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十字路口的交通信号灯控制
长春工业毕业论文
十字路口的交通信号灯控制
学生姓名：
专业班级：
机械制造及其自动化
指导教师：
起止日期：
长春工业大学
摘要
城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。
交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。
目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。
所以经典控制法很难得到满意的效果。
而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。
近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。
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。
关键词：
交通;智能控制;PLC
关键词：
交通;智能控制;PLC
绪论
智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。
出于便捷和效果的综合考虑，我们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。
比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。
并且城市规模的不断扩大，交通日益繁忙，导致红绿灯已经成为疏导交通最常见和最有效地手段
绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。
红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，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。
城市红绿灯一般采用可编程控制器，其中采用PLC程序控制的在实际使用中占有很大的比例。
第一种为传统红绿灯，即在红绿灯之间转换，绿灯变红灯时加黄灯来缓冲;第二种是在传统红绿灯基础上加上绿灯闪烁的功能，即在绿灯将要结束之际加上闪烁，其目的是提醒车辆，并保留黄灯缓冲时间（主要以其为例）；第三种是数字显示红绿灯，这是目前大城市所用最多的红绿灯，这种是在第二种红绿灯基础上加左右转弯和倒计时显示。
第一章概述
1.1PLC的介绍
1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国数字设备（DEC）研制成功，有逻辑运动、定时、计算功能称为plc（programmablelogiccontroller）。
80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运动，PLC运动过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。
被称为PLC（programmablecontroller）即可编程控制器。
国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：
“可编程逻辑控制器是专为工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有储存器、可以编制程序的控制器。
他能够储存和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成的一个整体、易于扩展其功能的原则设计。
”
1.2可编程控制器的基本概念
可编程控制器简称PC（英文全称：
ProgrammableController），PLC（如图1-1所示）用于存储其内部指令、程序代码及程序运行所需的各种数据，并以数字或模拟的方式与外部进行输入和输出，进而控制各种类型的执行装置。
PLC及其有关的外围设备是工业控制系统中的重要组成部分，尤其在底层控制中，PLC一般都会是控制系统的核心。
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图1-1可编程控制器
它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：
ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。
为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。
1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、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和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.3PLC的基本构成及基本语言
1.3.1PLC的基本组成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置（如图1-2所示）。
图1-2整体式PLC的基本组成框图：
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
1.电源
PLC的电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源，在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
2.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，是PLC的核心起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
3.存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
4.输入输出接口电路（I/O模块）
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
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。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
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。
5.底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
6.功能模块
如计数、定位等功能模块
7.通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等
8.编程设备
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
9.人机界面
最简单的人机界面是指示灯和按钮，液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
1.3.2PLC的基本语言
可编程控制器PLC中有多种程序设计语言，它们是：
梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。
功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。
功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。
1.4可编程控制器的基本特点
1.抗干扰能力强，可靠性较高。
2.通用性和灵活性强
3.编程语言简单易学4.功能强和功能的扩展能力强
5.控制系统设计、调试周期短6.维修方便，维修工作量小
7.体积小、重量轻、易于机电一体化
第二章可编程控制器的工作原理及生产厂家
2.1PLC的工作原理
图2－1工作原理图
1.PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：
内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图2-1所示。
PLC的工作原理：
电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：
噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
PLC产品是基于PC机开放结构的控制装置，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。
软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能，通过一个多任务控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。
2.2PLC的设计原则
1.最大限度的满足被控对象的控制要求。
2.在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。
3.保证控制系统安全可靠。
4.考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。
2.3PLC的生产厂家
1.德国西门子2.美国GE3.美国AB4.日本OMROM
5.美国莫迪康6.日本三菱7.日本松下8.中国无锡华光
2.4PLC外部接线图
第三章交通红绿灯控制系统的设计
3.1交通灯的设计方案
1.普通实用型交通红绿灯的布置图（如图3-1）
图3-1交通红绿灯的布置图
2.交通灯正常循环运行流程过程
（1）按下启动按钮后，交通灯控制系统开始工作，先亮南北方向绿灯和东西方向红灯，在亮东西方向绿灯和南北方向红灯，然后再亮南北方向绿灯和东西方向红灯，这样一直循环运行。
（2）南北向和东西向主干道均设有左转绿灯，维持亮10秒，左转黄灯持续亮3秒，左转红灯持续亮25秒，左转绿灯灭的同时，直行绿灯亮，持续亮20秒，黄灯3秒和红灯25秒，当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮，左行绿灯，直行绿灯和黄灯。
（3）南北向和东西向人行道均设有绿灯、黄灯、红灯，人行道上的红绿灯与同方向主干道上的直行红黄绿灯运行方式相同。
3.2材料的选择
1.材料选择：
28盏220v50Hz指示灯，四杆四米灯架，八杆两米灯架
（1）优点:
控制简单实用，按装方便，拥有马路和人行道功能
（2）缺点：
在一些大城市或交通繁忙路段无法正常疏导交通
2.PLC型号的选用
根据设计要求得出，只需要一个启动按钮SB1和一个停止按钮SB2两个输入信号，而马路上有六组信号灯，人行道上有四组信号灯，共十组输出信号，为了避免大材小用，秉承经济节约方针，我们应尽量选择最经济的方案，这次设计我们选用了S7-200CPU244型号PLC，外加CPU221作为外加的模块
3.硬件设备的选用
名称
型号及要求
备注
PLC主机
S7-200CPU224
可另加模块
主开关
SB1、SB2
变压器
方正EI行变压器
220v变24v
交通信号指示灯
超高强度LED灯
光强度：
红928cd黄714cd绿989cd;功率（w）；红、黄＜20w绿﹤18w；可视距离≧500m工作电压AC220v±15%
人行道信号指示灯
电线
BVR2.5平方铜芯硬线
长度自选
其他附件
S7-200CPU211
外加PLC模块
3.3交通灯的流程图
3.3.1主程序的流程图设计图（如图3-3-1）
图3-3-1主程序的流程图设计图
3.3.2交通灯控制时序图
3.3.3PLC梯形图
图2-2PLC工作原理的梯形图
3.4交通灯的安装与调试
3.4.1交通灯的按装
安装时应注意与热源、高电压和电子噪音隔开，S7-200设备设计时采用自然散热方式，所以在安装线路时要留足够的空间，在扩展接口处也应留出足够多的空间，这样可以灵活地使用I/O扩展电缆，在安装或卸载任何电器前必须确认设备电源已经断开。
3.4.2交通灯的调试
程序调试在PLC模拟电路板上进行，先按硬件接线图完成实物的接线，接线是各个接口按图正确接线，并且每个接口牢靠。
完成此步骤后在连接上传输线。
在做调试时，首先将事先编好的程序系在到PLC上，完成后进行通电试运行。
PLC一上电电路应无任何反应，这时电路可进行下一步调试。
这时电脑上可进行程序状态的监控。
按先启动按钮SB1，Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4起到后四个接口的接触器马上吸合，25s后Q0.1接口上的接触器考试跳动，跳动3次后断开，改为Q0.2后面的接触器吸合。
2s后Q0.4、Q0.1、Q0.2吸合，25s后q0.4接口上的接触器开始跳动3次，跳动3次后断开，改为Q0.5后面的接触器吸合，2s后Q0.5断开，Q0.1后面的接触器开始跳动3次后断开，后面动作一直如此循环作业，在没有按下SB2停止之前，电路一直循环作业。
结论
交通信号灯控制系统的设计，我们以前学过，我想这个课题是很容易的。
当真正做起来的时候，还是觉得有点困难的，有的东西以前学了，但现在用起来可能有事有点疑问。
就如画电气原理图把整体的构造脑海里都有一个整体的概念。
而你要话出来的话，你可能会遇到细节上的问题，比如说按钮开关的方向是怎样，以及怎么划分区域等。
遇到这些问题的时候都能让你主动翻书，复习这些陌生的知识。
我认为这是一种最好的学习方法-——通过实践去检验自己的知识。
这个只有你自己投入进去才能发现自己知识的欠缺。
作为一名机电专业的学生对电气原理图的了解应该有更深刻的认识，知道他的重要性。
要能看得懂，给你一张电气原理图，你要能够写出梯形图。
查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上又资料但要找一些真正有用的资料也不是一件容易的事，需要耐心查找。
在程序设计过程中，我对以前的编程方法做了归纳，之前我习惯用功能流程写程序，遇到难点的时候习惯翻书。
对照例子提取点精华。
现在能灵活运用经验设计法、电气原理图设计法、顺序控制设计法。
特别对多程序设计有了一定的了解。
这里面最经典我认为是单序列的编程方法、选择序列的编程方法和并行序列的编程方法这三个是很值得研究的，也是一种格式。
只要你能够熟悉掌握，灵活应用的话，那么编程对你来说将变的非常容易。
一个流程无论多么复杂，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法编程了。
当然对于简单的流程也可以用顺序设计。
这种方法也是一种固定的格式，只要按照他的格式级可以学出正确的程序，他的优点可以说易懂，条理清晰。
但结构多。
对于活动步多的设计我想用这个设计笔记繁琐。
更加体会到PLC的可靠性高，抗干扰能力强，通用行强，控制程序可变，使用方便等优点。
更加熟悉了西门子编程软件使用方法与各种基本指令。
这次的课程设计使我们把可编程控制器的理论知识用在实践中，实现了理论和时间相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践有能检验理论的正确行，让我受益匪浅，对我以后工作中遇到问题或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响。
致谢
首先我要感谢给位审核老师对本论文的阅读，其次我要感谢我的指导老师，是他不辞辛苦，不厌其烦的帮我修改论文，将原本漏洞很多只用文字堆积起来的论文改成了有字有图，生动讲解出交通红绿灯的整个设计流程。
最后我要感谢我的同学，感谢他们和我分享资料帮我排除问题。
四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。
四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。
伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。
我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。
您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。
授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。
感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！
最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。
参考文献
田瑞庭《可编程控制器应用技术》机械工业出版社张万忠《可编程控制器应用技术》化学工业出版社于庆广《可编程控制器原理及系统设计》清华大学出版社罗宇航《流行PLC实用程序及设计》机械工业出版社于庆广《可编程控制器原理及系统设计》清华大学出版社王爱玲《现代数控原理及控制系统》国防工业出版社西门子公司《SIMATICS3-200可编程控制器系统手册》
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