交通灯信号控制系统设计.docx
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交通灯信号控制系统设计
XX理工教育学院
课程设计
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专业工业自动化
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摘要
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
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。
根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。
通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。
摘要----------------------------------------Ⅱ
1.交通灯现状和PLC研究的目的-----------------1
1.1交通灯的现状--------------------------------------------------------1
1.2PLC研究的目的------------------------------------------------------1
2．交通灯控制需求分析-----------------------------------------------2
2.1控制需求----------------------------------------------------------------2
2.2控制需求分析---------------------------------------------------------4
3.程序设计--------------------------------------------------------------------5
3.1指示灯状态转移图--------------------------------------------------5
3.2相关控制梯形图------------------------------------------------------6
4.系统安装与调试----------------------------------------------------------9
4.1输入程序-------------------------------------------------------------------9
4.2系统安装-----------------------------------------------------------------10
4.3系统调试-------------------------------------------------------------------11
体会--------------------------------------------------------------------------------12
参考文献---------------------------------------------------------------------------13
1交通灯现状和PLC研究的目的
1.1交通灯的现状
随着社会经济的发展，机动车量的不断增加，许多大城市如北、上、广等地出现了交通超负荷运行的情况，城市交通问题越来越引起人们的关注。
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。
高速道路在一段时间里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。
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状况，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。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制（繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯），这样必然产生如下弊端:
当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。
1.2PLC研究的目的
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
利用可编程控制器的工作原理，用如下方案来控制交通路况:
制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。
具体如下:
在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。
PLC的智能控制原则是控制系统的核心，是系统如何依据车辆脉冲的计数结果自动输出以调节红绿灯的时间长度的控制逻辑。
且为了提高PLC的控制输出速度，需要尽量简化逻辑运算。
单片机控制的交通灯可靠性不够高，控制功能还不够完善。
PLC是专为工业自动化控制设计的，在面向对象控制这一块，其控制功能的强大是无法比拟的，通过多种多样的扩展模块，可以做到外部接线简化、内部工作的高可靠。
另外PLC易学易懂，虽然价格比单个CPU贵，但性价比高。
也可以说PLC是一个技术成熟、工作可靠的单片机应用系统。
由于稳定性高，抗干扰能力强，不久的将来，PLC控制系统将会在交通灯方面发挥巨大的作用。
2.交通灯控制分析
2.1控制要求（系统示意图，控制需求表）
表2-1
信号灯控制需求表
东西方向
信号
绿灯亮
绿灯闪烁
黄灯亮
红灯亮
时间
25秒
3秒（三次）
2秒
30秒
南北方向
信号
红灯亮
绿灯亮
绿灯闪烁
黄灯亮
时间
30秒
25秒
3秒（三次）
2秒
（1）、我们假设依据车流量得出的信号控制输入如上表（2-1）所示来进行实验室模拟实验。
在PLC交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有3个控制灯，分别为：
●禁止通行灯（亮时为红色）
●准备禁止通行灯（亮时为黄色）
●直通灯（亮时为绿色）
另外行人道东西南北每面都有2个控制灯,分别为：
●禁止通行灯（亮时为红色）
●直通灯（亮时为绿色
（2）、系统工作受开关控制，起动开关ON时则系统开始工作；起动开关OFF时则系统停止工作。
（3）、控制对象有六个：
东西方向红灯两个，南北方向红灯两个；
东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个；
东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个。
下图是十字路口交通信号灯示意图。
信号灯的动作受开关总体控制，按一下起动按钮，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环动作；按一下停止按钮，所有信号灯都熄灭。
信号灯控制的具体要求如上表（2-1）所示，交通灯的示意图见下图：
图2-1交通灯示意图
2.2控制需求分析
按照交通灯系统控制要求下，结合西门子S7-200系列可编程控制器的特性，选择适合的型号。
设计思想分析如下：
给一个启动的输入信号，要配合一个SB1的按钮，当SB1启动按钮动作，系统工作。
首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状态。
南北方向道路亮红灯状态过程中，南北红灯亮30S,需计时器设定延时30秒，才会转入下一状态南北绿灯亮；同时，东西方向道路也一起亮绿灯25S,需计时器设定延时25秒，才会转下一状态东西绿灯闪烁；东西绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使东西绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3秒，才会转下一状态东西黄灯亮；东西黄灯亮2S,需计时器设定延时2秒，才会转入下一状态东西红灯亮。
其次，东西方向道路处于禁止通行的状态，南北方向道路处于允许通行的状态。
东西方向道路亮红灯状态过程中，东西红灯亮30S,需计时器设定延时30秒，才会转入下一状态东西绿灯亮；同时，南北方向道路也一起亮绿灯25S,需计时器设定延时25秒，才会转下一状态南北绿灯闪烁；南北绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使南北绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3秒，才会转下一状态南北黄灯亮；南北黄灯亮2S,需计时器设定延时2秒，才会转入下一状态南北红灯亮。
如此循环下去。
当系统需要断开时，按下SB2所有信号灯熄灭，系统停止工作，肯定无信号输出，如果有信号输出南北、东西绿灯同时亮，报警器则报警，可编程控制器要输出一个信号，驱动一个报警灯。
综上所述，可编程控制器要满足一个信号输入，七个信号输出，十字路口有十二个交通信号灯，但南北、东西两个为一组用一个输出信号控制，再加上一个报警信号驱动的报警灯。
通过十字路口交通信号灯的控制要求，可作出信号灯的控制时序图如下图（2-2）所示：
图2-2交通信号灯控制的时序图
3.程序设计
3.1指示灯状态转移图
图3-1指示灯状态转移图
说明：
启动开关进入PLC工作状态，根据信号输入（我们让东西主干道绿灯先亮，南北主干道红灯先亮）各个信号灯按照我们规定的时间依次亮起，然后循环往复。
按下结束按钮停止工作。
3.2相关控制梯形图
本模块我们采用基本逻辑的编程实现信号灯的控制。
灯亮采用编程软件定时器实现，灯闪采用由定时器组成的脉冲发生器实现。
现在简要分析一下由T10及T11组成脉冲发生器的梯形图。
图3-2周期为1秒的闪烁电路脉冲发生器
由上图可知，当M100闭合时，T10得电，延时0．5秒后，T10触点闭合，定时器T11得电，延时0．5秒后，其常闭触点T11断开，T10线圈失电，其触点T10断开，而定时器T10再次得电，0．5秒后，T10再次闭合……，如此周而复始，即可得到T10触发的工作波形如下图（3-3）所示
图3-3T10触电的脉冲波形
图3-4逻辑指令梯形图
工作时，可编程控制器处于运行状态，按动起动按钮SB1，则辅助继电器M10得电并自锁，由梯形图可知，首先接通输出继电器Y6，及Y0，使得南北方向的红灯亮、东西方向的绿灯亮。
大家根据梯形图的文字说明及上面的时序图，不难分析交通信号灯的整个周期工作过程。
按停止按钮SB2，则辅助继电器M100断电并解除自锁。
整个系统停止运行，所有信号灯熄灭。
按上述指令输入PLC编程器运行。
交通灯信号控制梯形图对应的指令如下：
1LDX000
2ORM100
3ANIX001
4OUTM100
5LDM100
6ANIT1
7OUTT0K300
9LDT0
10OUTT1K300
13LDM100
14ANIT0
15OUTT2K250
18LDT2
19OUTT3K30
22LDT3
23OUTT4K20
26LDT0
27OUTT5K250
30LDT5
31OUTT6K30
34LDT6
35OUTT7K20
38LDM100
39ANIT0
40OUTY006
41LDT0
42OUTY002
43LDY006
44ANIT2
45LDT2
46ANIT3
47ANDT10
48ORB
49OUTY000
50LDT3
51ANIT4
52OUTY001
53LDY002
54ANIY005
55LDT5
56ANIT6
57ANDT10
58ORB
59OUTY004
60LDT6
61ANIT7
62OUTY005
63LDM100
64ANIT11
65OUTT10K5
68LDT10
69OUTT11K5
72END
4.系统安装与调试
4.1输入程序
图4-1程序输入
4.2系统安装
A.系统硬件布局图
具体安装过程中可以依据指示灯安装平台和交通路口的实际状况来确定，暂将系统硬件按下图（4-2）分布：
图4-2程序硬件布局图
B.安装接线图
图4-3完整的系统图
将程序写入PLC的方法有两种，一种是用专用的编程器（如手持式编辑器）传输到PLC，一种是在电脑安装上编程软件后通过编程电缆传输到PLC。
各种PLC的编程软件不同，编程电缆也有所不同，具体的操作方法可根据具体情况而定，在现场一般用编程器修改调试。
因为本设计是在实验室模拟实际交通灯控制情况，故采用电脑编程通过数据写入的方式。
4.3系统调试
图4-4系统调试图
经过调试程序没有错误，信号灯依照要求依次亮起，能满足初步设定的控制要求。
体会
用PLC控制交通信号灯要充分利用其特点：
1、高可靠性2、丰富的I／O接口模块3、采用模块化结构4、编程简单易学5、安装简单，维修方便。
本例在设计的过程中主要的难点、重点是编程思路、部分功能指令的应用、梯形图的设计、系统程序输入及调试方法。
本系统采用“规模分档”的绿灯时长智能控制原则，即：
把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档.这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通控制系统的效率.
古人云：
“读万卷书不如行万里路”，知识的汲取固然重要，更重要的是将知识转化为生产力，用于生产实践。
知识与实践的结合，肯定会对人们的生活产生或大或小的改变，在改变中寻找新的创新机会，开启新的篇章。
参考文献
【1】廖常初PLC基础及应用.机械工业出版社,2004
【2】张发玉可编程序控制器应用技术.西安科技大学出版社,2006
【3】张广明李果朱炜机电系统PLC控制技术.国防工业出版社,2007.3
【4】李树雄可编程控制器原理与应用及应用教程.北京航空航天大学出版社2003.9
【5】廖常初S7-300/400PLC应用技术.机械工业出版社，2005.
【6】廖常初PLC梯形图的顺序控制设计法.电工技术杂志，2001
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