毕业设计（论文）基于PLC对十字路口红绿灯的控制

基于PLC对十字路口红路灯的控制 摘 要可编程序控制器(PLC，programmable Logic Controller)因其高可靠性和较高的性价比，而在工业控制中被广泛应用。监控组态软件也是自80年代后期伴随个人计算机的普及而迅猛发展起来的。它以其具备的实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点而具有很强的实用价值。关键词：可编程控制器，循环扫描，定时器，计数器ABSTRACTProgrammable logic controller because of its high dependability and higher cost performance their, wide to suffused with application in industrial control. Control configuration software to follow popularization of personal computer and develop will it be later stage the eighties rapidly too.With real-time many tasks, interface open, flexible in usage, various operating characteristics such as being reliable and having strong practical value very function that possess there it. key words: programmable controller, circulation scanning, timer, counter目 录前 言1第1章 绪 论21.1 课程研究背景21.2 PLC实现红绿灯系统自动控制的目的21.3 现在城市路口交通灯控制技术现状3第二章 系统的方案和控制要求62.1 系统方案设计可行分析62.2 单片机和PLC分别做系统比较.62.3 控制要求7第三章 控制系统的硬件设计83.1 设备选型83.2 I/O地址分配及接线93.3 元器件的选用9第四章 控制系统软件的设计114.1画交通示意图114.2时序图114.3梯形图及指令解读124.4触摸屏示意图16第五章 总 结17参考文献18致 谢19平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）前 言在当前形式下，城市交通灯控制采用PLC比传统的电子线路和继电器，具有可靠性高，维护方便，使用简单，通用性强等优点，还可以用PLC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，合理分配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的交通管理能力。我们研究的是红绿灯三种状态的交通系统，只显示那个灯亮，并不显示方向。而现在大部分十字路口，都是采用带箭头的红绿灯系统，一个方向上有九个状态，我们的只有三个状态，因设计者水平有限也只能选择后者。虽然如此，我们研究的系统用途还是十分广泛的，比如说在车流量比较小的十字路口、丁字路口等都可以使用我们设计的系统，这样可以节约成本。设计也是比较复杂的，采用的是黑夜和白天两种状态的系统，这样的设计可以使车辆更加方便的通行。第一章 绪 论1.1 课程研究背景可编程控制器（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，专业工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来再其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和计算等操作指令，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具有功能强，适应面广的特点。现代PLC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，它既可以开关量进行控制，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。交通问题不仅仅出现在发展中国家，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分，这个系统的运行状况如何，直接反应了一个地区、一个城市的现代化管理水平。在这一系统中，道路不仅仅是容易变化的部分，而且其他组成部分还存在着较大的可变性和随机性。只有对这一个系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，才能制定出科学有效地管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。1.2 PLC实现红绿灯系统自动控制的目的 1、可以让我们对PLC的定时指令，计数指令的逻辑规则和功能有更加熟练的掌握。2、在当前的形式下，城市交通灯控制采用PLC比传统的电子线路和继电器，具有可靠性高，维护方便，使用简单，通用性强等优点，还可以用PLC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，合理分配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的交通管理能力。3、我们研究的是红绿灯三种状态的交通系统，只显示那个亮，并不显示方向。而现在大部分十字路口，都是采用带箭头的红绿灯系统一个方向上有九个状态，我们的只有三个状态，因设计者水平有限也只能选择后者。虽然如此，我们研究的系统用途还是十分广泛的，比如说在车流量比较小的十字路口，在丁字路口等都可以使用我们设计的系统。这样可以节约成本，还能使车辆更加方便的通行。1.3 可变程序控制器（PLC）的研究现状城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早期交通流量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式已不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器。除了多时段多方案定时控制的使用，为了避免各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式对交通流造成的频繁停车，还必须把相邻的交叉路口作为一个系统来统一地加以控制。1917年，在美国盐湖市开始使用联动式信号系统，把六个交叉路口作为一个系统，以人工方式加以集中控制。1922年，美国休斯顿市建立了一个同步系统，它以一个交通亭为中心控制十二个交叉路口。1928年，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时系统;由于它简单、可靠、价格便宜，很快在美国推广普及。这种系统以后不断改进、完善，成为当今的协调控制系统。 20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。 计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。伴随着城市交通信号控制系统的迅速发展。人们认识到，要更好地提高城市管理水平，不仅仅依靠硬件设备的更新和改进，还必须同时在控制逻辑和方法上有所突破，即城市交通的区域协调控制。传统的城市道路交通控制指的是区域交叉口信号灯控制，而城市交通的区域协调控制，是在整个城市范围内对交通进行控制，这无论是从理论角度还是实践角度，都是一个极其复杂的大系统控制问题。 国外对城市区域交通控制的研究，开始于20世纪60年代初。1967年，英国运输与道路实验室(TRRL)成功开发出TRANsYT (TraffioNetworkStudyTools)交通控制系统，后来又在TRANsYT的基础上开发了seOOT(splitCyeleandoffsetOPtimization Technique)系统。澳大利亚在70年代末也开发了基于配时方案实时选择方法来实现路网协调控制的SCAT(Sydney Coordinated Adaptive Traffic Method)系统。这些系统己经在西方国家的城市网络交通中取得了成功的应用。 进入20世纪80年代后期，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥挤、阻塞现象日趋恶化，由此引发的事故、噪声和环境污染己成为日益严重的社会问题，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题。人们对交通系统的规模复杂性和开放性特征有了更深一层的认识，并开始意识到单独考虑车辆或道路方面很难从根本上解决交通拥挤现象，只有把路口交通流运行与信号控制的藕合作用综合考虑，且赋以现代的各种高新技术方可彻底消除有关问题。于是，智能交通系统(ITS)应运而生，并得到迅猛发展。除在技术和功能上得到增强和完善的SCOOT和SCATS以外，STREAM、ITACA、MOTION、RT-TRACS、SURFZ000、PRODYN和UTOPIA等新一代城市交通控制系统相继推出并投入应用。 目前城市交通控制研究的新发展主要体现在城市交通网络的各个方面:区域交通信号灯和城市快速公路匝道口的新的控制方法上;实现区域和快速公路的集成控制;采用动态路由导航与交通网络控制结合:以实现先进车辆控制系统AvcS为主的智能交通系统(ITS);以实现先进交通管理系统ATMS和先进驾驶员信息系统ATIS为主的城市多智能体交通控制系统;以及一些辅助的交通策略如道路自动计费、公共交通优先等。 可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了无感应控制到有感应控制、手动控制到自动控制再到智能控制、单点控制(点控)到干线控制(线控)再到区域控制和网络控制(面控)的过程。第二章 系统的方案和控制要求2.1 系统方案设计可行分析交通信号灯控制是典型的时间顺序控制，利用PLC可以简便、准确地实现该类控制，构建该控制系统的主要任务是程序设计。有白天和黑夜两种工作状态，以二十四小时为周期循环工作，1、白天运行：运行时间是在早上五点到夜里十二点，按下启动按钮东西绿灯和南北红灯同时亮，东西绿灯亮二十五秒再闪烁三秒后东西绿灯灭，同时东西黄灯亮，持续两秒后，东西黄灯和南北红灯同时灭，同时东西红灯和南北绿灯同时亮，南北绿灯亮二十五秒再闪烁三秒后南北绿灯灭，同时南北黄灯亮，持续两秒后，南北黄灯和东西红灯同时灭，以这一个过程为一个周期，周而复始的循环工作。2、夜间运行：运行时间是在夜里十二点到早上五点，只有东西南北四个方向的黄灯以一秒为周期不间断闪烁，其它灯不亮。交通信号灯系统的智能化控制是近年来得到关注并广为研究的一个课题通过引入动态控制系统，描述了该系统的工作原理及控制模式，给出了一种基于PLC的交通信号灯系统的动态控制方法该系统以地感线圈为信号采集元件，以PLC为信号处理和控制装置，具有系统结构简单、投资成本较小、现场适应能力强、时间调节范围广等特点，因而在实际的交通信号控制领域有良好的应用前景2.2 单片机和PLC分别做系统的比较 单片机的控制系统在多数场合下，被控对象主要是开关量顺序控制和逻辑控制，通过对不同时间的控制变量及由被控变量形成的反馈变量经一定逻辑组合而成控制，以及被控对象的实现是有关逻辑关系的实现，并不一定有时间的先后。实现开关量顺序控制和逻辑控制较为繁琐，程序的结构和编制较为复杂，调试困难，要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行；可编程控制器PLC采用了“循环扫描”工作方式，是一种可编程序控制器，相当于一种控制设备，考虑到有效地缓解交通拥挤、实现交通控制系统的最优控制应用，采用PLC实现交通灯的控制、其特点是非常可靠、容易实现开关量顺序控制和逻辑控制，具有很高的工作可靠性和抗干扰能力，使得系统在交通灯设计方案中成为首选方案。但是在经济方面PLC控制系统要比单片机控制系统贵得多，所以应该综合考虑看哪一个方案更适合自己。2.3 控制要求1.按题意要求，画出PLC端子接线图、控制梯形图。2.完成PLC端子接线工作，并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。3.完成课程设计说明书。第三章 控制系统的硬件设计3.1 设备选型3.1.1 编程中使用的OMRON系列CX-Programmer 6.1简介 CX-Programmer 6.1是一个用于对Omron CP系列PLC、CQ系列PLC、CS/CJ系列PLC、CV系列PLC以及C系列PLC建立、测试和维护程序的编程工具。它是一个支持PLC设备和地址信息OMRON PLC和这些PLC支持的网络设备进行通信的方便工具。CX-Programmer 6.1在运行微软Windows环境的标准IBM及其兼容个人计算机上面运行。对于CP1HPLC。对于CP1HPLC网络类型。CX-Programmer工程有梯形图、地址和网络细节、PLC内存内容、IO表、扩展指令以及符号组成。每一个CX-Programmer工程文件都是独立的，是一个单独的文档。CX-Programmer在同一时刻只能够打开一个工程文件。CX-Programmer 工程文件具有.CXP 或者.CXT 的文件扩展名。PLC操作模式：PLC能够被设置4种工作模式中的一种：程序模式，调试模式，监视模式和运行模式。1、程序模式。在这种模式下，PLC 不执行器程序，器下载程序和数据。2、调试模式。这种模式对CV-系列PLC可用，能够实现用户程序的基本调试。3、监视模式。这种模式允许在开发时，在连接的同时对运行的程序进行监视和编辑。在线编辑必须在这种模式下进行。4、运行模式。这种模式设置PLC在真实级别执行当前的程序。这种模式用于在程序进行完成的测试和调试以后的最终用户测试。PLC出于此模式是，CX-Programmer不能进行写操作。 3.1.2 CX-Desigmer触摸屏软件介绍 本次设计所用的CX-Designer软件版本为1.0中文界面。CX-Designer软件是NT系列配套的PC机或工作站上的开发软件。规划开发画面操作显示元素和编程组态可在触摸屏内执行的脚本语言，然后执行编译过程，编译无误后通过串口下载到人机界面中。此后将串口和PLC的通讯口相连，便可以启动触摸屏和操作员交互。运行后不再需要软件，但是需要修改界面或配方方式是仍然需要使用CX-Designer软件。CX-Designer软件可以运行在Windows 98/NT/Me/2000或XP上，为NS系列的触摸屏编制软件数据。3.2 I/O地址分配及接线图3-2 接线端子图3.3 元器件的选用1、按钮2个，红黄绿色信号灯各四只。 2、CK-Programmer 6.1软件一套 。 3、CX -Designer软件一套。 4、笔记本电脑一台。 5、PLC操作控制台一台。 6、连接导线若干 。第四章 控制系统的软件设计4.1 画交通示意图图4-1 交通示意图4.2 时序图图4-2 时序图4.3 梯形图及指令解读图4-3 梯形图表 4-1 指令表4.4触摸屏示意图图4-4触摸屏示意图第五章 总 结目前交通系统的发展方向是需要具有随机性、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，这需要我们以后的继续研究。刚开始做这个实验时我首先实地考察，随后去网上查了一些相关资料，说实话网上的资料让你眼花缭乱，然而可用的资料很有限，在网上只能了解一些简单的信息，随后在老师的指导下我们又去图书馆借了几本书，找到了一些线索后我们就开始研究了，经过老师的指导我们把我们的研究对象分成四个步骤。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。参考文献1 黄继昌等传感器工作原理及应用实例M. 北京:人民邮电出版社,1998。2 张万忠可编程控制器应用技术M. 北京:化学工业出版社,2001。3 英R.J.索尔特，道路交通分析与设计M. 张佐周等译. 北京:中国建筑工业出版社,1982。4 逻辑与可编程系统四川大学，汪道明 主编 ，机谢工业出版社。5 .海心，马银忠，刘树青西门子PLC开发入门与典型实例,北京:人民邮电出版社,2009.26 张万忠可编程控制器入门与应用实例（西门子S7-200系列）,北京：中国电力出版社,20047 张发玉 可编程控制器应用技术,西安:西安电子科技大学出版社，20068 邹金慧可编程控制器及其系统,重庆:重庆大学出版社,20029 王永华现代电气控制及PLC应用技术,北京:被金华航空航天大学出版社,200310 王卫星，傅立思，孙耀杰可编程控制器原理及应用,北京:中国水利电力出版社,2002致 谢经过这次毕业设计我学到了很多知识，对于提高自身素质，更好地适应现代化生产以及知识经济社会也具有很好的指导意义。我还要感谢帮助过我的同学们。在论文的整理、画梯形图时帮我反复的修改，细心的帮我检查我没有发现的细节问题，并给我提出不少的修改意见，让我的论文更加完善，在此我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 首先要感谢我的大学老师们，特别是王老师，王老师在教我知识的同时给我创造了一个和谐自由的设计环境，给我们充分发挥的空间，提高了我学习创造的积极性。在我做设计期间，他尽心尽责的指导我，引导我，每当设计过程中遇到困难时，给予我莫大的支持和帮助，让我一步步前进。同时，我还从指导老师那里学到很多编程方法。至此论文完成之际谨向指导老师王老师致以最崇高的谢意！其次要深深感谢我的同学们，在生活上帮助我，让我安心做设计。学习上，给我指导。特别是遇到难题时，与他们谈论过程中，使知识更深的印到脑海中。感谢帮助过我的同学们。在论文的整理、画梯形图时帮我反复的修改，细心的帮我检查我没有发现的细节问题，并给我提出不少的修改意见，让我的论文更加完善。最后要感谢学校给我们毕业生提供设计的环境，实习的地点，让我们在毕业的一学期中不仅学习知识，也学习了在社会中生存的法则。为我们毕业后踏入社会奠定基础。 第 19 页