PLC的智能交通灯控制系统设计..

武汉职业技术学院毕业论文

课题名称：智能交通灯控制系统设计姓名：裴仔

班级：机电11303

专业：机电一体化

指导老师：朱晓玲

时间：2014年3月2日

摘要

针对近年来城市交通的拥挤现象,特别是驾驶员违章严重、交通事故频发、车辆尾气污染等问题,介绍了集计算机、信息、电子及通讯等众多高新技术手段于一体的智能交通指挥中心控制系统。在系统的设计中，主要使用了PLC和传感器相结合的方法,自动获取车辆数据，根据相应流量状况自动增加或减少绿灯时长，进行智能控制。该系统的安装可以大大缓解了城市道路堵塞现象、提高了道路的通行能力。减少了驾驶员违章的次数,抑制了交通事故的发生,同时对减轻车辆尾气排放,从而降低环境污染都起到了不可低估的作用。

分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。

关键词 plc控制系统交通灯智能控制

目录

1 引言 (4)

1.1 城市的现状 (4)

1.2 研究目的和意义 (4)

1.3 主要研究内容 (5)

2 智能交通灯的理论和方法 (8)

2.1 传感器的选择 (8)

2.2 智能交通信号灯正常控制方式 (8)

2.3 急车强通控制方式 (9)

３PLC硬件设计 (11)

3.1 PLC的结构及工作原理 (11)

3.2 PLC的地址分配 (13)

3.3 I/O分配点数估算 (13)

3.4 PLC的选型 (13)

3.5 PLC硬件电路图 (14)

4 PLC软件编程设计 (15)

4.1 PLC梯形图 (15)

4.2 程序语句表 (17)

结论 (18)

参考文献 (20)

1 引言

1.1 城市的现状

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。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，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。

1.2 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。

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。

1.3 主要研究内容

由于城市的高速发展，交通障碍也随之增加，为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。

本课题主要应用传感器与plc相结合，以车辆等待绿灯的滞留数来确定该该方向是否繁忙。如下图1以南北向为例，每当车辆进入十字路口必先经过检测器1和3，检测器就会发生2个脉冲给PLC，PLC对检测器1和3的计数就可得到车辆进入候车入口的总数和Y。车辆继续往前就会经过检测器2和4，同样检测器2和4也会发出2个脉冲给PLC，PLC对检测器2和4脉冲的计数就会得到车辆驶出候车入口的

总数和X ，那么Y(进入总量)-X （驶出总量）=Z1(南北向车辆滞留数),同样，东西方向，PLC 通过对检测器脉冲的计数就可得到滞留量Z2。

十字路口交通灯状态图

检测器1

检测器2检测器4

检测器5

检测器6

检测器3

检测器8

检测器7东

南

西

北

十字路口传感检测器布置

设Z1-Z2>20，则南北方向繁忙，东西一般，南北直行绿灯时长加5s,南北左转绿灯时长加5s ，东西红灯时长加10s 。

Z1-Z2<-20，则东西方向繁忙，南北一般，东西直行绿灯时长加5s ，东西左转绿灯时长加5s ，南北红灯时长加10s 。

-20<=Z1-Z2<=20，则设为一般情况，控制灯正常闪亮。 绿灯时长控制

繁忙

一般

繁忙

正常

东西直行绿灯加5s,东西左转

绿灯加5s

一般

南北直行绿灯加5s,南北左转

绿灯加5s

正常

以上车辆的计数和车流量的比较及绿灯时间长度控制全部由PLC 完成。各检测器时刻检测车辆，在一个红绿灯周期中，每当东西或南北绿灯亮之前，PLC 都要依据脉冲的计数判定东西、南北的车流规模，然后根据以上简述的智能控制原则，调整绿灯时长。

感应控制的原理框图

南北

绿灯时长 东西

检测器1

检测器2 检测器3检测器4

检测器5

检测器6检测器7检测器8

P

L

C

确定各路口绿灯时长

交通信号灯

各路口车辆信息

按控制原则发出控制信号

交通流

2 智能交通灯的理论和方法

2.1 传感器的选择

车辆检测器选用具有高准确率、低成本、高可靠性的光电传感器。 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

感应控制是本系统的重点也是不同于一般交通信号控制之处，其主要思想为：光电传感器检测十字路口各方向的车流，每当有车辆经过，检测器就会发出一个脉冲并传输给PLC （如图），PLC 通过对脉冲的计数就可得到各方向的车流量，然后PLC 通过一定的智能控制原则根据各方向车流量的大小自然的改变相应的绿灯灯亮时间从而尽可能减少车辆等候时间。

智能交通信号灯

2.2 正常

控制方式

信号灯受启动开关控制。当启

动开关接同时，信号

灯系统开始工作，启动开关断开时所有信号灯熄灭。

一般情况下，先南北红灯亮50S ，南北绿灯亮20S ，闪烁3S ，黄灯亮2S ，此

有车辆经过没有车辆经过

信号输出

检测仪的输出光电传感器 车辆

检测仪PLC 检测器工作原理和波形

时南北左转红灯亮了75S ，然后南北直通红灯亮25S,同时南北左转绿灯亮20S ，闪烁3S ，黄灯亮2S 。东西方向则是先直通绿灯亮20S ，闪烁3S ，黄灯亮2，然后红灯亮25S ，此时东西左转灯红灯先亮25S ，然后左转绿灯亮20S ，闪烁3S ，黄灯亮2S, 然后东西直通红灯和左转红灯都亮50S 。

当某方向繁忙时（假设南北繁忙）。检测开关SB3自动闭合，南北绿灯时长加5s ，东西红灯时长增加5s,其余时间不变，再循环。

南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮则报警并关闭系统。

交通正常灯工作时序图

2.3 急车强通控制方式

南北向

东

西向

直通道 左转道 直通道 左转道

红灯50s

红灯50s

绿灯20s 绿 3s 黄

2s 红灯25s 红灯25s

绿灯20s 3s

2s 闪 黄

红灯50s

红灯50s 绿灯20s 3s 2s 红灯25s

红灯25s

绿灯20s 3s

2s 绿闪 黄

黄 绿

急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，信号灯按正常时序控制。有急车来时，将急车强通开关接通，不管原来信号灯的状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，使急车放行，直至急车通过为止。急车一过，将急车强通开关断开，控制灯恢复正常，急车强通信号只能响应一路方向的急车，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。若2个方向同时来急车，则按东西，南北顺序依次响应。

有急车

是

否

南北强通

按下按钮SB6

南北绿灯亮

东西红灯亮

按下按钮SB5 东西绿灯亮 南北红灯亮

急车强通控制图

东西强通

启动闭合SB1

正常运行

３PLC硬件设计

3.1 PLC的结构及工作原理

PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

中央处理单元(CPU)是PLC 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键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；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以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 映象区，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的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象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。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

3输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

PLC 扫描工作过程图

PLC 的扫描周期图

读

输入刷新 程序执行 输出刷新 一个扫描周期

输入刷新

用 户 输 出 设 备 输 入 端 子

输 入 锁 存 器

输 入 映 象 寄 存 器

输 出 映

象 寄 存

器

输 出 锁 存 器

输 出 端 子

程序 执行 用 户 输 入 设 备

写 读

3.2 PLC的地址分配

序号输入设备端号输出设备端号

1 启动按钮SB1 X0 南北红灯Y0

2 停止按钮SB2 X1 南北绿灯Y1

3 自动开关SB3 X2 南北黄灯Y2

4 自动开关SB4 X3 南北左转红Y3

5 东西强通开关SB5 X4 南北左转绿Y4

6 南北强通开关SB6 X5 南北左转黄Y5

7 东西红灯Y6

8 东西绿灯Y7

9 东西黄灯Y10

10 东西左转红Y11

11 东西左转绿Y12

12 东西左转黄Y13

13 报警灯Y14

3.3 I/O分配点数估算

系统输入信号：手动选择按钮4个，需要4个输入端

自动选择按钮2个，需要2个输入端

以上共需要6个输入信号点，考虑到以后可能会对系统进行补充调整，所以再增加2个备用点，这样就共需要8个输入点。

系统输出信号：南北和东西需要12个输出信号，再加1个报警器，因此共需要13个输出信号，考虑到以后可能补充调整再加2个信号点，所以一共要15个输出点。

3.4 PLC的选型

本设计可采用三菱的FX2-32MR机型，该控制器有16个输入点和16个输出点，性能高体积小，基本执行指令速度为0.48μs/步，程序存储器的容量可扩展至8K 步，采用循环扫描方式，完全可以满足需要。

3.5 PLC 硬件电路图

COM

X5

SB6

输入/ 输出接线图

X0

SB1

X1

SB2

X2

SB3

X3

SB4

X4

SB5

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

Y7 Y0

Y10

Y11

Y12

Y13 Y14

L

N COM

FX2N-32MR

4 PLC软件编程设计4.1 PLC梯形图

4.2 程序语句表

结论

交通信号灯控制系统的设计,我们以前学过，我想这个课题是很容易的。当真正做起来的时候，还是觉得有点困难的，有些东西以前学了，但现在用起来可

能又有点疑问。就如画电气原理图吧，整体的构造脑海里都有一个整体的概念。而你要画出来的话，你可能会遇到细节上的问题，比如说按钮开关的方向是怎样，以及怎么划分区域等。遇到这些问题的时候都能让你主动去翻书，复习这些陌生的知识。我认为这是一种最好的学习方法——通过实践去检验自己的知识。这个只有你自己投入进去你才能发现自己知识点的欠缺。做为一名机电专业的学生对电器原理图的了解更应该有深刻的认识，知道它的重要性。要能看的懂，给你一张电气原理图，你要能够写出梯形图。

查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上有资料但要找到一些真正有用的资料也不是一件容易的事，需要耐心查找。

在程序设计过程中，我对以前的编程方法做了归纳，之前我习惯用功能流程写程序，遇到难点的时候习惯翻书，对照例子提取点精华。现在能灵活运用经验设计法、电气原理图设计法、顺序控制设计法。特别多顺序控制设计有了一定的了解。这里面最经典我认为是单序列的编程方法、选择序列的编程方法和并行序列的编程方法这个三个是很值得研究的，也是一种格式。只要你能熟悉掌握，灵活应用的话，那么编程对你来说将变的非常容易。一个流程图无论多么复杂，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法编程了。当然对于简单的流程也可以用顺序设计。这种方法也是一种固定的格式，只要按照它的格式就可以写出正确的程序，它的优点可以说易懂，条理清晰。但结构多。对于活动步多的设计我想用这个设计比较烦琐。

更加体会到PLC的可靠性高，抗干扰能力强，.通用性强，控制程序可变，使用方便等优点。更加熟悉了西门子编程软件使用方法与各种基本指令。

这次的课程设计使我把可编程控制器的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，让我受益非浅，对我以后工作中遇到问题或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响。

致谢

首先，最需要感谢的人是我的老师们。老师们每一次的批评和教育，使我受益非浅，值此论文完成之际,谨向老师再一次向他致以衷心的谢意，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围,以及学习上的耐心细致帮助!最后我还要感谢我的同学

与朋友，他们也给我很大的帮助，给我提供了不少的建议，让我少走了许多的弯

路。

参考文献

【1】姜新桥，石建华.PLC应用技术项目教程.北京：电子工业出版社，2012. 【2】姜新桥.PLC应用技术项目教程(西门子S7-200).西安：西安电子科技大学出版社，2012.

【3】廖常初.大中型PLC应用教程.北京：机械工业出版社，2005.

【4】廖常初.PLC基础及应用.北京：机械工业出版社，2004.

【5】张万忠.可编程控制器入门与应用实例.北京：中国电力出版社，2004.