基于PLC的智能交通控制系统的设计.docx
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基于PLC的智能交通控制系统的设计
重庆大学网络教育学院
毕业设计（论文）
题目基于PLC的智能交通控制系统的设计
学生所在校外学习中心山东烟台校外学习中心
批次层次专业201401专升本电气工程及其自动化
学号W12212478
学生李俊
指导教师侯世英
起止日期2014.2.20——2014.4.16
摘要
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。
随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的应用更加突出。
城市交通灯控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本文用三菱FX2N的可编程控制器控制十字路口信号灯来说明可编程控制器硬件、软件的设计。
解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。
但现在有的交通信号灯控制系统都是单一的固定时序控制，不能够根据实际交通状况进行调节控制。
三菱系列的可编程序控制器和传感技术来实现对交通灯的智能信号控制。
可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。
关键词：
PLC（可编程序控制器）三菱FX2N传感器探测交通灯
1.绪论
1.1引言
十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行,实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善,也是城市交通管理工作自动化的重要标志之一。
可编程序控制器（PLC）是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,是专能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。
因此,本文介绍了三菱公司的PLC产品来实现交通灯的自动控制。
1.2课题背景研究
可编程序控制器（PLC）是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，在日常生活中得到了广泛的应用。
PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC具有可靠性高，抗干扰能力强等优点，PLC的平均无故障运行时间（又称平均故障间隔时间MTBF）已经高达几十万小时。
其次，PLC具有通用性强，使用方便的特点。
由于PLC产品的系列化和模块化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。
用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线。
一个控制对象的硬件配置确定以后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
PLC还具有功能强，适应面广的特点，现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，数值运算和数据处理等功能。
因此，它既可对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，既可控制一台生产机械、一条生产线，也可控制一个生产过程。
PLC还具有通信联网的功能，可与上位计算机构成分布式控制系统。
用户只需根据控制的规模和要求，适当选择PLC的型号和硬件配置，就可以组成所需的控制系统。
随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。
交通问题不仅的发展中国家，就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。
众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。
但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。
因此，不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。
与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。
事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。
早在19世纪，人们就开始研究交通信号，用信号指挥车通行，控制车辆进出交叉口的次序。
据文献记述，早在1868年，英国伦敦的威斯特明斯特（Westminster）街就安装了红、绿色两色的交通信号灯。
到1917年，美国的盐湖城开始使用由人工控制的红、黄、绿3色的信号灯。
1925年，这种由人工控制的3色信号灯也首次出现在英国伦敦的皮克的时路口。
次年，英国人研制出了自己的自动控制信号机。
道路通交通系统是一个地区、一个城市的主要组成部份，这个系统的运行状况如何，直接反映了一个地区、一个城市的现代化管理水平。
在这一系统中，道路不仅仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。
只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。
1.3选题的目的和意义
据一项对美国主要城市交通状况的调查显示：
1982年至2000年，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。
以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时12公里。
用这个目标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值：
每年耗费1.5亿小时，减少生产总值117亿元。
相当于该市整个生产总值的7%。
在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达35%--40%，而北京只有20%。
缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。
据悉，到2010年，北京将投资500亿元用于城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就达到600公里。
但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵—修路—再拥堵”的怪圈。
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。
可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。
1.4国内外研究综述
目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法；有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计；有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。
目前，国内的交通灯一般设在十字路口，在醒目的位置用红黄绿三种颜色的指示灯，加上一个倒计时的显示器来控制行车。
对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：
1.两车道的车辆轮流放行时间相同，不能随不同时段车流量的大小的改变而自动修改。
2.没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，臂如，消防车执行紧急任务通过时，相应方向提供绿灯通行信号。
当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。
因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。
随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向.
1.5毕业设计论文所用的主要技术与方法
本文主要采用三菱PLC进行控制的技术，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“步进式”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。
文中给出的设计方案采用步进梯形指令双流程编程实现，应用并联分支结构,我们把东西和南北方向的人行道与车行道信号灯的动作分成两个流程同时起动，分别运行各自的时序动作，相互之间的配合由统一的时钟进行有机配合，不会出现差错.
2.PLC的概念及发展
可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。
它具有体积小、功能强、灵活通用与维护方便等一系列的优点。
特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到用户的青睐。
因此在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制的三大支柱之一。
2.1可编程控制器的定义
可编程控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的程序存放在存储器中利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。
在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。
系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。
根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。
可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。
它是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它的内部存储器可以执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技（ComputerControlCommunication）相结合，不断发展完善的。
目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。
PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大.可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。
随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。
现代PLC已经成为真正的工业控制设备。
最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。
但不久，西德的西门子（SIEMENS）公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。
70年代初，日本的OMRON也推出了他们的PLC。
三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。
70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。
由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。
小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。
据国外资料介绍:
1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门（如汽车、拖拉机工业、机械工业等）、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门‘“。
近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。
如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。
可编程控制器一直在发展中，因此直到目前为止,还未能对其下最后定义。
美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufacturersAssociation）在1980年给可编程控制器作了如下的定义“可编程控制器是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。
一部数字电子计算机若是用来执行PLC之功能者,亦被视同为PLC,但不包括鼓式或机械式顺序控制器。
”国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又颁发了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。
草案中对可编程控制器的定义是:
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备，都按易于工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计.”
2.2可编程控制器的发展
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。
由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。
2.3可编程序控制器的分类：
PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。
因此，PLC的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、控制规模、实现的功能进行大致的分类。
1.按结构形式分类
PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。
整体式PLC外观上是一个长方形箱体，又称为箱式PLC。
组合式PLC在硬件构成上具有一定的灵活性，其规模可以像拼积木一样的进行组合，构成具有不同控制规模和功能的PLC，因此这种PLC又称为积木式PLC。
整体式PLC：
整体式PLC的CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内，这种结构的特点是：
结构简单，体积小，价格低；输入输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。
组合式PLC：
组合式PLC为总线结构。
其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。
PLC的CPU、存储器和电源等做成一个模块，该模块在总线版上的安装位置一般来说是固定的，而且该模块也是构成组合式PLC所必需的。
其他的模块根据PLC的控制规模、实现的功能选取，安装在总线版的其他任一总线槽上。
组合式PLC安装完成后，需进行登记，使PLC对安装在个总线上的模块进行确认。
组合式PLC的总线板又称为基版。
组合式PLC的特点是系统构成灵活性高，可构成具有不同控制规模和功能的PLC；价格较高。
2.按控制规模分类
输入输出的总线数，又称I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。
因此，按控制规模对PLC分类时，可根据I/O点数的不同大致分为小型、中型和大型PLC。
小型PLC：
I/O点数较少，在256点以下的PLC。
中型PLC：
I/O点数较多，在256点以上、2048以下的PLC。
大型PLC：
I/O点数较多，在2048点以下的PLC。
3.按实现的功能分类
按照PLC所能实现的功能的不同，可以把PLC大致的分为低档、中档、和高档机三类。
低档机：
具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。
中档机：
除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。
高档机：
除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。
函数、表格、CRT显示、打印机打印等功能。
一般地，低档机多为小型PLC，采用整体式机构；中档机可为大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整体式结构，中型和大型PLC多采用组合式结构；高档机多为大型PLC，采用组合式结构。
目前，在国内工业控制中应用最广泛的是中、低档机。
2.4可编程控制器的发展及趋势
20世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期。
PLC发展至今，已有30多年的历史。
伴随着半导体技术、计算机技术、通讯技术的发展，工业控制领域已有了翻天覆地的变化，PLC也再不断发展变化中，PLC正朝着新的技术发展。
近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用，仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。
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。
随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
在工业自动化领域，可编程控制器（PLC）作为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为大多数自动化系统的设备基础。
由于综合了计算机和自动化技术，使它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。
它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。
特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。
1.向高性能、高速度、大容量发展
大型PLC大多采用CPU结构，不断向高性能、高速度、大容量发展。
ANA系列PLC使用了世界上第一个在一块芯片上实现PLC全部功能的32位微处理器、即顺序控制芯片，其扫描时间为每条基本指令0.15us。
2.增强小型PLC的功能
小型PLC一般指I/O点数小于256的PLC，大多数采用整体结构，小型PLC价格便宜，性价比不断提高，很使用单机自动化，或组成分布式系统。
近年来，PLC厂商不断推出功能更强的小型PLC，更新换代的周期越来越短。
除了开关量逻辑控制功能以外，现代小型PLC还具有中断功能、脉冲捕获功能、内置的实时钟、用EEPROM代替RAM和锂电池，使PLC成为完成完全免维护的设备，将过去许多需要特殊功能模块完成的功能软件化，如用PID指令实现PID控制，用定位控制实现位置控制。
各PLC厂家近年来推出一些价格便宜的专用人机接口装置，用来监视PLC的内部变量和修改参数。
与西门子S7-200配套的TD200文本显器可显示两行中文，每行10或20个字符，可用S7-200编程软件设置TD200的显示内容。
3.不断提高编程软件的功能：
a.编程软件日益普及
b.编程软件功能不断完善
c.编程语言的标准化
d.编程软件配备仿真功能
e.通讯功能的增强和标准化
f.PLC的软件化与PC
随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。
仅仅将PLC理解为开关量控制的时代己经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。
今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展:
一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。
总的趋势总结如下：
可编程控制技术的标准化、CPU处理速度进一步加快、可编程控制技术的智能化、系统的开放性和兼容性、通用性和专业化的结合、可靠性进一步提高、控制系统分散化、控制与管理功能一体化等。
为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。
综上所述，我们不难得出下面几个结论:
①.工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路。
②.智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。
③.系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。
④.基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。
⑤.通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。
2.5可编程控制器的特点
可编程控制器是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、记数和算术运算等功能。
用来对各种机械或生产过程进行控制。
自1969年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。
PLC所以被广泛应用，是由它的突出特点和优点的性能分不开的，为了满足工业生产对工业控制设备安全可靠的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触电的的半导体电路来完成，PLC选用的电子器件一般是工业机，有的甚至是军用机，平均无故障时间很长。
PLC具有良好的环境适应性，可用于十分恶劣的工业现场。
再电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作，具有很强的的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10us的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。
一般对环境温度要求不高，在环境温度-20—65度、相对湿度为35%-85%情况下仍可正常工作。
可编程控制器能如此迅速的发展的原因是由于它具有通用计算机所不具备的特点：
1.可靠性
可编程控制器采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如：
冗余设计、掉电保护设计、故障诊断、和信息保护和恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性得到提高。
可编程序控制器是为了工业生产过程控制而专门设
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