毕业设计优秀基于PLC交通灯控制设计.doc
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1、基于PLC智能交通灯控制摘 要目前,我国许多大中城市的交通压力都非常大。部分交通路口的信号灯工作时间不合理,交通违章或肇事记录不确切。所以,改善与提高现有的交通系统的工作效率,加强交通路口的信号灯控制和安全状况的监控是非常重要的。本设计主要设计利用PLC来实现十字路口交通灯的控制与监控。通过交通中心的主机根据具体城市各路口的需要控制各个十字路口的PLC,从而控制十字路口交通灯的变化,以及对各个路口的安全状况进行监控,监控机动车是否违章、是否肇事,并把记录的结果存储、上传和处理。 本设计的上位机采用PC机,通过安装在十字路口的监控设备以及移动电子监控设备,对各个十字路口的安全状况进行监控。下位机
2、采用德国西门子的S7-200系列的CPU226做主机,配以扩展模块EM222。设计中采用S7-200编程软件进行编程。采用顺序功能图与梯形图相结合的方法设计程序。实现对城市十字路口的合理控制与监控。关键词:交通灯;PLC控制系统;梯形图目录1 绪论11.1交通灯发展现状11.2交通灯监控系统的设计意义12交通灯系统总体形式论证22.1继电器接触控制22.2可编程序控制器控制23系统硬件设计53.1 系统的组成框图53.2 交通灯的控制过程53.3 PLC的选型73.4 I/O分配表93.5 PLC电源103.6 PLC外部接线图103.7监控系统113.8通信系统114系统软件设计134.1系
3、统控制过程134.2流程图134.3交通灯工作时序图164.4梯形图174.5 监控界面设计264.6 系统构成264.7操作流程及通讯原理275总结306 致谢31参考文献321 绪论1.1交通灯发展现状随着社会的发展和进步,上路的车辆越来越多,而道路建设却往往跟不上城市发展的速度,因此城市交通的问题日益突出,经常在十字路口等交通繁忙的地方发生堵塞情况,在这个时候,道路交通灯的正常运行以及合理的功能就是交通畅通的重要保证。交通十字路口车辆穿梭,行人熙攘,车行车道,人行人道,有条不紊。靠什么来实现这井然秩序呢?靠的是交通信号灯的自动指挥系统。那么控制系统是如何实现红、绿、黄三种颜色信号灯有条不
4、紊工作的呢?交通信号灯控制方式很多,可以用电子电路来实现,也可以用单片机编程控制来实现。交通灯的控制问题是个老难题,近年来,随着车辆社会拥有量的增加,这难题日显突出,特别是在上下班的高峰期。有很多学者多年来一直探讨舒缓这个难题(谈不上解决)的方法。其中包括近来提出的在车道(红绿灯前)安装车流量传感器,统计车流量再控制绿灯的放行时间;设定定时器在上、下班高峰期增加绿灯的放行时间以及对各个路口违章、肇事的监控与记录等等问题。所以,出于这些问题本文采用合理的方案设计对十字路口交通灯进行控制以及对路口的安全状况的监控。1.2交通灯监控系统的设计意义目前,我国城市十字路口的交通灯控制系统基本上都采用定时
5、控制方式。这样必然产生如下弊端:当某条道路的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的道路却依然按原定时间亮着绿灯,这种现象是未对道路的实际情况进行实时监控所造成的。这样的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。因此,我们有必要寻求一种具有智能的交通控制系统。这种智能交通控制系统能够根据车流量的变化自动调节红绿灯的时间长度,最大限度地减少十字路口的车辆滞流现象,有效的缓解交通拥挤、实现交通控制系统的最优控制,大大的提高了交通控制系统的效率。随着我国人民生活水平的不断提高,城市化的推进与私家车数量的猛增,道路交通拥挤的问题日益突出,可以预见,智能交通控制系统
6、将具有广大的应用前景。1.3 PLC控制设计内容及任务本设计采用PLC做控制器,完成对十字路口交通灯的自动控制与监控,主要实现城市交通路口信号灯自动控制,机动车是否违章、肇事记录的上传、存储和处理;实现显示、通信等功能,从而保证了车辆在城市道路各路口顺畅通行以及安全。2交通灯系统总体形式论证目前普遍使用的电气控制方式主要有:继电器接触器控制、可编程序控制器控制等。2.1继电器接触控制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,其控制方式是断续的,所以又称为断续控制系统。虽然这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,但这种控制系统的
7、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。2.2可编程序控制器控制可编程控制器简称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)和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机(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的电子系统,专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在
8、其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。它具有很强的抗干扰能力,广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于其他一般微型控制系统的一个重要特征。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适应环境的能力非常强,抗干扰等方面能力都非常强大。性能价格也很高。2.3控制方案的确定可编程控制器控制技术与继电-接触器控制技术的异同点:1功能强,性能价格比高继电器是用于逻辑控制,起到过渡作用的,亦可控制小负载。PLC是可编程逻辑控制器,是用软
9、件来进行逻辑控制的,而继电器是用硬件结构来控制的。一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件,有很强的功能,可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比,具有很高的性能价格比。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,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置,组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。3. 可靠性高,抗干扰能力强传统的继电器
10、控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良,容易出现故障,PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,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的工业生产现场,PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。系统的设计、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的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般
11、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。对于复杂的控制系统,梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的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上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后,在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,系统的调试时间比继电器系统少得多。4. 编程方法简单梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言,其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似,梯形图语言形象直观,易学易懂,熟悉继电器电路图和单片机的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
12、上是一种面向用户的一种高级语言,可编程序控制器在执行梯形图的程序时,用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。5. 维修工作量少,维修方便PLC的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因,用更换模块的方法可以迅速地排除故障。这些都是继电器无法比拟的。6. 体积小,能耗低对于复杂的控制系统,使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积相当于几个继电器大小,因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多,故可以省下大
13、量的配线和附件,减少大量的安装接线工时,可以减少大量费用。将PLC用于对交通信号灯的控制,主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性,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,特别对多岔路口的控制可方便的实现。目前大多品牌的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,将同一条道路上的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,本设计采用可编程序控制器控制系统。3系统硬件设计3.1 系统的组成框图控制系统结构图如图3.1所示图3.1 交通灯控制系统结构图交通灯
14、控制系统主要由启动按钮、停止按钮、急车强通按钮、PLC和信号灯构成。通过PLC实现对信号灯的控。3.2 交通灯的控制过程信号灯受启动及停止按钮的控制,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。1.控制要求:(1)南北主干道 直行绿 30S 绿闪3S 黄2S 红 55S左转红35S绿10S(2)东西人行道 绿27S 绿闪5S 红55S(3)东西主干道 红55S左转绿 10S红35S 直行绿30S 绿闪3S 黄2S
15、(4)南北人行道 红55S绿27S绿闪5S2.正常循环控制方式(单循环周期90秒)(1)南北向(列)和东西向(行)主干道均设有左行绿灯10S,直行绿灯27S,绿灯闪亮3S,黄灯2S和红灯55S。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,绿灯闪亮和黄灯;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,绿灯闪亮和黄灯。(2)南北向和东西向人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。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5S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5S绿闪,其它时间为
16、红灯。3.急车强通控制方式(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的绿灯亮,直到急车通过为止,将急车强通开关断开,信号的状态立即转为急车放行方向的绿灯闪亮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的来车,若两个方向先后来急车,则响应先来的一方,随后再响应另一方。图3.2 交通灯示意图3.3 PLC的选型1.PLC和CPU的选择根据设计要求,本设计共需要I/O点数为4输入/14输出。具体需要的输入输出点数如表3.1和表3.2所示。表3.1 输入表序号输入信号名称文字符号1启动
17、按钮SB12停止按钮SB23急车强通按钮1SB34急车强通按钮2SB4表3.2 输出表序号输出信号名称文字符号1南北左转绿HL22南北左转红HL133东西左转绿HL164东西左转红HL65南北直行绿HL96南北直行黄HL147南北直行红HL38东西直行绿HL49东西直行黄HL1010东西直行红HL711南北人行绿HL1212南北人行红HL513东西人行绿HL114东西人行红HL8根据表3.1和表3.2可以确定PLC以及CPU的选型。对于这种中小型自动控制中,应用德国西门子公司生产的S7-200系列PLC无疑是十分明智的选择。因为它体积小,速度快,标准化,具有网络通信能力,可靠性高。在主机模块中
18、,常用的主机有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,与此设计的4输入/14输出相差8点数字量输出。还需要扩展8点数字量输出。方案二:若选择CPU224作为主机,仍然缺少4点数字量输出,和前者相比,CPU224的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,有更强的模拟量和高速计数处理能力。是使用的相对较多的S7-200产品。方案三:如果选用CPU226作为主机,CPU226主机为24输入/16输出,与4输入/14输出较为接近。和CPU224相比,CPU226增加了通讯口的数量,使得它的通信能力大大增强,可
19、以用于点数较多,要求较高的小型或者中型控制系统。经过价格、性能、数字量的比较,以及设计的要求等多方面的考虑,选择CPU226作为主机是最合理的。2.I/O储存器容量的估算根据经验,每个I/O点及有关功能原件占用的内存量大致如下:开关输入原件:1020B/点开关输出原件:510B/点定时器/计数器:2B/个模拟量:100/150B/个根据上面算出的总字节,就可估算出用户程序所需的内存容量,从而选择合适的PLC内存。该程序有4个输入、14个输出、14个定时器考虑余量后需要内存1KB。3.4 I/O分配表如表3.3、表3.4所示,分配主机CPU226的地址。表3.3 输入地址分配表序号输入信号名称文
20、字符号输入地址1启动按钮SB1I0.02停止按钮SB2I0.13急车强通按钮1SB3I0.24急车强通按钮2SB4I0.3表3.4 输出地址分配表序号输出信号名称文字符号输出地址1南北左转绿HL2Q0.12南北左转红HL13Q1.43东西左转绿HL15Q1.64东西左转红HL6Q0.55南北直行绿HL9Q1.06南北直行黄HL14Q1.57南北直行红HL3Q0.28东西直行绿HL4Q0.39东西直行黄HL10Q1.110东西直行红HL7Q0.611南北人行绿HL12Q1.312南北人行红HL5Q0.413东西人行绿HL1Q0.014东西人行红HL8Q0.73.5 PLC电源PLC电源采用外接交
21、流220V供电,内部24V直流供电。3.6 PLC外部接线图根据交通灯的控制要求,对系统控制的I/O点数进行了统计和PLC型号进行了选择,现根据以上的统计和选择PLC主机与交通灯的硬件连接图,如图3.3所示图3.3 外部接线图3.7监控系统本节简单介绍了对道路十字路口的监控,主要采用直接的摄像与录象方式进行监控,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和查询。3.8通信系统西门子S7-200 PLC的通信功能较强,自由端口模式是计算机或其它带有串行通信接口的设备与S7-200 CPU之间通信的一种廉价和灵活的方法。它以用户定义的通信协议为基础,通过使用相关的中
22、断指令和专用的通信指令控制S7-200 CPU通信口的操作模式,实现与多种智能设备的连接。利用PLC的通信功能,PLC与上位机之间的数据交换。PLC采集的数据及PLC的状态可传送给上位机,也可以接受上位机的指令进行重新组态,修改控制参数及直接控制现场执行设备。在S7-200系统中,PPI、MPI、PROFIBUS-DP协议都可以在RS-485网络上通信。RS-485是S7-200最常用的电气通信基础。CPU通信口的最高速率为187.5K波特,保证的通信距离为50m。要获得更长的通信距离,需要增加RS-485中继器;在一个总线型网络上最多加9个中继器,但通信距离不能超过9600m。PC机的标准串
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