PLC交通灯设计.docx

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PLC交通灯设计

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。

参考文献33

第1章绪论

1.1交通灯设计的意义

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交通灯的发展情况

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交通灯的发展前景

随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也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澎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藕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，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。

第2章PLC简介

2.1PLC的发展

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亦再不断发展变化中，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在世界各地得到了广泛应用，同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。

随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。

但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。

综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。

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。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。

随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。

通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。

实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器

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

（1）编程软件日益普及

（2）编程软件功能不断完善

（3）编程语言的标准化

（4）编程软件配备仿真功能，如西门子S7-200与STEP7编程软件配套使用的S7-PLCSIM仿真软件。

（5）通讯功能的增强和标准化

（6）PLC的软件化与PC

2.2PLC的构成与特点

2.2．1PLC的构成

如图所示，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。

其完成控制的实质是按一定算法进行I／O变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。

1.输入寄存器

输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。

CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。

图2-1PLC的组成

2.输出寄存器

输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。

在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。

只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。

3.存储器

存储器分为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。

4.CPU单元

CPU单元控制着I／O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的大脑。

5.其它接口单元

其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。

2.2．2PLC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计的控制装置，它具有比通用的计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。

采用了简化的编程语言，变成出错率大大降低。

在可编程控制器的软件方面，也采用了一系列提高可靠性的措施。

例如，采用软件过滤；软件自诊断；简化编程语言；信息保护和恢复。

报警和运行信息的显示等。

2.易操作性

着体现在它的操作方便、编程方便、维护方便。

3.灵活性

编程的灵活性。

编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图、和语句表。

这种编程的灵活性是继电器顺序控制所不能比拟的，正是由于编程的柔性特点，再柔性制造单元FMC、柔性制造系统FMS、计算机集成制造系统CIMS和计算机集成流程工业系统CIPS，可编程控制系统成为主要的控制设备。

扩展的灵活性。

它不仅可通过增加输入输出卡件增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统DCS扩展功能，并与外部设备进行交换等。

2.3PLC的应用

近年来PLC的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、造纸、纺织、等行业。

PLC的应用通常可分为五种类型。

⑴顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。

PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。

如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线及电梯控制等。

⑵运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。

在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。

⑶闭环过程控制PLC能控制大量的物理参数，如温度、速度和流量等。

一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。

当过程控制中某一个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。

⑷数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。

著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。

为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。

通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。

⑸通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。

作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。

第3章交通灯程序的设计

3.1交通灯程序的设计任务

本设计讨论了用PLC实现正常时序、急车强通2种控制方式，通过传感器与PLC完成对交通异常状况（滞留或堵车）的判别及处理。

正常时序控制对路面进行控制.南北方向红灯时,东西方向绿灯.绿灯闪3秒紧接着黄灯闪2秒,变红灯.南北方向红灯直接变绿灯.东西方向红灯时同理.

急车强通时,发送信号给交通灯让其对来急车方向的交通灯进行绿灯畅通.急车强通信号受急车强通开关控制；无急车时，信号灯接正常时序控制；有急车来时，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。

交通滞留的异常情况，在路口与路尾设置两个传感器进行检测车流量.交通路段车流量繁忙时，传感器起到勘测车流量的存在与通过的作用。

当一方车流量过大的时候,PLC要对控制这一路段的信号灯进行调控,让滞留或堵车的一方绿灯时间加长,直到交通畅通为止这种工作的好处是避免了交通堵塞造成的不必要的麻烦与事故,就、控制进行很方便,很便捷。

3.2PLC的选型

本文选用三菱系列的FX2N-64，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。

信号灯的选择:

选用红、黄、绿发光二极管作为信号灯（箭头方向型）。

FX2N系列拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入/输出的多种应用的选择方案。

价格便宜，功能齐全，比起其他PLC有着速度、逻辑、定位等优越之处。

安装简单，维修方便。

FX2N-64的I/O总数32，输入/输出各32个，输入类型为漏型，输出类型为继电器或晶体管。

FX2N通过储存的程序周期运转。

正常时序、急车强通和车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。

当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。

我选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;它采用模块化结构，编程简单，维修方便。

3.3车流量的计算

（1）每股行车道的车流量通过PLC分别统计。

当车辆进入路口经过第一个传感器1（见图11）时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量（动态值），可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。

（2）先统计每股车道上车辆的滞留量，然后按大方向原则累加统计。

如，将东西向的（见图5）左行、直行、右行道上的车辆的滞留量相加，再与其它的3个方向的车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。

（3）统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则（不影响行车安全的多道相向行驶）累加统计。

如，东、西相向的2个左行、直行、右行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据（下面的例子就是按此种方式）。

图3-1车流量的计算

上述所描述的车流量统计方式,十字路口PLC自动调整红绿灯时长的程序流程图如图8所示，其行车顺序与现实生活中执行的一样，只是时间长短不一样。

程序的控制规律如下:

（1）当各路口的车辆滞留量达一定值溢满时（相当于比较严重的堵车），红绿灯切换采用现有的常规定时控制方式;

（2）当东、西向路口的车辆滞留量比南、北向路口的大时（反之亦然），该方向的通行时间=最小通行定时时间＋自适应滞环比较增加的延时时间（是变化的），但不大于允许的最大通行时间。

其中最小定时时间是为了避免红绿灯切换过快之弊;最大通行时间是为了保障公平性，不能让其它的车或行人过分久等。

进一步的说明在后面的注释中。

（3）自适应滞环比较（本例的核心控制规律）增加的时间的确定若东、西向车辆滞留量≥南、北向一个偏差量σ（如30辆车或其它值）时，先让东、西向的左转弯车左行15s（定时控制，值可改），再让直行车直行30s（直行时间的最小值，值可改）后再加一段延时保持，直至东、西向的车辆滞留量比南、北向的车辆滞留量还要少一个偏差量σ，才结束该方向的通行，切换到其它路上，否则一直延时继续通行下去，直至到达最大通行时间而强制切换。

滞环特性如图9所示。

实际应用时σ的值需整定，过小则导致红绿灯切换过频，过大又不能实现适时控制。

3.4I/O地址分配

根据示意图和控制要求可知,该系统需要3个输入点和6个输出点,起地址分配如下:

输入设备输入编号点输出设备输入编号点

起动开关X400南,北红灯Y430

东西急车X401东,西绿灯Y431

强通开关东,西黄灯Y432

南北急车X402南,北绿灯Y433

强通开关东,西黄灯Y434

南,北红灯Y435

3.5PLC外围电路的连接

HL1

南北红灯

启动HL2

HL3

东西绿灯

HL4

HL5

东西黄灯

IHL6

南北急车

HL7

HL8南北绿灯

东西急车HL9

HL10东西红灯

comcomHL11

_-南北黄灯

HL12

图3-2正常时序交通灯电路图

3.6主程序流程图

图3-3主程序流程图

启动电源，信号输入先传送到急车强通控制，无线接收数据相同执行急车强通的子程序，不同就传送到滞留情况，电感式传感器有高频电流通过电感时，车流量大，当车辆进入路口经过第一个传感器时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量（动态值），可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。

这时执行滞留情况子程序。

如果不是进入正常时序状态。

3.7正常时序情况

PLC投入运行后，由方波发生器的辅助继电器M100产生周期为1s（接通0.5s、断开0.5s）的方波脉冲，供信号闪光灯控制用。

图3-4正常时序流程图

图3-5十字路口交通灯正常时序控制时序图

3.8正常时序设计结果

图3-6十字路口交通灯正常时序控制梯形图

十字路口PLC自动调整红绿灯时给信号灯电源，信号系统工作；南北红灯亮，东西绿灯亮；南北红灯亮维持25s，在南北红灯亮的同时东西绿灯亮，并维持20s；到20s时，东西绿灯闪亮，绿灯闪亮周期为1s（亮0.5s，0.5s）；绿灯闪亮3s后熄灭，东西黄灯亮，并维持2s；到2s时，东西黄灯熄，东西灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮；西灯亮维持30s，南北绿灯亮维持25s到25s时，南北绿灯闪亮3s后熄灭，南北黄灯亮，并维持2s；到2s时南北黄灯熄，南北红灯亮，同时东西红灯熄,东西绿灯亮，开始第二周期的动作。

程序运行过程如下：

当启动开关合上是，X400接通，使Y432、Y434接通，南北红灯亮、东西绿灯亮；T450开始计时。

T45020s计时到，T450常闭触点断开，T450常逼触点闭合，通过M100常开触点、T451常闭触点使Y434按照M100的通断周期通断，东西绿灯闪光；T451开始计时。

当东西绿灯闪3次（时间为3s）时，T451计时到，T451常闭触点断开，使Y434断开，东西绿灯闪光熄；T451常开触点闭合，使Y435接通，东西黄灯亮；T452开始计时。

T4522s计时到，T452常闭触点断开，使Y432、Y435断开，南北红灯熄、东西黄灯熄；T452常开触点闭合，使Y452常闭触点闭合，使Y436、Y430接通，东西红灯亮、南北绿灯亮；T453开始计时。

T45325s计时到，T453常闭触点断开，T453常开触点闭合，通过M100的通断周期通断，南北绿灯闪光；T454开始计时。

T4543s计时到，T454常闭触点断开，使Y430断开，南北绿灯闪光熄；T454常开触点闭合，使Y431接通，南北黄灯亮；T455开始计时。

T4552s计时到，T455常闭触点断开，使Y436、Y431断开，东西红灯熄、南北黄灯熄；同时使T450、T451、T451、T453、T454、T455全部计时器复位（断开），于是T450常闭触点、T452常闭触点闭合，分别使南北红灯亮和东西绿灯亮，开始第二周期的动作，以后周而复始的进行。

当启动开关断开时，X400断开电器断开，全部信号灯熄灭。

3.9急车强通情况

3-7急车强通流程图

3-8急车强通控制时序图

3.10急车强通情况设计结果

3-9强通控制梯形图

急车强通信号受急车强通开关控制；无急车时，信号灯接正常时序控制；有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号灯的状态如何，一律强制让急车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止；急车一过，将急车强制开关断开，信号灯的状态立即转为急车放行方向上的绿灯闪3次，随后按正常时续控制；急车强通信号只能响应一路方向的急车，若两个方向先后送急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。

交通路段经常会出现紧急情况的发生。

比如一台救护车需要急救，强通十字路口，为了病人的生命安全保障，需把此路段畅通，让救护车通过。

当东西急车强通开会合上时，X401接通，M200接通，M200常闭触电断开，使T451、T452、T453、T454、T455全部计时器断开；M20-0常开触电闭合，使Y432、Y434接通，南北红灯亮、东西绿灯亮，让东西急车