马晓莹基于PLC的交通管理系统的设计

沈阳理工大学学士学位论文I摘 要交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入 WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部分的交通信号灯也应适合社会实际情况。现在交通信号灯控制一般采用单片机控制，单片机能完成交通灯一般的控制过程，其功能比传统继电器控制电路要强大的多，但可靠性不够高，控制功能还不够完善，PLC 是专为工业自动化控制设计的，在面向对象控制这一块，其控制功能的强大是无法比拟的，通过多种多样的扩展模块，可以做到外部接线简化、内部工作的高可靠，另外 PLC 易学易懂，虽然价格比单个 CPU 贵，但性价比高。也可以说 PLC 是一个技术成熟、工作可靠的单片机应用系统，由于稳定性高，抗干扰能力强，在工业控制方面得到了广泛的应用。本文将 PLC 应用于十字路口交通灯设计的控制上，大大提高了系统的可靠性和抗干扰性以及可维护性，并且增添了手动与盲人的功能，这样使得十字路口交通灯系统更加智能化。关键字：交通灯；PLC；自动控制；梯形图沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractThe emergence of traffic lights so that traffic can be effectively controlled, for ease traffic flow, enhance road traffic capacity, reducing traffic accidents have remarkable results. With Chinas accession to the WTO, we must not only in economy, culture, science, technology and other areas with international practice, the traffic control should be with international practice. As the saying goes, “To the rich, the first road,“ but if the repaired road traffic in the area do not control or can not guarantee the smooth flow of road safety. Traffic control as an important component part of the traffic lights should also be suitable for actual social situation.Now the street-traffic control lights control uses the monolithic integrated circuit control generally, the monolithic function completes the traffic light general controlled process, its function than the traditional relay control circuit to a strong, but reliability is not high enough, control is not yet adequate, PLC is designed for industrial automation and control the design, in which an object-oriented control, control of the powerful is second to none, Through a variety of extension, external wiring can be simplified, the internal work of the highly reliable, In addition PLC easy to learn, although the price of a single CPU expensive, but cost-effective. May also say that PLC is a technology is mature, operation reliable monolithic integrated circuit application system, because the stability is high, jamming ability, obtained the widespread application in the industrial control aspect.This article applies PLC in the intersection traffic light design control, greatly improving the reliability of the system and anti-jamming, as well as maintainability, and added a manual and the functions of the blind this makes the crossroads of traffic lights system more intelligent.Key words: Traffic light； PLC；Automatic Control；Trapezoidal Chart沈阳理工大学学士学位论文III目 录1 绪 论 .11.1 交通信号灯的作用与研究意义 .11.2 选题的目的和意义 .21.3 国内外研究现状 .22 PLC 介绍 .32.1 概述 .32.2 PLC 的功能和特点 .42.3 PLC 的工作原理 .52.4 PLC 的选型及控制系统的地址分配 .72.5 PLC 的产生与发展趋势 .72.6 PLC 的应用领域 .132.7 PLC 在我国的应用 .142.8 西门子 S7200.143 交通信号控制系统 .163.1 结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验 .163.2 流程图 .174 可编程控制器程序设计 .204.1 可编程控制器选择 .204.2 十字路口交通灯模拟控制时序图 .204.3 可编程控制器 I/O 端口分配 .234.4 软件 .244.5 硬件 .264.5.1 基本单元 .264.5.2 编程器 .264.5.3 程序存储卡 .274.5.4 写入器 .274.5.5 文本显示器 .274.5.6 梯形图 .27沈阳理工大学学士学位论文IV结 论 .28致 谢 .29参考文献 .30附录 A 英文原文 .31附录 B 中文翻译 .38附录 C 硬件设计原理电路图 .43附录 D S7200PLC 的 CPU 规范 .44附录 E 梯形图 .47沈阳理工大学学士学位论文11 绪 论1.1 交通信号灯的作用与研究意义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。随着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。根据交通灯工艺控制要求与特点，我们采用了德国西门子公司 S7-200 型 PLC1。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。本系统采用 PLC 是基于以下四个原因：1、PLC 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；3、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可靠稳定，我们选择了能；4、够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC；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。沈阳理工大学学士学位论文21.2 选题的目的和意义自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，现在，交通控制更是趋向智能化方向发展，LED 交通信号灯在持续发光、雨淋、灰尘等恶劣的气候条件下，仍然能保持较好的工作性能，而且价格更低廉。可编程控制器 PLC 目前在交通管理系统中得到了广泛的应用，它是微机技术与传统继电器接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械接触点复杂，可靠性低，功耗高，通用性和灵活性差的缺点，充分运用了微处理器的优点，它可以很好的解决上述问题，使交通管理系统运行更加安全，方便。1.3 国内外研究现状近年来随着科技的飞速发展，PLC 的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。随着中国加入 WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。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。沈阳理工大学学士学位论文32 PLC 介绍2.1 概述可编程控制器（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。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC，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，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（ Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC。可编程控制器，简称 PLC（Programmable logic Controller） ，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（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： “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、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 结构：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。相同如图所示：沈阳理工大学学士学位论文4图 2.1 PLC 结构2.2 PLC 的功能和特点PLC 的主要特点1、高可靠性（1）所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。（2）各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms。（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。（4）采用性能优良的开关电源。（5）对采用的器件进行严格的筛选。（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。（7）大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2、丰富的 I/O 接口模块PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；沈阳理工大学学士学位论文5脉冲或电位；强电或弱电等，有相应的 I/O 模块 2与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块，为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3、采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU，电源， I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4、编程简单易学PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5、安装简单，维修方便PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。PLC 的功能 ：1、逻辑控制；2、定时控制；3、计数控制；4、步进(顺序) 控制；5、PID 控制；6、数据控制：PLC 具有数据处理能力；7、通信和联网；8、其它：PLC 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT 模块。2.3 PLC 的工作原理PLC(Power Line Communication)即电力线通信是指利用电力线传输数据和话音信沈阳理工大学学士学位论文6号的一种通信方式。迄今，PLC 技术已经有几十年的发展历史，在技术发展的各个阶段，电力系统已经得到了不同的应用。在高压输电网（35kV 以上） 、中压输电网（10kV-35kV）以及低压(10kV 以下) 的各个领域，数据传输的通讯数率不断提高。现阶段，在低压配电网上传输数率已由 1Mbps 发展到2Mbps、14Mbps、24Mbps、45Mbps 甚至达到 100Mbps 和 200Mbps 的高速率，传输距离可达 300 米。在中压配电网传输技术方面，高于 10Mbps 数据信号的设想和方案也日益引起人们的重视并开发成功。PLC 的工作原理：电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道