PLC在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

目錄第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研…………3第二部分設(shè)計(jì)說明……………………5第三部分設(shè)計(jì)成果……………………6第四部分結(jié)束語………………………14第五部分致謝……………15第六部分參考文獻(xiàn)…………………16

第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研一、設(shè)計(jì)任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是對(duì)PLC控制進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)和應(yīng)用，完成對(duì)交通流量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與控制，并能利用上位機(jī)組態(tài)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是采用地感線圈探測(cè)車輛的通過，并用PLC對(duì)車輛數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，利用PLC在順序控制上的強(qiáng)大功能，對(duì)交通流量進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和控制。二、設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)以十字路口等待綠燈的車輛滯留量來確定該方向交通是否繁忙。為了簡(jiǎn)化處理，該系統(tǒng)控制的普通十字路口的每個(gè)方向僅有直行車道，每個(gè)方向均設(shè)有紅、黃、綠色直行交通燈。在十字路口的東南西北四個(gè)方向的近端（停車線附近）和遠(yuǎn)端（相距近端約100米處）各埋設(shè)一個(gè)地感線圈，分別統(tǒng)計(jì)通過該處的車輛數(shù)。三、調(diào)研的目的和總結(jié)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注，我國(guó)許多大中城市的交通壓力都非常大。所以，改善與提高現(xiàn)有的交通系統(tǒng)的工作效率，加強(qiáng)交通路口的信號(hào)燈控制和監(jiān)控是非常重要的。解決好交通信號(hào)燈控制問題將是保障交通有序、安全、快速運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。但現(xiàn)有的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)都是單一的固定時(shí)序控制,不能夠根據(jù)實(shí)際交通狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。本設(shè)計(jì)是一個(gè)以車流量為核心的智能交通自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過使用地感線圈檢測(cè)車流量，并利用PLC在順序控制上的強(qiáng)大功能，對(duì)交通流量進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和控制，實(shí)現(xiàn)十字路口交通系統(tǒng)的智能控制。隨著數(shù)字化城市建設(shè)的進(jìn)程，對(duì)城市交通的要求不僅是智能化，而是網(wǎng)絡(luò)化、信息化。

第二部分設(shè)計(jì)說明一、理論分析隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快和機(jī)動(dòng)車輛的迅猛增加,城市交通問題日益嚴(yán)重。城市交通擁擠不僅造成交通事故頻發(fā)、車輛延誤增大，而且進(jìn)一步帶來能源浪費(fèi)和環(huán)境污染的加劇，由此引起的不良社會(huì)后果更是難以估計(jì)。城市交通問題的解決能有效的控制城市交通狀況，減少交通擁擠，減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益，保證城市的持續(xù)化發(fā)展。20世紀(jì)70年代末以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，汽車保有量逐年增加，交通問題日益顯現(xiàn)。我國(guó)部分大中城市摒棄了舊有的控制方式，一些先進(jìn)的控制技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，雖然在整體規(guī)模和層次上與世界發(fā)達(dá)國(guó)家還有不小差距，但部分領(lǐng)域技術(shù)水平已處于世界先進(jìn)位置。目前，我國(guó)城市交通控制系統(tǒng)不單單是對(duì)交叉口信號(hào)燈進(jìn)行控制，而是集交叉口信號(hào)燈控制和干線控制以及現(xiàn)代城市高速公路交通控制于一體的混合型交通控制。二、設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)主控制器選用西門子的S7-200系列PLC，車流量檢測(cè)裝置采用基于電磁感應(yīng)原理的地感線圈，系統(tǒng)由PLC控制器、地感線圈檢測(cè)裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、十字路口交通燈組等幾部分組成，如圖所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)運(yùn)行過程中，首先，地感線圈感應(yīng)到車輛通過的信號(hào)，該信號(hào)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為0～10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸入到PLC，PLC控制系統(tǒng)通過判斷該信號(hào)的狀態(tài),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到各路口實(shí)際車流量的數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)路口的實(shí)際車流量自動(dòng)調(diào)節(jié)其所在路口的信號(hào)燈的通行狀態(tài)。第三部分設(shè)計(jì)成果一、地感線圈的選型原則地感線圈是本智能交通自控系統(tǒng)中的最主要的檢測(cè)元件，地感線圈的技術(shù)規(guī)格由車道的大小和埋設(shè)的深度決定，地感線圈主要由內(nèi)徑，外徑，線徑和匝數(shù)四大因素組成，一旦這四大因素確定，線圈的規(guī)格型號(hào)即可確定。地感線圈工作在最佳狀態(tài)下時(shí)，線圈的電感量應(yīng)保持在100uH—300uH之間，在線圈電感不變的情況下，線圈的匝數(shù)與周長(zhǎng)有關(guān)系，周長(zhǎng)越小、匝數(shù)就越多，線圈匝數(shù)可參考下表。線圈匝數(shù)參考表線圈周長(zhǎng)線圈匝數(shù)<300cm，電感100uH—300uH5-6匝300—600cm5-6匝600—1000cm4-5匝1000—2500cm3匝2500cm以上2匝由于道路下可能埋設(shè)有各種電纜管線、鋼筋、下水道蓋等金屬物質(zhì)，這些都會(huì)對(duì)線圈的實(shí)際電感值產(chǎn)生很大影響，在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)使用電感測(cè)試儀實(shí)際測(cè)試地感線圈的電感值來確定施工的實(shí)際匝數(shù)，保證線圈的最終電感值在合理的工作范圍之內(nèi)（如在100uH—300uH之間）。否則，應(yīng)對(duì)線圈的匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整[14]。在理想狀況下（不考慮一切環(huán)境因素的影響），地感線圈只考慮面積的大?。ɑ蛑荛L(zhǎng)）和匝數(shù)，可以不考慮導(dǎo)線的材質(zhì)。但在實(shí)際工程中，必須考慮導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度和高低溫抗老化問題，在某些環(huán)境惡劣的地方還必須考慮耐酸堿腐蝕問題[15]。在實(shí)際的工程中，建議采用0.1cm以上鐵氟龍高溫多股軟導(dǎo)線。若本系統(tǒng)中的十字路口模擬交通模型為60*60cm，根據(jù)實(shí)際十字路口的尺寸按比例縮放，得到的車道大小約為3cm。設(shè)計(jì)時(shí)選擇的線圈內(nèi)徑為1.8*2.3cm、外徑為2.0*2.5cm、線徑為0.05cm、匝數(shù)為180n。信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置地感線圈的工作原理基于振蕩電路原理,將地感線圈埋入地下，當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，車的鐵外殼使得線圈電感發(fā)生變化，將線圈接入振蕩電路，使電感量的變化轉(zhuǎn)換成諧振頻率的變化。信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置是由一種基于電磁感應(yīng)原理的信號(hào)轉(zhuǎn)換線路構(gòu)成，該轉(zhuǎn)換電路主要由兩只三極管組成的共射極振蕩器和地感線圈（電感元件）、電阻、電容等元件組成的耦合振蕩電路組成，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的電路原理如圖所示。信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置電路原理圖Ul和U2組成共射極振蕩器，電阻R3是兩只三極管的公共射極電阻，并構(gòu)成正反饋，地感線圈T作為檢測(cè)器諧振電路中的一個(gè)電感元件，與振蕩回路一起形成LC諧振。當(dāng)有大的金屬物（汽車）通過時(shí)，由于空間介質(zhì)發(fā)生變化引起了振蕩頻率的變化（有金屬物體時(shí)振蕩頻率升高），將會(huì)使線圈中單位電流產(chǎn)生的磁通量增加，從而導(dǎo)致線圈電感值發(fā)生微小變化，進(jìn)而改變LC諧振的頻率，這個(gè)頻率的變化就作為有汽車經(jīng)過地感線圈的路面時(shí)的輸入信號(hào)，再將此信號(hào)通過由R4和C3組成的LC濾波電路，輸出穩(wěn)定的直流電壓（0～10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)），此電壓即可輸入到PLC系統(tǒng)。二、用PLC實(shí)現(xiàn)智能交通控制目前智能交通控制的設(shè)計(jì)方案有很多，有采用CPLD數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈智能控制的設(shè)計(jì)，有采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通控制設(shè)計(jì)的方案。而本智能系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)智能交通控制，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)十字路口車流量自動(dòng)調(diào)節(jié)綠燈時(shí)間的控制系統(tǒng)。PLC的I/O地址分配及選型經(jīng)過分析后，可得出系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)及其I/O地址分配如表所示。I/O分配表輸入信號(hào)輸出信號(hào)名稱輸入點(diǎn)編號(hào)名稱輸出點(diǎn)編號(hào)線圈S1I0.0南北紅燈Q0.0線圈S2I0.1南北黃燈Q0.1線圈N1I0.2南北綠燈Q0.2線圈N2I0.3東西紅燈Q0.3線圈W1I0.4東西黃燈Q0.4線圈W2I0.5東西綠燈Q0.5線圈E1I0.6線圈E2I0.7手動(dòng)啟動(dòng)I1.0手動(dòng)停止I1.1在PLC選型時(shí)，由于目前市場(chǎng)上的PLC種類繁多，生產(chǎn)公司不同，PLC的結(jié)構(gòu)和編程語言也會(huì)有差異，而西門子S7-200系列PLC具有體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，具有豐富的功能模塊和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，這就使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜控制功能，并且可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求[17]。又由于其編程易于掌握，指令豐富，因此在本設(shè)計(jì)中選用S7-200系列PLC。由系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)及其I/O地址分配，結(jié)合CPU224具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，8KB用戶程序區(qū)和5KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，1個(gè)RS485通信/編程口和7個(gè)擴(kuò)展模塊的特點(diǎn)，所以可選用CPU224。三、PLC的外部接線及系統(tǒng)原理在該控制系統(tǒng)中，PLC采用繼電器輸出直接驅(qū)動(dòng)交通燈。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)，故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。PLC的外部接線及系統(tǒng)原理圖如下圖所示。其中，PLC、交通燈和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路均采用DC24V開關(guān)電源供電；開關(guān)電源型號(hào)為DR-120-24，電流為5A。交通燈型號(hào)為JD200-3-35-2A，環(huán)境工作溫度為－40℃～＋80℃，工作電壓為24VDC。系統(tǒng)原理圖PLC外部電源電路設(shè)計(jì)見附圖。其中，當(dāng)空氣開關(guān)閉合時(shí)，電源指示燈亮，電源開始正常供電，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路或過載情況時(shí)，空氣開關(guān)會(huì)斷開電源，保護(hù)電路及相關(guān)設(shè)備。四、系統(tǒng)的控制要求上電后，控制系統(tǒng)開始工作。先進(jìn)行程序初始化，寄存器清零并開始計(jì)數(shù)。如前文中所述，通過計(jì)算車輛的滯留量Z1與Z2的差值，從而決定是否對(duì)綠燈進(jìn)行延時(shí)控制。如果－10≤Z1－Z2≤10，則視為正常情況，交通信號(hào)燈控制按固定周期變換。如果Z1－Z2﹥10，則南北方向繁忙，東西正常，南北直行綠燈延長(zhǎng)10秒。如果Z1－Z2﹤－10，則東西方向繁忙，南北正常，東西直行綠燈延長(zhǎng)10秒。依次循環(huán)檢測(cè)對(duì)交通燈進(jìn)行自動(dòng)控制。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)的控制流程如下圖所示。系統(tǒng)總流程圖五、通行車輛計(jì)數(shù)在程序中，怎樣對(duì)車輛脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)是很重要的。經(jīng)過反復(fù)思考和編程，我最終選擇了利用增減指令對(duì)車輛脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣可以很容易得出各方向上的車輛數(shù)量。具體程序如下圖所示：六、延時(shí)控制的選擇在設(shè)計(jì)方案里，怎樣利用南北方向與東西方向車輛滯留量的差值進(jìn)行延時(shí)控制的選擇是關(guān)鍵的一步。經(jīng)過不斷的探討，我選擇了比較指令來實(shí)現(xiàn)這一選擇。具體程序如下：延時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)根據(jù)延時(shí)條件的不同可選擇不同的方式進(jìn)行控制，若延時(shí)條件均不滿足，則按車流量正常處理。組態(tài)軟件選取在系統(tǒng)仿真過程中，我選用的是iFIX組態(tài)軟件。iFIX軟件可作為一個(gè)“進(jìn)入過程的窗口”，并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給操作員及軟件應(yīng)用，由于具有很好的開放性、安全性以及擴(kuò)展性，成為了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域最流行的工控組態(tài)軟件之一。iFIX軟件是以SCADA(數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控)組件為核心。SCADA的基本功能是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理，保證數(shù)據(jù)的完整性，并且提供完整的分布式網(wǎng)絡(luò)功能。數(shù)據(jù)采集就是從現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)并將它們加工成可利用的形式。iFIX也可以向現(xiàn)場(chǎng)寫數(shù)據(jù)，這樣就建立了控制軟件所需的雙向連接。iFIX不需要用特別的硬件來獲得數(shù)據(jù)，而是通過一個(gè)I/O驅(qū)動(dòng)器兼容它們，這在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中顯得尤為重要。數(shù)據(jù)管理包括通過掃描、報(bào)警和控制程序從驅(qū)動(dòng)程序映像列表中讀取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)傳送到過程數(shù)據(jù)庫(kù)以及從內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)訪問函數(shù)、讀取數(shù)據(jù)，并傳達(dá)到需要的應(yīng)用中等功能。人機(jī)交互HMI是iFIX軟件的另一個(gè)重要組件，它具有強(qiáng)大的圖形編輯功能。iFIX提供了強(qiáng)大的人機(jī)交互平臺(tái)，它以直觀的界面把所有的系統(tǒng)組件都集成在一個(gè)單獨(dú)的開發(fā)環(huán)境中，具有微軟界面風(fēng)格。該人機(jī)交互平臺(tái)特有的動(dòng)畫向?qū)В悄軋D符生成向?qū)У葟?qiáng)大的圖形工具方便了系統(tǒng)開發(fā)，標(biāo)簽組編輯器大量節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，并且內(nèi)置了易學(xué)易用的VBA這一計(jì)算機(jī)語言系統(tǒng)，使得無論是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，還是應(yīng)用人員都能很快上手?；趇FIX軟件的強(qiáng)大功能和在工業(yè)自動(dòng)化中的廣泛應(yīng)用，我選用了這一軟件完成系統(tǒng)仿真。七、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)建立在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，首先應(yīng)建立數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)是iFIX系統(tǒng)的核心，它硬件中獲取或給硬件發(fā)送過程數(shù)據(jù)，由標(biāo)簽（塊）組成。數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)簽（塊獨(dú)立一個(gè)單元，可以接收、檢查、處理并輸出過程值。數(shù)據(jù)庫(kù)以電子數(shù)據(jù)表的形式出現(xiàn)：每一行是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)簽，每是一個(gè)域。數(shù)據(jù)庫(kù)編輯器用來創(chuàng)建和編輯數(shù)據(jù)庫(kù)塊，它可以打開節(jié)點(diǎn)列表（SC中定義）中任何SCADA節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中有數(shù)字量輸入DI和數(shù)字量輸出DO。DI表示每掃描一次，數(shù)字量輸入塊從DIT表中的I/O地址中讀取數(shù)字量數(shù)據(jù)；DO表示每接收到的值，數(shù)字量輸出塊把一模擬量信號(hào)送入DIT表中的I/O地址。

第四部分結(jié)束語本設(shè)計(jì)以單十字路口為對(duì)象，根據(jù)交通控制需求，完成了基于PLC的智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。包括系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)仿真等。在總體方案設(shè)計(jì)中，首先確定了智能交通控制系統(tǒng)的控制方案和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)采用通過判斷不同條件來確定是否選用延時(shí)控制這一方案，這種方案在實(shí)現(xiàn)上簡(jiǎn)單方便，而且具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。在硬件設(shè)計(jì)中，介紹了地感線圈的選型、工作原理及對(duì)車流量的判斷，并通過信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將車輛脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)送入PLC，PLC根據(jù)相應(yīng)車流量狀況自動(dòng)延長(zhǎng)或縮短紅綠燈時(shí)長(zhǎng)。通過對(duì)系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)的分析，選擇了合適的PLC進(jìn)行智能控制，詳細(xì)介紹了PLC的外圍電氣設(shè)備選型與接線以及PLC控制柜的設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)控制要求，首先確定了系統(tǒng)的總流程圖，并用編程軟件STEP7MicroWINSP6進(jìn)行了獨(dú)立編程。最后，使用iFIX3.5工程組態(tài)軟件完成了系統(tǒng)的仿真過程，能完成對(duì)交通路口的流量統(tǒng)計(jì)及在線監(jiān)控，達(dá)到了比較滿意的可視化效果。該系統(tǒng)總體上實(shí)現(xiàn)了以PLC為控制主體的智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能自動(dòng)地根據(jù)車流量的變化來調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)間，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。當(dāng)然，由于水平有限，設(shè)計(jì)還存在一些不足之處。本設(shè)計(jì)的智能交通控制系統(tǒng)只是針對(duì)單個(gè)十字路口的，而實(shí)際交通問題是一個(gè)由點(diǎn)、線和區(qū)域控制組成的復(fù)雜的控制系統(tǒng)。因此在以后的研究中，有待于在此基礎(chǔ)上將系統(tǒng)擴(kuò)展到干道協(xié)調(diào)控制和區(qū)域控制上，提高實(shí)用性。另外，本設(shè)計(jì)的研究中沒有考慮行人，在進(jìn)一步的研究中，要注意結(jié)合實(shí)際情況，使系統(tǒng)更加完善，得到推廣和應(yīng)用。

第五部分致謝大學(xué)三年學(xué)習(xí)時(shí)光已經(jīng)接近尾聲，在此我想對(duì)我的母校、我的父母、親人們、我的老師和同學(xué)們表達(dá)我由衷的謝意。感謝我的家人對(duì)我大學(xué)三年學(xué)習(xí)的默默支持;感謝我的母校給了我在大學(xué)三年深造的機(jī)會(huì)，讓我能繼續(xù)學(xué)習(xí)和提高;感謝班的老師和同學(xué)們?nèi)陙淼年P(guān)心和鼓勵(lì)。老師們課堂上的激情洋溢，課堂下的諄諄教誨;同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)中的認(rèn)真熱情，生活上的熱心主動(dòng)，所有這些都讓我的三年充滿了感動(dòng)。這次畢業(yè)設(shè)