十字路口交通信号灯控制系统设计

十字路口交通信号灯控制系统设计摘要PLC可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。此设计将PLC应用于交通灯系统中。可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。在该设计中，十字路口红绿灯闪亮及车辆通行，十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。目录绪论1、课题背景…………………………………………………………11.1研究目的和意义………………………………………………………11.2本文的主要工作………………………………………………………22PLC的基础………………………………………………………32.1PLC的特点………………………………………………………………32.2PLC的结构和工作原理…………………………………………………42.2.1PLC的基本结构…………………………………………………42.2.2PLC的工作原里…………………………………………………53西门子S7-200系列PLC的硬件单元……………………………63.1主机………………………………………………………………………73.1.1CPU的主要特点…………………………………………………73.1.2存储系统…………………………………………………………83.2扩展单元…………………………………………………………………83.3特殊功能模块……………………………………………………………83.4内部软元件………………………………………………………………93.5基本指令…………………………………………………………………104系统的设计与仿真…………………………………………………114.1控制要求…………………………………………………………………114.2硬件设计…………………………………………………………………124.2.1交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表………………………124.2.2交通信号灯PLC控制硬件接线图……………………………….124.3软件设计…………………………………………………………………134.3.1交通信号灯PLC控制顺序功能图………………………………134.3.2交通信号灯PLC控制梯形图……………………………………13结论……………………………………………………………………17参考文献………………………………………………………………18插图索引图1交通灯控制模型图一……………………………………………………12图2交通信号灯PLC控制硬件I/O接口接线图二…………………………12图3交通信号灯输出时序图三………………………………………………12附表索引表1交通灯亮闪表…………………………………………………………11表2交通信号灯PLC的输入/输出点的分配表……………………………1211.1研究目的和意义在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，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，实际上车辆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、较适用的方案，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，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。可编程控制器交通灯控制系统的特点：①脱机手动工作；②联机自动就地工作；③上机控制的单周期运行方式；④由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；⑤自动启动、自动停机控制方式。近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。本系统采用PLC是基于以下四个原因：①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；②编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；2③抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；根据交通信号灯系统的的超小型程序装置。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。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1.2本文的主要工作首先，回顾交通灯的历史，随着社会经济的发展，交通管制的要求越来越高，采用可编程程序控制器来代替中间继电器和过程控制的微型机，设计开发了交通灯控制系统，才会满足稳定可靠的交通控制系统需求。然后，叙述了可编程程序控制器的产生、发展、应用的历程，通过论述可编程程序控制器的各种优点、卓越性能、结构、原理，有一个感性的总体认识。然后，结合交通灯控制系统的要求，进行硬件、程序设计，从主要部件的选择、流程的分析、程序思路的产生来完成本次设计任务。然后，通过对系统的调试和检测，再进行系统性梳理，将隐藏的不足之处加以修正和完善，确保系统能顺利运行。2.PLC的基础PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一台专为工业环境应用而设计的计算机，它是将传统的继电器技术，计算机技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。在具体的国内工业应用中，由于它不是针对某一具体工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。随着微处理器的出现，大规模、超大规模、集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展其发展过程大致可以分为三个阶段[1]。1.早期的PLC早期的PLC称为可编程逻辑控制器。这时，PLC主要功能只是执行原先由继器完成的顺序控制、定时等。早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点3包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示及能重复使用等。其中PLC特有的编程语言－－梯形图，一直沿用到现在。2.中期的PLC这时PLC产品已使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术是PLC的应用得到了进一步的发展。在硬件方面，除了保留原有的开发模块外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的范围更大。在软件方面，还增加了算术运算、数据处理和传送通信、直诊断等功能。3.近期的PLC由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器价格的大幅度下降，使的各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。为了提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片。世界上生产PLC产品的厂家多达200多个，其中比较著名的有美国的AB、通用(GE)，日本的三菱(MITSBISHI)、欧姆龙(OMRON)、松下，德国的西门子(SIEMENS)，韩国的三星(SUMSUNG)、LG等。2.1.PLC的特点PLC具有以下主要特点：1.可靠性高，抗干扰能力强2.控制系统结构简单，通用性强3.编程方便，易于使用4.功能完善5.设计、施工、调试的周期短6.体积小，维护操作方便2.2.PLC的结构和工作原理2.2.1.PLC的基本结构在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。1.中央处理器(CPU)中央处理器(CPU)一般由控制器运算器和寄存器组成。它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不序地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。CPU的主要任务如下：4(1)按PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。(2)用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。(3)诊断电源或PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。(4)在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。2.存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。(1)系统存储器系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。其主要内容包括3个部分：系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。(2)用户存储器用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。PLC使用的存储器有3种类型：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和可擦除可编程只读存储器(EEPRO)。3.输入/输出接口单元PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。4.扩展接口和通信接口PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。(2)通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监