交通信号灯的PLC控制.docx

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交通信号灯的PLC控制

毕业论文

题目：

带有显示器的十字路口交通信号灯的PLC控制

系〔部〕：

机电工程系

专业：

机电一体化

班级：

学生：

巴哈尔姑力·阿卜杜可热木

指导教师：

董燕

带有显示器的十字路口交通信号灯的PLC控制

随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。

马路上经常会看到这种现象:

一旦整个路口的交通信号灯出现故障，假设没有交警的及时疏导，该路口就会塞得一塌糊涂，甚至造成严重的交通事故。

原交通信号控制大都采用继电器或单片机实现，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点,越来越不能适应城市道路交通高速发展的要求。

另外，根据人车流量的多少，可能随时增加路口的交通信号，比方增加转弯或人行道交通信号，原有系统的制约性就更加明显了。

为了弥补原交通信号灯系统存在的以上缺点，采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。

PLC 的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档. 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，到达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，从而提高了交通控制系统的效率。

   可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。

随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。

题目：

带有显示器的十字路口交通信号灯的PLC控制

中文摘要：

城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以到达改善人和货物的安全运输，提高运营效率。

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，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。

目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。

所以经典控制法很难得到满意的效果。

而模糊控制是一种无须建立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，到达很好的控制效果。

近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。

根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。

通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。

关键词：

交通;智能控制；PLC

毕业论文任务书

毕业论文〔摘要Abstract〕

1绪论………………………………………………………………………………1

1.1城市交通现状……………………………………………………………1

1.2智能交通的国内外发展状况…………………………………………3

1.3交通信号灯控制的研究现状…………………………………………3

2十字路口信号控制的基本理论和方法…………………………………………3

2.1交通信号灯………………………………………………………………3

2.2信号灯的设置……………………………………………………………4

2.3交通信号的控制方式……………………………………………………5

2.4城市道路智能交通信号控制系统………………………………………5

2.4.1智能交通信号控制系统的基本组成……………………………6

2.4.2交通信号控制系统的主要术语和参数…………………………6

2.4.3智能交通信号控制的核心…………………………………8

2.4.4智能交通信号控制系统的基本设计步骤………………………8

3基于PLC的模糊控制系统的设计实现………………………………………8

3.1可编程控制器……………………………………………………………9

3.2硬件电路…………………………………………………………………10

3.3PLC的编程设计…………………………………………………………14

3.3.1确定工/O点数及PLC的选择………………………………………14

3.3.2I/0点地址分配……………………………………………………15

3.3.3交通灯控制时序图…………………………………………………16

3.3.4控制流程图………………………………………………………17

3.4软、硬件的调试…………………………………………………………17

4结论………………………………………………………………………………19

参考文献

带有显示器的十字路口交通信号灯的PLC控制

1绪论

1.1城市交通现状

据一项对美国主要城市交通状况的调查显示：

1982年至2000年，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。

以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时12公里。

用这个目标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值:

每年消耗1.5亿小时，减少生产总值117亿元。

相当于该市整个生产总值的7%!

在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达35%--40%，而北京只有20%。

缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。

据悉，到2010年，北京将投资500亿元用于城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就到达600公里。

但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵—修路—再拥堵”的怪圈。

中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，北京、上海、广州三大城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。

从我国目前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通系统发展不足，快速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调现象。

因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围，充分发挥各种交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统的效率。

1.2智能交通的国内外发展状况

城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。

智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。

智能交通系统将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成部分经济损失。

在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。

在北京召开的“第二届国际智能交通系统技术研讨暨技术与产品展览会”上透露。

我国将投资20亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山10个城市进行交通智能化改造，到2010年，这10个城市将全部实现交通的智能化。

目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不管从何种角度出发，有一点是共同的:

智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。

日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用。

从各国的发展来看，智能交通系统能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经济效益。

它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。

表1-1美国欧洲日本同我国在智能交通系统发展方面的比照表

国家

ITS发展程度

投资规模

重点发展领域

预期目标

美国

ITS大国，智能交通应用率达80%以上。

1990—1997年用于智能交通的预算为12.935亿美元。

ITS发展在车辆安全系统、GPS适时定位系统、车辆管理系统。

一是安全，减少事故和财产损失；二是经济效益，每年节省200亿美元的目的；三是环保和减少能耗。

日

本

通过近十年的研究已建成符合本国国情的智能交通系统。

1998年用于智能交通的研究经费有161亿日元，用于基础设施的经费有1285亿日元。

交通信息服务系统、高速公路不停车收费系统等较为先进的领域。

1994年后未来30年减少50%的交通事故人员伤亡率，较少汽车尾气排放对大气的污染。

欧洲各国

ITS应用程度介于美国与日本之间

1995—1998年间用于共同研究的经费有280亿欧元。

从道路交通扩展到铁路和水路等64个课题的研究，分布于交通信息服务、电子自动收费管理等方面。

一是安全性提高；二是有效性提高〔出行时间节省6%〕；三是环境保护〔污染物减少50%等。

中国

地方试点和专家呼吁阶段。

基本无

基本无

基本无

1.3交通信号灯控制的研究现状

城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。

近多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。

本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。

（1）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。

这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢送。

（2）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。

被划分成的假设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。

2十字路口信号控制的基本理论和方法

2.1交通信号灯

在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等，都是交通信号。

交通信号是在空间上无法实现别离原则的地方，主要在平面交叉口上，用来在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施。

交通信号灯用轮流显示不同灯色来指挥交通的通行或停止。

随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差异，各自给信号灯赋予不同的含义。

我国目前使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下:

（l）绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准阻碍直行的车辆和被放行的行人通行。

（2）黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行通道的行人，可以继续通行。

（3）红灯亮时，不准车辆、行人通行。

（4）绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。

（5）黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。

（6）右转弯车辆和T形交叉口右边无人行横道的直行车辆，遇黄灯或红灯时，在不阻碍被放行的车辆和行人通行的情况下可以通行。

2.2信号灯的设置

当交叉路口的交通量接近路口的通行能力时，考虑在交叉路口设置交通信号控制。

信号灯设得合理、正确，能较充分地发挥道路的交通效益，如设置不当，非但浪费了设备和资金，并且会对交通造成不良后果。

如有些不合理信号控制的路口，由于主要道路上驾驶员遇红灯而停车，但他在相当长的时间内并未看到次要道路上有车通行，往往会引起有意或无意的闯红灯。

因此，信号控制交叉口的交通事故，多发生在交通量较低的交叉口上或交通量较低的时间内。

在吸取国外信号灯设置经验的基础上，结合我国目前具体的交通状况，路口信号灯的设置与改良要运用交通工程学理论作指导，根据路口的地形特点、车流状况，作好车辆与行人交通流量的调查，进口道上车辆行驶速度的调查，交通事故及违章调查，车辆可穿越的空当及延误调查等，具体问题具体分析，制定优化的信号配时，保证现代交通高效、节能、低公害运行。

交叉路口交通信号灯安装方式有两种，一种是安装在伸向交叉路口中央上空型臂上;一种是安装在路口边或中央的灯柱上。

信号灯的排列方式通常分为两种:

（1）水平排列式

从道路的中心线一侧起以红、黄、绿的顺序向路边排列。

常用于路面较宽的道路。

（2）垂直排列式

从上往下依次是红、黄、绿灯。

这种方式常用于路面较窄的道路。

按固定方式排列信号灯有两个好处:

一是把红灯信号放在最醒目的位置;二是可使患有色盲的人凭借位置来判断信号的含义。

在交叉路口中央上空安装信号灯时应符合车辆通行净空高度界限的要求。

信号灯的亮度应保证人们在1O0m以外能看清。

2.3交通信号的控制方式

根据所采用的控制装置的不同，交通信号一般有三种控制方式：

（1）周期式信号。

这种信号的周期长、相位、绿灯时间、转换时间等都是事先确定的。

信号通过规定的周期运行，每个周期的周期长和相位都恒定不变。

依靠所提供的设备，可用几种预定配时方案，每一种都在一天规定的时间中交替使用。

（2）半感应式信号。

这种信号保证主干路总保持绿灯直到设在次干路上的检测器探到有车辆到达。

这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干路显示绿灯，该绿灯就维持到次干路上的车辆全部通过路口或持续到预定的最大绿灯时间为止。

在绿波信号系统中，分配给次干路的绿灯时间必须限制在预定的时间内。

该系统的周期长和绿灯时间可根据需要随时进行调整。

当次干路没有车辆时，主干路总是保持绿灯，事实上分配到次干路的绿灯时间可充分利用，所有“多余的”绿灯时间则都分配给主干路。

（3）全感应式信号。

该信号的所有相位全由传动检测器来控制。

一般每个相位都要规定最小与最大绿灯时间。

这种控制方式的周期长度和绿灯时间可根据需要作很大的变动。

周期中的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未测出交通量时，该时刻的相位可自动取消。

目前，许多信号系统都实现了电脑控制，使用电脑系统控制的地理交叉口，其信号一般采用预定周期式控制。

有些城市还部分地实现了交替信号的线或面的联动控制，在这样的系统中，电脑充当了主控机和监视器的角色。

此时，信号的联动不仅对提高单个信号交叉口的通行能力和服务水平有很大作用，而且还对提高整条道路或整个路网的通行能力发挥着极其重要的作用。

2.4城市道路智能交通信号控制系统

智能交通信号控制系统是城市道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街，以及环路出入口采用信号控制的子系统。

主要包括交通工程设计、车辆信息采集、数据传输与处理、控制模型算法与仿真分析、优化控制信号调整交通流等。

国内外各大中城市己有的交通信号控制系统就是根据不同环境条件，基于各自城市道路的规划和发展水平建立起来的。

2.4.1智能交通信号控制系统的基本组成

智能交通信号控制系统的基本组成是：

主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备。

其中主控中心包括操作平台、交互式数据库、效益指标优化模型、数据（图像）分析处理等。

图2-1城市道路智能交通信号控制系统框图

2.4.2交通信号控制系统的主要术语和参数

1）周期

周期是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长，即红、黄、绿灯时间之和。

它是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数，用C表示。

一般信号灯的最短周期长度不少于36秒，否则就不能保证几个方向的车辆顺利通过交叉口。

最长周期长度一般不超过120秒。

从疏散交通的角度讲，显然当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周期内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，就会发生堵塞现象。

2）相位

相位：

即信号相位，是指在周期时间内按需求人为设定的，同时取得通行权的一个或几个交通流的序列组。

3）相位差

相位差:

具有相同周期长的相关路口，在同方向上的两个相关相位的启动时间差，称为相位差。

从某一车流方向来看，为使车辆在交叉口处不受阻而流畅通过，与其使相关联信号同时显示同一灯色（特别是绿灯开始时间），不如使绿灯开始时间错开一些。

这里称时间对“错开”为相位差。

把干线上某一路口作为基准路口，其他各路口的协调相位起始时刻滞后于基准路口的协调相位起始时刻的最小时间差，称为绝对相位差;车辆行使方向任意相邻路口的协调相位起始时刻的最小时间差，称为相对相位差。

通常用时距图表示信号配时与距离的关系。

图2-2时距图

以第1个交叉口的信号为基准，则图中的Al、A2、A3分别为交叉口2、3、4的信号的绝对相位差。

要确定路口信号间的相对相位差，则需要先确定车辆的行驶方向。

当车辆由路口1沿道路驶向路口4时，Bl是路口2信号和路口1信号的相对相位差;B2是路口3信号和路口2信号的相对相位差;当车辆由路口4沿道路驶向路口1时，B3是路口3信号和路口4信号当相对相位差;B4是路口2信号和路口3信号的相对相位差。

由时距图可以看出，BZ和B4均表示路口2信号和路口3信号之间的相对相位差，只是因选定行车方向不同而具有不同的数值。

两者之和等于一个周期的长度。

4）饱和流量

饱和流量:

是衡量路口交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的连续通过路口的最大车流量。

5）绿灯间隔时间

绿灯间隔时间:

是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开始所用的时间。

6）有效绿灯时间

有效绿灯时间:

是指被有效利用的实际车辆通行时间。

它等于绿灯时间与黄灯时间之和减去头车启动的损失时间。

2.4.3智能交通信号控制的核心

智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，表达着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。

目前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化定周期方案、优化路口绿信号配比以及协调相关路口通行能力为基础的，是根据历史数据和自动检测到的车流量信息，通过设置的控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，是被动的控制策略。

随着网络技术的发展，交互式控制策略使信号控制由感控到诱导实现了真正的智能，交通信号控制系统不仅可以检测到车流量等交通信息参数，调控路口绿信号配比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统联接的数据库完成与交通参与者之间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息、停车场信息，提供应交通参与者合理的行驶线路，以到达均衡道路交通负荷的主动的控制策略。

尤其重要的是电脑网络技术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠保证。

可以说，城市道路智能交通信号控制系统是城市道路交通管理随着信息产业技术迅猛发展的综合产物。

2.4.4智能交通信号控制系统的基本设计步骤

根据路口交通现状和预测进行交通渠化设计分析原始交通流数据，通过仿真模型效验，确定控制模式，进行交通参数设定根据交通渠化设计及控制模式的设计要求完成交通工程设计（包括车辆检测器的检测区定位）根据各个路口配备设备的相关性，完成协调设计确定系统和单点控制的优化目标函数，得出最优信号控制方案配置路口信号控制机的固化基础参量，配置主控中心数据库与数据传输设置。

3基于PLC的模糊控制系统的设计实现

现代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，到达很好的控制效果。

20世纪70年代，Pappis设计了一个孤立交叉口的信号灯模糊控制器，效果很好。

近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究。

3.1可编程控制器

可编程控制器（ProgralnlnableController），又称为可编程逻辑控制器根据国际电工委员会（IEC）在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其定义如下，“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC的主要特点：

（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，比方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。

控制系统比较

（1）PLC与单片机控制系统比较

虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设计的。

同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。

尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。

在很大程度上，PLC是专为工业控制而设计的。

因此，它具有较好的环境适应性。

事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。

用单片机作控制部件在成本方面具有优势。

但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。

虽然PLC也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差异很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。

而PLC用专用的指令系统来编程的。

前者复杂而易出错，开发周期长。

后者简便易学，现场就可以开发调试。

单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。

硬件上主要受CPU、内存容量及I/0接口的限制;软件上主要受限于与CPU类型有关的编程语言。

一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。

其通用性、兼容性和扩展性都相当差。

（2）PLC与电脑控制系统的比较

PLC是专为工业控制所设计的。

而微型电脑是为科学计算、数据处理等而设计的，尽管两者在技术上都采用了电脑技术，但由于使用对象和环境的不同，PLC较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、输入、输出一般采用“光-电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可控硅（也有用晶体管）输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。

此外，使用面向工业控制的专用语言