摘 要摘要随着人们的消费水平不断提高私人车辆不断的增多人多、车多、道路少的 道路交通状况已经很明显各路口是城市道路网的咽喉要道因此十字路口 信号灯的控制更为重要。通常需要对整个系统进行集中监控与管理采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。本论文详细介绍交通灯的正常运行情况 采用具有通用性强特点的型号西门子S7—1200 系列PLC实现控制与PLC实现串行通信进而实现对十字路口交通灯实时控制。关键词交通灯控制十字路口西门子S7-1200 PLC串行通信另起一页目录1 绪论...................................................................................................................................................... 71.1 国内外发展研究现状.............................................................................................................. 81.1.1 国外发展现状............................................................................................................ 81.1.2 国内发展现状............................................................................................................ 81.2本设计的主要内容................................................................................................................... 82系统方案设计....................................................................................................................................... 92.1硬件选型................................................................................................................................... 92.1.1 上位机界面的选择.................................................................................................... 102.2交通灯控制分析..................................................................................................................... 102.3PLC I/0分配........................................................................................................................... 112.4PLC接线图............................................................................................................................... 113软件设计............................................................................................................................................. 123.1PLC控制时序图....................................................................................................................... 123.2主程序的设计......................................................................................................................... 123.3子程序的设计......................................................................................................................... 133.3.1复位程序..................................................................................................................... 133.3.2启动和倒计时程序..................................................................................................... 143.3.3启动步骤..................................................................................................................... 153.3.4南北绿灯和东西红灯................................................................................................. 153.3.5南北绿灯闪烁东西红灯............................................................................................. 163.3.6南北黄灯闪烁东西红灯............................................................................................. 163.3.7东西绿灯南北红灯..................................................................................................... 173.3.8东西绿闪烁灯南北红灯............................................................................................. 173.3.9东西绿闪烁灯南北红灯............................................................................................. 184交通灯的系统仿真测试..................................................................................................................... 184.1编程软件简介......................................................................................................................... 18结论........................................................................................................................................................ 21参考文献................................................................................................................................................ 231绪论近年来我国许多城市的交通压力都伴随着流动人口的急剧增加而增加。经济的快速发展一些红绿灯路口不合理的工作时间交通违章记录不准确为了提高工作效率改善现有的交通系统加强对路口信号控制是非常重要的。在此背景下结合城市道路交通国内的实际情况来看开发真正适合我们自己的 智能控制系统已成为一项重要任务。设计一个十字路口的交通灯控制电路设计红色黄色绿色交通信号灯其中红色光表示该道路禁止通行黄灯表示车 辆等待绿灯表示道路允许通行。该电路自动控制两个红色黄色和绿色交通灯 的状态转换。红绿灯十字路口易于使用相应的系统配置简单的编程与友好的用户 界面接入设备的设计要求应用程序库以加速编程和调试的速度。这个时候学会了设计PLC控制扩展I/0 接口的方法学习使用软件西门子博图编程并进一步学习编程PLC-1200,以及学习实施模拟交通灯的控制。在日常生活中利用交通信号灯可以有效清晰的管理道路交通提高道路通行能力对减少交通事故有着显著的效果。交通灯控制系统由 PLC 控制监控仿 真西门子 博图编程两部分组成继而实现交通灯的基本功能使交通实现有效控制。为了保障通过路口的行人安全以及车辆交通秩序化规范化有必要使设计的红绿 灯更人性化更标准化保障行人和车辆的安全通行。通过设计红绿灯电路程序 掌握 PLC 编程软件和仿真软件西门子 博图编程的应用并达到基本电路可以自行设计的目的。1.1国内外发展研究现状1.1.1 国外发展现状早在19世纪英国就诞生了第一个交通信号灯由于其使用的是煤气交通信 号灯并在随后的使用中发生爆炸造成交通信号灯几乎近半个世纪消失。直到 20世纪初美国的克利夫兰市才再次出现了交通灯但此时已经改成了电力信号 灯。1926年英国出现了使用自动化的控制器来控制的交通灯这是城市交通自动 控制的开始。20世纪初美国首先使用车辆感应式信号控制器车辆传感器控制器的特征是它可以根据交通流量来调整绿灯时间的长度使得绿灯时间更有效地利减少车辆在路口的等待时间比定时控制具有更大的灵活性。目前城市道路交通信号控制系统最具代表性的有英国的TRANSYT和 SC00TS交 通控制系统以及澳大利亚的 SCATS 系统。信号灯在发展过程中自适应理论备受 各研究机构欢迎。比如上面提到的SCO0TS 和 SCATS系统。近年来国外依旧偏向 于用自适应理论研究交通控制系统特别是美国的十几所大学和研究机构正在开 发自适应交通信号控制系统的理论例如美国亚利桑那大学研发的RHODES。1.1.2 国内发展现状我国在交通灯的研发领域起步较晚由于我国人口众多随着社会的发展交通问题越发严重这使得我国对交通的需求急剧增加。城市交通是一个高度集 成和复杂的问题必须在依据城市道路实际情况下进而多方面的去解决。由于中 国经济和社会的快速发展使得对道路交通效率而安全的要求越发严格。当前国内的交通灯设计呈现多元化有单片机控制交通灯的控制系统有应用CPLD设计的交通灯控制系统有应用PLC设计的交通灯控制系统。国内交通信 号灯基本位于车辆相对密集的十字路口并设置红绿黄三种颜色的指示灯指示再加上一个倒数计时器来控制车辆的行驶。这样的设计对于大多数的道路交 通都能起到很好的车辆分流作用但由于实际中出现各种突发事件与各种外在 因素的存在这种设计仍然存在着很大的弊端例如不能根据道路的车流量来及 时的改变放行时间进而影响了交通效率。1.2本设计的主要内容在生产控制系统自动化领域中 PLC 具有可靠、稳定、抗干扰能力强的特性 如今PLC的应用也更加广泛。在 PLC控制器设计主要是利用内部定时器和外围电 路相结合来实现控制十字路口红绿灯。通过主电路控制电路梯形图设计 仿真和在线监控西门子博图实现了系统的硬件和软件的设计和人机交互。摸拟的十字路口交通灯组态图用一个开关控制交通灯的运行与停止当开 关为开时信号灯受一个启动开关控制当启动开关接通时信号灯控制系统开 始工作且先南北绿灯亮东西红灯亮。南北绿灯亮12秒同时东西红灯亮12 秒则南北方向的车辆运行东西方向的车辆停止运行之后南北方向绿灯闪烁3 秒此时东西方向仍然红灯然后南北方向黄灯亮3秒之后东西绿灯亮12秒 同时南北红灯亮12秒则东西方向的车辆运行南北方向的车辆停止运行之后 东西方向绿灯闪烁3秒此时南北方向仍然红灯然后东西黄灯亮3秒再回到 南北绿灯、东西红灯的状态循环下去。另外此设计中在遇到特殊情况时加上了东西延时和南北延时各延时15秒即当东西延时或南北延时按钮时东西方 向或南北方向各自多延时15秒。当启动信号断开时所有的信号灯都保持原有状态。2系统方案设计为了设计思路清晰与便利采用了顺序控制法。顺序控制就是指系统或生产 设备在各输入信号的作用下内部元件状态按照生产工艺预先规定的时间顺序变化使得各执行机构在生产过程中自动有序地进行操作。PLC 顺序控制设计法最 基本的设计思路是将控制系统的一个完整的工作周期划分为若干个顺序相连的阶段然后用转换条件控制代表各步的内部编程元件使其状态安装一丁点时间顺 序变化最终输出控制相应执行机构的动作步是根据输入量状态的变化来划分的。 在任何一步之内各输出量的状态不变但相邻两步输出量总的状态是不同的。步的这种划分方法代表各步编程元件的状态与各输出量状态之间有着极为简单的逻 辑关系。2.1硬件选型主要介绍了主要的硬件选型主要选用功能全面指令丰富的西门子S7-1200非常符合用在本课题的控制装置中。并且结合实际设计需求对比市面上各种产品类型最终选择了支持网络通信和串口通信RS485功能及通信接口上均满足需求的西门子S7-1200 PLC,如下图2-1所示。图2-1 西门子S7-1200PLC结合实际设计需求对比市面上各种产品类型最终选择西门子型号为S7-1200的PLC支持网络通信和串口通信RS485功能及通信接口上均满足需求如下图2-2所示。图2-2 西门子S7-12002.1.1 上位机界面的选择上位机界面有两种选择第一种是组态王第二种是WinCC。通过对两种软件的调查可知两种软件都能实现上位机组态界面的功能。但基于西门子PLC的兼容性本课题触摸屏比较符合课题的需求且操作方便因此将WinCC作为本课题上位机软件界面WinCC集生产自动化和过程自动化于一体实现了相互之间的整合这在大量应用和各种工业领域的应用实例中也已证明包括汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化如下图2-3所示。图2-3 西门子WinCC触摸屏2.2交通灯控制分析信号灯是受启动按钮和停止按钮的控制当按下启动按钮时受控制的信号 灯开始工作并循环工作当按下停止按钮时系统将维持在原有状态。交通灯示意图如图2-4所示在东西南北两个方向均安装信号灯两个方向 各6个灯分为红、黄、绿三种颜色。按下起动按钮后南北向绿灯亮维持12s, 12s后南北绿灯亮3s, 之后南北黄灯亮3s,期间东西向红灯也亮并维持18s; 18s 后东西方向绿灯亮12s, 后绿灯闪烁3s, 然后东西方向黄灯亮3s, 期间 南北向红灯也亮18s, 并维持接下去周而复始直到停止按钮被按下为止。N红 黄 绿2 2 2红1黄12绿1S绿1黄1红1红 2绿 2WE黄图2- 4交通灯示意图分析系统及控制要求知需2个输入和6个输出所以选 CPU224 即可满足 (CPU224有14输入和10输出)。2.3PLC I/0分配IO分配表是PLC可编程逻辑控制器编程中的一个重要部分它定义了哪些物理输入设备如按钮、传感器等连接到PLC的哪些输入端子上以及哪些物理输出设备如信号灯、电机等连接到PLC的哪些输出端子上。这样PLC程序就可以通过读取输入端子的状态来控制输出端子的状态从而实现自动化控制I/0 接口分配。表2-5 I/0接口分配输入输出启动(SB1)I0.0东西红灯Q0.0HL1(HL7)停止(SB2)I0.1东西黄灯Q0.1HL2(HL8)东西绿灯Q0.2HL3(HL9)南北红灯Q0.3HL4(HL10)南北黄灯Q0.4HL5(HL11)南北绿灯Q0.5HL6(HL12)2.4PLC接线图根据设计要求采取西门子S7-1200型 PLC为控制器启动按钮 SB1, 停 止按钮 SB2, 红黄绿三种颜色信号灯各4只输入/输出接线如图2-6所示。由 图可见启动按钮SB1接入输入继电器I0.0 端停止按钮SB2接入输入继电器I0.1 端东西方向的红灯接于输出继电器Q0.0端东西方向的黄灯接于输出继电器Q0.1 端东西方向的绿灯接于输出继电器Q0.2端南北方向的红灯接于输出继电器Q0.3 端南北方向的黄灯接于输出继电器Q0.4端南北方向的绿灯接于输出继电器Q0.5 端将输出电源与输出公共端1L相连。S7-1200HL1HL7HL2HL8HL3HL9HL4东西红灯东西黄灯东西绿灯南北红灯HL10南北黄灯HL11HL6HL12220V1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5I0.0I0.1SB1LSB2南北绿灯DC24VHIM图2-6交通灯的输入输出接线图3软件设计3.1PLC控制时序图交通信号灯正常时序控制时序图如图3-1所示图3-1交通信号灯时序控制时序图3.2主程序的设计刚开始我们按下启动按钮通过定时器T37 定时先实现南北绿灯亮12秒同 时东西红灯亮12秒则南北方向的车辆运行东西方向的车辆停止运行之后定 时器T38 定时实现南北方向绿灯闪烁3秒同时东西红灯扔持续亮3秒然后T39 定时实现南北方向黄灯亮3秒同时东西红灯扔持续亮3秒之后定时器T40 定 时实现东西绿灯亮12秒同时南北红灯亮12秒则东西方向的车辆运行南北 方向的车辆停止运行之后定时器T41 定时实现东西方向绿灯闪烁3秒此时南 北方向仍然红灯亮3秒然后T42 定时实现东西黄灯亮3秒再回到南北绿灯、 东西红灯的状态循环下去。当启动信号断开时所有的信号灯都保持原有状态。 整个系统的总体流程图如下图3-2所示。3-2 系统总体流程图3.3子程序的设计对于通常的应用来说 一般不使用顺序控制指令 PLC 编程顺控指令一般用 在需要 PLC 控制的动作具有明确的步骤顺序并且周而复始地循环的场合。顺控 指令程序可以作功能块(子程序)包含在整个程序中与其他非顺控控制程序共存。普通的PLC程序是从头到尾不断扫描执行的。SCR指令的关键是“步”和“转 换”,当转换的条件不满足时会一直保持在当前的步中。“转换”就是从一个步 进入另一个步。在一个步的状态中西门子 PLC 程序也不是按普通程序运行的模 式进行局部的“循环扫描”。顺序控制继电器转换 (SCRT) 指令标识 SCR 位被启 用 ( 下n 位被设置)。顺序控制继电器结束 (SCRE) 指令标志着SCR段的结束。3.3.1复位程序如图3-3所示实现的是系统的整体复位初始化。图3-33.3.2启动和倒计时程序如图3-4所示起保停电路0停止1运行东西南北倒计时程序。图3-43.3.3启动步骤如所示3-5一共分为10步运行完归零重复循环。图3-53.3.4南北绿灯和东西红灯如图3-6所示南北绿灯亮12秒东西红灯亮。图3-63.3.5南北绿灯闪烁东西红灯如图3-7所示南北绿灯闪射3秒东西红灯亮。图3-73.3.6南北黄灯闪烁东西红灯如图3-8所示南北黄灯亮3秒东西红灯亮。图3-83.3.7东西绿灯南北红灯如图3-9所示东西绿灯亮12秒南北红灯亮。图3-93.3.8东西绿闪烁灯南北红灯如图3-10所示东西绿灯闪射3秒南北红灯亮。图3-103.3.9东西绿闪烁灯南北红灯如图3-11东西黄灯亮3秒南北红灯亮图3-114交通灯的系统仿真测试4.1编程软件简介在上述的基础上利用西门子博图的TIMAV16软件 PLCSIM与 WINCC进行了联合模拟并对 PLCSIM及模拟屏幕进行了模拟。图S7-1200仿真器运行图图5-1程序下载至仿真器图5-2仿真器变量监控图5-3WINCC画面仿真图结论通过对前述内容的深入分析我们可以得出几个关键性的结论并对未来的研究方向提出一些建议。从我们的探讨中可以看出技术进步对社会的深远影响是不可忽视的。无论是互联网、人工智能还是其他新兴科技它们都在以惊人的速度改变着我们的生活方式、工作方式和思维方式。这些技术不仅提高了生产效率还极大地丰富了人们的娱乐和文化生活。然而技术的进步也带来了一系列的问题如隐私泄露、网络安全、技术依赖等这些问题需要我们持续关注并寻求有效的解决方案。政策制定在引导技术进步方面起着至关重要的作用。政府和相关监管机构需要制定合适的政策和法规以确保技术的健康发展并最大程度地减少其可能带来的负面影响。例如对于人工智能的发展政府可以制定相关的伦理准则和法律框架以确保其应用不会侵犯到公民的隐私权和数据安全。教育和培训在应对技术变革中同样具有不可忽视的地位。随着技术的快速发展许多传统职业正在经历转型甚至消失而新的职业和技能要求也在不断涌现。因此教育体系和职业培训需要与时俱进为劳动力提供必要的技能更新和再培训以帮助他们适应新的工作环境和技能要求。国际合作在应对全球性技术挑战时显得尤为重要。许多技术问题如网络安全、气候变化等都是跨国界的需要各国共同合作来解决。通过分享最佳实践、共同研发新技术和制定国际标准各国可以更有效地应对这些挑战并实现共同的可持续发展。公众对技术的认知和态度也是影响技术发展的重要因素。公众对新技术的接受程度、对其潜在风险的担忧以及他们对技术应用的期望都会在一定程度上影响技术的发展轨迹。因此提高公众的技术素养增强他们对技术的理解和信任是推动技术健康发展的重要一环。技术进步是一个复杂而多维的过程它涉及技术本身的发展、政策法规的制定、教育和培训体系的改革、国际合作的加强以及公众认知和态度的引导。未来我们需要在这些方面继续努力以实现技术的健康、可持续发展并最大程度地发挥其对社会进步的推动作用。如何制定更加有效和前瞻性的技术政策如何构建适应技术变革的教育和培训体系如何在国际合作的框架下更有效地应对全球性技术挑战以及如何提升公众的技术素养和增强他们对技术的信任。通过这些研究我们可以为技术的进步和社会的发展提供更加坚实的理论和实践支持。
