會轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)南北紅燈亮。如此循環(huán)下去。當(dāng)系統(tǒng)需要斷開時，按下SB2所有信號燈熄滅，系統(tǒng)停止工作，肯定無信號輸出，如果有信號輸出南北、東西綠

11、燈同時亮，報(bào)警器則報(bào)警，可編程控制器要輸出一個信號，驅(qū)動一個報(bào)警燈。綜上所述，可編程控制器要滿足一個信號輸入，七個信號輸出，十字路口有十二個交通信號燈，但南北、東西兩個為一組用一個輸出信號控制，再加上一個報(bào)警信號驅(qū)動的報(bào)警燈。通過十字路口交通信號燈的控制要求，可作出信號燈的控制時序圖如下圖（2-2）所示：圖2-2 交通信號燈控制的時序圖3.程序設(shè)計(jì)3.1指示燈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 圖3-1 指示燈狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖說明：啟動開關(guān)進(jìn)入PLC工作狀態(tài)，根據(jù)信號輸入（我們讓東西主干道綠燈先亮，南北主干道紅燈先亮）各個信號燈按照我們規(guī)定的時間依次亮起，然后循環(huán)往復(fù)。按下結(jié)束按鈕停止工作。3.2相關(guān)控制梯形圖本模塊我們采

12、用基本邏輯的編程實(shí)現(xiàn)信號燈的控制。燈亮采用編程軟件定時器實(shí)現(xiàn)，燈閃采用由定時器組成的脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在簡要分析一下由T10及T11組成脈沖發(fā)生器的梯形圖。圖3-2 周期為1秒的閃爍電路脈沖發(fā)生器由上圖可知，當(dāng)M100閉合時，T10得電，延時05秒后，T10觸點(diǎn)閉合，定時器T11得電，延時05秒后，其常閉觸點(diǎn)T11斷開，T10線圈失電，其觸點(diǎn)T10斷開，而定時器T10再次得電，05秒后，T10再次閉合，如此周而復(fù)始，即可得到T10觸發(fā)的工作波形如下圖（3-3）所示圖3-3 T10觸電的脈沖波形圖3-4 邏輯指令梯形圖 工作時，可編程控制器處于運(yùn)行狀態(tài)，按動起動按鈕SB1，則輔助繼電器M10得電

13、并自鎖，由梯形圖可知，首先接通輸出繼電器Y6，及Y0，使得南北方向的紅燈亮、東西方向的綠燈亮。大家根據(jù)梯形圖的文字說明及上面的時序圖，不難分析交通信號燈的整個周期工作過程。按停止按鈕SB2，則輔助繼電器M100斷電并解除自鎖。整個系統(tǒng)停止運(yùn)行，所有信號燈熄滅。按上述指令輸入PLC編程器運(yùn)行。交通燈信號控制梯形圖對應(yīng)的指令如下：0 LD X0001 OR M1002 ANI X0013 OUT M1004 LD M1005 ANI T16 OUT T0 K3009 LD T010 OUT T1 K30013 LD M10014 ANI T015 OUT T2 K25018 LD T219 OUT

14、 T3 K3022 LD T323 OUT T4 K20 26 LD T0 27 OUT T5 K25030 LD T531 OUT T6 K3034 LD T635 OUT T7 K2038 LD M10039 ANI T040 OUT Y00641 LD T042 OUT Y00243 LD Y00644 ANI T245 LD T246 ANI T347 AND T1048 ORB49 OUT Y00050 LD T351 ANI T452 OUT Y00153 LD Y00254 ANI Y00555 LD T556 ANI T657 AND T1058 ORB59 OUT Y0046

15、0 LD T661 ANI T762 OUT Y00563 LD M10064 ANI T1165 OUT T10 K568 LD T1069 OUT T11 K572 END4.系統(tǒng)安裝與調(diào)試4.1輸入程序圖4-1 程序輸入4.2系統(tǒng)安裝A.系統(tǒng)硬件布局圖具體安裝過程中可以依據(jù)指示燈安裝平臺和交通路口的實(shí)際狀況來確定，暫將系統(tǒng)硬件按下圖（4-2）分布：圖4-2 程序硬件布局圖B.安裝接線圖圖4-3 完整的系統(tǒng)圖 將程序?qū)懭隤LC的方法有兩種，一種是用專用的編程器（如手持式編輯器）傳輸?shù)絇LC，一種是在電腦安裝上編程軟件后通過編程電纜傳輸?shù)絇LC。各種PLC的編程軟件不同，編程電纜也有所不同，

16、具體的操作方法可根據(jù)具體情況而定，在現(xiàn)場一般用編程器修改調(diào)試。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際交通燈控制情況，故采用電腦編程通過數(shù)據(jù)寫入的方式。4.3系統(tǒng)調(diào)試圖4-4 系統(tǒng)調(diào)試圖經(jīng)過調(diào)試程序沒有錯誤，信號燈依照要求依次亮起，能滿足初步設(shè)定的控制要求。體 會用PLC控制交通信號燈要充分利用其特點(diǎn)：1、高可靠性2、豐富的IO接口模塊3、采用模塊化結(jié)構(gòu)4、編程簡單易學(xué)5、安裝簡單，維修方便。本例在設(shè)計(jì)的過程中主要的難點(diǎn)、重點(diǎn)是編程思路、部分功能指令的應(yīng)用、梯形圖的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)程序輸入及調(diào)試方法。本系統(tǒng)采用“規(guī)模分檔”的綠燈時長智能控制原則，即：把東西方向或南北方向的車輛按數(shù)量規(guī)模進(jìn)行分檔，相應(yīng)給定的東西方向與南北方向的綠燈時長也按一定的規(guī)律分檔. 這樣就可以實(shí)現(xiàn)按車流量規(guī)模給定綠燈時長，達(dá)到最大限度的有車放行，減少十字路口的車輛滯流，緩解交通擁擠、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，從而提高了交通控制系統(tǒng)的效率.古人云：“讀萬卷書不如行萬里路”，知識的汲取固然重要，更重要的是將知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，用于生產(chǎn)實(shí)踐。知識與實(shí)踐的結(jié)合，肯