PLC交通控制系統(tǒng)研究

PLC交通控制系統(tǒng)研究摘要隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國民汽車保有量不斷提高，我國許多城市出現(xiàn)了交通擁堵的情況。交通信號燈是保障安全高效的交通秩序的重要工具，最早的交通燈是煤氣交通信號燈，只有紅綠兩種顏色，需要人工操作而且危險。當(dāng)然，隨著時代的發(fā)展，交通信號燈的組成以及控制手段都發(fā)生了很大的改變。PLC作為人工智能時代的典型代表，在自動化領(lǐng)域是不可或缺的存在，在交通控制領(lǐng)域也占有著極其重要的地位。因此，本設(shè)計提出基于PLC控制的智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。為了達(dá)到設(shè)計要求、節(jié)約成本,本設(shè)計用西門子S7-200來控制交通燈的變化,采用梯形圖的方式來編寫程序,并結(jié)合人機(jī)界面實現(xiàn)有效的監(jiān)控。關(guān)鍵詞：西門子S7-200；智能交通；梯形圖目錄TOC\o"1-3"\h\u6591引言 引言改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)騰飛，到2019年我國國內(nèi)生產(chǎn)總值穩(wěn)居世界第二進(jìn)入新時代，小汽車已經(jīng)是人民美好生活需要的一個重要體現(xiàn)。在汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背后，隨之而來的是繁重的路面交通和大氣污染。交通堵塞和交通事故已成為威脅著我們的生命和財產(chǎn)隱形殺手，交通堵塞不僅虛耗能源產(chǎn)生有毒氣體造成大氣污染，而且浪費時間使得國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到影響，特別是在一些發(fā)達(dá)城市形勢更是嚴(yán)峻。高效安全的交通對于社會的工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的生活水平的提高具有十分重要的意義。小型化、價格低、可靠性高的特點讓可編程序控制器在工業(yè)生產(chǎn)制造和現(xiàn)代社會生活中得到廣泛的應(yīng)用。近年來，基于PLC的智能交通控制系統(tǒng)方面的研究有了明顯的進(jìn)展,相較于傳統(tǒng)的交通控制措施,其性能、價格都有很大的優(yōu)勢,比較逐步取而代之。我國智能交通發(fā)展與發(fā)達(dá)國家相比起步較晚,自從上世紀(jì)90年代開始到現(xiàn)如今已經(jīng)有30年。期間,我國先后學(xué)習(xí)西方的先進(jìn)交通管理策略,提出發(fā)展推進(jìn)智能交通的計劃方案,并將其從理論層面發(fā)展到實際層面。從“十五”到“十三五”期間,智能交通多次被寫入發(fā)展規(guī)劃。我國的基建水平被世人所稱,到2020年1月為止,我國高速公路的ETC已基本實現(xiàn)全覆蓋,是智能交通在我國發(fā)展歷程的一個重要里程碑?？偟膩碚f,智能交通在我國已經(jīng)取得令人可喜可賀的成果。本設(shè)計就是運用PLC的基本原理來實現(xiàn)對十字交叉路口的交通燈的控制,講述了基于PLC控制的智能交通控制系統(tǒng),以及基于人機(jī)界面對交通燈實現(xiàn)有效的監(jiān)控和檢測?？紤]到節(jié)省電子元件的成本,運用西門子S7-200系列的PLC來控制交通燈的變化,用以在一定程度上緩解目前交通壓力。STEP7Micro/WINV4.0的程序編寫采用梯形圖的方式。一、系統(tǒng)硬件分析基于PLC控制的智能交通控制系統(tǒng)所用到的主要硬件有PLC和觸摸屏。本設(shè)計用到的PLC是西門子S7-200系列的PLC,其CPU型號為224,觸摸屏是廣州致遠(yuǎn)公司的MiniHMI-1000系列觸摸屏,下面我將對它們作詳細(xì)介紹,并且對I/O地址的分配和PLC的接線作初步說明。（一）PLC概述PLC是可編程邏輯控制器,其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同。它是在工業(yè)控制領(lǐng)域有十分突出的地位,目前比較出名的PLC有西門子、三菱、歐姆龍等,我國國內(nèi)也有許多PLC的品牌,相比來說價格低廉,也有很多人在使用,但質(zhì)量良莠不齊,一些使用規(guī)格和平常不一樣,造成國內(nèi)品牌口碑不佳。所以選用了西門子的S7-200系列PLC作為本設(shè)計的硬件核心。1.PLC的特點以及構(gòu)成S7-200系列PLC是一種小型的PLC,相比于其他的電氣控制器,它具有結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊、擴(kuò)展性能好、功能模塊豐富、指令系統(tǒng)強(qiáng)大以及價格低廉的特點，特別適合初學(xué)者使用與研究。S7-200系列PLC的CPU22*是CPU主機(jī),該模塊包括中央處理器CPU、數(shù)字I/O、通信口和電源。2.CPU224的介紹CPU是PLC的核心，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成,本設(shè)計需要用到的是S7-200系列的CPU224：圖2.1CPU2243.PLC程序的編輯工具系統(tǒng)的上位機(jī)PC機(jī)即我們的計算機(jī)作為編輯工具，首先運行STEP7Micro/WINV4.0編程軟件，對PLC進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用，編輯智能交通控制系統(tǒng)的運行程序。在編輯好程序后，打開S7-200仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，監(jiān)控系統(tǒng)是否正常運行，及時修改。4.PLC的通信PLC通信可以分為PLC與PLC之間的通信，PLC和上位機(jī)通信還有PLC與其他智能設(shè)備的通信，本設(shè)計是PLC和上位機(jī)通信與PLC和觸摸屏的通信PLC和上位機(jī)通信，就是我們下載到電腦所使用的STEP7Micro/WINV4.0編程軟件，編輯好程序后，下載到PLC或者從PLC上載程序到電腦端的過程。PLC和觸摸屏的通信是兩者之間實現(xiàn)信息的交換；S7-200系列PLC通信協(xié)議是PPI協(xié)議，串口通信口為RS485口，計算機(jī)可以通過STEP7Micro/WINV4.0編程軟件訪問S7-200CPU，從而實現(xiàn)通信；觸摸屏與PLC采用的串口通信接口是RS232/485通信電纜，過程需要給觸摸屏上24V電。（二）人機(jī)界面人機(jī)界面采用的是廣州致遠(yuǎn)的MiniHMI-1000系列觸摸屏，PLC與MiniHMI-1000系列觸摸屏的人機(jī)界面開發(fā)所需軟硬件設(shè)備配置需要安裝有WindowsXP操作系統(tǒng)的個人計算機(jī)；需要組態(tài)開發(fā)軟件：HMIDeveloperSuite（以下簡稱HDS）、MiniHMI-1000系列人機(jī)界面、西門子PLCS7-200CPU224XPCN和串口通信電纜以及以太網(wǎng)下載電纜。由于目前缺乏實物，只作軟件設(shè)計部分。（三）電感式傳感器本設(shè)計使用電感式傳感器來檢測車輛的存在，當(dāng)車輛通過電感式傳感器時，傳感器將壓力轉(zhuǎn)化為磁阻變化，將模擬量輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。在車流量的計算中用到電感式傳感器，一組傳感器中要有一個放置在十字路口交叉點，另一個要與它保持一定距離，當(dāng)車輛經(jīng)過時，我們就能得出車流量的數(shù)值。車流量的計算是智能交通控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，和傳統(tǒng)的定時循環(huán)系統(tǒng)相比，本設(shè)計在根據(jù)車流量來調(diào)整信號燈時序，在車流量偏高即高峰期時，延長南北綠燈時間或者東西綠燈時間，使車輛排隊恢復(fù)到平峰期狀態(tài)。（四）交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計1.控制要求基于PLC控制的智能交通控制系統(tǒng)所控制的是十字路口的交通燈，每個路口都是雙向車道，下圖為路況示意圖：圖2.2路況示意圖交通燈控制系統(tǒng)的控制要求如下：（1）平峰期時，交通燈都是定時循環(huán)控制采用正常時序流程；高峰期時，交通燈根據(jù)車流量控制，采用自動調(diào)整流程。正常時序：南北紅燈亮的25s過程中，東西綠燈、東西綠閃、東西黃燈保持的時間分別是20s、3s、2s；然后是東西紅燈亮的25s中，南北綠燈、南北綠閃、南北黃燈保持的時間分別是20s、3s、2s。正常時序一直循環(huán)這個過程。自動調(diào)整：檢測經(jīng)過各路口車流量數(shù)，判斷車流量是否溢滿，如果沒有溢滿，則繼續(xù)執(zhí)行正常時序流程；如果溢滿，啟動45s計時器延長綠燈時間；45s計時器動作完成后，再次判斷車流量是否溢滿，如果沒有溢滿，則返回執(zhí)行正常時序流程；如果溢滿，再次啟動45s計時器延長綠燈時間，如此循環(huán)。（2）緊急通行時，按下按鈕可以將信號傳輸?shù)较到y(tǒng)，控制南北/東西方向的信號燈緊急置綠。（3）每當(dāng)紅燈亮起的時候，相機(jī)自動拍照。（4）結(jié)合人機(jī)界面，對交通燈控制系統(tǒng)實施有效的監(jiān)控。2.I/O分配西門子S7-200系列CUP224有14個輸入點和10個輸出點。I/O地址的分配是隨意的，所以系統(tǒng)地址是可以根據(jù)自己需求修改的，但是需要在PLC輸入輸出地址的范圍內(nèi)，不可以重復(fù)使用，以免造成輸入輸出的混亂。本設(shè)計用到5個輸入點，8個輸出點。表1I/O分配表輸入輸出I0.0啟動Q0.1南北紅燈I0.1南北緊急通行Q0.2南北綠燈I0.2東西緊急通行Q0.3南北黃燈I0.3南北拍照Q0.4東西紅燈I0.4東西拍照Q0.5東西綠燈I0.5車流量計算Q0.6東西黃燈Q1.0南北相機(jī)拍照Q1.1東西相機(jī)拍照3.PLC接線圖圖2.3PLC接線圖I0.0為接入啟動的傳輸信號，I0.1為接入南北緊急通行的傳輸信號，I0.2為接入東西緊急通行的傳輸信號，I0.3為接入南北拍照的傳輸信號，I0.4為接入東西拍照的傳輸信號，I0.5接車流量計算。Q0.1接南北紅燈，Q0.2接?xùn)|西綠燈，Q0.3接?xùn)|西黃燈，Q0.4接南北綠燈，Q0.5接?xùn)|西紅燈，Q0.6接南北黃燈，Q1.0接相機(jī)1拍照，Q1.1接相機(jī)2拍照。因為CPU224的輸入輸出點足以滿足系統(tǒng)設(shè)計需求，我們也就無需加入I/O拓展模塊了。程序的設(shè)計操作者對每個輸入輸出端口有清晰的認(rèn)識和記憶，I/O分配表和PLC接線圖更加清晰地表現(xiàn)出智能交通控制系統(tǒng)硬件細(xì)節(jié)的部分，能夠讓人迅速找到某個觸點的位置，方便我們記憶與整理。二、智能交通控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計西門子PLC的編程軟件是STEP7Micro/win、STEP7Micro/winSMART、STEP7V5.5和STEP7V11，其中STEP7Micro/win是西門子S7-200的編程軟件，本設(shè)計用到的是STEP7Micro/WINV4.0編程軟件，它支持LAD、FBD和STL語言，我們用到LAD即語言進(jìn)行程序編輯。根據(jù)基于PLC控制的智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，作者首先確定了主程序的流程，而主程序中又包含了正常時序流程和自動調(diào)整流程。（一）主程序當(dāng)車流量在0-45輛/s時，是平峰期，采用正常時序循環(huán)控制，當(dāng)車流量在45輛/s以上時，是高峰期，根據(jù)車流量自動調(diào)整。每當(dāng)燈置紅時，相機(jī)抓拍，使用信號沿控制。如果有南北緊急通行或者東西緊急通行的信號傳入，該方向的綠燈亮起，需要重置南北/東西方向的信號，綠燈才會熄滅。如果有南北拍照或者東西拍照的信號傳入，相機(jī)1或相機(jī)2也可以進(jìn)行手動拍照。主要思路如下：按下啟動按鈕IO.0，車輛檢測器IO.5檢測到車流量存在，并將其數(shù)據(jù)傳送到PLC中，PLC通過計算得到車流量σ，當(dāng)σ小于等于45的時候執(zhí)行正常時序流程，而σ大于45的時候執(zhí)自動調(diào)整流程。車流量的檢測是一直不斷地進(jìn)行下去的，當(dāng)自動調(diào)整流程使σ減小，直到σ小于等于45的時候，返回到正常時序流程，這兩個程序不斷進(jìn)行。當(dāng)有需要緊急通行的時候，我們按下南北緊急通行按鈕IO.1，可以使南北綠燈亮起來；我們按下東西緊急通行按鈕IO.2，可以使東西綠燈亮起來。每次南北方向綠燈結(jié)束的時候，南北相機(jī)自動拍照，我們按下南北拍照按鈕IO.3也可以使南北相機(jī)拍照。每次東西方向綠燈結(jié)束的時候，東西相機(jī)自動拍照，我們按下東西拍照按鈕IO.4也可以使東西相機(jī)拍照。緊急通行和拍照可以作為中斷，不影響正常時序和自動調(diào)整的流程。（二）正常時序按下啟動按鈕后，一開始是南北紅燈亮長亮25秒，這25秒里面東西綠燈先亮20秒，然后東西綠燈閃爍3秒，然后東西接綠燈熄滅，緊接著東西黃燈亮，并維持2秒，東西黃燈熄滅、南北紅燈熄滅，這個過程持續(xù)25秒。下一個25秒中，東西紅燈亮長亮25秒，這25秒里面南北綠燈先亮20秒，然后南北綠燈閃爍3秒，然后南北接綠燈熄滅，接著南北黃燈亮，并維持2秒，南北黃燈熄滅、東西紅燈熄滅，這個過程也是持續(xù)25秒。上述動作循環(huán)進(jìn)行，一個正常時序的時間長度是50s。正常時序是程序設(shè)定好的，當(dāng)沒有其他數(shù)據(jù)輸入干擾時，將一直循環(huán)執(zhí)行。這是比較死板的程序控制，在過去交通控制系統(tǒng)沒有智能化的時候，類似正常時序這種定時循環(huán)控制相當(dāng)普遍。如今，因為這種定時循環(huán)的綠占比低，紅燈時間長，單位時間內(nèi)通過的車輛數(shù)少，所以它只能適用于車輛較少的平峰期。對于高峰期來說，最好是根據(jù)車輛來控制交通信號燈相位，因為城市道路交通的路面狀況并不是均勻的，大多數(shù)時候的高峰期是某一方向的車輛激增，而另外的方向車輛減少，如果交通系統(tǒng)繼續(xù)采用定時循環(huán)控制，會大大增加車輛排隊長度，造成交通擁堵。由此，本設(shè)計提出在某一方向車流量超過45輛/s時，延長其綠燈時間，讓車輛迅速通過，減少排隊時間，達(dá)到過段時間后該方向車流量減少的要求。（三）自動調(diào)整按下啟動按鈕后，正常時序控制，此時車流量計算已經(jīng)開始，檢測經(jīng)過各路口車流量數(shù)。判斷南北方向車流量是否溢滿，如果沒有溢滿，車流量數(shù)少于等于45，則繼續(xù)執(zhí)行正常時序流程；如果溢滿，當(dāng)車流量數(shù)>45的時候啟動45s計時器延長南北方向的綠燈時間；45s計時器動作完成后，再次判斷車流量是否溢滿，如果沒有溢滿，車流量數(shù)少于等于45，則返回執(zhí)行正常時序流程；如果溢滿，當(dāng)車流量數(shù)>45的時候啟動45s計時器延長南北方向的綠燈時間，如此循環(huán)。判斷東西方向車流量是否溢滿，如果沒有溢滿，車流量數(shù)少于等于45，則繼續(xù)執(zhí)行正常時序流程；如果溢滿，當(dāng)車流量數(shù)>45的時候啟動45s計時器延長東西方向的綠燈時間；計時器動作完成后，再次判斷車流量是否溢滿，如果沒有溢滿，車流量數(shù)少于等于45，則返回執(zhí)行正常時序流程；如果溢滿，當(dāng)車流量數(shù)>45的時候啟動45s計時器延長東西方向的綠燈時間，如此循環(huán)。車流量的計數(shù)是一直存在的，在接通45s計時器后，車輛檢測仍然在進(jìn)行，45s計時器動作后，車流量沒有溢滿才跳出延長綠燈的循環(huán)。智能交通控制系統(tǒng)自動調(diào)整流程是有關(guān)于車流量控制的設(shè)計，該流程中包含正常時序和綠燈延長，可以在平峰期和高峰期狀態(tài)中自由切換。使用這種控制手段的交通控制系統(tǒng)明顯能在高峰期通過更多的車輛，極大程度地減少車輛排隊時間，節(jié)約了許多寶貴的時間，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和時間效益。這種以人為本、人性化、可以自動調(diào)節(jié)的控制手段，我們稱之為智能化。車流量的計算是基于PLC控制智能交通控制系統(tǒng)的智能化體現(xiàn)的關(guān)鍵，我們用S7-200系列的PLC可以實現(xiàn)。（四）PLC編程程序本設(shè)計用到STEP7Micro/WINV4.0編程軟件，使用了梯形圖作為控制程序。因為梯形圖相較于工業(yè)控制領(lǐng)域的其它編程語言來說，編程中邏輯設(shè)計更加直觀明了，更加方便快捷，它的流概念的思維讓設(shè)計者或者讀者更能很好的了解程序的邏輯，完成控制要求。PLC是通過STEP7Micro/WINV4.0編程軟件編寫好的程序進(jìn)行對智能交通控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的，所以簡單明了的程序?qū)τ赑LC處理和運行有著至關(guān)重要的作用。STEP7Micro/WINV4.0編程軟件支持梯形圖和語句表的相互轉(zhuǎn)化，通過觀察梯形圖來了解實現(xiàn)的功能的同時STL語句表可以讓讀者或者設(shè)計者明白程序的邏輯，了解智能交通控制系統(tǒng)的實現(xiàn)流程。由于過去復(fù)雜的電氣控制接線已經(jīng)無法滿足人們對簡單明了的控制系統(tǒng)的渴望與要求，特別是亞洲地區(qū)的技術(shù)人員表示需要編程邏輯更加直觀的設(shè)計語言，梯形圖編程語言應(yīng)運而生，梯形圖在繼承繼電器控制系統(tǒng)的優(yōu)點的同時改進(jìn)了程序的復(fù)雜性，使邏輯更加簡單清晰，使功能更加容易實現(xiàn)，特別滿足亞洲人的直線思維，受到世界各地廣大電氣領(lǐng)域的技術(shù)人員的喜愛與廣泛應(yīng)用。在智能交通控制系統(tǒng)程序的設(shè)計過程中，梯形圖網(wǎng)絡(luò)由各種基本邏輯指令和數(shù)字運數(shù)指令以及計時器等組成。能流在設(shè)計好的梯形圖程序中流轉(zhuǎn)，會經(jīng)過觸點到達(dá)線圈、計數(shù)器、定時器等位置，當(dāng)PLC檢測到相應(yīng)器件發(fā)生動作時，CPU會進(jìn)行處理這些信息，使之經(jīng)過一定的邏輯關(guān)系然后輸出信號。能流與程序的執(zhí)行順序都是先由左至右或由上至下，編程時我們還可以為梯形圖某個觸點、線圈或者功能塊加上注釋，方便讀者在更加充分了解程序的邏輯關(guān)系，或者讓設(shè)計者在調(diào)試過程中查詢錯誤的時候迅速找到位置。三、調(diào)試調(diào)試是PLC系統(tǒng)設(shè)計必不可少的過程，是檢驗我們系統(tǒng)設(shè)計的有效性的重要手段。對于程序來說，一個程序能正常運行是最基本的要求，我們不單要程序能正常運行，更需要它解決我們所提出的問題。軟件調(diào)試就是檢查程序能否按我們的要求去控制各個組件，使它能夠及時作出反應(yīng)。硬件調(diào)試主要檢查實物與程序之間的連接與實際使用情況是否與設(shè)計要求相符合。對基于PLC控制的智能交通控制系統(tǒng)的調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，我們主要是對軟件調(diào)試做說明。（一）硬件調(diào)試在此僅提出硬件調(diào)試的思路：首先目測元件是否完好，連接線是否已經(jīng)全部連接？有無錯接？接著給元件加電，用萬用表測試連接點，查看所有連接點是否正常。然后連機(jī)測試，看智能交通控制系統(tǒng)能否正常使用。如果出現(xiàn)異常，應(yīng)該按照先分后合原則和就近原則去處理，分步測試各單元，按照邏輯距離由近到遠(yuǎn)，一步一步排查。（二）軟件調(diào)試軟件調(diào)試是在梯形圖程序設(shè)計好以后執(zhí)行程序是否存在語法或者邏輯錯誤。然后用STEP7Micro/WINV4.0將已經(jīng)編寫好的程序?qū)С鰹?awl的格式，到S7-200模擬器中選擇雙擊西門子CPU區(qū)域選擇CPU型號為CPU224，導(dǎo)入程序，選擇導(dǎo)入程序塊，將CPU設(shè)為運行模式，進(jìn)行系統(tǒng)功能測試。在這里我們可以打開語句表或者梯形圖來查看程序，點擊程序監(jiān)控狀態(tài)按鈕，可以看到PLC的運行狀態(tài)，藍(lán)色代表接通。

結(jié)論智能交通控制系統(tǒng)涉及電氣控制技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的PLC控制，與我們的日常生活密切相關(guān)，我們要建立起從身邊挖掘和發(fā)現(xiàn)新事物的理念。獨立完成本設(shè)計，結(jié)合軟件和硬件以及人機(jī)界面的綜合性調(diào)試任務(wù)，有助于設(shè)計者獨立建立工程的經(jīng)驗，有助于更加了解控制系統(tǒng)內(nèi)部的細(xì)節(jié)技術(shù)問題。我更加深刻地體會到模型的運作需要創(chuàng)造怎樣的硬件條件和結(jié)合軟件實現(xiàn)邏輯功能。完成這個設(shè)計對我來說是艱辛而又充滿喜悅的，從無到有的過程很漫長，但是偶然發(fā)現(xiàn)的不了解知識突然明白了讓人歡呼雀躍忘乎所以。PLC是新時代控制領(lǐng)域的一個典型，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝的重要工具，是當(dāng)代理工科大學(xué)生必需學(xué)習(xí)了解的知識。智能交通控制模型能很好地體現(xiàn)出PLC自身的特點，增強(qiáng)我們對PLC控制的認(rèn)識，加強(qiáng)我們對本專業(yè)知識的鞏固和實踐。未來，基于PLC的智能交通控制系統(tǒng)還會有很多的改進(jìn)，讓我們努力學(xué)習(xí)，繼續(xù)前行，為新時代社會主義現(xiàn)代化作貢獻(xiàn)。在不久的將來，我們就要面臨人生重要的轉(zhuǎn)折點，我希望走向社會的自己不要忘記在學(xué)校學(xué)到的知識和能力，堅持自主學(xué)習(xí)，充實完善自我；不要忘記本次設(shè)計給予的經(jīng)驗和教訓(xùn)，在發(fā)現(xiàn)錯誤和用于改進(jìn)中成長。不論將來是起是落，我們都不要驕傲自大或者妄自菲薄，要保持平常心，理智看待身邊事物。不