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基于PLC的十字路口交通灯控制系统设计

摘要
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
PLC可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点,已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计,可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为,可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一,PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性,同时其内部定时器资源十分丰富,可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制,特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时,PLC本身还具有通讯联网功能,将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理,可缩短车辆通行等候时间,实现科学化管理。
由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确的控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多的将PLC应用于交通灯系统中。同时有些还引入触摸屏模拟十字路口红绿灯闪亮及车辆通行，十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。
关键词：交通灯；PLC；程序；设计

目 录
摘要 I
引言 1
1. 可编程控制器 2
1.1 概述 2
1.2 可编程控制器的简介 2
1.2.1 PLC的特点 2
1.2.2 PLC的应用 3
1.2.3 PLC的分类 4
1.2.4 PLC的结构 4
1.2.5 PLC的工作原理 4
1.2.6 PLC编程语言 5
1.2.7 PLC的基本指令 6
2. 设计的主要内容 11
3. PLC控制系统设计概要 12
3.1 设计的基本原则和内容 12
3.2 设计的步骤和实现过程 12
4交通信号灯控制系统的硬件设计 16
4.1交通灯毕业设计论文编程器件 16
4.2交通信号灯的控制要求 16
4.3 交通信号灯的控制时序 17
4.4 PLC硬件控制电路的设计 18
4.4.1 PLC的选型 18
4.3.2 I/O配置表 18
4.3.3 PLC控制电路接线图 19
5 交通信号灯控制系统的程序设计 21
5.1 STEP7编程软件的概述 21
5.2 交通信号灯程序设计过程 21
5.2.1 PLC的状态转移 21
5.2.2 交通信号灯程序设计步骤 22
5.3 交通信号灯的PLC程序 23
结 论 26
致 谢 27
参考文献 28

引言
交通灯控制的改造，将把PLC控制技术应用到改造方案中去，从而更好的疏导交通。本文对PLC控制交通灯的工作过程作了详细阐述，论述了采用PLC控制交通灯的优越性交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
1. 可编程控制器
1.1 概述
可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
1.2 可编程控制器的简介
1.2.1 PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强；
继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
（2） 通用性高，使用方便；
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）程序设计简单，易学，易懂；
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便；
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
（5）安装简便，调试方便，维护工作量小，系统设计周期短；
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
1.2.2 PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几个方面：
（1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
（2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
（3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
（4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.2.3 PLC的分类
（1） 按plc的结构形式分类：
① 整体式；② 模块式。
（2） 按plc的I/O点数分类：
① 小型256点以下；② 中型256点以上2048点以下；③ 大型2048点以上。
（3）按plc功能分类：抵挡型，中挡型，高档型。
1.2.4 PLC的结构
PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相似。PLC按其结构形式可分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
PLC的基本结构框图如图1-1所示。

输入接口部件

中央处理单元
CPU板
电 源 部 件

接口部件输出

图1-1 PLC基本结构框

1.2.5 PLC的工作原理
（1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。
（2） 程序执行阶段：plc对用户程序扫描。
（3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。
1.2.6 PLC编程语言
采用面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC进行编程，其编程语言常用的有：梯形图、语句表、功能图等。
（1）梯形图
由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但梯形图编程语言功能更强更方便。是使用最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令框组成。触点电表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图，并将它下载到PLC。
主要特点：
①图由自上而下、从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使左母线。
②梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”
③每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。
④输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。
（2）语句表
语句表又叫指令表，它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，用指令的助记符编程，由多条语句组成一个程序段，可以实现某些不能用梯形图或功能块图表示的功能。
（3）功能块图
功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。即用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。
例：下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例：

X000 X001 Y000

END

X010

图1-2 FX2N产品系列梯形图

它有两组：第一组用以实现启动、停止控制。
第二组仅一个END指令，用以 结束程序。
l 梯形图与助记符的对应关系： 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为：

表1-1 FX2N产品系列梯形图助记符
地址
指令
变量
0000
LD
X000
0001
OR
X010
0002
AND
X001
0003
OUT
Y000
0004
END

反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图
1.2.7 PLC的基本指令
（1） 输入输出指令（LD/LDI/OUT）
下面把LD/LDI/OUT三条指令的功能、梯形图表示形式、操作元件以列表的形式加以说明：

表1-2
符号
功 能
梯形图表示
操作元件
LD（取）
常开触点与母线相连

X，Y，M，T，C,S
LDI（取反）
常闭触点与母线相连

X，Y，M，T，C,S
OUT（输出）
线圈驱动

Y，M，T，C，S,F

LD与LDI指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。
OUT 指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。

表1-3
地址
指令
数据
0000
LD
X000
0001
OUT
Y000
X000 Y000

图1-3

表1-4
符号（名称）
功 能
梯形图表示
操作元件
AND（与）
常开触点串联连接

X，Y，M，T，C,S
ANDI（与非）
常闭触点串联连接

X，Y，M，T，C,S
OR（或）
常开触点并联连接

X，Y，M，T，C，S
ORI（ 或非）
常闭触点并联连接

X，Y，M，T，C，S

（2） 触点串连指令（AND/ANDI）、并联指令（OR/ORI）
AND、ANDI指令用于一个触点的串联，但串联触点的数量不限，这两个指令可连续使用。
OR、ORI是用于一个触点的并联连接指令。

表1-5
地址
指令
数据
0002
LD
X001
0003
ANDI
X002
0004
OR
X003
0005
OUT
Y001
X001 X002 Y001

X003

图1-4

（3） 电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）

表1-6
符号（名称）
功 能
梯形图表示
操作元件
ORB（块或）
电路块并联连接

无
ANB（块与）
电路块串联连接

无

含有两个以上触点串联连接的电路称为“串联连接块”，串联电路块并联连接时，支路的起点以LD或LDNOT指令开始，而支路的终点要用ORB指令。ORB指令是一种独立指令，其后不带操作元件号，因此，ORB指令不表示触点，可以看成电路块之间的一段连接线。如需要将多个电路块并联连接，应在每个并联电路块之后使用一个ORB指令，用这种方法编程时并联电路块的个数没有限制；也可将所有要并联的电路块依次写出，然后在这些电路块的末尾集中写出ORB的指令，但这时ORB指令最多使用7次。
将分支电路（并联电路块）与前面的电路串联连接时使用ANB指令，各并联电路块的起点，使用LD或LDNOT指令；与ORB指令一样，ANB指令也不带操作元件，如需要将多个电路块串联连接，应在每个串联电路块之后使用一个ANB指令，用这种方法编程时串联电路块的个数没有限制，若集中使用ANB指令，最多使用7次。
ANB
X000 X002 X003 Y006

X001 X004 X005
ORB

X006

X003

图1-5

表1-7
地 址
指 令
数 据
0000
LD
X000
0001
OR
X001
0002
LD
X002
0003
AND
X003
0004
LDI
X004
0005
AND
X005
0006
OR
X006
0007
ORB

0008
ANB

0009
OR
X003
0010
OUT
Y006

（4） 程序结束指令（END）
表1-8
符号（名称）
功 能
梯形图表示
操作元件
END（结束）
程序结束
结束

无

（4） 程序结束指令（END）
在程序结束处写上END指令，PLC只执行第一步至END之间的程序，并立即输出处理。若不写END指令，PLC将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此，使用END指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时，可以将END指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的END指令。
2. 设计的主要内容
（1） 交通信号灯的控制要求
（2） 交通信号灯的控制时序
（3） PLC应将控制电路设计
（4） 交通信号灯程序设计过程
（5） 交通信号灯的PLC程序

3.1 设计的基本原则和内容
我们在学习了PLC的大量相关知识后，要能够把其运用在实际设计当中。当然，要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。所以我们首先要了解PLC控制系统的设计原则和内容。
（1）PLC控制系统设计的基本原则
① 最大限度地满足被控对象的控制要求；
② 保证控制系统的高可靠、安全；
③ 满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便；
④ 选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。
（2）PLC控制系统设计的基本内容
① 选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象；
② 分配I/O，设计电气接线图，考虑安全措施；
③ 选择适合系统的PLC；
④ 设计程序；
⑤ 调试程序，一个是模拟调试，一个是联机调试；
⑥ 设计控制柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。
⑦ 验收、交付使用。
3.2 设计的步骤和实现过程
（1）PLC控制系统设计的一般步骤
① 对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路；
② 设计梯形图；
③ 程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止；
④ 现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求；
⑤ 编写技术文件；
⑥ 交付使用。
因为没有实际的操作实地及经验，所以只能用以书面形式的理论来表述。但我们在设计流程图时，也要遵循以下过程：
① 分析生产工艺过程；
② 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O；
③ 选择PLC；
④ 设计PLC接线图以及电气施工图；
⑤ 程序设计和控制柜接线施工。
具体的设计步骤框图如图3-1所示。

分析控制要求
确定I/O设备
选择PLC
分配I/O、设计电气图
编写流程图
设计梯形图
编制程序清单
输入程序并检查
调试满足
N
Y
联机调试
满足
N
N
编制技术文件
交付使用
设计控制柜
现场连接

图3-1控制系统设计步骤框图

（2）PLC控制系统执行程序的过程及特点
PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
① 输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
② 程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。
③ 输出刷新阶段
程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。
因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。
在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映像寄存器中。这种方式称为集中输出。
对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。
从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。
4交通信号灯控制系统的硬件设计
4.1交通灯毕业设计论文编程器件
一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。
4.2交通信号灯的控制要求
随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号灯，才使车流、人流有了规范，同时，减少了交通事故发生的概率。然而，交通信号灯不合理使用或设置，也会影响交通的顺畅。因此，在实际设计时要遵循一定的原则和要求。
交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、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。交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使各个方向同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。
在本设计中，我们仅以机动车信号灯为例，来说明它的控制要求。一般的十字路口交通信号灯现场示意图如图4-1所示，其南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯，为确保交通安全，对其控制系统的要求如下。

图4-1交通灯现场示意图

（1）采用PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制
系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。SA1手柄指向左45°时，接点SA1-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图4-1所示工作时序周而复始，循环往复工作。SA1手柄指向中间0°时，接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮，。SA1手柄指向右45°时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮。
（2）信号灯的控制原则
① 当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应禁止通行（红灯）；同样，当南北方向允许通行（绿灯）时，东西方向应禁止通行（红灯）。
② 在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司机提前减速并刹车，应有明显的提示信号：绿灯闪烁同时黄灯亮。
③ 信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。
4.3 交通信号灯的控制时序
交通信号灯的控制时序如图4-2所示，它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置1表示信号灯点亮，置0表示信号灯点灭。假设东西向较忙，绿灯时间是南北向的2倍(40s)。按下起动按钮后，南北向绿灯亮维持20s，20s后，南北黄灯闪烁3次，计6S，期间，东西向红灯也亮，并维持26s；26s后，东西方向绿灯亮40s，后东西向黄灯闪烁3次，计6s，期间，南北向红灯也亮，并维持46so接下去周而复始，直到停止按钮被按下为止。

图4-2 十字路口交通灯正常工作时序
4.4 PLC硬件控制电路的设计
4.4.1 PLC的选型
在对PLC控制系统进行硬件结构设计时，首先，要了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；其次，要分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；再次，要确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等。根据上述原则，我们要选择适合的PLC机型及外设，完成相应的PLC硬件结构配置。因此，PLC的选型是设计中至关重要的一步。
目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种可达数百个，其性能各有特点。所以，在设计时首先要尽可能考虑采用便于学习、掌握、维护方便、备品配件通用性强的PLC。
我国市场上流行的PLC产品有以下几家：
① 德国西门子(Siemens)公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；
② 美国罗克韦尔(Rockwell)公司所属的AB(Allen&Bradly)公司的产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品；
③ GE-Fanuc公司的产品；
④ 法国施耐德(Schneider)公司的产品；
⑤ 日本三菱、欧姆龙等公司产品。
本次我所设计的交通信号灯控制系统的主要任务和内容集中在程序编写和梯形图的绘制，由于在本设计中用到了大量的开关量、继电器、计数器以及计时器等。而德国出产的PLC功能全，性价比高，有统一的地址分配，完全可以满足本设计的要求。并且，在目前相关领域的控制设计中，西门子产品的应用比较广泛。综上所述，我采用4.3.2 I/O配置表
I/O配置表如表4-1、4-2所示。

表4-1 输入地址分配
输入地址
变量说明
I0.0
系统启动按钮
I0.1
系统停止按钮

 表4-2 输出地址分配
输出地址
变量说明
Q0.0
系统运行指示灯
Q0.1
南北左行红灯
Q0.2
南北左行绿灯
Q0.3
南北直行红灯
Q0.4
南北直行绿灯
Q0.5
南北直行黄灯
Q0.6
南北右行红灯
Q0.7
南北右行绿灯
Q1.0
南北右行黄灯
Q1.1
东西左行绿灯
Q1.2
东西左行红灯
Q1.3
东西左行黄灯
Q1.4
东西直行绿灯
Q1.5
东西直行红灯
Q1.6
东西直行黄灯
Q1.7
东西右行绿灯
Q2.0
东西右行红灯
Q2.1
东西右行黄等

表4-3 十字路口交通灯控制信号说明
输　入
输　出
文字符号
信号地址
说　明
文字符号
信号地址
说　明
SB-1
X0
交通灯正常工作控制开关
H1
Y0
东西向绿灯指示
SB-2
X1
南北向交通灯常绿控制开关
H2
Y1
东西向黄灯指示
SB-3
X2
东西向交通灯常绿控制开关
H3
Y2
东西向红灯指示

H4
Y4
南北向绿灯指示

H5
Y5
南北向黄灯指示

H6
Y6
南北向红灯指示

4.3.3 PLC控制电路接线图
根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，如图4-3所示。

图4-3十字路口交通信号灯PLC外部I/O分配及其接线

图中用一个输出点驱动两个信号灯，如果PLC输出点的输出电流不够，可以用一个输出点驱动一个信号灯，也可以在PLC输出端增设中间继电器，由中间继器再去驱动信号灯。

5 交通信号灯控制系统的程序设计
在本设计中以城市十字路口为研究对象，根据十字路口车辆运行情况，调整各红、绿、黄灯亮的时间，利用STEP7软件对其进行程序设计，实现对交通信号灯的实时控制。
5.1 STEP7编程软件的概述
STEP7编程软件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。STEP7具有以下功能:硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。
在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。
5.2 交通信号灯程序设计过程
5.2.1 PLC的状态转移
在设计较为复杂的程序时，仅仅采用简单的逻辑处理已经很难保证程序的正确性和易读性，所以就需要采用别的方法来编制程序。为了保证程序逻辑的正确以及程序的易读性，我们可以将一个控制过程分为若干个阶段，在每一个阶段均设立一个控制标志，当每一个阶段执行完毕，就启动下一个阶段的控制标志，将本阶段的控制标志清除。
所谓“状态”是指特定的功能，因此状态转移实际上就是控制系统的功能转移。机电自控系统中机械的自动工作循环过程就是电气控制系统的状态自动、有序、逐步转移的过程。这种功能流程图完整地表现了控制系统的控制过程，各状态的功能、状态转移顺序和条件，它是PLC应用控制程序设计的极好工具。
其状态转移图如图5-1所示。

图5-1 十字路口交通信号灯PLC的状态转移图

5.2.2 交通信号灯程序设计步骤
根据图5-1所示的状态转移过程，其具体的程序设计步骤如下：
⑴ PLC开始运行时，M8002产生一初始脉冲，使初始状态S0置1；
⑵ 当SA1手柄指向中间0°时，触点X1接通，交通指挥系统南北向绿灯Y1常亮，东西向红灯常亮；
⑶ 当SA1手柄指向右45°时，触点X2接通，交通指挥系统东西向绿灯Y1常亮，南北向红灯常亮；
⑷ 当SA1手柄指向左45°时，触点X0接通，状态转移到S20和S30，使S20和S30置1，同时S0在下一扫描周期自动复位，Y1线圈得电南北绿灯亮与此同时Y6线圈得电，东西红灯亮；
⑸ 延时25S后，转移条件T0闭合，状态从S20转移到S21，使S21置1，同时驱动T1记时，而S20在下一扫描周期自动复位；
⑹ 延时5S后，转移条件T1闭合，状态从S21转移S22，使S22置1产生0.5S接通和断开的时针脉冲信号，从而使南北绿灯闪烁，同时驱动计数器C0记数，若记数次数未到三次，C0的常闭触点接通，状态转移到S21，继续循环共计三次；
⑺ 次数到三，C0常开触点闭合，状态由S22转移到S23，使S23置1同时S22在下一扫描周期自动复位，Y2线圈得电南北黄灯亮；
⑻ 延时2S后，转移条件T3闭合，一方面状态从S23转移到S24，使S24置1，S23在下一扫描周期自动复位，Y3线圈得电南北红灯亮，计数器C0复位。另一方面状态S30转移到S31，使S31置1同时S30在下一扫描周期自动复位，线圈Y4得电东西绿灯亮；
⑼ 延时25S