基于PLC的交通灯模拟控制设计

基于PLC的交通灯模拟控制设计冯健强2011-12目录引言1具体设计方案2可编程控制器程序设计3总结4结束语5引言•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需简历数学模型的方法，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。近些年我国的许多学者也都一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，实际应用的寥寥无几。本文基于实现PLC交通信号的模糊控制系统。•根据前后流量来决定交通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相位交通为例，把PLC作为模糊控制器，采用梯形图编程。通过实验保证了系统运行的稳定可靠，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：PLC可编程控制器，交通信号灯，可靠性高。第二章交通信号控制系统分析2.1十字路口交通灯控制实际情况描述（1）南北方向绿灯和东西方向的绿灯不能同时亮；如果同时亮，则应自动立即关闭信号灯系统，并立即发出报警信号。（2）系统工作后，首先南北红灯亮并维持25s；与此同时，东西绿灯亮，并维持20s时间，到20s时，东西绿灯闪亮，闪亮3s后熄灭。（3）在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持2s，然后东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。（4）东西红灯亮并维持30s；与此同时，南北绿灯亮并维持25s；然后，南北绿灯闪亮3s后熄灭。2.2十字路口交通灯的路况画出模拟图•北•南•东•西交通指挥灯示意图•绿•黄•红•绿•黄•红•红•黄•绿•绿•红•黄2.3结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验•在PLC交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有3个控制灯，分别为：•禁止通行灯（亮时为红色）•准备禁止通行灯（亮时为黄色）直通灯（亮时为绿色）•另外行人道东西南北每面都有2个控制灯,分别为：•禁止通行灯（亮时为红色）•直通灯（亮时为绿色）•结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统如下：•当交通灯系统启动开关接通时，南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯10S，绿灯闪亮2S（亮0.1灭0.1）,黄灯2S和红灯14S。当南北主干道红灯点亮时，东西住干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。南北向和东西向行人道均设为通行绿灯和禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南北主干道绿灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。东西行人道通行绿灯于东西主干道绿灯点亮是点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。除此之外另设两个功能，使用10个脉冲开关。实现让盲人可以方便通过十字路口和手动控制车流量。其中8个安装在人行道的两边当东西方向行走的盲人要过马路的时候，按下脉冲开关东西向行人道绿灯亮起，南北向主干道红灯闪亮，延迟10秒恢复原来的控制系统。南北向脉冲开关对应东西向功能相同，另外两个脉冲开可以控制车流量，当东西向主干道等待车量较多的时候，按下东西向控制脉冲开关，东西向主干道延长绿灯点亮时间到15秒。东西向行人道绿灯也要对应延长。南北向脉冲开关对应东西向功能相同。第三章交通灯控制系统设计•3.1交通灯控制系统硬件设计•3.1.1PLC智能化控制交通灯的方法•传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。而模糊控制恰恰具有这方面的优势。此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模糊控制传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，需要有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。而模糊控制恰恰具有这方面的优势。•此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模糊控制此控制系统的输入量是指十字路口各方向上车辆数的动态变化量。具体由传感器采集后送入可编程序控制器。在十字路口的四个方向(E、S、W、N)的近端J(斑马线附近)和远端Y(距斑马线约100米处)各设置一个传感器，分别统计通过该处的车辆数。为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两部分：其一是固定的10秒作为路口车辆状态参数的采集时间t1；其二是根据两个方向车辆流量变化进行模糊决策的延时t2。然后通过传感器采集后的排队等候的车辆数送往PLC进行模糊推理运算得出延迟时t2，最后由t1和t2来实现对十字路口车流量的灵活控制。•3.1.2可编程控制器I/O端口分配•根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启与停止按钮信号；输出有东西方向、南北方向各两组指示信号和故障指示驱动信号。由于每一个方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为了节省输出点数，可采用并联输出方法。由此可知，该系统所需的输入点数为2，输出点数为7，全部是开关量，则可将I//O分配用下表示。输入元件输入地址输出元件输出地址开启按钮SB10.00南北绿灯F010.00停止按钮SB20.01南北黄灯F110.01南北红灯F210.02警灯（故障指示）F310.03东西绿灯F410.04东西黄灯F510.05东西红灯F610.063.1.3PLC的外部接线图•根据上述I/O表可知，I/O所需点数只有9点，故选用CPM2AH微型PLC即可。但本书还是以CS1为例，则PLC外部输入输出的信号接线如图6-19所示。其中，每一方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯并联，用PLC的同一个输出点。•COM•COM•10.00•10.01•10.02•10.03•10.04•10.05•10.06•000000M•0.01•北绿•南绿•北黄•南黄•南红•北红•警灯•东绿•西绿•东黄•西黄•西红•东红系统的I/O接线图•电源•SB1•SB2•F1•F0•F2•F3•F4•F5•F63.2交通灯控制系统软件设计•3.2.1十字路口交通灯模拟控制时序图••启动/•停止•南北红灯•东西绿灯•东西黄灯•东西红灯•南北绿灯•南北黄灯交通信号灯时序状态示意图3.2.2流程图•启动开关•南北红灯亮•南北绿灯•南北绿灯闪14S10S•4S•东西绿灯亮•东西绿灯闪•东西红灯亮•10S•4S•14S•东西行人道•南北行人道•结束10S2S2S•14S•14S10S•2S•2S•南北主干道•启动开关•东西绿灯亮•东西绿灯闪•东西黄灯亮•东西红灯亮东西主干道•南北红灯亮•南北绿灯亮•南北绿灯闪•南北黄灯亮•结束•交通灯模拟控制系统流程图•启动开关•按下脉冲开关•原来控制循环系统•行人道绿灯点亮，主干道红灯闪亮•结束•Y•N•启动开关•盲人脉冲按键控制流程图•按下脉冲开关•对应方向绿灯点亮时间延长到15秒，另一方向红灯点亮延长到15秒•再次按下启动开关•按此次控制方式进行循环•原来方式控制系统•结束•Y•N•Y•N•手动控制车流量流程图3.2.3程序梯形图•根据对交通信号灯的控制要求及PLC控制系统的I/O分配的定义，可对PLC进行控制程序的设计，其梯形图如图6-20所示。•下面对所设计的梯形图作几点说明：•(1)当按下启动按钮，0.00接通，中间继电器200.00接通，10.02线圈得电，南北红灯亮，与此同时，10.02的常开触点闭合，10.04线圈得电，东西绿灯亮。•(2)延时20秒后，TIM006的常闭触点接通，与该接点串联的TIM008的常开接点共同控制产生0.5秒的钟脉冲信号，使东西绿灯闪烁3s（闪烁6次）。•(3)经过3秒后，TIM007的常闭接点断开，10.04线圈失电，东西绿灯熄灭。此时TIM007的常开接点闭合，10.05线圈接通，东西黄灯亮2s。•(4)经过2秒后，TIM005的常闭接点断开，10.05线圈失电，东西黄灯灭，这是启动TIM000进入延时。•(5)延时25s后，TIM000的常闭接点断开，10.02线圈失电，南北红灯灭；同时，TIM000的常开接点闭合，10.06接通，东西红灯亮；由于10.06的常开接点闭合，10.00线圈得电，南北绿灯亮。•南北绿灯工作25s后，系统的工作情况与上述类同。•如果发生南北、东西绿灯同时亮，则系统出现故障，应立即报警处理。当系统需要停止工作时，只要按下停止按钮即可。•东西红灯工作延时•东西绿灯工作延时•东西黄灯工作延时•南北绿灯闪烁延时•南北红灯工作•东西绿灯闪烁•东西绿灯工作•东西黄灯工作•000000•380000•000001•380000•002003•380000•TIM0004•TIM0000•#0250•TIM0000•TIM0004•#0250•TIM0006•#0200•TIM0007•#0030•002003•380000•TIM0000•TIM0005•#0020•TIM0001•#0250•TIM0002•#0030•TIM0006•TIM0007•TIM0000•TIM0001•TIM0003•#0020•TIM0002•002003•380000•TIM0000•TIM0000•002002•002006•002002•TIM0006•TIM0006•TIM0007•TIM0008•TIM0008•#0005•TIM0007•TIM0005•002004•002005•002006•TIM0001•TIM0001•TIM0002•TIM0008•002000•002001•TIM0003•TIM0002•TIM0009•#0005•380000•TIM0009•TIM0008•002000•002004•002003•启动/停止按钮•南北红灯工作延时•东西绿灯闪烁延时•南北绿灯工作延时•南北黄灯工作延时•东西红灯工作•南北绿灯闪烁•南北绿灯工作•南北黄灯工作•事故报警•END(001)3.2.4梯形图对应的语句表•步序指令注解•0LD0.00•1OR200.00•2AND-NOT0.01•3OUT200.00启动停止•4LD-NOT10.03•5AND200.00•6AND-NOTTIM004•7OUTTIM000•8#0250南北红灯工作延时•9LDTIM000•10OUTTIM004•11#0250东西红灯工作延时•12LD-NOT10.03•13AND200.00•14AND-NOTTIM000•15OUTTIM006•16#0200东西绿灯工作延时•17LDTIM006•18OUTTIM007•19#0030东西绿灯闪烁延时•20LDTIM007•21OUTTIM005•22#0020东西黄灯工作延时•23LDTIM000•24OUTTIM001•25#0200南北绿灯工作延时•26LDTIM001•27OUTTIM002•28#0030南北绿灯闪烁延时•29LDTIM002•30OUTTIM003•31#0020南北黄灯工作延时•32LD-NOT10.03