PLC交通信号灯毕业设计.doc

摘要如今，交通信号灯安装在各个十字路口，已经成为指导交通车辆最常见和最有效的手段。随着社会的进步，人们的消费能力不断的提高，很多人购买私家，导致现在的交通拥堵不堪。因此采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC能够把东西方向或南北方向的车辆按数量多少进行统计，然后计算出给定东西方向与南北方向的红绿灯时长。这样就可以实现按车流量大小给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞流，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高了交通指挥系统的效率。PLC的应用正在不断地走向深入，也带动了传统控制行业更新发展。PLC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。它对使用环境适应性强，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的交通控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通信号灯系统中。同时，PLC本身内部还具有通讯联网功能，能够将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度和管理，可以缩短车辆等候时间，实现科学化人性化的管理。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用。关键词：交通灯，PLC，车流量，最优控制AbstractToday, the traffic lights installed at various crossroads, has become the most common and most effective means of guiding transport vehicles. Along with social progress, people's spending power is continuously improving, many people buy private, resulting in gridlocked traffic. Therefore an effective method to control the traffic lights is imperative. PLC to the east-west or north-south direction of the vehicle according to the number the number of statistics, and then calculate the long given the traffic lights of the east-west direction and north-south direction. This can be achieved given the green light traffic flow size and duration, to achieve maximum vehicle clearance, reducing the crossroads of the vehicle stagnation, relieve traffic congestion, to achieve optimal control, thereby increasing the efficiency of the traffic control system.PLC application is continuously deepening, has also led to the development of traditional control industry updates. PLC has a simple structure, easy programming, high reliability, has been widely used for automatic control of industrial processes and location. Its use environment adaptability, while its internal timer resources are very rich, precise control of the current widespread use of "progressive" signal, in particular traffic control in the multi-fork can be easily implemented. So now more and more the PLC used in traffic lights system.At the same time, the PLC itself internal communications networking capabilities, unified scheduling and management of the lights on the same road the ability to form a local area network, vehicle waiting time can be shortened to achieve scientific and humane management. In real-time detection and automatic control of the PLC system, PLC is often as a core component to use.Key words: traffic lights;PLC; traffic flow;optimal control目录摘要IAbstracII第1章 绪论11.1研究背景、意义11.2智能交通的国内外发展状况11.3交通信号灯控制理论的研究现状21.4本文的主要工作内容2第2章 PLC可编程控制器32.1可编程控制器的由来与发展32.1.1可编程控制器的由来32.1.2可编程控制器的发展32.2 PLC的定义42.3 PLC的工作原理42.3.1分时处理和循环扫描方式42.3.2 PLC的两种工作状态42.3.3输入输出滞后时间42.4可编程控制器(PLC)的特点52.5 PLC的编程语言52.6 PLC的结构62.6.1中央处理器（CPU）72.6.2存储器72.6.3输入输出接口72.6.4电源82.6.5外部设备82.6.6 PLC的通信联网8第3章 控制系统的设计93.1技术控制要求93.2总体方案确定93.2.1方案的原理93.2.2方案的特点93.3信号灯智能控制方案103.4控制流程图：11第4章 系统硬件设计134.1系统框图134.2 十字路口交通灯布置图134.3 结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验144.4 结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统144.5 七段数码管的选择与显示原理154.6 A/D转换模块174.7 可编程控制器I/O端口分配174.8 PLC的选择174.9 硬件连接图18第5章 系统的软件设计205.1GX Developer编辑软件简介205.2 程序设计与思路205.3 程序的流程图225.4 梯形图23第6章 在组态软件中的实现266.1组态软件的选择266.2组态界面的设置266.3组态系统的设置276.4 运行调试28第7章 总结297.1难点分析297.1.1 行人道红绿灯和主干道红绿灯的对应关系297.1.2交通灯的闪亮297.2调试错误与修改方法29致谢30参考文献31附录A32附录B33第1章 绪论1.1研究背景、意义随着社会的经济发展，交通问题成为衡量起是否具有发展潜力的重要指标。目前我国大中小城市都出现了不同时段的交通拥堵现象，尤其是在大城市，这种现象更加明显，比如像北京、上海、南京等交通拥堵，甚至堵车的事件每天都有发生。在高速道路建设完成的初期，它们也曾一度有效的改善了交通状况。然而，随着交通量的超负荷增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有发挥出应有的作用，而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，采用哪种有效的控制方法，最大限度的利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解城市主干道、城市同周边城区的交通拥堵状况，越来越成为我们交通部门迫切需要解决的主要问题，可见改善城市交通灯控制系统是多么的重要。1.2智能交通的国内外发展状况RHODES系统依托自适应交通信号控制系统，扩展到公交的结合，实现公交信号优先和公交信息发布。DYNASMART系统基于多样式采集的信息，实时分析交通状态，利息按设计和在线评估实时信号控制、干线路径诱导等交通管理策略的运行效果，提供网络交通状态信息给公共出行者信息系统，确定与时间和当前状态相关的最优的拥挤消散策略。日本的集成控制系统以UTMS为代表，其目标是实现交通信息采集智能化、信号控制智能化、交通信息提供智能化，并能够与交通流诱导系统VICS互相联动。同样，这种集成系统在欧洲发展也很快，欧洲的TABASCO系统，将实时采集的交通数据，自适应交通控制系统，公路匝道调节，动态信息显示整合起来，主要是用于高峰期间平衡路网交通负荷。运行结果表明，当前路网23%的交通负载被转移，可替换路线的行程时间仅仅增加1%，协同系统可避免过饱和的瓶颈路段形成，路面平均运行时间减少13%。另外，FASTRAC系统也是信号控制系统基础上诱导集成的一个系统，其核心算法就是在中心运用动态交通分配，将诱导和控制结合起来。目前，我国各城市的交通控制集成的程度不一，北京市建立了整合管理系统TTMS也就是类似国外的TCIS，以交通信息中心为轴，连接公交系统、出租车系统城市捷运系统、轻轨系统、车速信息系统等，根据规划：第一阶段实现交通管理整合，第二阶段实现公共交通的整合，第三阶段实现信息平台的建设。上海交通信息化建设的目标：整合城区的交通监控系统、市郊公路及高速公路监控系统、车辆运行监控系统以及泊车系统等方面的相关信息，形成物流信息畅通能力。大范围的交通共用信息平台不是以逸待劳的工程，是不断吸纳、不断完善的工程。目前，北京上海已经初步建立了比较完善的信息采集系统，能够实现交通数据采集，并判断出交通状态进行发布，为管理者和决策者提供支持，其他省会城市也基本上实现了信号控制系统、122接处警、交通违法取证系统等集成统一的指挥中心平台。1.3交通信号灯控制理论的研究现状静态多段配时控制。静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。准动态多段配时控制。准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。准动态多段配时控制是一闭环控制系统。由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。模糊控制理论。一般控制系统的架构包含了五个主要部分，即:定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及反模糊化。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，因此其数学模型的建立非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。即使经过多次简化已建立的数学模型，它的求解还必须简化计算才能完成。所以经典控制法很难得到满意的效果。模糊控制是一种无须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。1.4本文的主要工作内容本课题以三菱FX2N-48MR型号PLC进行设计，FX2N系列是小型化,高速度,高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入输出16-25点的独立用途外,还可以适用于在多个基本组件间的连接,模拟控制,定位控制等特殊用途,是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。本课题在传统的交通信号灯基础上进行改进。改进项目为交通信号灯根据车流的不同来自动控制和改变红绿灯的点亮（熄灭）时间，从而控制车流，来缓解不同时段交通压力。第2章 PLC可编程控制器PLC可编程控制器是以微处理器为基础而发展起来的新型工业控制装置。它以体积小、功能强、可靠性高、以及应用安装方便的优点,在我国的工业控制中占据了主导地位,并且还在不断地发展着。目前，PLC在国内外广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及娱乐等各个行业。根据这一发展形势,全国各地高校都将PLC课程纳入教学任务,作为电子、电气、以及工业自动化类专业的一门必修课。2.1可编程控制器的由来与发展2.1.1可编程控制器的由来本世纪60年代，计算机控制技术已经开始应用到工业控制领域，但由于计算机技术复杂，编程不方便，而且价格还很昂贵，并未得到广泛的应用。1968年，美国通用汽车公司为了使生产的汽车款式不断推新，并且尽可能的降低制造成本，减少设计和制作周期，设法把计算机的各项功能与继电器控制系统的优点结合起来，开发出一种通用的自动控制设备，这也就是目前人们通称的可编程控制器。随着微电子技术和计算机技术的快速发展，70年代初微处理器问世，半导体存储器的集成度也越来越高，美国、日本等一些厂家开始采用微处理器来做PLC的中央处理器，使PLC不仅具有计算机的功能而且更加小型化。我国从1974年开始研制并于1977年在工业上应用。2.1.2可编程控制器的发展 世界上第一台PLC是1969年美国数字设备公司研制的，限于当时的元件及计算机发展水平，早期的PLC主要是由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器中，使PLC增加了运算、数据传输及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。20世纪70年代末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已经全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已经获得广泛的应用。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。中国是20世纪80年代初引进、应用、研制、生产可编程控制器的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器，后来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。预计21世纪可编程控制器将会有更大的发展。2.2 PLC的定义可编程控制器（Programmable Controller）简称PC。个人计算机（Personal Computer）也称PC，为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC（Programmable logic Controller）。国际电工委员会（International Electrical Committee）在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.3 PLC的工作原理可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单的表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。但个人计算机与PLC的工作方式有所不同，计算机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当键盘有键按下或I/O口有信号时则中断转入相应的子程序。而PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用执行都是以循环扫描方式完成的。2.3.1分时处理和循环扫描方式以用户程序的完成来说可分为以下三个阶段：(1)输入处理阶段：也称输入采样，在这个阶段中，可编程控制器读入输口的状态，并将它们存放在暂存区中。(2)程序执行阶段：在这个阶段中，可编程控制器根据本次读入的输入数据依据用户程序的顺序逐条执行用户程序。执行的结果都存储在输出状态暂存区中。(3)输出处理阶段：这是一个程序执行周期的最后阶段，可编程控制器将本次用户程序的执行结果一次性地从输出状态暂存区送到各个输出口，对输出状态进行刷新。2.3.2 PLC的两种工作状态PLC有两种基本的工作状态，即运行状态和停止状态，运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。2.3.3输入输出滞后时间输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间间隔。它由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。2.4可编程控制器(PLC)的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触控制系统相比，电气接线及开关接点已经减少到原来的数百甚至数千分之一，故障也随之大大降低。此外，PLC具有硬件故障的自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。在应用软件中，用户还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中处PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断程序。这样，整个系统就具有极高的可靠性。（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字领域。近年来PLC的功能模块大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、计算机数控等各种工业控制中。加上PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，其编程语言易于为工程技术人员接受。像梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用PLC的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现继电接触器电路的功能。（4）系统设计周期短，维护方便，改造容易PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能。因此很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，其新近产品的重量小于150g，功耗仅仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.5 PLC的编程语言常用的表达方式有：梯形图、指令表、顺序功能图、功能块图、结构文体。（1）梯形图：是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器电路图演变过来的，但梯形图编程语言更强更方便。其主要特点有：第一，自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线，每一逻辑行起始左母线；第二，梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”；第三，每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源；第四，输入继电器用于接入信号，而无线圈。（2）指令表：指令表也叫语句表，是程序的另一种表示方法。它和单片机程序中的汇编语言有点类似，由语句指令依一定是顺序排列而成。指令表程序和梯形图程序有严格的对应关系。梯形图程序只有改写成指令表才能送入可编程控制器运行。（3）顺序功能图：顺序功能图常用来编制顺序控制类程序。它包含步、动作、转换三个要素。顺序功能编程方法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能分别处理后再依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。（4）功能块图：功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，就像电路图一样，它们被“导线”连接在一起。（5）结构文体：随着PLC的飞速发展，如果许多高级功能还使用梯形图来表示，会很不方便。为了增强PLC的数学运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，许多大中型PLC都配备了PASCAL、BASIC、C语言等高级编程语言。这种编程方式叫结构文本。与梯形图相比，结构文本有两个大优点，其一是能实现复杂的数学运算，其二是非常简洁和紧凑，用结构文本编制极其复杂的数学运算程序可能只占一页纸。梯形图(Ladder Programming)是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形。2.6 PLC的结构 可编程控制器虽然外观各异，但其硬件结构大体相同。主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O接口）、电源及编程设备几大部分构成。PLC硬件结构框图如下所示：图2-1 PLC系统结构图2.6.1中央处理器（CPU）中央处理器(CPU)是可编程控制器的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态；而且能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以循环扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算，结果送入I/O 映像区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。中央处理器同时也是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。可编程控制器中采用的CPU一般有三大类：一类为通用微处理器，如80286、80386等；一类为单片机芯片，如8051、8096等；另外还有位处理器，如AMD2900、AMD2903等。一般来说，可编程控制器的档次越高，CPU的位数也越多，运算速度也越快，指令功能也越强。为了提高PLC的性能，也有的一台PLC采用了多个CPU。2.6.2存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。和计算机一样，可编程控制器的存储器可分为只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）两大类。只读存储器是用来存放永久保存的系统程序，一般为淹膜只读存储器和可编程电改写只读存储器。随机读写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储器的数据会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外接电源后也能保持，机内随机读写存储器均配备了电池或电容等掉电保持装置。2.6.3输入输出接口输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接收生产过程的各种参数。输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。生产现场对可编程控制器接口的要求一是要有较好的抗干扰能力，二是能满足工业现场各类信号的匹配要求，因此厂家为可编程控制器设计了不同的接口单元。主要有：开关量接口，其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号；开关量输出接口，其作用是把可编程控制器内部的标准信号转换成现场执行机构所需要的开关量信号；模拟量输入接口，其作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号；模拟量输出接口，其作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出。2.6.4电源可编程控制器的电源包括为可编程控制器各工作单元供电的开关电源及为掉电保护电路供电的后备电源，后备电源一般为电池。2.6.5外部设备（1） 编程器可编程控制器的特点是它的程序是可变更的，能方便地加载程序，也可方便的修改程序。编程设备就成了可编程控制器工作中不可缺少的设备。可编程控制器的编程设备一般有两类：一类是专用的编程器，有手持式的，其优点是携带方便，也有台式的，有的可编程控制器机身上自带编程器；另一类是个人计算机，在个人计算机上运行可编程控制器相关的编程软件即可完成编程任务。借助软件编程比较容易，一般是编好了以后再下载到可编程控制器中去。编程器除了变成以外，还具有一定的调试及监控功能，能实现人机对话操作。（2）其他外部设备PLC还配有其他一些外部设备：1. 盒式磁带机 用以记录程序或信息2. 打印机 用以打印程序或制表3. EPROM写入器 用以将程序写入到用户EPROM中4. 高分辨率大屏幕彩色图形监控系统 用以显示或监视有关部分的运行状态2.6.6 PLC的通信联网PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。 当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。第3章 控制系统的设计3.1技术控制要求运用自己所学知识，设计一个十字路口交通信号灯控制系统电路，要求使用PLC进行控制，能够指挥车辆在十字路口完成左转和不同路口的直行，并且设计出十字路口交通灯控制系统的组态模型。 功能：1. 东西两组灯，南北两组灯，分别用来指挥车辆左转和直行；2. 绿灯亮时最后三秒，要求每秒闪亮一次；3. 控制界面要求要有机动车道和人行道；4. 控制模式分为白天和晚上两个模式；5. 能够根据车流量大小自动实现红绿灯时间长短调节；3.2总体方案确定3.2.1方案的原理本方案所要实现的是模拟十字路口交通灯的运行，以PLC为主控制器，对交通信号灯进行控制：总共有3个输入点和16个输出点，两个输入是系统的开和关，用代替交通灯的发光二极管的亮、灭和闪烁作为信号的输出，把灯分为东西两组，南北两组，各有红、黄、绿三种，分别用来指示左拐和直行，另外还有四组人行道上的红绿灯。首先，控制要求利用计算机编程软件编写好科学合理的程序并输入PLC，PLC按照所输入的程序给出输出并通过外部中间继电器对硬件电路进行相应的逻辑顺序控制，使交通灯控制要求进行亮、灭和闪烁来完成科学的交通控制要求3.2.2方案的特点可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，现在PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC在其应用上具有以下优点：(1) 可靠性高，抗干扰能力强PLC是专为工业控制而设计，在硬件方面采用了电磁屏蔽、光电隔离、模拟量和数字量滤波、优化电源等措施，并对元件进行了严格的筛选，在软件方面采用了警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，利用后备电池对程序和数据进行保护，因此，PLC具有其他工业控制设备更高的可靠性。(2)编程简单，使用方便PLC采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程，比如梯形图语言编程方式，非常直观，易懂易编，容易推广使用，现代的 PLC已经使用 IEC1131-3作为编程语言标准，具有功能清晰、易于理解的特点正在被技术人员所接纳和采用。(3)功能强大，应用灵活PLC的基本功能包括数字和模拟量输入/输出、算术和逻辑运算、定时、计数、步进、移位、比较、代码转换等，还能完成A/D、D/A转换、以及通讯网络、生产过程监控等功能。PLC的配置、安装、使用和维护都很简单，方便，PLC标准的积木式结构与模块化的程序设计可以适应大小不同、功能复杂的控制要求，并能适应产品规格或者工艺要求的变化，从而可以节省大量的人力和物力。3.3信号灯智能控制方案此设计取双向六车道为基础，各方向均有左行、直行和右行三个车道，为检测相应车道中的车辆数，现在左行和直行车道中各设置两个传感器，传感器之间的区域即为检测区。近端传感器设置在停车线后，用以检测该方向离开车辆数（Y），远端传感器设置在相距停车线80米处，用以检测进入该车道的车辆数（X），这样（X-Y）即为该车道上现有车辆数。在实际运行中，将相对方向的两个相同车道中的车辆数进行比较，取较大者作为系统输入。由于右转车道始终绿灯，所以不需要设置传感器。具体道路状况及传感器铺设位置如下图所示。图3-1 传感器铺设位置图设车道内等候车辆间距及车辆长为5米，则检测区共可停放16辆车，根据实际情况，现假设每辆车通过路口所需时间为5s。当程序第一次运行时，设东西向直行及左转绿灯延时均为30s，之后直行方向的绿灯延时上限为90s，下限为15s，考虑到实际情况中，直行车道等候车辆一般多于左转方向等候车辆，所以设左转方向的绿灯延时上限为50s，下限为15s。系统开始运行，待东西向左转绿灯延时30s结束，南北方向直行绿灯闪亮开始，当绿灯延时到15s时，此时根据该方向直行车道检测区中的车辆数决定绿灯的继续闪亮时间（车辆数取相对方向中的较大者），时间计算公式为车辆数（X-Y）×5s，待该直行绿灯闪亮结束，黄灯亮5s，转红灯亮，与此同时，该方向左转绿灯开始闪亮，当绿灯延时到15s时，根据此时该左转车道中检测区内车辆数决定绿灯继续闪亮时间（车辆数取相对方向中的较大者），时间计算公式为车辆数（X-Y）×5s，当左转绿灯闪亮结束，黄灯亮5s，转红灯亮。当南北方向左转红灯亮的同时，东西方向直行绿灯开始闪亮，至此，该方向的信号灯闪亮规则与南北方向完全一样，并以此周而复始，实现信号灯的智能控制。3.4控制流程图：启 动初 始 化东西直行绿南北左行红东西直行离开车辆采样10s智能控制并决策绿灯延时南北左行绿南北直行红南北左行离开车辆采样10s智能控制并决策绿灯延时东西直行绿南北左行红智能控制并决策绿灯延时东西左行离开采样10s东西左行绿东西直行红智能控制并决策绿灯延时延时延时延时延时南北直行离开车辆采样10sYNYNYYNN图 3-2 控制系统流程图第4章 系统硬件设计4.1系统框图此次设计的交通灯模拟控制有三个按钮开关，分别是启动控制按钮、夜间启动控制按钮、停止按钮，信号灯分主干道交通灯和人行道交通灯，还外加数码管显示时间。此次设计交通灯分白天与黑夜，当切换到夜间模式时只有黄灯闪烁，其余信号灯都不亮。具体框图如下：PLC东西机动车交通灯启动按钮 东西人行道交通灯夜间按钮南北机动车交通灯停止按钮南北人行道交通灯数码管显示时间夜间黄灯闪烁图4-1 交通灯控制系统框图4.2 十字路口交通灯布置图按照上面交通灯控制系统框图，与设计要求，画出了交通信号灯布置图。下图就是按照现实中十字路口交通灯来布置的，分人行道交通灯、直行交通灯、左拐交通灯，做出的实物也是按照此图布置的。图4-2 十字路口交通灯布置图4.3 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4种控制灯，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） 左转通行灯 （亮时为绿色）另外行人道东西南北每面都有2种控制灯,分别为： 禁止通行灯 （亮时为红色） 直通灯 （亮时为绿色） 4.4 结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统信号灯受输入信号控制，各个输入信号对应不同的工作方式。（1）当按下白天启动交通灯系统开关按钮时，情况如下：a）南北向（列）和东西向（行）主干道均设有直行绿灯 10s，直行绿灯闪亮2s，黄灯2s，左转绿灯亮15s，左转绿灯闪亮2s和红灯28s。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪亮，黄灯，左转绿灯，左转绿灯闪亮，黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮直行绿灯，直行绿灯闪，黄灯，左转绿灯，左转绿灯闪，黄灯。b）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。（2）当按下晚上启动交通灯系统开关按钮时，情况如下：当合上夜间开关后，东西南北两方向的直行黄灯同时闪烁，提醒夜间过往人员和车辆在通过十字路口时减速慢行。（3）当按下停止按钮时所有交通信号灯系统停止工作。具体时序图如下：图4-3 十字路口交通灯模拟控制时序图上述时序图只是描述了白天的状况，对于晚上只有黄灯闪烁，其余的信号灯都不工作，所以它的时序图没有白天复杂，只要夜间按钮一按主干道输出为全黄灯闪。对于输入停止和夜间按钮一样单一输入单一输出。4.5 七段数码管的选择与显示原理根据控制要求，在实物制作中要有数码显示，即每个主干道都要装有七段数码管用来显示