燕山大學課程設計說明書電氣工程學院課程設計說明書設計題目：具有車流量監控的PLC交通燈控制系統系別：電氣工程學院年級專業：11級應用電子3班學號：110103030150學生姓名：王瑞指導教師：郭忠南目錄HYPERLINK摘要……………1HYPERLINK關鍵詞…………1HYPERLINK第一章引言………………3HYPERLINK1.1城市交通的現狀與思考……………3HYPERLINK1.2本課設項目研究的目的和發展潛力…4HYPERLINK1.3本課設研究的主要思路和內容………4HYPERLINK第二章車流量監控的交通智能控制方式……9HYPERLINK2.1PLC結構功能簡介…………………11HYPERLINK2.2傳感器的選擇和工作原理…………11HYPERLINK2.3智能交通燈的控制方式……………11HYPERLINK2.4應急情況交通控制方式……………13HYPERLINK2.5凌晨交通控制方式………………14HYPERLINK2.6智能控制流程圖……16HYPERLINK第三章PLC的硬件設計………16HYPERLINK3.1I/O口分配…………11HYPERLINK3.2PLC的選擇…………11HYPERLINK第四章PLC的編程設計………14HYPERLINK第五章心得體會……………16HYPERLINK參考文獻……………………16HYPERLINK致謝…………16摘要本次課程設計題目是具有車流量監控的交通燈PLC智能交通等控制，課程設計報告主要包括了引言，車流量監控的PLC交通智能控制方式，PLC硬件部分，PLC編程設計等四部分組成，具體闡述了關于現今的交通狀況，并根據此分析設計出具有具有流量監控的智能交通等系統，除此之外還介紹了具體智能流程設計，增加了緊急情況反應，凌晨交通控制方式，以及他們的流程示意圖。所用的主要元：件傳感器的類型、功能、特點以及實現的原理；PLC的功能和發展，型號選擇，接線圖；PLC梯形圖包含在設計中，展示出具體的功能流程設計。最后的總結表達了對此次實驗的心得與體會。關鍵詞：智能控制方式、應急情況響應、凌晨交通控制方式、PLC、傳感器。第1章概述當今交通的現狀和思考隨著人類文明的進步和社會經濟的快速發展，城市機動車輛愈來愈多，從而引發的嚴重交通問題越來越多，而且某些情況下的交通狀況讓居民非常不愉快，使人民生活非常不便利，更重要的，是交通是否便捷是衡量一個城市基礎建設的重要標準。目前，我國城市十字路口的交通燈控制系統基本上是采用定時控制方式，這樣會產一些不足，其中一種情況就是某條道路的車流量很大卻要等紅燈，而另一條道車流量相對少的多卻依然亮著綠燈，造成某些地方車輛擁堵，而某些地方卻車輛過少，致使其他交通路口車輛不順暢，這種狀況是沒有對道路進行實時監控造成的，很顯然這樣的交通非常不便利，而且這樣的交通控制效率低，不符合當前的可持續發展戰略，不夠人性化。除此之外還有一種情況就是晚間23點至凌晨3點左右車流量在一些非常少，尤其在一些偏僻路段和一些小的縣城，車流量非常少，如果已經沿用白天的交通燈循環裝置就顯得浪費時間。1.2本課設項目研究的目的和發展潛力在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為人的安全提供了強有力的保障。但是，隨著經濟、社會的快速發展，傳統的交通燈控制系統已經不能適應現在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統，使其適應現在的更復雜靈活的交通狀況，成為本次實驗研究的課題。傳統的十字路口交通燈控制通常的做法是：事先做好道路車流量的調查，運用統計的方法將兩個方向紅綠燈的時間設置為固定值。然而，十字路口不同時刻的車流量是不固定的，譬如在正常人們工作時間時候車流量顯然是正常水平，而下班高峰的時候車流量非常大，容易造成人們生產生活中的不便利。采用固定時間的控制系統，經常造成道路有效利用時間的浪費，出現空等現象或多車等待現象，影響了道路的暢通，這種控制方法已經不能適應現在的交通現狀。具有車流量監控的PLC交通燈智能控制能夠根據車流量的變化自動調節紅綠燈的時長，最大限度減少十字路口的車輛滯留現象，有效的緩解了交通擁擠，實現的交通控制系統的最優控制，大大提高了交通控制系統的效率。而且添加的強通功能可以方便某些突發情況下的應急狀況，時某些方向上紅綠隨時改變，這樣就更加完善了交通系統。隨著我國人民生活水平的不斷提高，城市化的推進和私家車數量的增加，道路交通擁擠的現象日益突出，智能交通控制系統有非常廣闊的應用前景，這也為生產生活的便利性提供了更多可能。1.3本課設研究的主要思路和內容由于城市的高速發展，交通擁堵也隨之增加，為了實現交通的道路的管理，力求交通管理的科學化、智能化。通過傳感器檢測車流量，用PLC可編程控制器實現交通燈的控制系統。該系統實現簡單、經濟，能夠有效的疏通交通，提高了交通路口的通行能力。然而在實際驗證的過程中，由于實驗設備有限，無法做到利用傳感器，但是在實際生產生活中，運用感應器是必要的和非常方面的的，由于在實驗過程中無法運用感應器，又為了整個實驗的完整性，所以增加了開關來模擬實際的東西車流較多或者南北車流較多的情況，可以達到同樣的效果，而且便于對實驗的現象有更好的理解。本課題主要用傳感器和PLC相結合，以車輛等待綠燈的滯留量來確定該方向是否繁忙。如圖1以南北方向為例，每當車輛進入十字路口須進過傳感器S1或N1，這時傳感器產生一個脈沖信號送至PLC，通過計數器進行加1運算，如果此時還是綠燈，車輛繼續前行通過十字路口處近端傳感器S2或N2，同樣傳感器產生一個脈沖信號送至PLC，通過計數器進行減1運算（同一方向的2個傳感器相距150米）。PLC對傳感器S1或N1脈沖信號的計數就可以記錄駛進路口的車輛數X1，PLC對傳感器S2或N2脈沖信號的計數就可以記錄駛出路口的車輛數Y1，將兩個相對方向X1、Y1的數值合并成一組，南北方向車輛的滯留量N1=X1-Y1。同理可得，東西方向車輛的滯留量N2。當-15≤N1-N2≤15時，則為一般情況，交通燈按正常時序亮。當N1-N2>15時，則為南北方向繁忙，東西方向一般，南北方向直行綠燈時長增加10s，左轉綠燈時長增加10s。當N1-N2<-15時，則為東西方向繁忙，南北方向一般，東西方向直行綠燈增加10s，左轉綠燈增加10s。綠燈時長控制表如表1所示。表1交通燈控制時間表以上車輛的計數和車流量的比較及綠燈時長控制都由PLC完成。各傳感器檢測車輛，在一個紅綠燈周期中，每當東西綠燈或南北綠燈亮之前，PLC都要依據脈沖的計數并進行比較判定來調整東西或南北綠燈時長。車流量監控的PLC交通燈智能控制原理如圖2所示。圖2智能交通燈控制原理各個的控制過程就是在當感應器接收到路口車輛數目的時候，時時向控制PLC系統反饋道路信息，按照已經設計好的原則進行合理的調整，并且基于已有的應急預案，隨時響應強通指令和凌晨交通調節指令，改善交通，如此往復循環不斷向控制系統反饋道路車輛信息，達到最終改善交通的目的。第2章車流量監控的PLC交通智能控制方式2.1PLC結構功能簡介可編程控制器（PLC）是以微處理器為核心，由存儲器（RAM、ROM)，輸入輸出單元（I/O接口)，電源以及外圍編程設備等幾大部分組成。控制器將計算機技術、自動控制技術、通訊技術融為一體的一種專門為適應惡劣的工業環境下而設計的工業控制裝置，涉及到很多自動控制、電器方面的知識。經過多年的發展和改進，在工業生產中獲得極其廣泛的應用。目前，可編程控制器成為工業自動化領域中最重要、應用最多的控制裝置，居工業生產自動化三大支柱（可編程控制器、機器人、計算機輔助設計與制造）的首位。其應用的深度和廣度成為衡量一個國家工業自動化程度高低的標志。可編程控制器（PLC）是一種專為在工業環境應用而設計的數字運算操作的電子系統。它采用一類可編程的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、計時、計數與算術運算等操作指令，并能通過數字或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關外部設備都應按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。PLC是綜合了繼電器接觸器控制的優化以及計算機靈活、方便的優點而設計制造和發展起來的，這就使得PLC具有許多其他控制器所無法相比的特點。它具有可靠性，抗擾能力強；通用性強，可靠方便；采用模塊化結構使系統組合更靈活方便；編程語言簡單、易學、便于掌握。PLC通過編程器編制控制程序，即將PLC內部的各種邏輯部件按照控制工藝進行組合以達到一定的邏輯功能。PLC將輸入信息采入到PLC內部，之后執行邏輯部件組合后所達到的邏輯功能，最后輸出控制要求。這就是PLC的基本控制原理。2.2傳感器的選擇和工作原理本次設計采用的是電感傳感器，其利用電磁感應原理把測量的物理量如位移，壓力，電流和振動等轉換成為線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉化為電壓或電流的變化，實現非電量到電量轉化。電感式傳感器其主要部件是埋設在公路下十幾厘米深處的環狀絕緣電線，特別適合新鋪道路，可以用混凝土直接埋設，老路則需挖開在埋。這種傳感器的線圈匝數和和盜磁材料都是一定的，其電感量的變化是由于位置輸入量的變化導致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當線圈接入測量電路并接通勵磁電流時就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。在設計中，當有高頻電流流過電感時，公路面上就會形成如下圖中虛線所形成的高頻磁場。當汽車駛進這一高頻磁場區時，汽車就會產生渦流損耗，環狀絕緣電線的電感開始減少。當汽車正好在該感應線圈的正上方時，該感應線圈的電感減到最小值，當汽車離開這一高頻磁場區時，該感應線圈的電感逐漸恢復到初始狀態。由于電感變化，該感應線圈中流過的高頻電流的振幅和相位發生變化，所以在環的始端連接上檢測振幅或相位變化的檢測器，就可以得到汽車通過的電信號。若將環狀絕緣電線作為振蕩電路的一部分，則只要檢測振蕩頻率的變化就可以知道汽車的存在與通過。電感式傳感器的高頻電流頻率為60KHz，尺寸為2×3m，電感約為100μH，這種傳感器可以檢測的電感變化率在0.3%以上。電感式傳感器安裝在公路下面，從交通安全和美貌考慮，它是理想的傳感器。具有以下幾個顯著優點：1、無活動觸點、可靠性高、壽命長；2、分辨率高；3、靈敏度高；4、線性度高、重復性好；5測量范圍寬。最后要求，傳感器最好選用能防潮性能好的原材料。車輛檢測原理及檢測電路電壓脈沖輸出波形如圖3所示圖3車輛檢測原理及檢測電路電壓脈沖波形檢測汽車存在的具體實現是在感應線圈的始端連接上檢測電感電流變化的檢測器，并將之轉化為標準脈沖電壓輸出。其具體電路圖由三部分組成：信號源部分、檢測部分、比較鑒別部分。原理圖如圖3所示，輸出脈沖波形見圖2。2.3智能交通燈的控制方式交通燈受啟動按鈕控制。當按下啟動按鈕時，交通燈系統開始工作。當按下停止按鈕時，交通燈熄滅，停止工作。正常情況下，東西方向，直行道綠燈亮20s，閃爍3s，黃燈亮2s，然后紅燈亮75s，左轉道紅燈亮25s，然后綠燈亮20s，閃爍3s，黃燈亮2s，紅燈再亮50s；南北方向，直行道紅燈亮50s，然后綠燈亮20s，閃爍3s，黃燈亮2s，紅燈在亮25s，左轉道紅燈亮75s，然后綠燈亮20s，閃爍3s，黃燈亮2s。按這種方式循環工作。當某一方向繁忙時，以東西方向為例，即N1-N2<-15,東西方向綠燈時長增加10s，南北方向紅燈時長增加10s，其余時間不變，再循環。東西方向綠燈和南北方向綠燈不能同時亮，否則報警器燈會亮報警實際情況下可以接報警器或者蜂鳴器，并關閉系統，在一定時間后系統恢復正常。2.4應急情況交通控制方式緊急情況出現，通信號受強通開關控制。無緊急情況時，交通燈按正常時序工作。當有緊急情況時，按下強通開關，不管原來交通燈狀態如何，一律強制讓急行車方向綠燈亮，另一方向紅燈亮，直到急行車通過。急行車通過后，打開強通開關，按下啟動按鈕，交通燈繼續正常工作。強通信號只能響應一個方向的緊急事件，若兩個方向先后來急行車，則響應先來的一方，隨后再響應后來的一方。若兩個方向同時出現緊急情況需要快速通過，則安先東西方向，再南北方向的順序響應。緊急情況控制流程圖如圖4所示。圖4緊急情況控制流車圖2.5凌晨交通燈控制方式由于在實際生活中存在一種情況，就是當凌晨到來的時候23點到次日3點的時候，車流量明顯減少，所以如果依舊執行白天的交通燈控制系統就有可能耽誤車輛通行，有可能在凌晨的時候只會有幾輛車在同一時段出現在一個偏僻的路口或者城鎮的路口，這樣很不夠人性化，耽誤一些時間，所以我們可以用一個人為控制的開關，通過人為的調控使在那個時段所有路口的交通燈改為全部黃燈閃爍，以1Hz頻率閃爍，直到人為將開關打開結束交通的凌晨控制。這個功能之所以能用開關，一是為了方便，再就是人為控制可以再具體情況中更加人性化的疏導交通，實現隨時控制，該功能也可用在其他有特殊需要的場合。在夜間黃燈的閃爍也可以使司機提高注意力，在路口同樣避免交通事故，除此之外還可以做到節能減排符合現代社會科學發展觀。2.6智能控制流程圖該系統的智能控制流程圖如圖5所示。圖5智能控制流程圖2.7語句表第3章PLC的硬件設計3.1I/O分配表系統輸入信號：8個手動按鈕，分別用作啟動、停止、模擬南北強通、東西強通、南北向車流量多、東西向車流量多、凌晨交通控制、還有正常情況或者兩向車流量相差不多，再增加3個輸入點作為備用，共需要11個輸入點。系統輸出信號：東西和南北需要12個輸出點，報警燈需要1個輸出點，再增加3個輸出點作為備用，共需要16個輸出點。輸入分配表序號輸入設備端口1啟動按鈕SB1X0002停止按鈕SB2X0013東西強通開關SB3X0024南北強通開關SB4X0035車流量正常時X0046南北車流量比東西多X0057東西車流量比南北少X0068凌晨車流控制X007輸出分配表序號輸出設備端口1南北直行紅燈Y0002南北直行綠燈Y0013南北直行黃燈Y0024南北左轉紅燈Y0035南北左轉綠燈Y0046南北左轉黃燈Y0057東西直行紅燈Y0068東西直行綠燈Y0079東西直行黃燈Y01010東西左轉紅燈Y01111東西左轉綠燈Y01212東西左轉黃燈Y01313報警燈Y0143.2PLC的選型本設計采用三菱的FX2N-48MR機型，該控制器有24個輸入點和24個輸出點，性能高體積小，程序存儲器的容量可以擴至8K，采用循環掃描的方式，完全可以滿足需要。該系統的電氣接線圖如圖6所示。圖6電氣接線圖第4章PLC編程設計4.1PLC梯形圖第5章心得體會本設計采用傳感器、PLC、交通燈相結合，成功實現監控車流量并根據車流量的比較自動調節十字路口紅綠燈時長的要求，完成了對交通系統的智能控制，對緩解交通擁擠，人性化改善交通，改善道路通行能力有顯著效果。當有應急情況發生時，通過強通控制，使急行車快速順利的通過，減少了交通事故