【《基于PLC的交通信号控制系统设计》8400字（论文）】.docx

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1、基于PLC的交通信号控制系统设计目次1前言12总体方窠的设计12.1 PLC的基本结构12.2 PLC各部分作用22.3 总体方案设计33系统硬件设计43.1 系统主电路设计43.2 地感线圈的工作原理53.3 地感线圈的选择63.4 信号转换装置73.5 交通灯选型73.6 PLe的I/O地址分配83.7 PLC的外部接线及原理94系统软件设计104.1 编程软件的选取104.2 编程软件的使用方法104.3 交通灯的时序分析114.4 系统的控制要求124.5 主程序的设计135调试与仿真195.1 MCGS的基本介绍195.2 MCGS组态环境的创建205.3 MCGS组态软件模拟运行2

2、1结论22参考文献231前言交通灯是现代通行所必不可少的，它的发展更是有着相当悠久的历史。目前,人类的工业文明正处于飞速发展的时期，各种各样的交通工具正在不停地涌现出来，汽车更是几乎快成为必不可少的工具。由于这些通行工具的大量使用，导致出行变得更加的方便，但是人们同时也正在迎来一个严峻的问题，就是逐渐变大的交通压力，几乎所有的路口的交通控制信号系统开始达不到要求。世界上的第一台在伦敦街口的由煤气供能的仅有红绿两种颜色的交通灯，是由来自英国的工程师纳伊纳伊特所安装的。虽然它也可以实现交通信号的控制功能，但是在不久以后，出现了一场爆炸事故后，这种交通灯便被淘汰掉了。随后四十多年以后，交通灯又出现在

3、了人们的视野中，第一台由电力来驱动的交通信号灯被美国人克利夫兰斯制造了出来，并且广泛地安装在了各主要城市，用电力来驱动的交通灯以及开始具备了现代交通控制信号系统的雏形。随后由于交通信号的自动化控制的提出，交通灯的发展被提高到了一个崭新的高度。等到了1968年，联合国提出的道路交通以及道路信号标志协定对交通信号灯的不同的意义做出了较为明确的规定，即红灯的时候停，所以红灯所在车道的车辆得在人行道以后。绿灯的时候行，绿灯所在车道的车辆可以选择直行或者左拐、右拐。黄灯的时候适当等一等，黄灯所在车道的车辆需要减速慢行，必要的时候得选择停止，但是另一种情况，假如车辆已经非常接近停车线从而无法安全停车的情况

4、下，车辆可以直接进入交叉路口。由于新型交通灯的使用以及明确的交通规则的提出，城市的交通压力得到了极大的改善，人们的出行也开始变得更加方便。2总体方案的设计2.1 PLC的基本结构总体上来讲，PLC就是一种适用于工业控制的计算机，唯一区别就是它要比传统的计算机拥有更加强力的跟工业过程相互连接的接口以及更加直接的满足控制要求的编程型语言。总而言之，计算机控制系统和PLC非常地相似，因此PLC也具备有存储器、电源、输入/输出接口、中央处理器等，具体情况如图2-1所示：图2-1PLC的基本结构2.2 PLC各部分作用（1）中央处理单元PLC的核心部分就是中央处理单元，它主要有控制接口电路以及微处理器两

5、部分组成。我们都知道，对于微处理器而言，其实质就是一种可编程序控制器的控制以及运算，而且对于数据、逻辑进行计算以及操控系统进行运作都是借助于微处理器发挥作用的。微处理器的运行方式是按照系统中的程序赋予给他的任务来进行的。对其而言，对用户的数据进行管控和保存接受并且转发程序；在储存器中保存接收到的信息；对于电源和PLC内部有可能出现的电路故障进行检测；PLC在进行工作的过程中，用户的指令被储存器进行调用，之后进行解译，之后将其进行转发和计算；借助于计算所得，把输出映像寄存器中的相关信息进行更新。之后在借助输出部分进行打印表以及通讯连接等操作。（2） I/O单元I/O单元是PLC的输入以及输出装置

6、。输入口能够输入现场所有的输入信号,并且将它变换成为中央处理器能够接受的信号，最后再送给CPU进行运算；相反的输出单元就是将CPU输出的信号转变成控制器能接受的信号，然后再用来驱动各种器件。（3）存储器对于PLC系统而言，它所具备的存储器可以进行两方面的划分，其中之一为系统，之二为用户程序存储器。对于用户程序存储器而言，我们能够将其进行三方面的划分，分别是系统区域、用户程序区域、数据区域。对于系统程序存储器而言，其能够发挥价值的位置在于将厂家编程出来的系统程序进行保存，并且固定在存储器当中，不容许修改。系统程序相当于一个完整的操作系统，他与PLC的性能密切相关。（4）编程器编程器的作用是为用户

7、提供了对程序进行编辑和调试以及监视等功能平台，它是可编程序控制器的重要的设备之一。（5）电源单元电源单元唯一的作用就是给PLC的电源提供能量，它也是可编程序控制器能够持续工作的唯一保障。2.3 总体方案设计基于PLC的自适应交通灯智能控制系统主要有车流量检测系统、PLC、控制中控台三大部分组成，其控制结构图如2-1所示。中控台图2-1基于PLC的自适应交通灯控制系统结构图车流量检测系统主要负责检查各路口单位时间（60S）内通过路口的车辆数量，并将检测结果发送至PLC；PLC根据车流量检测系统记录的数据，按预先设定的控制规律来控制相应的交通信号灯；中控台主要用来对控制系统的运行模式进行控制，如自

8、动运行模式、人工干预运行模式等。自动运行模式下，若东西向或南北向车流量均小于15辆min,则系统按定时切换控制运行，双向绿灯均为40s,黄灯3s,红灯43s切换运行；若某一向每分钟车流量大于15而小于30,则该向绿灯调整为50s,黄灯3s,另一向绿灯30s,黄灯3s；若某一向若某一向每分钟车大于30,则该向绿灯调整为70s,黄灯3s；当两向车流量均在同一范围内时，车流量较大的一向控制优先，若两向车流量均在同一范围内且相等时，东西向控制优先。3系统硬件设计3.1 系统主电路设计该定时系统由定时器，时间状态显示器等部分组成其中定时器由两片CD4029构成的二位十进制可预制减法计数器完成，时间状态由

9、两片74LS47和两只LED数码管对减法计数器进行页码显示。预置到减法计数器的时间常数通常两片8路双向三态门74LS245实现。根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，以完成30s的定时任务。3.2 地感线圈的工作原理本系统是通过东南西北四个方向的地感线圈检测到的车流量数量来判断各个路口的繁忙情况。本次设计将交通路口进行了简化地处理，只考虑各个方向只有一条直行道的情况，然后将地感线圈铺设在距离十字路口30米的地方，以此来统计车流量的复杂情况。具体情况如图3-1所示，图3-1十字路口地感线圈布置图在这个设计中，每当有车辆通过十字路口就一定会经过地感线圈N以及S,然后地

10、感线圈就会产生一个脉冲信号并且输送到PLC内，接着再进行加1运算，PLC通过对脉冲信号的计数即为各个路口的车流量，分别统计出南北方向和东西方向的车流量X以及Y,最后比较俩数值X与Y就能判断出南北和东西的车流量复杂情况，如果车辆流量较大，则该方向的绿灯时间适当地延长，如此循环比较,但不能超过一个最大值，反之亦然。3.3 地感线圈的选择本次设计的核心就是地感线圈对车流量的检测，因此对地感线圈的选择就变得很重要。如果要使地感线圈能够合理地进行工作，就应该保持电感线圈的电感量在100UH至300UH间，然后在不改变线圈电感的情况之下，线圈的匝数跟周长有着密切的关系，如果周长越小随之线圈的匝数就越多，具

11、体情况可以参照下表3-1所示。表3-1线圈【巾:数的参考表线圈周长线圈匝数300cm,电感IOoUH-300UH5-6匝300600cm5Y匝600-100Ocm4-5匝10002500cm3匝2500Cm以上2匝在实际生活中，铺设线圈可能会遇到各种各样的问题，但本次设计仅仅是以模拟为主，所以不做太多考虑。根据本次设计决定选择内径大小为L8X2.3CM、外径大小为2.0X2.5CM、匝数为180匝的线圈。3.4 信号转换装置信号的转换装置由电容、电阻、耦合震荡电路等部分构成的，它依托于电磁感应原理。其原理图如3-2所示。图3-2信号转换装置电路原理图共射极振荡器由Ul和U2组成，而两个三极管的

12、公共射极的电阻由R3来代替，整个系统构成一个正反馈系统。地感线圈T与振荡回路构成LC谐振电路，T是作为电感元件检测电路的信号元件。在周围有金属物时，会使介质变化并造成一系列物理量的变化，如震荡频率会升高继而影响到单位磁通量的增加，最终线圈电感值发生变化，此时LC谐振的频率发生改变。它的频率的变化就是汽车经过路面时候产生的输入信号，此信号通过C3与R4组成的滤波电路，就能够输出一个稳定的直流电压，并输入到PLC系统中（电压为0至IOV的标准电压信号）。3.5交通灯选型正如传统控制工艺所描述的：车道控制的信号灯有很多种，但是其基本的控制原理又都是一样的。有多中颜色的一组信号灯之中每一种颜色又都是单

13、独控制的。PLC的控制系统输出的是24V直流控制电压，用来控制中间继电器的线圈，并且通过中间继电器来输出220V交流的电压，从而控制交通灯。交通灯的每中颜色只返回一对干触点信号到PLC之中，然后经过线路保险以后传送给PLC的输入接口模块。在控制算法上面多采用多重闭环控制的方法，它的响应时间应该小于0.5秒。图3-3交通灯内部线路图信号灯的产品必需要符合交管部门的规定和要术，在本设计中采用深圳市斯诺比光电科技有限公司生产的300型红绿黄箭头合一的三单元交通灯，如图3-3所示。这一系列产品完全符合我国公安部所规定的交通安全产品三五一类一级W型所制定的最高要求。3.6 PLC的I/O地址分配本次毕业

14、论文的设计过程中，在每个方向的路口都有红黄绿三中不同的交通信号灯，所以说整个系统所需要用到的交通灯就有12个，所以相同的也就会12对应的输出端口。又由于四个方向分别有一个电感线圈，再加上系统所需的两个启动以及停止按钮。所以具体的输入/输出地址分配参考下表3-2所示，该PLC的接线的输入为交流220V,输出为直流12V。表3-2输入/输出地址分配表输入设备输入点接口谕出设备输出点接口启动按钮XO南北方向绿灯（2个）Yl北方愉入Xl南北方向黄灯（2个）Y2南方输入X2南北方向红灯（2个）Y3西方输入X3东西方向绿灯（2个）Y4东方输入X4东西方向黄灯（2个）Y5停止按钮X5东西方向红灯（2个）Y6

15、3.7 PLC的外部接线及原理在本次论文所设计的信号控制系统中，可编程序控制器可以考虑采用继电器输出的方式来直接驱动交通信号灯。众所周知，继电器就是电子控制型器件中的一种，它同时具有输入回路以及输出回路，通常会在自动控制电路应用的比较广泛，但是在实际上它是一种自动开关，它使用相对较小的电流来控制相对较大的电流，所以说继电器在电路中有拥有着极其重要的地位，他拥有着转换电路和安全保护以及自动调节的作用。本次设计的给PLC.信号转电路和交通信号控制系统等供电的开关电源均为DC12V,工作电压为AC220V。如图3-4所示。图3-4系统原理图4系统软件设计4.1 编程软件的选取市场上现在有许多种对PLC进行编程与监视的软件，本次设计决定采用GXWORKS2这一软件，它是三菱电机推出的一款三菱综合PLC编程软件。并且被广泛地应用到了各种三菱PLC系统中，与本次设计中所采用的三菱的FX2N64MTOOl型PLC的契合度很高。与其他的三菱PLC软件相比，GXW0RKS2具有简单工程和结构化工程两种编程方式，并且支持梯形图、指令表、结构化梯形图、SFCsST等编程语言。同时它还具备程序编辑、参数设定