基于PLC的智能交通灯监控系统设计 毕业论文.docx
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基于PLC的智能交通灯监控系统设计毕业论文
青岛农业大学海都学院
本科生毕业论文（设计）
题目：
基于PLC的智能交通灯监控系统设计
姓名：
系别：
工程系
专业：
电气工程及其自动化
班级：
12级专升本2班
学号：
201271056
指导教师：
张清鹏
2014年6月3日
摘要
PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。
它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。
据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。
由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。
因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。
同时，PLC本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。
关键字：
交通灯PLC通讯科学管理渐进式
Abstract
TheprogrammableprefaceinPLCcontrollerisakindofnewindustrycontrolsthedevice,itregardmicroprocessorasthefoundation,synthesizingthecalculatortechnique,automaticcontroltechniquetodevelopwiththecommunicationtechnique.Ithastheconstructionsimple,theplaitdistanceisconvenient,highetc.independableadvantage,alreadyextensiveusedfortheindustryprocesswiththeautomaticcontrolofthepositioninside.Accordingtothecovariance,theprogrammablecontrollerisakindofequipmentsthatindustryautomatetoequiptheinsidetheapplicationatmost.Theexpertthinks,theprogrammablecontrollerwillbecomethemainmeansthataftertimeindustrycontrolwiththeoneoftheimportantfoundationequipments,thePLC,robot,CAD/CAMwillbecomethreemajorofpillarthatindustryproduce.BecausethePLChastothestrongcharacteristicinadaptabilityinenvironmentinusage,itsinnerpartsettlesatthesametimethemachineresourcesisabundantvery,cantocurrentwidespreadusageof"enterthetypegradually"thesignalbeaconproceedstheprecisioncontrols,specialtheoscularcontrolinamanybranchroadscanrealizesexpediently.SothatisappliedthePLCmoreandmorenowintransportationlightsysteminside.Atthesametime,PLCstillhavethecommunicationinternetfunction,constitutethesameofthesignalbeaconontheroadathebureauareanetproceedstounifytoadjustamanagement,canshortenthevehiclegothroughwaitingtime,realizingscientificmanagement.
Keywords:
Thetransportationlight，PLC,Communication，scientific
management，enterthetypegradually
第一章绪论
1.1引言
交通灯控制系统的发展有着悠久的历史，伴随着人类工业文明的发展，汽车以及其他各种交通工具呈现出一片欣欣向荣的景象。
各种交通工具的大量使用使得人们的出行更加方便，但随之而来的是交通的压力越来越大，各个路口对于对于交通指挥系统的需求大量增加。
早在1868年，全世界第一台煤气是红绿两色照明灯由英国工程师纳伊特安装在了伦敦威斯特敏斯特街口，它可以控制车辆的通行，但是不久，这种交通灯便消身匿迹了，原因是由于一场爆炸事故。
盗了1914年左右，交通灯又重新出现了，美国的克利夫兰制造了一款由电力驱动的交通灯，它被安装在了纽约和芝加哥等地，这种交通灯的概念已经和现在大致相同。
1926年，自动化控制的交通灯得到利用，这为现代城市交通奠定了基础。
1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对交通灯的各种意义做出了明确的规定，绿灯行，绿灯车道的车辆可直行可左拐可右拐，如果前面有禁止标志的则除外。
并且左右拐弯的车辆必须让直行车辆和行人先行。
红灯停，红灯车道的车辆不准超过人行道。
黄灯等一等，黄灯车道的车辆必须减速，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。
交通灯的使用大大缓解了交通压力，使得城市的拥堵显现得到了一定程度的缓解，使人们的出行现状得到了改善。
但是随着当今经济的飞速发展，汽车的拥有量不断上升，传统的交通灯系统已经越来越不能满足交通压力的需求。
在这样的背景下，本次论文设计的任务主要是设计一款能根据路面车流量的变化，进而调整交通灯读秒时间的交通灯系统，从而改善路面交通压力，同时也可以节约交通资源。
1.2智能交通灯系统的发展背景
1.2.1英国TRANSYT路面交通控制系统
英国道路研究所花费了十几年的时间，在大量的实验和经验的基础之上，研制出了TRANSYT路面交通控制系统。
被全球400多个车市广泛采用，可以说TRANSYT系统的成功是显而易见的。
TRANSYT内部通过有线来经行通信。
采用静态模式来控制交通信号灯，这种控制方案中通过数学模型来控制绿信比和相位差。
但是这种交通控制系统还是存在一定的缺陷，例如它无法优化周期，而且想要获得最优的整体分配方案是相当困难的。
如果想要经行离线优化，必须采用大量的路网几何和交通数据流。
1.2.2澳大利亚SCAT路面控制系统
70年代末期，澳大利亚开发了SCAT路面控制系统。
SCAT采用分层递阶的计算机形式，这是一种较为先进的计算机网络控制技术。
SCAT通过有线来通信。
在地区联机，在中央即采用联机也采用脱机模式。
在控制的过程中，SCAT会预先设定几个参数，在对路面情况经行分析的基础之上，根据实际的情况来选定具体采用那个数据。
计算机结构好改变，控制方案好变换，而SCAT系统充分的利用了计算机的这些优点。
但是，由于SCAT对于硬件的要求高，这也就限制了它的移植能力，以及信息的无即时反馈性。
1.2.3英国SCOOT路面控制系统
在TRANSYT系统改进和改良的基础之上，通过8年的研究，英国道路交通研究所又设计出了一款自适应的SCOOT路面控制系统，其全名为动态交通控制系统。
由于采用动态的交通控制方式，其性能各个方面都要优于以静态为核心的路面交通控制系统。
这种交通控制方式同样被许多国家大量的采用。
SCOOT路面控制系统以有线的方式进行通信。
通过联机的方式来控制各个路口的交通信号灯，这与传统的控制方式来比，其效率大大提高。
但是SCOOT路面控制系统依然有他的缺点，其一它的相位一旦确定之后就不能自动的增减了，其二他对于固定的路口只有固定的相序，其三它的安装困难度也过高。
1.2.4日本城市路面控制系统
日本设计的路面控制系统有交通控制中心和VICS中心，交通控制中心主要在东京等地区运营，它极具代表意义，在控制一般城市路面交通的同时有着显著的高效性。
通过收集，处理和发布交通信息，控制中心不仅可以对交通信号进行控制还可以进行信息交流等。
通过对超声波、雷达、红外检测器、直升机、摄像机等信息收集系统收集来的信息进行分析，该控制系统可以利用后台许许多多的计算机网络进行高速的运算，通过这种流量分析以及提前的预定方案的选择，可以实时的指挥路面各个交通灯路口的红绿灯情况。
在指挥的同时，他还会以各种方式将车流量、堵塞情况等信息通过各种方式向社会发布。
1.3本课题的主要研究内容
此次设计的主要内容是在传统的交通灯基础之上，通过PLC进行编程，设计出一款能够根据车流量的变化来智能化调整交通灯读秒时间的交通灯控制系统。
要实现预期目的的初期设想是在十字路口东西南北各个方向上安装光电计数器，以此来统计各个路口的车流量，再将数据输入计算机中央控制系统对数据经行分析，根据预先设定的参数，智能化的判断各个交通路口的拥堵情况，从而通过PLC控制系统来适当的调整红绿灯的读秒时间。
并且在此基础之上，若交通灯路口遇到特殊车辆或者紧急情况，该系统也能切换到人工控制模式，实现强通控制，从而保证路面交通的正常运行。
此系统不仅成本低，维护方便，而且能在最大程度上缓解交通压力，节约交通资源。
第二章PLC的功能介绍
2.1PLC的基本概念和基本结构
2.1.1PLC的基本概念
早期的可编程控制器主要是用来代替继电器控制系统的，因此功能较为简单，只能进行开关逻辑控制，称为可编程控制器（programmablelogiccontroller）,简称PLC。
随着微电子技术，计算机技术和通行技术的快速发展，20世纪70年代后期微处理器被用作可编程控制器的中央处理器，从而较大的扩展了可编程控制器的功能，可编程控制器有开关逻辑，模拟量控制，高速计数，PID贿赂调节，远程I/O和网络通信等功能。
1980年，美国电气制造协会正式将其命名为可编程控制器，简称PC。
1987年2月，国际电工委会对PLC的具体含义做出了明确的定义：
在工业环境的背景之下，一种常用来做数字运算操作的电子系统。
它既可以进行逻辑运算、顺序控制，也可以进行定时、计数、数学运算等操作。
虽然它中间的运算是采用的数字模式，但是它的输入和输出还是采用模拟的信号。
这种可编程的控制器，可以控制各类生产的过程。
2.1.2PLC的基本结构
1.中央处理器（CPU）
CPU是PLC的核心部件，CPU模块在PLC中相当于大脑和心脏，是整个PLC控制系统的神经中枢。
它的主要功能如下：
⑴接受和储存用户程序和数据
⑵扫描现场设备的数据和状态，存入数据区
⑶检测和诊断电源，PLC内部电路工作状态和程序中的语法错误
⑷从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后，去开启或关闭相关控制电路，完成相关的逻辑运算和算术运算。
⑸根据数据处理的结果，刷新相关标识位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。
PLC中采用的CPU一般有三大类：
通用处理器、单片机芯片和微处理器。
其中小中型PLC一般采用微处理器或单片机，而大型的PLC大多采用高速位片式处理器。
档次越高，PLC的位次也越多，运行的速度越快，功能也会更强大。
2.存储器
存储器一般分两种：
系统存储器和用户存储器。
系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。
用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。
常用的存储器类型有CMOSRAM、EPROM、EEPROM.由于系统程序用来管理PLC系统，用户不能直接存储，因此PLC产品中所说的存储类型及其容量，是指用户程序存储器而言。
PLC中所配用的用户存储器的容量大小有较大差别，小型的在8K以下，大型的可以达到256K.
3.输入输出（I/O）模块
输入模块和输出模块简称I/O模块，他是联系外部设备和CPU模块的桥梁。
PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。
PLC有多重I/O模块，常见的有数字I/O模块、模拟量I/O模块、快速响应模块，高速计数模块和PID控制模块等。
4.电源
PLC配有开关式稳压电源，用来将外部供电电源转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。
PLC使用AC220V电源或DC24V电源。
内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。
小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。
小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专门的外部电源部件，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。
为防止PLC内部重要数据的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。
5.编程器
编程器用来生成用户程序，一般分为手持式编程器和图形编程器。
手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。
它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的PLC编程，或者用与现场调试和维护。
图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程，又可脱机编程，操作方便、功能强。
现在，很多PLC都可以用计算机作为编程工具，在计算机上直接生成和编辑梯形图或指令表，并可以实现其转换。
最重要的是这种程序可以存盘或者打印，也可通过网络远程传送。
6.其他外部设备
PLC还包含有一些其他的外部设备，如合适磁带机、打印机、EPROM写入器等。
打印机
计算机
盒式磁带机
条码扫描仪
输出设备
输入设备
图2-1PLC的基本结构
2.2PLC的特点和应用领域
2.2.1PLC的特点
1.编程方法简单易学。
PLC采用一种面向控制过程、面向问题的梯形图语言。
梯形图和继电器原理图相似，易学易懂，一般工程师或者工艺人员都可以在短时间内学会。
2.功能完善、适应性强。
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，具有逻辑运算、计时、计数、A/D转化、网络通信和生产监控等功能。
若工艺条件发生改变，修改相应的用户程序既可满足要求。
3.安装、设计、调试的工作量少。
大量中间继电器、时间继电器、计数器的使用使得安装、设计、接线的工作大大减少。
并且PLC具有完善的自诊断和显示功能，故障率很低。
4.可靠性高、抗干扰能力强。
由于采用微电子技术和大量的无触点半导体电路来控制开关动作，其可靠性比使用机械触电的继电器高很多。
PLC的输入输出部分采用了光电隔离，有效的隔离了PLC内部的电路和输入、输出间的电关系。
有效避免了干扰信号引起的误操作。
并且PLC还具有防治空间电磁干扰的功能。
5.体积小、重量轻、功率低、性价比高。
大量的使用半导体大规模集成电路，这个产品的结构紧凑、体积小、重量轻、功率低。
与相同功能的继电器系统相比，PLC具有很高的性价比，可以实现非常复杂的控制功能。
2.2.2PLC的应用领域
1.开关量的逻辑控制。
取代传统的继电器，不仅可以控制单台设备，也可以控制多机群及自动化流水线，这是它应用的最广泛的领域。
2.模拟量与过程控制。
可以对温度、压力、流量、液位等模拟量进行控制，还可以用于位置控制、速度控制以及过程控制等。
3.运动控制。
PLC可以用于圆周运动或者直线运动的控制，驱动步进电机或者伺服电机，PLC广泛的应用于机械、机床、机器人等。
4.数据处理。
可以进行数学运算、数据传输、转换、排序、查表等一系列操作，也可以通过通信设备传输到别的设备。
5.通信联网。
通过双绞线或者同轴电缆等可实现PLC与PLC之间或者PLC与计算机之间的信息交换。
易于建立工厂的自动化办公网络。
2.3PLC的工作原理
CPU不断的执行用户的程序和任务的语句，这一过程称为扫描。
一个扫描的周期包括输入、执行、处理、自诊断、输出等过程。
这一过程的运行时循环往复不断经行的。
它的过程如图2-2所示。
PLC由软件系统和硬件系统两部分组成。
再硬件系统满足要求，软件系统已经编制好的情况下，它会不断的执行软件系统以及预设好的指令代码。
扫描周期和用户程序不是一个概念，扫描周期包括用户程序。
即使用户程序不执行，扫描周期也在继续，只是这一过程不再包含用户程序、输入、输出这三个方面。
1.自诊断测试扫描。
PLC的自监视过程不仅可以保障设备还可以实时的反映故障。
时间监视器完成这种自监视。
当一个扫描周期开始时，PLC中的硬件计时器会自动的更新。
而用户可以根据自己的需要来修改WDT，它的数值在100到200，而且设计人员可以通过标志位来处理错误的结果。
2.与网络进行通信的扫描。
大型有网络的PLC有网络扫描过程，而小型的PLC则没有这种扫描过程。
PLC与PLC之间以及PLC与计算机之间可以通过网络宽带来进行通信。
3.用户程序扫描。
只要机器是正常运行的，那么，该扫描过程会移植存在。
用户可以通过软件来根据自己的需要来有目的的控制这一过程。
扫描过程的时间与用户程序的长短有着密切的关系。
4.读输入与写输出扫描。
同样，只要机器是正常运行的，这一过程贯穿于整个扫描过程。
并且该过程同样是可控的。
如果CPU要处理程序，它不从及既不从输入点读取，也不直接送到输出点。
而是通过计算机内部的输入映像寄存器和输出映像寄存器。
输入映像寄存器控制输入值，而输出映像寄存器则保存运算的结果。
在一个扫描过程中，输入点的状态会被所入到输入映像寄存器，而一样，输出映像寄存器的指会被所入到相应的输出点。
未来满足现场施工和运作的要求，PLC支持I/O接口可受用户控制的特点。
用户可以锁定或者开锁I/O接口，而且锁定后，I/O接口的扫描过程便不再运行。
这一过程的好处是，可以有效的节约I/O端口的扫描时间，提高效率。
下图描述了信号从输入端子到输出端子的传递过程：
输入读输出
采样读刷新输出
写
图2-2PLC的扫描工作过程
在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，PLC在执行用户程序时会事先参考输入映像寄存器和输出映像寄存器，最后将结果传送到输出映像寄存器中。
程序执行时，就算输入子端变化，这一个工作周期，输入寄存器也不会改变，只是会在下一个周期被读入。
同样，输出锁存器会锁定输出映像寄存器，通过输出电路，这一结果会被输出。
由上述分析得出循环扫描有如下特点：
⑴扫描过程周而复始地进行，读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。
⑵输入映像寄存器的内容是设备驱动的，在程序执行过程中的一个工作周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像积存的值来控制程序的执行。
⑶程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值，而在程序执行阶段，输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件，同时又可以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。
此时的修改不会影响输出锁存器的现在输出值，这是与输入映像寄存器完全不同的。
⑷对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。
由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件，所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与编程顺序有关的，即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值，这是编程人员要注意的问题。
各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。
各PLC厂家为了缩小延迟采取了很多措施，编程人员应对所使用型号的PLC的延迟时间的长短很清楚，它是进行PLC选型时的重要指标。
2.4PLC的性能指标和软件系统
2.4.1PLC的性能指标
1.编程语言及指令功能.。
PLC常用的编程语言有梯形图、语言表、流程图等。
对于特定厂家生产的PLC，其编程语言不同，若PLC可用多种语言编程，则其可移植性较好。
PLC的指令条数和综合性指标能够反映出该PLC的功能强弱。
2.I/O点数。
I/O点数是指系统所能接入和输出的总的最大数量。
通常用I/O点总数表示I/O开关量，而用I/O通道数表示模拟量。
3.用户程序储存容量。
用户程序储存容量是指存放用户程序的储存器的容量，用字节K表示。
对于一般的逻辑操作指令，一条指令占一个字节，而对于计时、计数和位移等则要占用两个字节，数据操作通常要占用2~4个字节。
4.扫描速度。
指执行1024条基本指令用时。
5.内部寄存器的配置与容量。
辅助继电器、计时器、计数器、移位寄存器、特殊继电器等都叫做内部寄存器。
这些内部寄存器可用于存放各种数据，内部寄存器的大小与多少直接影响用户编程的灵活与方便。
6.其他的功能。
例如输入与输出方式、特殊功能模块、自诊断功能、通信联网功能、高数计数、远程I/O能力和监控功能等。
2.4.2PLC的软件系统
PLC的硬件系统和软件系统是相辅相成的，就像一个人的骨骼和血肉一样。
骨骼是支撑整个身躯的硬性指标，没有骨骼其他的就无从说起，而血肉也是一个人正常活动所必须的。
PLC的软件系统分为系统程序和用户程序。
1.系统程序
系统程序是由PLC生产厂家提供，并且固化在EPROM中，用户不能直接读取。
系统程序由管理程序、编译程序、标准程序三个部分组成。
管理程序用于对PLC输入、输出、运算等操作的时间顺序的管理，规定数据和程序的存放地址。
编译程序则是把程序语言翻译成机器语言的程序。
标准模块程序由多个独立的程序模块组成，每个程序模块完成一种独立的功能。
根据要完成不同的共组来选择不同的功能模块。
2.用户程序
用户程序是指根据不同的工作要求，用户用PLC程序语言编制的应用程序，以实现各种控制要求。
小型的PLC很简单，整个程序不用分段，按顺序编制。
但是大型的PLC的用户程序很复杂。
为了简化用户编程的难度，可以把用户程序划分为程序模块，通过模块的组合来组成一个大的完整的用户程序。
用户程序的模块：
⑴组织模块。
用于控制主程序的运行方式及个组织模块的组织关系。
⑵程序模块。
按电气控制的要求，把不同的控制内容划分为程序段。
⑶功能模块。
用来描述特定功能的程序模块。
它的使用使得PLC超出了传统的顺序逻辑、计时、计数等功能。
⑷步进模块。
用于步进顺序操作。
⑸数据模块。
可用来存放数据，可以是固定的数据或者是可变的数据，类似于
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