PLC的智能交通信号灯控制系统

摘要交通信号灯是通过对交通流量的控制实现安全传输，随着经济的发展，车辆的数目不断增加，道路堵车现象日益严重，为了改善这种状况。迫切需要设计智能的交通信号灯控制系统，运用PLC可编程控制设计的交通信号灯等设计系统具有小型化，智能化，易于安装与维修等特点，能够适应经济与社会的发展。本设计的主要思路是：通过车流量检测系统实现对十字路口车流量的实时监测，并根据车流量的变化，实时对红绿灯亮的时长做出调整，提高十字路口的车辆通行能力。本设计采用德国西门子S7-200系列的CPC224做主机，采用S7-200，编写梯形图程序，并配有I/O接线图。完成PLC对交通信号灯的控制。在本次设计中总共分为了五大章，第一章可编程控制器（PLC）概述，第二章交通灯的概述，第三章智能交通灯的理论和方法，第四章PLC硬件设计，第五章PLC软件编程设计。目录第一章 可编程控制器（PLC）概述31.1可编程控制器的产生与发展31.1.1 PLC的产生31.1.2 PLC的特点41.1.3 PLC的分类51.1.4 PLC的应用和发展61.2可编程控制器的组成与工作原理71.2.1 PLC的组成71.2.2可编程控制器基本工作原理10第二章 交通灯的概述112.1我国城市交通的现状112.2交通灯的发展史122.2.1 智能交通信号灯的发展前景与意义13第三章 智能交通灯的理论和方法143.1交通灯控制方法分类143.2自动检测系统153.2.1 自动检测系统的概述153.3传感器163.3.1传感器的选择193.5 控制方式223.5.1 急车强通控制方式22第四章 PLC硬件设计254.1 I/O I/O分配表254.2 I/O分配点数估算254.3 PLC的选型254.4 PLC硬件电路设计26第五章 PLC软件编程设计265.1 系统控制过程265.2 程序流程图28结 论44谢辞45参考文献 46、第一章可编程控制器（PLC）概述1.1可编程控制器的产生与发展1.1.1 PLC的产生可编程控制器简称PLC，它是从20世纪60年代末发展起来的一种新型的电气控制装置，它将传统的继电气控制技术和计算机控制技术、通信技术融为一体，正以显著的优点被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制。传统的机电接触器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜的优点，在工业生产中应用广泛。但是，这些控制装置体积大，动作速度慢，耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，因此其接线复杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线和控制盘（柜）就必须随之改变，通用性和灵活性较差。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断翻新，提出了这样的设想：把计算机的功能完善、通用灵活等优点，与继电接触器控制简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，以取代的继电器。并要求把计算机的编程方法和程序输入方法加以简化，用“自然语言”进行编程，是不熟悉计算机的人也能方便的使用。美国数字设备公司(DEC)根据以上设想和要求，在1969年研制出第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的汽车生产线上使用并获得了成功。这就是第一台PLC的产生。当时的PLC仅有执行继电器逻辑控制、计时、计数等较少的功能。在20世纪70年代中期，出现了微处理器和微型计算机，人们把微机技术应用到可编程控制器中使得他兼有计算机的一些功能，不但用逻辑编程取代了硬连线，还增加了数据运算、数据传输与处理以及对模拟量进行控制等功能，使之真正成为一种计算机工业控制设备。 1.1.2 PLC的特点1.可靠性高、抗干扰能力强PLC是专为工业控制而设计的，在设计与制造过程中均采用了屏蔽、滤波、光电隔离等有效措施，并且采用模块式结构，有故障迅速更换，故PLC平均无故障2万小时以上。日本三菱公司生产的F系列PLC平均无故障高达30万小时。此外，PLC还具有很强的自诊断能力，可以迅速方便的检查判断出故障，缩短了检修时间。2.编程简单、使用方便编程简单是PLC优于微机的一大特点。目前大多数PLC都采用与实际电路接线图非常相近的梯形图编程，这种编程语言形象直观，易于掌握。3.功能强、速度快、精度高PLC具有逻辑运算、定时、计数等很多功能，还能进行D/A转换、A/D转换、数据处理、通信联网。并且运行速度快、精度高。4.通用性好PLC品种多，档次也多，许多PLC制成模块式，可灵活组合。5.其他PLC还具有体积小、重量轻、耗能低、环境适应性强等优点。从上述PLC的功能特点可见，PLC控制系统具有传统的继电接触控制系统所不具有的许多优点，在许多方面可以取代继电接触控制。但是，高、中档PLC使用需具有相当的计算机知识，且PLC制造厂家和PLC品种类型很多，而指令系统和使用方法不尽相同，这给用户带来不便。 1.1.3 PLC的分类按结构分类，PLC可分为整体式和机架模块式两种。（1）整体式整体式结构的PLC将中央处理器（CPU）、存储器、电源部件、输入和输出部件集中配置在一起，它具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低等特点，小型PLC采用这种结构，适用于工业生产中的单机控制，例如，FX2-32MR，S7-200等。（2）机架模块式机架模块式PLC将各部分按模块分开，例如CPU模块、电源模块、输入模块、输出模块等。使用时可将这些模块分别插入机电底板的插座上，配置灵活、方便、便于扩展。可根据生产实际的控制要求配置各种不同的模块，构成不同的控制系统，一般大、中型PLC采用这种结构，例如西门子S7-300、S7-400等。按PLC的I/O点数、存储容量和功能来分，大体可以分为：大、中、小三个等级。(1)小型PLC小型PLC的I/O点数在120点一下，用户程序存储器容量为2KB（1K=1024，存储一个“0”或“1”的二进制码称为1b，1B为16b）以下，具有逻辑运算、定时、计数功能，也有些小型PLC增加模拟处理、算数运算功能，其应用面更广，主要适用于对开关量的控制，可实现条件控制、定时、计数控制、顺序控制等。（2）中型PLC中型PLC的I/O点数的在120512点之间，用户程序存储器容量达28KB，具有逻辑运算、算术运算、数据传送、数据通信、模拟量输入输出等功能，可完成既有开关量又有模拟量较为复杂的控制。（3）大型PLC大型PLC的I/O点数在512点以上，用户存储容量达到8KB以上，具有数据运算、模拟调节、网络通信、监视、记录、打印等功能。能进行中断控制、智能控制、远程控制。在用于大规模的过程控制中，可以分为分布式控制系统，或整个工厂的自动化网络。PLC还可根据功能分为低挡级、中档级和高档级。 1.1.4 PLC的应用和发展可编程控制器在国外已广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力、轻纺等行业，目前PLC主要有以下几个方面应用。1.用于开光逻辑控制这是PLC最基本的应用。可用现代传统继电器控制，例如机床电器的PLC控制，也可取代顺序控制，例如高炉上料、电梯控制、货物存取、运输、检测等。总之，PLC可用于单机、多机群控以及生产线的自动化控制。2.用于机械加工的数字控制PLC和计算机控制（CNC）装置组合成一体，可以实现数字控制，组成控制机床。3.具有定时计数、数据处理功能PLC具有定时、计数功能。它为用户提供了若干个定时器，计数器，并设置了定时计数指令。用户在编程时可使用，操作起来非常方便。具有很强的数据处理能力，PLC还设有四则运算指令，可以很方便的对生产过程中的数据进行处理。4.用于机器人控制可用一台PLC实现36轴的机器人控制。5.用于模拟量何必患过程控制PLC还具有A/D和D/A转换功能，能完成对模拟量的调节与控制,现代大型PLC都具有PID子程序或PID模块，可实现单回路、多回路的调节控制。6.用于组成多级网络控制系统实现工厂自动化网络PLC采用通信技术，可进行远程I/O控制，多台PLC之间可以进行同为连接，还可以与计算机进行上位连接，接受计算机命令，并将执行结果传回计算机。目前PLC已广泛应于钢铁、采矿、水泥、化工、电力、机械制造、汽车装卸、造纸、纺织、环保以及娱乐等，为工业自动化提供了有力的工具，促进了机电一体化的实现。可以预料，随着科学技术的不多发展，PLC的应用领域也不断拓宽。自从美国研制出第一台PLC以后，日本、德国、法国等工业发达国家相继研制出各自的PLC。20世纪70年代中期在PLC中引入了微机技术，使PLC的功能不断增强，质量不断提高，应用日益广泛。目前在世界上众多PLC制造厂家中，比较著名的几个大公司有美国AB公司、歌德公司、TI公司、通用电气公司、德国的西门子公司，日本的三菱公司、东芝公司、富士公司和立石公司等，他们的产品控制着世界上大部分的PLC市场。PLC技术已成为工业自动化三大技术（PLC技术、机器人、计算机辅助设计与制造）支柱之一。我国研制与应用PLC起步比较晚，1973年开始研制，1977年开始应用，20世纪80年代初期发展比较慢，80年代随着成套设备或专用设备引进了不少PLC，例如宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台PLC，二期工程使用更多。随着来自国外的PLC产量大量进入我国市场，我国许多单位在消化引进PLC技术的基础上，仿制和研制了PLC产品。目前PLC发展方向主要是朝着小型化、廉价化、系列化、标准化、智能化、高速化和网络化方向发展，这将使PLC功能更强、可靠性更高、使用更方便、适用面更广。1.2可编程控制器的组成与工作原理 1.2.1 PLC的组成可编程控制器的型号多种多样，但其原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。小型可编程控制器主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出单元（I/O）、电源和编程设备等几部分组成，PLC的硬件结构如图1所示。1.输入单元输入单元是连接可编程控制器与其他外设之间的桥梁。生产设备的控制信号通过输入模块传送给CPU。PLC输入电路中有光耦合器隔离，并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。当输入开光闭合时，电路中流过电流，输入指示灯亮，光耦合器被激励，晶体管从截止状态变为饱和导通状态，这是一个数据输入过程。如图1是一个直流输入端内部接线图。图12.输出单元输出单元是连接可编程控制器与控制设备的桥梁。CPU运算的结果通过输出单元模块输出。输出单元模块是将CPU运算的结果进行隔离和功率放大来驱动外部执行元件。输出单元类型很多，但是他们的基本原理是相似的。PLC有三种基本的输出方法：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。继电器输出型CPU有输出时，接通或断开输出线路中继电器的线圈，继电器的触点闭合或断开，通过该触点控制外部负载线路的通断。继电器输出线圈与触点已完全分离，故不再需要隔离措施，用于开关速度要求不高又需要大电流输出负载能力的场合，响应较慢。晶体管输出型是通过光电耦合器驱动开关使晶体管截止或饱和来控制外部负载线路，并对PLC内部线路和输出晶体管线路进行电气隔离。用于要求快速断开、闭合或动作频繁的场合。第三种是双向晶闸管输出型，采用了光触发型双向晶闸管。输出电路的负载电源有外部提供。负载电流一般不超过2A。实际应用中，输出电流额定值与负载性质有关。3.中央处理器CPU（微处理器）中央处理器CPU是PLC核心元件，PLC控制运算中心，在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。可编程控制器中常用的CPU主要采用微处理器、单片机和双片机式微处理器三种类型，PLC常采用的CPU有：8080、8086、80286、80386、单片机8031、8096以及位片式微处理器，例如，AM2900、AM2901、AM2903等。可编程控制的档次越高，CPU的位数越多，运算速度也越快，功能指令越强，FX2系类可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。4.存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序运算数据的单元。和一般计算机一样，可编程控制器的存储器只有可读器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类，只读存储器用来保存那些需永久保存的数据，这些程序通常是系统程序。随机读写存储器的特点是写入与擦出都很容易，但在断电情况下存储的数据就会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据，为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外接电源后也能保存，在实际使用中都为一些重要的随机读写存储器配备电池或电容等短点保存装置。5.外部设备（1）编程器编程器是PLC必不可少的外部设备，它主要用来输入、检查、修改、调试用户程序，也可用来监视PLC的工作状态。编程器分简易编程器和智能型编程器，简易编程器价廉，用于小型PLC，智能型编程器价格比较高，用于要求比较高的场合。另一类是个人计算机，在个人计算机上添加适当的硬件和相关的编程软件，即可用计算机对PLC编程。利用危机作为编程器，可以直接编制、显示、运算梯形图，并能进行从PC到PLC的通信。（2）其他外部设备根据需要，PLC还可能配置其他一些外部设备，例如盒式磁带机、打印机、EPROM写入器以及高分辨率大屏幕彩色图形监控系统用以显示或监视有关部分的运行状态。6.电源部分PLC的供电电源是一般工频交流电，电源部分将交流220V电源转换成PLC内部CPU、存储器等电子器件工作所需要的直流电源。PLC内部有一个设计优良的独立电源。常采用的是开关式稳压电源，用锂电池 用于断电后的后备电源，有些型号的PLC，例如F1、FX系列的电源部分还有24V直流电源输出，用于对外部传感器供电。编程器可编程控制器输出单元出单输入单元用户程序存储器系统程序存储器中央处理单元电源接触器线圈行程开关继电器触点按钮电磁阀线圈指示灯PLC的组成图2图2 1.2.2可编程控制器基本工作原理可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单的表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。但个人计算机与PLC的工作方式有所不同，个人计算机一般采用等待命令的工作方式，例如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。当键盘有键按下或I/O借口有信号输入时则中断转入相应的子程序。而PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为了一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是循环扫描方式完成的。PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段：输入采样（输入扫描）阶段、程序执行（执行扫描）阶段和输出刷新（输出扫描）阶段。1.输入采样阶段在输入采样阶段PLC扫描全部输入端，读取个开关点通、断状态、A/D转换值，并写入到寄存输入状态的输入映像寄存器中存储。这一过程陈伟采样。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在PLC执行程序时使用。2.PLC按顺序对用户程序进行扫描，按梯形图从左到右，从上到下逐步扫描每条程序，并根据输入/输出（I/O）状态及有关数据进行逻辑运算“处理”，再将结果写入寄存执行结果的输出寄存器中保存，但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。3.输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，把输出寄存器中的内容送入寄存输出状态的输出锁存器中，再以一定方式去驱动用户设备，这就是输出刷新。PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。PLC在一个周期中，输入扫描和输出刷新的的时间一般为4ms左右，而程序执行时间可因程序的长度不同而不同。PLC一个扫描周期一般在40100ms之间。PLC对用户程序的执行过程是通过CPU周期性的循环扫描工作方式来实现的。PLC工作的主要特点是输入信号集中采样，执行过程集中批处理和输出控制集中批处理。PLC的这种“串行”工作方式，可以避免继电接触控制中触电竞争和时序失配的问题。这是PLC可靠性高的原因之一，但是又导致输出对输入在时间上的滞后，降低了系统响应速度。第二章 交通灯的概述2.1我国城市交通的现状城市交通系统是一个城市高速运转和保持活力最主要的基础设施之一。近年来，随着城市人口和私家车的快速增长，城市交通问题越来越突出，已经成为许多城市所面临的难题之一。基于我国城市交通现状及存在的问题，主要采用定性分析的方法提出了促进城市交通系统健康可持续发展的对策措施，进而达到优化城市交通结构、改善居民出行环境的目的。近年来，随着我国经济快速增长和城市化进程加快，城市人口和车辆不断增加，我国城市交通面临着越来越艰巨的任务，城市交通拥堵、交通安全和环境污染问题日益受到人们的重视。为了实现城市交通系统快捷、安全、高效地运转，对我国城市交通发展现状进行分析，针对一些突出的问题提出对策建议显得尤为重要。城市交通系统作为现代国民经济中的一个重要组成部分，对于维持宏观经济的健康发展、保证人民的生活质量以及合理控制生态环境污染都起着举足轻重的作用。随着城市规模的不断扩大，人口在大城市中大量聚集，以及机动车数量快速增长，使得城市交通需求激增，因此，城市交通矛盾也越来越突出。在我国快速城市化进程中，大城市机动车的急剧增长带来了严重的交通拥堵问题，严重影响了居民的日常生活，已经成为制约城市发展的瓶颈。交通量过于集中在干线道路而引起主要节点出现堵塞；道路网应变能力差，遇事故极易引起大范围交通瘫痪等。近年来，虽然我国城市道路基础设施的建设发展较快，大中城市的道路数量、道路等级都得到了前所未有的提高，很多城市对城市的道路空间利用的非常充分，尤其在一些大城市，地面交通和地下交通都很发达。但由于我国城市化进程加快，人口和车辆基数较大，因此出现了我国道路基础设施相对不足，道路网密度与其他国家比较相对低的问题。由于我国城市交通的法律法规建设严重滞后，以及对公共交通投入不足，公交优先战略落实不到位，城市公共交通行业改革滞后，市场运作不规范等，因此，我国城市公共交通发展缓慢。不足的地方主要体现在：公交分担率低、服务水平低、服务质量差、基础设施缺乏统一规划、公共交通网络规划不合理等方面。交通管理水平相对落后；无论在交通政策的制定与实施，还是交通信息服务、公共交通管理等方面，整体水平有待提高。一是交通组织不合理，客流分布不均，影响交叉口路段的通行效率，导致路网交通拥堵；二是缺乏交通需求管理，目前我国仅有北京、上海、广州、成都等部分城市实施了少量的交通需求管理政策，而大部分城市仍然缺乏有效的需求管理措施，迅猛增长的交通需求与发展滞后的交通管理水平之间的矛盾日益突出。2.2交通灯的发展史19世纪初，在英国中部的约克城，红绿装分别代表女性的不同身份。其中着红妆的女人代表我已经结婚了，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车扎人的事故，于是人们受到红绿装的启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在英国伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师师德.哈特设计，制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红绿两色的提灯煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲的牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面试23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。从此，城市的交通灯被取缔了。知道1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。 随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红黄绿三种标志）于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生使城市交通大为改善。黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电气公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一声冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到了在红绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红黄绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。 中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海英租界。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化，自动化上不断地更新，发展和完善。交通指挥灯是非裔美国人加莱特?摩根在1923年发明的。此前，铁路交通已经使用自动转换的灯光信号有一段时间了。但是由于火车是按固定的时刻表以单列方式运行的，而且火车要停下来不是很容易，因此铁路上使用的信号只有一种命令：通行。公路交通的红绿灯则不一样，它的职责在很大程度上是要告诉汽车司机把车辆停下来。开车的人谁也不愿意看到停车信号。美国夏威夷大学心理学家詹姆斯指出，人有一种将刹车和油门与自尊相互联系的倾向。他说：驾车者看到黄灯亮时，心里便暗暗作好加速的准备。如果此时红灯亮了，马上就会产生一种失望的感觉。他把交叉路口称作“心理动力区”。如果他的理论成立的话，这个区域在佛罗伊德心理学理论中应该是属于超我（superego ）而非本能（id）的范畴。新式的红绿灯能将闯红灯的人拍照下来。犯事的司机不久就会收到罚款单。有的红绿灯还具备监测车辆行驶速度的功能。 2.2.1 智能交通信号灯的发展前景与意义美国是当今世界在ITS开发领域发展最快的国家，它从上个世纪80年代开始，先后开展了与智能汽车技术相关的PATH、IVI、VII和CVHAS等国家项目1995年3月美国交通部正是出版了“国家智能交通系统项目规划”，明确规定了智能交通系统的7大领域和29个用户服务功能目前7大领域包括：出行和交通关系系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。日本于上个世纪90年代初就制定了大力发展智能交通系统的国家爱战略，其中智能汽车作为只鞥交通的重要组成部分，也得到了深入研究。日本政府主导的先进安全汽车ASV项目已于2000年取得初步实用化成果。我国ITS 的发展起步较晚，70年代以来，从国外引进、消化了一些项目，并进行了一些ITS或类ITS基础项目的研究和应用。70年代中至80年代初，主要是进行城市交通信号控制试验研究，80年代中至90年代初，在一些大城市引进和消化城市交通信号控制系统，实现了一些（高速）公路监控系统、高等级公路电子收费系统和路边信息服务系统。90年代中以来，开始研究部门ITS发展战略和GIS、GPS、EDI在交通中的应用等，重视交通信息网络的建设，公路和桥梁管理用基础数据库和道路交通量和气象数据采集等经过多年的努力，也已取得明显的进展。根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司S7-200型PLC。西门子PLC有小型化、高速度、高性能等特点，是S7-200系列中最高档次的超小型程序装置。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制1第三章 智能交通灯的理论和方法3.1交通灯控制方法分类1.可以分为定时控制、感应控制、自适应控制。第一、定时控制。交叉口交通信号控制机均按事先设定的配时方案运行，也称定周期控制。一天只用一个配时方案的称为单段式定时控制；一天按不同时段的交通量采用几个配时方案的称为多段式定时控制。最基本的控制方式是单个交叉口的定时控制。线控制、面控制也都可用定时控制的方式，也叫静态线控系统、静态面控系统。第二、感应控制。感应控制是在交叉口进口道上设置车辆检测器，交通信号灯配时方案由计算机或智能化信号控制机计算，可随检测器检测到的车流信息而随时改变的一种控制方式。感应控制的基本方式是单个交叉口得感应控制，简称单点控制感应控制。单点感应控制随检测器设置方式的不同可分为半感应控制和全感应控制。第三、自适应控制。把交通系统作为一个不确定系统，能够连续测量其状态，如车流量、停车次数、延误时间、排队长度等，逐渐了解和掌握对象，把他们与希望的动态特性进行比较，并利用差值以改变系统的可调参数或产生一个控制，从而保证不论环境如何变化，均可使控制效果达到最优或次优控制的一种控制方式。72.2交通倒计时器一、全程式交通倒计时器（学习型）：全程式交通倒计时器（学习型）主要用于固定配时多时段、多方案红绿灯控制路口，显示2位倒计时时间，最长显示时间99秒，可同步显示全部的绿灯、黄灯或红灯时间。1.根据道路交通信号倒计时显示器GA/T508-2004规定，在红绿灯运行控制方案转换时，在2个红绿灯周期内倒计时将会以黑屏状态运行，此为正常现象不是设备故障。2.在某些红灯/绿灯时间超过99秒（最长显示时间）时，倒计时器显示时间将停止在99秒上，直到超长时间计时完毕二、后程式交通倒计时器：后程式交通倒计时器是配合智能交通信号控制系统（SCATS系统）使用的倒计时器，在每个红灯/绿灯时间的最后即将结束时开始显示红灯/绿灯时间。后程式交通倒计时器因为只在红灯/绿灯时间的最后时间才开始显示，因此大部分时间处于黑屏状态。三、交通倒计时分类：1.交通倒计时时：单位从9开始；双位从99开始；二位半也叫三位从199开始； 2.颜色可分为：单色，双色，三色；3.倒计时组合：倒计时加箭头灯，倒计时加圆盘灯，倒计时加人行灯3.2自动检测系统3.2.1 自动检测系统的概述自动检测技术是自动化科学技术的一个重要分支科学，是在仪器仪表的使用、研制、生产、的基础上发展起来的一门综合性技术。自动检测就是在测量和检验过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动进行并完成的。实现自动检测可以提高自动化水平和程度，减少人为干扰因素和人为差错，可以提高生产过程或设备的可靠性及运行效率。1.自动检测的任务：自动检测的任务主要有两种，一是将被测参数直接测量并显示出来，以告诉人们或其他系统有关被测对象的变化情况，即通常而言的自动检测或自动测试；二是用作自动控制系统的前端系统，以便根据参数的变化情况做出相应的控制决策，实施自动控制。2.自动检测技术主要的研究内容：自动检测技术的主要研究内容包括测量原理、测量方法、测量系统、及数据处理。3.测量系统：确定了被测量的测量原理和测量方法后，就要设计或选用装置组成测量系统，主要有模拟式和数字式两种。（1） 模拟式测量系统模拟量测试系统是由传感器，信号调理器，显示、记录装置和（或）输出装置组成。（2） 数字式测量系统数字式测量系统是由传感器、信号调理器、输入接口、中央处理器组件、输出接口和显示记录等外围设备组成。4.检测技术的特点（1）实时性强 （2）精确度高 （3）可靠性高 （4）通道多 （5）功能强3.3传感器1.传感器是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。这一概念包含以下四个方面的含义：传感器是测量装置，能完成信号获取任务。它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。它的输入量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。2.传感器的组成传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。如图3转换电路转换元件敏感元件被测量 电量图3图3（1）敏感元件它是直接感受被测量，并且输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。（2）转换元件敏感元件的输出就是它的输入，它把输入量转换成电路参数量。（3）转换电路上述电路参数接入转换电路，使可转换成电量输出。实际上有些传感器是由一个敏感元件组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块是敏感元件，压电片是转换元件。有些传感器转换元件不止一个，要经过若干次转换。由于传感器限制等其他原因，转换电路常装入箱柜中。然而，因为不少传感器要通过转换电路之后才能输出电量信号，从而决定了转换电路是传感器的组成部分之一。3.传感器的分类目前传感器主要有四种分类方法：根据传感器工作的原理分类；根据传感器的能量转换情况分类；根据传感器的转换原理分类和按照传感器的使用分类。4.传感器的基本特性在讲传感器原理、构造、应用之前，对传感器的基本特性做一些了了解是非常必要的，传感器的特性可以通过它的静态和动态特性揭示出来。1）传感器的静态特性（1）精确度与精确度有关的指标有三个：精密度、准确度和精确度（简称精度）。a.精密度它说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，以检查测量结果的分散程度。b.准确度它说明传感器输出值与真值的偏离程度。c.精确度它是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可去两者的代数和。精确度常以测量误差的相对值表示，联系精度等级概念理解它的意义就更容易了。(2）稳定性传感器的稳定性有两个指标，一是传感器测量输出值在一段时间的变化，用稳定度表示；二是传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，用影响亮表示。a.稳定度指在规定之间内，测量条件不变的情况下，由于传感器中随机性变动、周期性变动和漂移等应其输出值的变化。一般用精密度和观测时间长短表示。b.影响量测量传感器有外界环境变化引起输出值变化的量，称为影响量。它是由温度、湿度、气压、振动、电源电压及电源频率等一些外加环境影响量所引起的。说明影响量时，必须将影响因素与输出值偏差同时表示。(3）传感器的静态输入输出特性静态特性是指输入的被测参数不随时间而变化，或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输入量的关系。a.线性度 b.灵敏度 c.灵敏度阀与分辨力 d.迟滞 e.重复性2)传感器的动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。实际被测量随时间的变化可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。标准输入有三种：呈正弦变化的输入、阶跃变化的输入和线性输入，而经常使用的是前两种。(1）动态特性的数学描述 (2）传递函数 (3）动态响应 3.3.1传感器的选择车辆检测器的类型主要可分为压力检测器、磁感应式检测器、声音检测器、光电检测器、超声波检测器、雷达检测器、环形线圈检测器等。本着实用性、经济性等原则，本设计选用具有高准确率、低成本、高可靠性的光电传感器。光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。1.光电传感器1)光电传感器的定义光电传感器是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光部构成。如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或者反射，到达受光部的量将会发生变化。受光部将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。大多使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红外光。光电传感器主要分为三类。对射型 回归反射型 扩散反射型2.光电传感器工作原理由震荡回路产生的调制脉冲经反射电路后由发光管辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉进入光敏三级管，并在接收电路中将光脉冲解调微电脉冲信号，在经过放大器和同步选通整形，然后用梳子积分和RC积分方式排除干扰，到最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被测物在小范围内晃动，也不影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。3.光电传感器的特点(1)检测距离长 （2）对检测物体的限制少 （3）响应时间短 （4）分辨率高 （5）可实现非接触的检测 （6）可实现颜色判别（7）便于调整4.光电传感器的应用近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，其用户可根据需要选用各种规格产品，在自动化生产线中获得广泛应用。如YL-335B自动化生产线的分解单元中，当工件进入分拣输入带时，分拣站上光电开光发出的光线遇到工件反射回自身的光敏元件，光电开关输出信号启动输送带运转。3.4定时器S7-200的定时器为增量刑定时器用于实现时间控制，按照工作方式和时间基准分类，定时器共有6种类型。时间基准又称为定时精度和分辨率。1.工作方式按照工作方式，定时器可分为通电延时型（TON）、有记忆的通电延时型（保持型）（TONR）、断电延时型（TOF）三种类型。2.时基标准按照时基标准，定时器可分为1ms、10ms、100ms三种类型不同的时基标准，定时基准、定时范围和定时器的刷新方式不同。（1）定时精度定时器的工作原理是定时器使能输入有效后，当前值寄存器对PLC内部的时基脉冲增1计数，最小计时单位为时基脉冲的宽度。故时间基准代表了定时器的定时精度，又称为分辨率。（2）定时范围定时器使能输入有效后，当前值寄存器对时基脉冲递增计数，当计数值大于或等于定时器的预置值后，状态位置1。从定时期输入有效，到状态位输出有效经过的时间为定时时间。定时时间T=时基预置值，时基越大，定时时间越长，但精度越差。（3）定时期的刷新方式1ms定时器每隔1ms定时刷新一次，定时器刷新与扫描周期和程序处理无关。扫描周期较长时，定时器一个周期内可能多次被刷新（多次改变当前值）。10ms定时器，在每个扫描周期开始时刷新。每个扫描周期之内，当前值不变。（如果定时器的输出与复位操作时间间隔很短，调节定时器指令盒与输出触点在网络段中的位置是必要的）。100ms定时器是定时器操作指令执行时被刷新，下一条执行的指令即可使用刷新后的结果，非常符合正常思维，使用方便可靠。但应当注意，如果该定时器的指令不是每个周期都执行（比如条件跳转时），定时器就不能及时刷新，可能会导致出错。CPU 22X系列PLC的256个定时器分属TON（TOF）和TONR工作方式，以及三种时基标准，TOF与TON共享同一组定时器，不能重复使用，详细分类方法及定时范围见表。定时器工作方式及分类工作方式用毫秒（ms）表示的分变率用秒(s)表示的最大当前值定时器号TON1ms32.767sTO,T6410ms327.67T1T4,T65T68100ms3276.7sT5T31,T69T95TON/TOF1ms32.767sT32,T9610ms327.67sT33T36,T97T100100ms3276.7sT37T63,T101T2553.工作原理下面分别叙述通电延时型（TON）、有记忆通电延时型（TONR）、断电延时型（TOF）三种类型定时器的使用方法。（1）通电延时型（TON）使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前从0开始递增大于或等于预置值（PT）时，定时器输入状态位置1（输出触点有效），当前值的最大值为32767。使能端无效时，定时器复位。(2)有记忆通电延时型（TONR）使能端（IN）输入有效时（接通），定时器开始计时，当前值递增，当前值大于或等于预置值（PT）时，输出状态预置值1.使能端输入无效（断开）时，当前值保持（记忆），使能端（IN）再次接通有效时，原有记忆值的基础上递增计时。有记忆通电延时型（TONR）定时器采用线圈的复位指令（R）进行复位操作，当复位线圈有效时，定时器当前值清零，输出状态位置0。（3）断电延时型（TOF）断电延时型定时器的输入使能端（IN）下降沿，TOF开始计时，当前值从0递增，当前值达到预置值时，定时器状态位置0，并停止计时，当前值保持。使能端（IN）上升沿时，定时器当前值清零，输出状态位置1。3.5 控制方式1.正常模式南北方向红灯亮60s，与此同时东西方向绿灯亮54s，其后东西方向的绿灯以50%的占空比，闪烁3次，然后东西方向的黄绿灯亮3s，其后东西方向的红灯亮60s。与此同时，南北方向的绿灯亮54s，绿灯以50%的占空比，闪三次，然后南北方向的黄灯亮3s，红灯亮60s,以交替循环。2.东西方向车流量多南北方向红灯亮120s，同时东西方向绿灯亮114s，之后绿灯以50%的占空比。闪3次之后东西方向红灯亮60s，此时南北方向绿灯亮54s，之后绿灯以50%的占空比闪3ic。南北方向黄灯亮3s，之后南北方向红灯亮120s，以此交替。方向红灯亮120s3.南北方向车流量多东西方向红灯亮120s，同时南北方向绿灯发光114s,之后绿灯以50%的占空比，闪烁3次，然后黄灯亮3s，之后南北方向的红灯亮60s，同时，东西方向绿灯亮54s，之后东西绿灯以50%的占空比闪3次，之后，东西方向黄灯亮3s，东西方向红灯亮120s.以此交替。4.车流量少南北方向红灯亮30s，同时东西方向绿灯亮24s，之后东西方向以50%的占空比闪3次，然后东西方向黄灯亮3s，东西方向红灯亮30s，与此同时，南北方向绿灯亮34s，绿灯以50%的占空比，闪3次，然后南北方向黄灯亮3s，之后方向的红灯亮30s，以此交替。 3.5.1 急车强通控制方式急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，信号灯按正常时序控制。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，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。急车一过，将急车强通开关断开，控制灯恢复正常，急车强通信号只能响应一路方向的急车，若两个方向先后来急车，则响应先来的一方，随后再响应另一方。若2个方向同时来急车，则按东西，南北顺序依次响应。有急车是否南北强通按下按钮SB6南北绿灯亮东西红灯亮按下按钮SB5东西绿灯亮南北红灯亮急车强通控制图4东西强通启动闭合SB1正常运行第四章 PLC硬件设计4.1 I/O I/O分配表序号输入设备端号输出设备代号输出点端号1启动按钮SB1I0.0南北红灯HL1Q0.02停止按钮SB2I0.1南北绿灯HL2Q0.13自动开关SB3I0.2南北黄灯HL3Q0.24自动开关SB4I0.3东西红灯HL4Q0.35东西强通开关SB5I0.4东西绿灯HL5Q0.46南北强通开关SB6I0.5东西黄灯HL6Q0.54.2 I/O分配点数估算1.系统输入信号：手动选择按钮4个，需要4个输入端;自动选择按钮2个，需要2个输入端。2.以上共需要6个输入信号点，考虑到以后可能会对系统进行补充调整，所以再增加2个备用点，这样就共需要8个输入点。3.系统输出信号：南北和东西共需要6个输出信号。4.3 PLC的选型本设计可采用西门子的S7-200-CPU224机型，本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。4.4 PLC硬件电路设计SM0.0 M0.0I1.3 M0.1I1.0 M0.2I1.1 Q0.6I1.2 Q0.7 M0.3 M0.4 M0.5 Q1.0 Q1.1CPU 224启动按钮关闭按钮夜间模式按钮南北急通按钮东西急通按钮南北红南北绿南北黄南北左红南北左绿东西红东西绿东西黄东西左红东西左绿24V24V第五章 PLC软件编程设计5.1 系统控制过程1. 光电传感器 光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光不构成。如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达受光部的量将会发生变化。受光部将检测出这种变化，光电传感器车辆检测仪PLC图4本课题主要应用传感器与PLC相结合，以车辆等待绿灯的滞留数来确定该该方向是否繁忙。如下图5以南北向为例，每当车辆进入十字路口必先经过检测器1和3，检测器就会发生2个脉冲给PLC，PLC对检测器1和3的计数就可得到车辆进入候车入口的总数和Y。车辆继续往前就会经过检测器2和4，同样检测器2和4也会发出2个脉冲给PLC，PLC对检测器2和4脉冲的计数就会得到车辆驶出候车入口的总数和X，那么Y(进入总量)-X（驶出总量）=Z1(南北向车辆滞留数),同样，东西方向，PLC通过对检测器脉冲的计数就可得到滞留量Z2。图5十字路口传感检测器布置设Z1-Z220，则南北方向繁忙，东西一般，南北直行绿灯时长加5s,南北左转绿灯时长加5s，东西红灯时长加10s。Z1-Z2-20，则东西方向繁忙，南北一般，东西直行绿灯时长加5s，东西左转绿灯时长加5s，南北红灯时长加10s。-20=Z1-Z2=20，则设为一般情况，控制灯正常闪亮。绿灯时长控制绿灯时长东西南北繁忙一般繁忙正常东西直行绿灯加5s,东西左转绿灯加5s一般南北直行绿灯加5s,南北左转绿灯加5s正常以上车辆的计数和车流量的比较及绿灯时间长度控制全部由PLC完成。各检测器时刻检测车辆，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，然后根据以上简述的智能控制原则，调整绿灯时图65.2 程序流程图1.正常控制程序流程图2.正常模式交通灯时序图3.车流少时的流程图4.车流量少时交通灯时序图5.东西方向车流量多时的流程图6. 东西方向车流量多的交通时7.南北方向车流量多时的流程图8.南北方向车流量多的交通时序图5.3 控制程序结 论 由于PLC本身具有通讯联网功能，所以将同一条路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。城市交通灯控制采用PLC比传统的采用电子线路和继电器具有可靠性高、维护方便、使用简单、通用性强等特点，PLC还可以联成网络，根据实测各十字路口之间的距离、车流量和车速等，合理确定各路口信号灯之间的时差，把N台PLC联网到一台控制电脑上，以方便操作、管理和监控，从而极大地提高城市道路交通管理能力。用PLC控制十字路口的指示灯，维护方便，可按需要随意修改指示灯亮的时间，更体现了城市管理工作的现代化PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其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“渐进式“信号灯进行精确控制，特别对于多岔路口的控制可方便地实现。目前大多数品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综合性作业，从老师的角度来说，指导做毕业设计是老师对学生所做的最后一次执手训练。其次，毕业设计的指导是老师检验其教学效果，改进教学方法，提高教学质量的绝好机会。毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声。在不断的努力下我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是真的面对毕业设计时发现自己的想法基本是错误的。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论:知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。谢辞通过这两年的学习,使我掌握了广泛的基础知识和牢固的专业知识.正是由于我有了这些知识,才能在这次设计任务中完成任务.在次我要深深感谢我的老师和在设计中帮助我的同学们,是老师的谆谆教导和同学们的帮助,使我取得了今天的成绩.我要由衷的感谢我的指导老师,本论文设计在老师的悉心指导和严格要求下已完成，他们学识渊博、认真的工作态度和严谨的治学作风、平易近人的为人风格给予我深刻的印