基于PLC的交通灯控制系统设计.doc

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1、毕业设计(论文(说明书题目:基于PLC交通灯控制系统设计姓名:王朝阳学号:20112001868平顶山工业职业技术学院年月日平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文任务书姓名王朝阳专业班级电气自动化3班任务下达日期年月日设计(论文开始日期年月日设计(论文完成日期年月日设计(论文题目:基于PLC交通灯控制系统设计指导教师孙慧峰系(部主任年月日平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文答辩委员会记录自动化及信息工程学院电气自动化技术专业,学生王朝阳于年月日进行了毕业设计(论文答辩。设计题目:基于PLC交通灯控制系统设计专题(论文题目:指导教师:孙慧峰答辩委员会根据学生提交毕业设计(论文材料,根据学生答辩情况

2、,经答辩委员会讨论评定,给予学生王朝阳毕业设计(论文成绩为。答辩委员会人,出席人答辩委员会主任(签字:答辩委员会副主任(签字:答辩委员成员:平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文评语第页毕业设计(论文及答辩评语:平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文说明书 1摘要目前,我国许多大中城市交通压力都非常大。部分交通路口信号灯工作时间不合理,交通违章或肇事记录不确切。所以,改善及提高现有交通系统工作效率,加强交通路口信号灯控制与安全状况监控是非常重要。本设计主要设计利用PLC来实现十字路口交通灯控制及监控。通过交通中心主机根据具体城市各路口需要控制各个十字路口PLC,从而控制十字路口交通灯变化,实现对城

3、市十字路口合理控制及监控。【关键词】:十字路口;交通灯;PLC控制平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文说明书目录第一章概述 (11.1课题设计背景 (11.2课题设计任务 (2第二章设计方案分析及确定 (32.1单片机控制 (32.2继电器控制 (32.3可编程逻辑控制器控制 (32.4控制方案确定 (4第三章交通灯硬件设计 (63.1硬件系统框图 (63.2交通灯控制过程 (63.3硬件选型 (73.4扩展模块选择 (93.5PLC交通灯硬件连接图 (113.6监控系统 (12第四章交通灯软件设计 (134.1系统控制过程 (134.2流程及时序图 (134.3控制梯形图 (17结论 (25

4、致谢 (26参考文献 (27附录 (28平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文说明书第一章概述随着社会经济发展,城市交通问题越来越引起人们关注,交通问题成为制约我国社会经济发展一个大问题,上路车辆越来越多,而道路建设却往往跟不上城市发展速度,因此城市交通问题日益突出,经常在十字路口等交通繁忙地方发生堵塞情况。我国人口众多,现在大多数城市都经会出现这样交通拥堵现象,人、车、路三者关系协调,已经成为交通管理部门需要解决重要问题之一。随着社会发展,一个城市交通是否便捷是衡量起是否具有发展潜力重要指标。在这个时候,道路交通灯正常运行以及合理功能就是交通畅通重要保证。目前我国大中小城市都出现了交通拥堵现象

5、,特别是大城市,随着城市机动车量不断增加,如北京、上海、南京等出现了交通超符合运行情况。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初期,它们也曾有效改善了交通状况。然而,我国城市十字路口交通灯控制系统基本上都采用定时控制方式。这样必然产生如下弊端:当某条道路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道路却依然按原定时间亮着绿灯,这种现象是未对道路实际情况进行实时监控所造成。这样交通控制系统效率低,容易造成交通拥挤,而且也浪费人力、物力。所以,如何采用合适控制方法,最大限度利用好耗费巨资修建城市高速道路,缓解主干道及匝道、城区同周边地区交通拥堵状况,越

6、来越成为交通运输管理与城市规划部门亟待解决主要问题,可见改善城市交通灯控制系统是多么重要近年来,随着车辆社会拥有量增加,这难题日显突出,特别是在上下班高峰期。有很多学者多年来一直探讨舒缓这个难题(谈不上解决方法。其中包括近来提出在车道(红绿灯前安装车流量传感器,统计车流量再控制绿灯放行时间;设定定时器在上、下班高峰期增加绿灯放行时间以及对各个路口违章、肇事监控及记录等等问题。在这样背景下,我们有必要寻求一种具有更完善交通控制系统。这种交通控制系统能够根据车流量变化自动调节红绿灯时间长度,最大限度地减少十字路口车辆滞流现象,有效缓解交通拥挤、实现交通控制系统最优控制,大大提高了交通控制系统效率。

7、随着我国人民生活水平不断提高,城市化推进及私家车数量猛增,道路交通拥挤问题日益突出,可以预见,智能交通控制系统将具有广大应用前景。1平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文说明书本设计采用PLC做控制器,完成对十字路口交通灯自动控制,主要实现城市交通路口信号灯自动控制,救护应急控制等,从而保证了车辆在城市道路各路口顺畅通行以及安全。2平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文说明书第二章设计方案分析及确定单片机微型计算机是微型计算机一个重要分支,也是颇具生命力机种。单片机微型计算机简称单片机,特别适用于控制领域,故又称为微控制器。通常,单片机由单块集成电路芯片构成,内部包含有计算机基本功能部件:中央处理

8、器、存储器与I/O接口电路等。因此,单片机只需要与适当软件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。使用单片机设计交通灯控制系统采用MSC-51系列单片机A TSC51与可编程并行I/O 接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器,实现了能根据实际车流量通过8051芯片P1口设置红、绿灯燃亮时间。使用单片机设计优点在于它们CPU功能在增强,内部资源在增多,引角多功能化,以及低电压底功耗。但是编程复杂,对环境要求较高,出现故障时进行调试不方便,可靠性不高。采用继电接触式控制系统设计交通灯控制系统,主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成,其控制方式是断续,所以又称为断续控制系统。虽然这

9、种系统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点,但这种控制系统缺点是采用固定接线方式,接线多,灵活性差,工作频率低,触电易损坏,可靠性差。可编程控制器简称PC(Programmable Controller,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(Programmable Logic Controller与可编程序控制器PC几个不同时期。为及个人计算机(PC相区别,现在把可编程逻辑控制器简称为PLC。它主要用来取代继电接触器逻辑控制,系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。可编程序控制器控制系统是一种数字运算操作电子系统,专为工业

10、环境而设计。它采用了可编程序存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算等操作指令,并通过数字式与模拟式输入与输出,控制各种类型机械生产过程。它具有很强抗干扰能力,广泛适应能力与应用范围。这也是区别于其他一般微型控制系统一个重要特征。如果采用PLC作为十字路口交通灯控制系统作为控制核心,只需将程序下载到PLC 内即可。并可通过通信随时对控制系统进行调试。PLC适应环境能力非常强,抗干扰3平顶山工业职业技术学院毕业设计(论文说明书等方面能力都非常强大,性能价格比也很高。可编程控制器控制技术及继电-接触器控制技术、单片机控制技术异同点:1.功能强,性能价格比高在实时检测与自

11、动控制单片机应用系统中,单片机往往作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够,还应根据具体硬件结构软硬件结合,加以完善。继电器是用于逻辑控制,起到过渡作用,亦可控制小负载。PLC是可编程逻辑控制器,是用软件来进行逻辑控制,而继电器是用硬件结构来控制。一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用编程元件,有很强功能,可以实现非常复杂控制功能。及相同功能继电器相比,具有很高性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网,实现分散控制,集中管理。2.硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强可编程序控制器产品已经标准化,系列化,模块化,配备有品种齐全各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便进行系统配置,组成不同

12、功能、不规模系统。楞编程序控制器安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强带负载能力,可以直接驱动一般电磁阀与交流接触器。3.可靠性高,抗干扰能力强单片机是靠程序,并且可以修改。通过不同程序实现不同功能,尤其是特殊独特一些功能,这是别器件需要费很大力气才能做到,有些则是花大力气也很难做到。而PLC编程更比单片机通俗易懂。传统继电器控制系统中使用了大量中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良,容易出现故障,PLC用软件代替大量中间继电器与时间继电器,仅剩下及输入与输出有关少量硬件,接线可减少互继电器控制系统1/10-1/100,因触点接触不良造成故障大为减少。PLC采取了一系列硬

13、件与软件抗干扰措施,具有很强抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰工业生产现场,PLC已被广大用户公认为最可靠工业控制设备之一。4.系统设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜设计、安装、接线工作量大大减少。PLC梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律,很容易掌握。对于复杂控制系统,梯形图设计时间比设计继电器系统电路图时间要少得多。PLC用户程序可以在实验室模拟调试,输入信号用小开关来模拟,通过PLC上4发光二极管可观察输出信号状态。完成了系统安装与接线后,在现场统调过程中发现

14、问题一般通过修改程序就可以解决,系统调试时间比继电器系统少得多。梯形图是使用得最多可编程序控制器编程语言,其电路符号与表达方式及继电器电路原理图相似,梯形图语言形象直观,易学易懂,熟悉继电器电路图与单片机电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户一种高级语言,可编程序控制器在执行梯形图程序时,用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。6.维修工作量少,维修方便PLC故障率很低,且有完善自诊断与显示功能。PLC或外部输入装置与执行机构发生故障时,可以根据PLC上发光二极管或编程器提供住处迅速查明故障原因,用更换模块方法可以迅速地排除故障。

15、这些都是继电器与单片机无法比拟。7.体积小,能耗低对于复杂控制系统,使用PLC后,可以减少大量中间继电器与时间继电器,小型PLC体积相当于几个继电器大小,因此可将开关柜体积缩小到原来确1/2-1/10。PLC配线比继电器控制系统配线要少得多,故可以省下大量配线与附件,减少大量安装接线工时,可以减少大量费用。将PLC用于对交通信号灯控制,主要是考虑其具有对使用环境适应性强特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口控制可方便实现。目前大多品牌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。由于PLC本身具有通讯联网功能,将

16、同一条道路上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。综合以上优点,所以,本设计采用可编程序控制器控制交通灯系统。第三章交通灯硬件设计交通灯控制系统结构图如图3-1所示。图3-1 交通灯控制系统框图信号灯受启动及停止按钮控制,当按下启动按钮时,信号灯系统开始工作,并周而复始地循环工作,当按下停止按钮时,系统将停止在初始状态,所有信号灯都熄灭。交通灯示意图如图3-2所示,在东西南北两个方向均安装信号灯,两个方向各6个灯,分为三个方向红、黄、绿三种颜色。控制要求:南北主干道:左转绿 10S 直行绿 30S 绿闪3S 黄2S 红 45S 右行红10S 绿 78S 东

17、西人行道:绿 27S 绿闪3S 红60S东西主干道:红 45S右行红10S 绿 78S左转绿 10S 直行绿 30S 绿闪3S 黄2S 南北人行道:红60S 绿27S 绿闪3S交通灯变化顺序表(单循环周期90秒(1南北向(列与东西向(行主干道均设有左行绿灯10S,直行绿灯30S,绿灯闪亮3S,黄灯2S与红灯45S。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,绿灯闪亮与黄灯;反之,当东西主干道红灯点亮时,南北主干道依次点亮左行绿灯,直行绿灯,绿灯闪亮与黄灯。(2南北向与东西向人行道均设有通行绿灯与禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南北向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮,然后接

18、3S绿闪,其他时间为红灯;同样,东西人行道通行绿灯于东西向主干道直行绿灯点亮3S后才允许点亮,然后接3S绿闪,其它时间为红灯。(1急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时,按正常循环时序控制,有急车来时,将急车强通开关接通,不管原来信号状态如何,一律强制让急车来车方向绿灯亮,直到急车通过为止,将急车强通开关断开,信号状态立即转为急车放行方向绿灯闪亮3次。随后按正常时序控制。(2急车强通信号只能响应一路方向来车,若两个方向先后来急车,则响应先来一方,随后再响应另一方。图3-2交通灯示意图根据设计要求,本设计共需要I/O点数为4输入/22输出。具体需要输入输出点数如表3-1与表3-2所示。表3-1

19、 输入点数分配表3-2 输出点数分配根据表3.1与表3.2可以确定PLC以及扩展模块选型。对于这种中小型自动控制中,应用德国西门子公司生产S7-200系列PLC无疑是十分明智选择。在主机模块中,常用主机有CPU222,CPU224,CPU226三种。方案一:若选择CPU222作为主机,由于CPU222有8输入/6输出,及此设计4输入/22输出相差16点数字量输出。还需要扩展16点数字量输出。方案二:若选择CPU224作为主机,仍然缺少8点数字量输出,与前者相比,CPU224存储容量增大了一倍,它可以有7个扩展模块,并且有内置时钟,有更强模拟量与高速计数处理能力。是使用相对较多S7-200产品。

20、方案三:如果选用CPU226作为主机,CPU226主机为24输入/16输出,及4输入/22输出较为接近,只需扩展一片8点数字量输出扩展模块即可。与CPU224相比,CPU226增加了通讯口数量,使得它通信能力大大增强,可以用于点数较多,要求较高小型或者中型控制系统。经过价格、性能、扩展模块数量比较,以及设计要求等多方面考虑,选择CPU226作为主机是最合理。S7-200系列CPU提供一定数量主机数字量I/O点,但在主机I/O点数不够情况下,就必须使用扩展模块I/O点。由于本设计输入点很少,只要PLC主机输入点足以满足要求。需要扩展6点输出,EM222是8DC输出,这样扩展一个EM222就满足系

21、统要求,且比较经济合理,所以,选择EM222作为输出扩展模块。主机与扩展模块上均有一个连接口,用专用连线将两个接线口连通即可。如图3-4所示。图3-4 CPU226及EM222连接图如表3-3、表3-4所示,优先分配主机CPU226地址,后分配扩展模块EM222(8输出数字量模块地址。表3-3 输入点分配表3-4 输出点分配如图3-5所示,主机与扩展模块输入/输出分别接在一起。图3-5 硬件连接电路图本节简单介绍了对道路十字路口监控,主要采用直接摄像及录象方式进行监控,之后将数据通过光缆传回监控中心进行人工截取保存,以便对违章肇事事件进行见证与查询。第四章交通灯软件设计系统由传感器、输入接口电

22、路、PLC、信号灯、电源等组成。以下面一个十字路口为例, 该路口控制为普通采用方式,依次放行顺序南、东、西、北。按绿灯指示方向行驶(向左、直行与向右 , 人行道在南面车辆放行时,东面人行道放行,依此类推,顺序为东、北、南、西,绿灯放行时间初始设定值为30秒,时间结束后绿灯闪三次(1秒一次,黄灯亮2秒,黄灯灭,红灯亮,三秒后黄灯灭,红灯亮。每个方向循环一次90秒。人行道只有绿灯与红灯,由放行车道绿、红灯并联控制,绿灯结束后,绿灯闪烁三秒后常亮。1、控制流程图(1交通灯正常循环运行逻辑流程图如图4-1所示。图4-1 交通灯正常循环运行流程图续图4-1(1交通灯正常循环运行流程图续图4-1(2交通灯

23、正常循环运行流程图(2急车强通控制逻辑流程图如图4-2所示。图4-2 急车强通控制流程图续图4-2(1急车强通控制流程图(2控制时序图交通灯工作时序图如图4-3所示。图4-3 交通灯南北工作时序图图4-4 交通灯东西工作时序图本设计采用S7-200系列编程软件STEP-Mirco/WIN32编程软件进行编程。STEP-Mirco/WIN32编程软件是基于Windows应用软件,由西门子公司专门为S7-200系列可编程控制器设计开发。它功能强大,主要为用户开发控制程序使用,同时也可实时监控用户程序执行状态。它是西门子S7-200用户不可缺少开发工具。现在加上汉化程序后,可在全汉化界面下进行操作,

24、使中国用户使用起来更加方便及实用。本设计采用顺序控制指令进行编程,具体程序如下:网络1:置位初始状态。网络2:状态S0.0开始。网络3:在状态S0.0中,实现东西、南北方向交通灯以及人行道交通灯复位与置位。网络4:若启动按钮有效,分支开始,顺序状态转移到状态S0.1。网络5:复位状态S0.0。网络6:状态S0.1开始。网络7:状态执行,南北同时左转绿、直行红、右转红10S南北左转绿灯闪3秒南北黄灯亮2秒南北人行道绿灯亮27秒南北左转红30秒东西右转、南北直行、南北人行同时绿灯闪3秒程序执行43秒时对南北直行绿、南北人行绿、东西右行绿进行复位南北直行黄、东西右行黄2秒程序执行45秒时对南北直行黄

25、、东西右行黄、东西左转红进行复位东西左转绿、东西右行红10秒程序执行45秒时对南北直行红进行置位东西左转绿灯闪3秒程序执行55秒时对东西直行绿、东西右行绿进行置位,对东西直行红进行复位定时器T37设定植58秒网络8:T37有效,顺序状态转移S0.2。网络9:顺序状态转移结束。网络10:状态S0.2。网络11:东西左转黄灯亮2秒东西人行道绿灯复位东西人行红道红灯复位东西左转红置位东西人行绿、南北右行绿、东西直行绿闪2秒计时器T38设定值30秒网络12:T38有效,顺序状态转移S0.3。网络13:顺序状态转移结束。网络14:状态S0.3。网络15:南北直行黄置位东西人行红、南北右行黄置位东西人行绿

26、复位南北直行绿、南北右行绿复位定时器T39设定值2秒网络16:T39有效,顺序状态转移S0.0。如果有急车来时,将急车强通开关接通,不管原来信号状态如何,一律强制让急车来车方向绿灯亮,直到急车通过为止,将急车强通开关断开,信号状态立即转为急车放行方向绿灯闪亮3次。随后按正常时序控制。急车强通控制梯形图17,梯形图18。网络17:东西方向急车强通控制梯形图:网络18:南北方向急车强通控制梯形图:结论通过这次毕业设计使我以前那种被动学习状态变成主动学习,将书本上理论知识应用到变化生产与实践中,使我对学习再次产生了很大兴趣,同时培养了我自己独立思维能力与实践能力。通过毕业设计,使自己对PLC以及交通

27、灯控制有了进一步了解。将所学到有关PLC系统硬件结构、控制算法以及软件设计应用到设计系统控制中,尤其是通过自学通信部分,更是提高了我能力,提高了我增加综合设计能力,这对我以后走向工作岗位必定是一种不可缺少、非常宝贵财富。这次设计让我增长了实践技能,还增加了有关交通知识,这些对于我日后工作真是受益匪浅。最后,我觉得,不见风雨,怎么能见彩虹?我把体会用十个字概括:天下无难事,只怕有心人。致谢感谢学校领导对我们精心培养,给我们一个良好学习环境,感谢指导教师孙教师悉心关注与耐心指导。通过这次毕业设计制作,我学到了很多东西,受益匪浅。本次课程设计主要涉及PLC可编程控制及电路等专业课程,在此期间不仅巩固

28、了我专业课知识,拓宽了我知识面,使我初步掌握了可编程控制技基础设计,了解了可编程控制核心内容,更让我有机会理论结合实际得以学以致用。这次设计我感触很多,更加体会到教师这个职业不平凡,是他们在这平凡岗位上奉献着自己青春,奉献着自己辛勤劳动及心血。大学生活即将结束,似水流年日子里我开始期待明天,我要以一颗感恩与奉献心走上新工作岗位,努力学习回报他们、回报社会,实现人生社会价值。参考文献【1】廖常初:可编程序控制器编程方法及工程应用M.重庆大学出版社【2】钟肇新,彭侃:可编程序控制器原理及应用M.华南理工大学出版社【3】戴仙金:西门子S7-200系列PLC应用及开发M.中国水利水电出版社【4】罗宇航:流行PLC实用程序及设计M.西安电子科技大学出版社【5】张立科:PLC应用开发技术及工程实践M.人民邮电出版社附录PLC控制交通灯程序:平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书 35 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书 36 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）说明书 37 第 18 页