基于PLC的智能交通控制系统毕业论文设计Word格式.docx
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1.2课题研究背景2
1.3本文研究的内容3
2总体方案设计4
2.1工作原理分析4
2.2系统结构5
3系统硬件设计6
3.1车流量检测6
3.1.1地感线圈的选型原则6
3.1.2信号转换装置6
3.2用PLC实现智能交通控制8
3.2.1PLC的I/O地址分配及选型8
3.2.2PLC的外部接线及系统原理9
4系统软件设计10
4.1系统的控制要求10
4.2程序重点部分分析11
4.2.1通行车辆计数11
4.2.2延时控制的选择12
5系统仿真13
5.1组态软件选取13
5.2系统数据库建立13
5.3智能交通控制系统监控主界面设计15
结束语17
致谢18
参考文献19
附录一20
附录二21
附录三27
1绪论
1.1引言
城市交通系统是社会经济的“血液循环系统”，是衡量一个城市文明进步的标志。
随着社会经济的不断发展和城市规模不断膨胀，城市的经济贸易和社会活动日益繁忙，交通量持续增长，使得交通拥挤和阻塞现象越来越突出，从而引发的交通问题越来越严重，人、车、路三者关系的协调越来越受到交通部门的重视。
因此如何采用一种科学的控制方法，建立一套城市交通数据监测、交通信号控制与交通疏导的综合管理系统，成为现代城市交通管理部门亟待解决的重要问题之一[1]。
目前，我国城市十字路口的交通控制系统基本上都采用定时控制方式。
通常的做法是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法对两个方向红绿灯设置固定转换时间间隔[2]。
然而实际十字路口车辆的流量是随机和变幻莫测的，有的路口在不同的时段可能会有很大的差异，并且经常受到人为因素的影响。
因此常常出现下面的情况，当某条道路的车流量很大却要等待红灯，而此时另一条空道或车流量相对少得多的道路却依然按原定时间亮着绿灯。
因此固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压等现象，影响了道路的畅通。
这种现象的出现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，为克服这种少车路口绿灯时无车通行或多车路口绿灯通行时间短而堵车等资源浪费的现象，出现了智能交通控制系统[3]，它能够根据流量变化情况自动调节红绿灯的时间长度，最大限度地减少十字路口的车辆滞流现象，有效的缓解交通拥挤，实现交通控制系统的最优控制，从而大大的提高交通控制系统的效率。
当前的智能交通控制系统有以红外感应车流量的、有桉预定时间段改变通行时间的、有以电视监控信息来干预的等多种方法与手段，各有特点。
随着我国人民生活水平的不断提高，城市化的推进与私家车数量的猛增，道路交通拥挤的问题日益突出，可以预见，智能交通控制系统将具有广大的应用前景。
因此，研究智能交通控制系统具有相当大的学术价值和实用价值[4]。
本设计是一个以车流量为核心的智能交通自动控制系统，通过使用地感线圈检测车流量，并利用PLC在顺序控制上的强大功能，对交通流量进行实时统计和控制，实现十字路口交通系统的智能控制。
随着数字化城市建设的进程，对城市交通的要求不仅是智能化，而是网络化、信息化。
1.2课题研究背景
随着社会经济的发展、城市化进程的加快和机动车辆的迅猛增加,城市交通问题日益严重。
城市交通拥挤不仅造成交通事故频发、车辆延误增大，而且进一步带来能源浪费和环境污染的加剧，由此引起的不良社会后果更是难以估计。
城市交通问题的解决能有效的控制城市交通状况，减少交通拥挤，减少环境污染，提高经济效益，保证城市的持续化发展。
解决城市交通问题的根本途径有两条，一是加快道路设施规划建设，健全城市道路网络体系，这种方法是一种外延型的发展途径。
二是采用先进的科学技术，对城市交通进行现代化的管理与控制，提高现有道路的通行能力，这是一种内涵的方法[5]。
诚然道路设施是发展城市交通、满足各种交通需求的物质载体，但受到道路建设资金和城市土地空间的限制。
例如，我国许多大城市建设地铁或轻轨以缓解交通压力。
但是，建设地铁或轻轨需要大量的资金与时间，这对大多数中小城市都不现实。
所以，加强交通管理与控制是公认的效益显著、投资少的方法。
当前，改善与提高现有的交通系统的效率已成为当务之急，而提高交通控制系统的效率更是重中之重[6]。
20世纪80年代以后，世界各国的交通控制出现了前所未有的发展热潮，随着计算机和自动控制技术的发展，交通运输组织与优化理论的不断提高，交通控制手段越来越先进，形成了一批高水平有实效的城市道路交通控制系统。
当今世界各国广泛使用的最有代表性且有成效的交通控制系统有澳大利亚的SCAT系统、英国的TRANSYT系统和SCOOT系统[7]。
TRANSYT（TrafficNetworkStudyTools）系统自1968年问世以来，经历不断地改进，已经发展成为先进的TRAN-SYT/9型。
作为最成功的静态智能交通控制系统，虽然已经被世界400多个城市所使用，但是由于其计算量较大，很难获得整体最优的配时方案，同时需要大量的路网几何尺寸和交通流数据[8]。
SCOOT（Split、CyeleandOffsetOptimizationTechnique）系统采用联机实时控制的动态模式，对周期、绿信比和相位差进行控制，采用小步长寻优方法，相对TRANSYT而言具有相当大的优势。
但SCOOT相位不能自动改变，现场安装调试时相当繁琐等缺点也急需改进[9]。
SCAT（SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficMethod）系统由澳大利亚工程技术人员采用先进的计算机网络技术，呈计算机分层递阶形式。
采用地区级联机控制，中央级联机与脱机同时进行的控制模式。
SCAT系统充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案容易变换。
但是，SCAT系统过分依赖计算机硬件，无车流实时信息反馈，可靠性较低[10]。
20世纪70年代末以来，我国经济建设快速发展，人民生活水平不断提高，汽车保有量逐年增加，交通问题日益显现。
我国部分大中城市摒弃了旧有的控制方式，一些先进的控制技术逐渐得到应用，虽然在整体规模和层次上与世界发达国家还有不小差距，但部分领域技术水平已处于世界先进位置。
目前，我国城市交通控制系统不单单是对交叉口信号灯进行控制，而是集交叉口信号灯控制和干线控制以及现代城市高速公路交通控制于一体的混合型交通控制。
在我国的交通控制系统的进步行程中，若只依赖被动、微观和静态的传统模式的控制策略，显然不能满足城市交通的需求。
必须突破传统信号控制的研究方法，控制思想上要由被动控制向主动自适应控制发展；
控制技术上要借助于现代科学技术向智能化、集成化发展；
控制规模上要由微观、中观控制向宏观、微观结合控制发展；
控制模式上要由静态控制向动态诱导控制发展；
发展方向上要以我为主，充分结合我国的实际情况，发展适应我国国情的交通控制系统[11]。
概而言之，要充分利用系统工程的思想和方法，加强对城市先进交通处理系统的硬件技术和软件技术研发。
我国智能交通控制系统起步较晚，交通信息集成和应用程度还比较落后，现有的交通显示屏基本上是静态交通信息，尚未形成真正意义上的智能交通控制。
为此，对智能交通控制系统必须要加快研发和实用化的步伐，满足新时期我国交通发展的需要。
只有采用新技术，探索各种新方法，才能为城市交通控制开辟新的思路，才能实现城市智能交通系统，从而真正缓解城市交通与经济发展日趋尖锐的矛盾[12]。
1.3本文研究的内容
经过对本课题的深入研究以及对智能交通控制系统的分析，明确本次设计完成的主要内容如下：
（1）根据控制要求，提出智能交通控制系统的总体方案并进行论证。
详细分析系统实现智能控制的工作原理，并确定系统的整体结构。
（2）对智能交通控制系统进行设计，完成该系统的硬件构建和软件设计。
完成硬件设备的选型，相应电气图纸的设计以及PLC控制程序的编写和调试，满足控制系统及工艺的基本要求。
（3）利用组态软件对系统的监控部分进行设计，画面符合要求，美观实用，能完成对系统的主要变量的实时监视和数据分析。
2总体方案设计
系统设计的目的是对PLC控制进行深入地学习和应用，完成对交通流量的实时统计与控制，并能利用上位机组态软件进行实时监控。
系统设计的思路是采用地感线圈探测车辆的通过，并用PLC对车辆数量进行计数，利用PLC在顺序控制上的强大功能，对交通流量进行实时统计和控制。
2.1工作原理分析
本系统以十字路口等待绿灯的车辆滞留量来确定该方向交通是否繁忙。
为了简化处理，该系统控制的普通十字路口的每个方向仅有直行车道，每个方向均设有红、黄、绿色直行交通灯。
如图1所示，在十字路口的东南西北四个方向的近端（停车线附近）和远端（相距近端约100米处）各埋设一个地感线圈，分别统计通过该处的车辆数。
图1十字路口地感线圈布置示意图
以南北方向为例，每当车辆驶近十字路口，必须先通过远端的地感线圈N1或S1，这时地感线圈将对车辆产生一个脉冲信号传送至PLC内通过增指令进行加1运算，此时如果信号灯仍为绿灯，车辆继续前行通过十字路口则必然经过近端的地感线圈N2或S2，同样地感线圈对车辆产生一个脉冲信号传送至PLC内通过减指令进行减1运算。
最终，PLC对地感线圈N1和S1脉冲信号的计数就可记录驶近路口的车辆数X，PLC对地感线圈N2和S2脉冲信号的计数就可记录驶出路口的车辆数Y。
为了简化运算，将两个相对方向（南与北、东与西）X、Y的数值合并为一组，那么南北方向车辆的滞留量Z1=X-Y。
同理可得，PLC通过对地感线圈脉冲信号的计数就可得到东西方向车辆的滞留量Z2。
通过计算车辆的滞留量Z1与Z2的差值，从而决定对绿灯进行延时控制。
将此差值设为三个区间进行判断如下：
如果Z1－Z2﹥10，则南北方向繁忙，东西正常，南北直行绿灯延长10秒。
如果Z1－Z2﹤－10，则东西方向繁忙，南北正常，东西直行绿灯延长10秒。
如果－10≤Z1－Z2≤10，则视为正常情况，交通信号灯控制按固定周期变换。
车辆驶过产生的脉冲计数、车辆滞留量的双向比较以及绿灯延时时间的控制全部由PLC来完成。
各地感线圈时刻检测车辆，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，然后根据以上智能控制原则，调整绿灯时长。
2.2系统结构
系统主控制器选用西门子的S7-200系列PLC，车流量检测装置采用基于电磁感应原理的地感线圈，系统由PLC控制器、地感线圈检测装置、信号转换装置、十字路口交通灯组等几部分组成，如图2所示。
图2系统结构图
系统运行过程中，首先，地感线圈感应到车辆通过的信号，该信号通过信号转换装置转换为0～10V的标准电压信号输入到PLC，PLC控制系统通过判断该信号的状态,经过数据处理和计算得到各路口实际车流量的数据，自动控制系统根据各个路口的实际车流量自动调节其所在路口的信号灯的通行状态。
3系统硬件设计
3.1车流量检测
3.1.1地感线圈的选型原则
地感线圈是本智能交通自控系统中的最主要的检测元件，地感线圈的技术规格由车道的大小和埋设的深度决定，地感线圈主要由内径，外径，线径和匝数四大因素组成，一旦这四大因素确定，线圈的规格型号即可确定[13]。
地感线圈工作在最佳状态下时，线圈的电感量应保持在100uH—300uH之间，在线圈电感不变的情况下，线圈的匝数与周长有关系，周长越小、匝数就越多，线圈匝数可参考表1。
表1线圈匝数参考表
线圈周长
线圈匝数
<
300cm，电感100uH—300uH
5-6匝
300—600cm
600—1000cm
4-5匝
1000—2500cm
3匝
2500cm以上
2匝
由于道路下可能埋设有各种电缆管线、钢筋、下水道盖等金属物质，这些都会对线圈的实际电感值产生很大影响，在实际施工时应使用电感测试仪实际测试地感线圈的电感值来确定施工的实际匝数，保证线圈的最终电感值在合理的工作范围之内（如在100uH—300uH之间）。
否则，应对线圈的匝数进行调整[14]。
在理想状况下（不考虑一切环境因素的影响），地感线圈只考虑面积的大小（或周长）和匝数，可以不考虑导线的材质。
但在实际工程中，必须考虑导线的机械强度和高低温抗老化问题，在某些环境恶劣的地方还必须考虑耐酸碱腐蚀问题[15]。
在实际的工程中，建议采用0.1cm以上铁氟龙高温多股软导线。
若本系统中的十字路口模拟交通模型为60*60cm，根据实际十字路口的尺寸按比例缩放，得到的车道大小约为3cm。
设计时选择的线圈内径为1.8*2.3cm、外径为2.0*2.5cm、线径为0.05cm、匝数为180n。
3.1.2信号转换装置
地感线圈的工作原理基于振荡电路原理,将地感线圈埋入地下，当有车辆经过时，车的铁外壳使得线圈电感发生变化，将线圈接入振荡电路，使电感量的变化转换成谐振频率的变化。
信号转换装置是由一种基于电磁感应原理的信号转换线路构成，该转换电路主要由两只三极管组成的共射极振荡器和地感线圈（电感元件）、电阻、电容等元件组成的耦合振荡电路组成，信号转换装置的电路原理如图3所示。
图3信号转换装置电路原理图
Ul和U2组成共射极振荡器，电阻R3是两只三极管的公共射极电阻，并构成正反馈，地感线圈T作为检测器谐振电路中的一个电感元件，与振荡回路一起形成LC谐振。
当有大的金属物（汽车）通过时，由于空间介质发生变化引起了振荡频率的变化（有金属物体时振荡频率升高），将会使线圈中单位电流产生的磁通量增加，从而导致线圈电感值发生微小变化，进而改变LC谐振的频率，这个频率的变化就作为有汽车经过地感线圈的路面时的输入信号，再将此信号通过由R4和C3组成的LC滤波电路，输出稳定的直流电压（0～10V的标准电压信号），此电压即可输入到PLC系统。
3.2用PLC实现智能交通控制
目前智能交通控制的设计方案有很多，有采用CPLD数字集成电路实现交通信号灯智能控制的设计，有采用单片机实现对交通控制设计的方案[16]。
而本智能系统采用PLC实现智能交通控制，并通过软件编程实现可以根据十字路口车流量自动调节绿灯时间的控制系统。
3.2.1PLC的I/O地址分配及选型
经过分析后，可得出系统的输入输出信号及其I/O地址分配如表2所示。
表2I/O分配表
输入信号
输出信号
名称
输入点编号
输出点编号
线圈S1
I0.0
南北红灯
Q0.0
线圈S2
I0.1
南北黄灯
Q0.1
线圈N1
I0.2
南北绿灯
Q0.2
线圈N2
I0.3
东西红灯
Q0.3
线圈W1
I0.4
东西黄灯
Q0.4
线圈W2
I0.5
东西绿灯
Q0.5
线圈E1
I0.6
线圈E2
I0.7
手动启动
I1.0
手动停止
I1.1
在PLC选型时，由于目前市场上的PLC种类繁多，生产公司不同，PLC的结构和编程语言也会有差异，而西门子S7-200系列PLC具有体积小、速度快、标准化的特点，具有丰富的功能模块和强大的指令系统，这就使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现其复杂控制功能，并且可以近乎完美地满足小规模的控制要求[17]。
又由于其编程易于掌握，指令丰富，因此在本设计中选用S7-200系列PLC。
由系统的输入输出信号及其I/O地址分配，结合CPU224具有14个输入点和10个输出点，8KB用户程序区和5KB数据存储区，1个RS485通信/编程口和7个扩展模块的特点，所以可选用CPU224。
3.2.2PLC的外部接线及系统原理
在该控制系统中，PLC采用继电器输出直接驱动交通灯。
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小电流去控制较大电流的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
PLC的外部接线及系统原理图如下图4所示。
其中，PLC、交通灯和信号转换
图4系统原理图
PLC外部电源电路设计见附图。
其中，当空气开关闭合时，电源指示灯亮，电源开始正常供电，当电路中出现短路或过载情况时，空气开关会断开电源，保护电路及相关设备。
4系统软件设计
4.1系统的控制要求
上电后，控制系统开始工作。
先进行程序初始化，寄存器清零并开始计数。
如前文2.1中所述，通过计算车辆的滞留量Z1与Z2的差值，从而决定是否对绿灯进行延时控制。
依次循环检测对交通灯进行自动控制。
根据设计思路，系统的控制流程如下图所示。
图6系统总流程图
4.2程序重点部分分析
4.2.1通行车辆计数
在程序中，怎样对车辆脉冲进行计数是很重要的。
经过反复思考和编程，我最终选择了利用增减指令对车辆脉冲进行计数，这样可以很容易得出各方向上的车辆数量。
具体程序如下图所示：
图7各方向地感线圈计数
4.2.2延时控制的选择
在设计方案里，怎样利用南北方向与东西方向车辆滞留量的差值进行延时控制的选择是关键的一步。
经过不断的探讨，我选择了比较指令来实现这一选择。
具体程序如下：
图8延时控制的实现
根据延时条件的不同可选择不同的方式进行控制，若延时条件均不满足，则按车流量正常处理。
具体程序见附录一。
5系统仿真
5.1组态软件选取
在系统仿真过程中，我选用的是iFIX组态软件。
iFIX软件可作为一个“进入过程的窗口”，并提供实时数据给操作员及软件应用，由于具有很好的开放性、安全性以及扩展性，成为了工业自动化领域最流行的工控组态软件之一[18]。
iFIX软件是以SCADA（数据采集及监控）组件为核心。
SCADA的基本功能是数据采集和数据管理，保证数据的完整性，并且提供完整的分布式网络功能。
数据采集就是从现场获取数据并将它们加工成可利用的形式。
iFIX也可以向现场写数据，这样就建立了控制软件所需的双向连接。
iFIX不需要用特别的硬件来获得数据，而是通过一个I/O驱动器兼容它们，这在现场应用中显得尤为重要。
数据管理包括通过扫描、报警和控制程序从驱动程序映像列表中读取数据，对数据进行处理，再将数据传送到过程数据库以及从内部数据库访问函数、读取数据，并传达到需要的应用中等功能[19]。
人机交互HMI是iFIX软件的另一个重要组件，它具有强大的图形编辑功能。
iFIX提供了强大的人机交互平台，它以直观的界面把所有的系统组件都集成在一个单独的开发环境中，具有微软界面风格。
该人机交互平台特有的动画向导，智能图符生成向导等强大的图形工具方便了系统开发，标签组编辑器大量节省系统开发时间，并且内置了易学易用的VBA这一计算机语言系统，使得无论是控制系统的设计人员，还是应用人员都能很快上手。
基于iFIX软
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