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基于PLC的交通信号控制系统的发展
作者 Azrulnor Bin Ahmad
马来西亚彭亨大学
摘要
基于PLC的交通信号控制系统的发展是这个项目的标题。这个项目分成硬件和软件两个部分。这个项目的硬件部分是一个四条路的十字路口交通信号灯，每条路有两个限位开关功能作为传感器。三个指示灯有不同的颜色（红色，黄色和绿色），它们被安装在每条路上作为交通信号的指示。这个限位开关和指示灯被连接到欧姆龙PLC CQM1H-CPU51，PLC控制每个信号从输入（限位开关）到软件然后展示到输出（指示灯）。这个软件部分通过欧姆龙PLC运行的是CX-编译。通过用这个软件，这个梯形逻辑图表被编译去控制交通灯在整个流程图上。最终，这个交通信号灯成功地被PLC控制。
第一章
简介
1.1交通信号系统的概述
自从罗马时期后，社会开始努力去控制交通。即使虚构的罗马道路系统导致了在行人和马车之间的冲突。然而一个实用的方法直到十九世纪中期才发展出来，当J.P.Knight 一个道路信号工程师发明了第一个交通信号灯，1868年被放置在英国伦敦威斯敏斯特教堂附近。不幸的是，这个装置爆炸害死了一名警察，它便不再被继续使用在运行了很短的一段时间之后。
现代交通灯在美国被发明，纽约在1918年有一个三色系统从马路中间的一个塔上被手动运作。其他城市很快采用了这个方法去让一个人控制灯。防毒面具的发明者Garrett Morgan 也发展了交通信号装置。目击了一辆车和一辆马车的车祸之后，Morgan 感觉必须设置系统去阻止在道路交汇处的像这样的冲突。1923年他申请了电子交通信号灯的专利，运用一个杆的横截面单词“停”和“走”会显现。
这些基础设计很快被提升，1926年第一个自动信号灯被安装在伦敦；他们利用一个计时器去启动它们。二十世纪三十年代，车辆启动灯被建造，利用车子翻过半埋在地下的橡胶管，管子中的空气被车辆压过它们的重量所替代，然后增加的压力造成一个电子连接激活了灯。但是这些管子很快用尽。一个更好的主意是感应控制装置：一匝金属丝被嵌入在道路中间，并连接到一个盒子控制灯；电流通过线圈，并且当一辆车的钢铁身躯通过上面时，线圈产生一个信号激活灯。
现在，交通自动地规划限制出入的高速公路通过电脑控制的系统，它决定了高速公路上的车流量。全球卫星定位系统（GPS）被装置在许多车里，这些系统连接一个卫星并通知驾驶员他们在哪和去目的地的可能路径。这些系统最终会考虑普遍的交通状况决定出一个去目的地的最佳路径。
1.2 可编程逻辑控制器的概述
一个可编程逻辑控制器（PLC）是一个工业控制计算机用来控制和自动化复杂的系统。可编程逻辑控制器是一个在工艺控制技术上相对较近的发展，它被设计利用在工业环境中，利用一个可编程的记忆给用户为基础的内部存储器的指导去实施特定的功能，比如逻辑，排序，计时，计数，和算数去控制数字或模拟输入和输出，多种类型的机器或进程。
可编程逻辑控制器通过工业被利用去控制和监控大范围的机器和其他可以动的成分和系统。可编程逻辑控制器被利用去监控一系列的输入点中的输入信号，报告事件和情况出现在一个控制程序中。可编程逻辑控制器被发现在工厂型背景中，PLC被用来控制机器人，流水线和许多其他应用这些需要大量数据监控和控制。
一个典型的可编程逻辑控制器用一个底板作为通讯总线去连接PLC处理器和一系列独立的输入/输出设备，这个处理器互相作用鉴于接受输入数据用来运用控制程序，和传输控制数据用来控制目标个体。一个可编程逻辑控制器包括一个齿条，大量输入/输出卡片被放置的地方。一个齿条包括许多凹槽，这些输入/输出卡片放置在这。
每个输入/输出卡片有许多I/O节点，I/O模块主要可插入在各自的位置位于PLC底板上。一个I/O总线整合凹槽里的卡片回到可编程逻辑控制器的处理器中。这些凹槽被一个主总线整合在一起，主总线可以整合任一I/O模块插入到凹槽中到中央处理器。
CPU可以被定位在一个卡上，这个卡是可插入在一个特定的凹槽在PLC的底板上。一个特定处理器用在一个PLC带有输入输出卡片安装在PLC齿条上的特定选择，这些卡片经常被作为可编程逻辑控制器的硬件配置。硬件配置也包括特定的地址就是I/O卡片，每个选择模块主要有许多输入/输出节点。
选择模块被整合通过一个接口总线，例如通过一个底板，到一个主控制器有一个微处理器去处理用户程序。选择模块也包括一个微处理器和一个记忆片，包括独立的用户程序和数据，直连到PLC系统的特定运行中。在存储控制程序运行过程中，PLC从控制程序读取输入，每个控制程序的逻辑，提供输出到控制程序。输出主要提供模拟或二进制电压或“连接”被固态转换装置应用。
PLC通常被建在模块化样式中使它们简单的被重新配置，去满足被控制的特定程序的需求。这个处理器和I/O电路通常被作为独立模块，可能被嵌入在一个底盘上并通过一个普通底板连接在一起，利用永久或可是放的电子连接器。
1.3 课题目的
这个项目有关发展一个新型实用交通信号控制系统，这个系统将解决交通堵塞问题。为了研究这个课题，以下两个目标必须实现：
- 研究一个PLC控制的交通信号控制系统
- 应用系统在一个交通信号灯上
1.4 课题范围
1. 建立一个四向交通灯模型
2. 编译一个提醒逻辑图表去控制交通灯
3. 结合软件和硬件部分去仿真一个交通灯系统
1.5 问题描述
城市交通灯监控和控制逐渐变成许多城市的主要问题。机动车增加的数量和高速公路发展更低的阶段导致了主要城市的交通堵塞问题，例如吉隆坡, 乔治城，新山市和怡保市。旅行时间，环境质量，生活品质和道路安全都是不利的影响导致了交通堵塞。除此之外，延时造成的交通堵塞也间接影响生产率，效率和能耗。
有许多原因导致交通堵塞，例如路上机动车的密度，人们习惯，社会行为和交通灯系统。交通灯系统的一个主要原因是在十字路口控制交通。交警每天被用于交通交汇点就是为了克服高峰时期的交通堵塞，所以这一问题的根源是不有效的交通灯控制器。有效控制了交汇点，可以相信城市交通网的容量和执行可以被解决。
有许多类型的交通灯控制的普遍方法，然而他们有效处理复杂和时间变化的交通条件失败了。现在两种交通灯控制在马来西亚和世界的其他地方被普遍的安装：预先装置循环周期和机动车激动。在高峰时期大量交警的利用，证明这些交通灯控制器是不足的。需要去搜索新型高效实用的交通灯控制器。
在这篇论文中，新的交通灯控制系统的发展通过PLC控制被提出。这个系统将减少交通堵塞，当某条道路的车流量大时延长路灯时间，并且先到达路口的优先路灯通行。
1.6 论文框架
第一章是介绍可编程逻辑控制器和交通灯系统。这章也解释课题目的，范围并讨论问题。
- 主要讲硬件发展和配置。这章解释每一个细节有关PLC欧姆龙CQM1H和交通灯模块。硬件的接线图也将在这章说明。
- 解决用软件CX-编程，还有流程图和交通灯系统的程序。
第四章讲述所有包含的结果和真实模拟的配置。
- 讨论利用可编程逻辑控制器设计交通信号控制系统的结论，这个课题和未来发展或系统调试的问题和建议。
第二章
系统硬件
2.1 简介
这个课题的硬件部分是可编程逻辑控制器和交通灯模块。欧姆龙CQM1H-CPU51是PLC的一种处理器被运用在这个课题中去控制交通灯。它被选择的原因是它的性能是交通灯系统所需要的。
四向交通灯模块被建造去展示交通灯控制系统怎么运行。交通灯模块有一组完整的交通信号，给每一条道路的红，黄，绿信号。每一条路有两个限制开关作为道路上的传感器。第一个传感器在道路之前去探测一个车在路口的存在，第二个传感器放置在离第一个传感器一定距离的地方去决定这一道的车流量。PLC和交通灯模块的正确连接十分重要，因为它可以避免当程序传输给PLC时的问题和冲突。
2.2 可编程逻辑控制器
2.2.1 PLC配置
1. 即使从单个卖主，许多PLC配置是可得的。但每一个有成分和概念，最主要的组成部分是：
2. 电力供应——这可以被建进PLC中或作为一个外部单元。普通PLC需要的电压是24Vdc 120Vac 220Vac。
3. 中央控制单元——这是一个计算机，梯形逻辑被存储和处理。
4. 输入/输出——大量输入输出终端必须被提供以便于PLC监视进程和初始化动作。输入去和输出来，PLC是必须的去监控和控制一个进程。输入和输出被分成两个基本类型：逻辑的和连续的。鉴于灯泡的例子，如果它只能被开或者关，它是逻辑控制。如果等可以被调至不同的程度，它是连续的。
5. 指示灯——指示PLC的状态，包括开，程序运行，和一个错误。当诊断问题时，它们是必须的。
6. 齿条类型——齿条通常是18rsquo;rsquo; 30rsquo;rsquo; 10rsquo;rsquo;
7. 微型——它们功能上和PLC齿条相似，但只有一半大小。专用的底板可以被用来支持卡片OR DIN 可安装的在模块中合并I/O总线。
8. 鞋盒——一个紧密的，集一体单元有限制扩张的能力。低成本和紧密是小规模应用的理想选择。
9. 微米——这些单元和一箱卡片一样小，它们有固定的I/O和有限的能力，但是成本最低。
2.2.2 基础PLC概要
基础PLC概要包括CPU，电源，记忆片，输入时钟，输出时钟，通讯和膨胀连接。图2.1展示PLC系统的概要。
存储
输出电路
扩张链接
通讯
电源
输入电路
PLC控制器
给输出线的终端螺丝
PLC编程计算机
给输入线的终端螺丝
PLC系统概述
图2.1 PLC系统概要
CPU模块——中央处理单元模块是PLC的大脑。主要角色去读输入，运行控制程序，更新输出。CPU由数字逻辑模块，计时/控制电路，加速器，高速暂存记忆区，程序计数器，堆栈，命令注册。PLC通过不断扫描程序工作。
存储——包含预先处理ROM存储包含PLC运行系统，驾驶员程序和应用程序和RAM存储。PLC制造商提供许多保持性好的存储，当没电的时候去保存用户程序和数据，以便于电力一恢复，PLC继续运行用户写的控制程序。一些用在PLC的存储包括：
- 只读存储器
- 随机存储存储器
- 可编程只读存储器
- 可擦除可编写只读存储器
- 电子可擦除可编写只读存储器
- 闪存存储器
- 微型快擦写存储卡——可存储整个程序信息，读写文本文件
- I/O模块——输入输出模块连接PLC到传感器和促进器。绝缘低压低电流信号，PLC用内部高强度电子电路这是大多数传感器和促进器需要的。大范围可行的I/O模块包括：数字（逻辑）I/O模块和模拟（连续）I/O模块。
2.2.3 PLC运行
检查输入状态——首先PLC看一下每一个输入去决定开或关的状态。
运行程序——下一步PLC通过一次一个指令运行程序。如果第一个输入是开，它就开第一个输出。因为它已经知道了，然后它可以去决定基于第一个输入的状态，第一个输出是否为开。它将存储运行结果为之后的下一步。
更新输出状态——最终PLC更新输出状态。它基于第一步输入是否为开决定更新的输出，在第二步运行你程序的结果。基于第二步的例子，它会“开”第一个输出因为第一个输入是“开”，当这个条件是对的时，你的程序会“开”第一个输出。
更新O/P状态
运行程序
检查I/P状态
图2.2 PLC工作时钟图表
2.2.4 内部PLC
输入转播——连接到外部，事实上存在，从交换器、传感器等接收信号。
内部通用转播——不接受外部来的信号，它们也不真正存在。它们仿真转播使PLC减少外部转播。
输出转播——连接到外部，真实存在并传送开关信号到螺线管、灯等。
数据存储——主要是注册者派去简化数据存储。通常被用作暂时存储给数学或数据操作。它们也主要被用作当PLC没电时的数据存储。
2.3 CQM1H配置
图2.3表示欧姆龙PLC CQM2H的配置。PLC的主体是电源，中央处理器和输入输出槽。电源接受所需要的PLC电压是240Vac。为安全起见在连接到PLC之前，PLC的电压必须连接到自动电路断路器，为了防止PLC过载。CPU被虚拟输入输出槽，RS232端口和处理器覆盖。输入输出槽给系统使用利用数字输入和输出，它们不是给输入输出端口的限制槽，并可以使用多样输入输出卡。
串行口（R
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