编号
潍 坊 学 院
自动化工程训练
课题名称：PLC在交通信号灯控制系统中的应用
学生姓名： 沈君 学 号： 08032130228 专 业： 自动化 班 级： 2008级专升本4班 指导老师： 刘福荣
2011年12月14日
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目 录
第一章 交通信号灯控制系统的设计方案 ................................. 1
1.1 十字路口信号控制的基本理论和方法 ............................. 1 1.2 总体设计方案 ................................................. 3 第二章 交通信号灯控制系统的硬件设计 ................................. 4 第三章 交通信号灯控制系统的软件设计 ................................. 6 第四章 软、硬件的调试及总结 ......................................... 8
4.1 软、硬件的调试 ............................................... 8 4.2 总结 ........................................................ 10 参考文献 ............................................................ 11
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第一章 交通信号灯控制系统的设计方案
近年来，国内外许多专家致力于开发新的交通信号控制方法，人工智能是新的研究方向之一，这是因为人工智能在复杂系统的定性建模和控制上卓有成效。由于交通流量是时变的、非线性的，具有较大的随机性，并且很难建立精确的数学模型，所以本文设计了一种根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统，其主要内容如下:第一、对十字路口交通信号灯控制问题、控制系统组成等进行描述；第二、设计两级模糊控制系统；第三、在PLC上编程实现此模糊控制系统
1.1 十字路口信号控制的基本理论和方法
1 交通信号灯
交通信号灯是交通信号中的重要组成部分。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。分为：机动车信号灯、非机动车信号灯，车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。
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分离原则的地方，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。交通灯布置图如图1-1所示。
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图1-1 交通灯布置图
2 信号灯的设置
交通信号灯与雨棚信号灯的控制系统有所不同。传统的控制方式采用固定时间进行循环，因为即使是同一个路段，不同时间的交通流量也会有很大的区别，所以很选择一个合适的时间片长度比较困难。改进后的动态控制技术能通过地下的传感器感知交通状况的变化，从而对交通进行更为有效的动态调整。使用协调控制方式，每一个路口的信号灯不再作为独立的单位运作，而是很多信号灯一起组成一个庞大相联系的系统，由一个主控制器进行协调控制，能够使车辆更少地遭遇红灯。此外，在行人比较的情况下，有的信号灯在深夜时会自动熄灭，有的信号灯一般情况下不工作，由行人按动按钮来进行启动。这样的智能化比较节能。交通信号灯内部一般包括探测器接口面板，电源面板，冲突检测单元，控制器等等，还有供交警进行操作的面板，它的的控制系统看起来像是一个放在混凝土箱子内的橱柜。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：水平排列式和垂直排列式。
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1.2 总体设计方案
系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。计时顺序用顺计时。定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入到主控电路，并通过主控电路去开启和关闭四色交通灯或启动另一种计时电路。主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自45秒，25秒，5秒三个定时信号。交通信号灯控制系统的原理框图如图1-2所示。
图1-2 交通信号灯控制系统的原理框图
交通灯以上6种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为000、001、010、011、100、101，并分别用S0、S1、S2、S3、S4、S5表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示，控制器应送出主、支车道红、黄、绿灯、绿（左）灯的控制信号。
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第二章 交通信号灯控制系统的硬件设计
供电线路如图2-1所示，二相电源经由一个总进线空气开关(Q)后供给系统的控制回路及LED主电路部分。其控制部分为220V，LED电压由控制电压通过变压整流后提供优．
Q AC220V TPLC输出电源 PLC输入电源
图2-1 供电线路图
变压器安装一定按照使用说明进行，以很好的保护灯管及变压器本身。高压线路必须按照标准进行，注意防水、防漏电的处理。低压线路尽量避开高压部分，以免发生高压放电产生明火。线路要按照标准进行，尽量避免中途接口。注意与高压冲突时的解决办法。规范化施工、电源线自身质量、接口规范。
57-200既可以安装在控制柜背板，也可以在标准导轨上固定;既可以水平安装，也可以垂直安装。在安装时，尽量将57-200与加热装置、高电压和电子噪声隔离开，同时为接线和散热留出适当的空间。最佳的接地方案应该确保57-200及其相关设备的所有接地点在一点接地。这个单独的接地点应该直接连接到系统的地上。所有的接地线应该尽量短并且用较粗的线径。当选择接地点，应当考虑安全接地要求和对隔离器件适当保护。在设计57-200接线时，应该提供一个单独开关，能够同
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时切断S7-200、输入电路和输出电路的所有供电。提供断路器或熔断器等过流保护装置来限制供电线路中的电流。导线尽量短并且保证线粗能够满足电流要求。硬件接线如图2-2所示。I/O分配表如表2-1所示。
图2-2 系统硬件接线图 表2-1 I/O分配表
输入 交通灯控制开关 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 南北绿灯 X0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 输出 南北黄灯 南北红灯 东西左转弯绿灯 东西左转弯红灯 南北左转弯绿灯 南北左转弯红灯 5
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第三章 交通信号灯控制系统的软件设计
交通信号是一个连续自动运行的系统，通常依时间变换转换，很少需要人工干预，因此输入设备很少，只需要一个起动按钮，所以只有很少几个输入点。输出端只有信号指示，每个路口上都有3个直行指示灯，3个右行指示灯，3 个左行指示灯及2个人行道指示灯，这样需要11
图3-1 时序图
个输出端口。4个路口则需要44个输出端口，而实际上，东西方向两个路口，南北方向两个路口交通灯的变化完全一样，用一个输出端口驱动两个指示灯，就可以节约一半的资源，只需22个输出端。 PLC的品牌很多，像西门子、施耐德、GE、罗克韦尔、ABB、欧姆龙、三菱等等，各个产品的定位也不尽相同。在这里选择编程灵活，功能强
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大、性能稳定的西门子57-200系列PLC作例子，CPU型号为CPU224，并加-I/O扩展模块EM223，在step-7Miero/win32平台上编程。交通灯
控制系统的时序图如图3-1所示。控制流程图如图3-2所示。
启动开关 东西绿灯亮6S 南北左转弯绿5S 东东南西西北东西绿灯闪2S 南北黄灯亮2S 主红红干亮亮东西黄灯亮2S 道 南北绿灯闪2S 东西左转弯绿5 南北绿灯亮6S 结束 图3-2 交通信号灯控制系统的流程图
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南北主干道
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第四章 软、硬件的调试及总结
4.1 软、硬件的调试
在程序编写时，严格按照时序图进行编程，如图4-1所示是主程序中初始化以及东西直行离开车辆采样10S的部分实现。如图4-2所示是子程序中模糊决策的部分实现。
图4-1 初始化程序
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图4-2 子程序0部分
软件调试采用分段调试的方法，先进行模糊算法的子程序的调试，由于没有实际传感器的输入量，在调试过程中，用软件模拟两组输入量，也就是给内存地址变量直接赋值。调试完子程序再结合主程序一起调试，再联调。过程中，特别要注意内存地址是否有冲突，以及有些内存变量的及时清零。硬件调试主要是一些高亮度发光二极管的连接，结构比较简单，不过为了防止电流过大，还得给二极管串上限流电阻。为了与上位机通讯，在程序中应加入倒计时程序指令，方便通讯。
软硬件调试完毕，我们把控制柜移到室外，使其24小时连续运行，对车流量进行不定时的输入，对系统进行测试。如:2006年3月9日，星期四，阴天，有点雾蒙蒙的，天气预报说气温12-25℃。我们采取工业控制中常见的做法，即每隔一小时记录一次，结果显示完全符合时序图的设计要求。再如:2006年7月2日，星期五，晴到多云，天气预报说最高气温37℃，是杭城今年入夏以来已出现的第7个高温天。我们
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采取每隔一小时记录一次的做法，结果也显示完全符合时序图的设计要求。综上所述，本系统运行稳定可靠，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。
4.2 总结
交通系统通过模糊控制无须数学建模，就模仿了有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。系统适应工作环境条件:
1、控制柜适宜放置于露天，高温、多雨天气，有电磁场干扰 2、温度:-10--60摄氏度 3、湿度:10%--95%
智能控制系统模仿有经验的交警指挥交通时的思路指挥交通，达到了很好的控制效果。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。
经过这次工程训练我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。而且通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
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参考文献
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[2]陈洪等.单路口交通实时模糊控制的一种方[J].信息与控制，1997.
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[4]陈建勤等.模糊控制系统的闭环模型及稳定性分析[N].自动化学报，1994
[5]陈洪.模糊数学在城市交通控制中的应用[J].工程数学，1998 [6]顾怀中等.基于神经网络的城市道路交叉口车辆到达预测模型的研究[R].中国公路学报，No.8，1998.
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[10]张伟华等.公交优先的信号交叉口配时优化方法[N]，中国公路学报， Vol.4No.3，2004
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[13]陈宽民等.道路通行能力分析[M]，北京:人民交通出版社，2003 [14]文国玮.城市交通与道路系统规划[M]，北京:清华大学出版社，2001
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潍坊学院自动化工程训练成绩评议表
学生姓名 专业 指导教师 沈君 自动化 刘福荣 院/系部 信息与控制工程学院 年级 职称 2008级专升本4班 副教授 指导教师意见： 签名： 年 月 日 成绩： 签名： 年 月 日 1
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