十字路口交通信号灯PLC控制系统设计与调试..doc

摘 要

随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。解决好十字路口交通信号灯控制问题是保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。但现有的十字路口交通信号灯控制系统大都采用继电器或单片机实现，且都是单一的固有时序控制，不能够根据实际路面车流量情况进行调节控制，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点。为了弥补原交通信号灯系统存在的种种缺点，本文设计了基于PLC控制的交通信号灯控制系统。该系统选用的可编程逻辑控制器是德国西门子公司的S7-200，具有一定的智能性，即可以根据路面车流量大小对十字路口的交通信号灯按高峰期、正常期和晚间几个时段进行分时控制。
关键词：十字路口 交通信号灯控制系统 可编程逻辑控制器（PLC） 分时控制

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1 设计背景
1.1 背景概述
随着汽车进入家庭步伐的加快和城市汽车数量的增多，城市道路交通问题显得越来越重要。马路上经常会看到这种现象:一旦整个路口的交通信号灯出现故障，若没有交警的及时疏导，该路口就会塞得一塌糊涂，甚至造成严重的交通事故。原交通信号控制大都采用继电器或单片机实现，存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点,越来越不能适应城市道路交通高速发展的要求。另外，根据人车流量的多少，可能随时增加路口的交通信号，比如增加转弯或人行道交通信号，原有系统的制约性就更加明显了。为了弥补原交通信号灯系统存在的以上缺点，我们引入了基于PLC控制的交通信号灯控制系统。
本文对十字路口交通信号灯控制系统，运用可编程逻辑器件PLC做了软件与硬件的设计，能基本达到控制要求。系统仅实现了小型PLC系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试工作。如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多、更深入的研究。
1.2 可编程逻辑控制器简介
可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC) 根据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。

2 十字路口交通信号灯PLC控制系统简介
2.1 控制对象及要求
2.11 控制对象
本系统的控制对象有八个，分别是：
东西方向红灯（R—EW）两个；
南北方向红灯 (R—SN) 两个；
东西方向黄灯（Y—EW）两个；
南北方向黄灯 (Y—SN) 两个；
东西方向绿灯（G—EW）两个；
南北方向绿灯 (G—SN) 两个；
东西方向左转弯绿灯(L—EW)两个；
南北方向左转弯绿灯(L—SN)两个。
2.1.2 控制要求
1．系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。
2．高峰时段按时序图二（见附图）运行， 正常时段按时序图三（见附图）运行，晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。
3．高峰时段、 正常时段及晚上时段的时序分配按时序图一运行(见附图)。

高峰时段
正常时段
晚间时段
0 6:30 7 8:15 16:30 18:30 21 24 小时
时序图一

(图中R、Y、G、L分别表示红、黄、绿、左转弯灯，SN、EW分别表示南北向和东西向)
2.2 系统简介
本系统是一个十字路口交通灯的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制。本系统具有一定的智能性，即它可以对交通灯按高峰期、正常期及晚间几个时段进行分段控制。高峰期的控制方案为：
（1） 南北方向左转弯灯和南北南北方向红灯同时亮10秒，同时东西方向红灯亮；
（2） 南北方向绿灯亮35秒，东西方向红灯继续亮；
（3） 南北方向黄灯闪烁5秒；东西方向红灯继续亮；
（4） 东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；
（5） 东西方向绿灯亮25秒，南北方向红灯继续亮；
（6） 东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第（1）步依次循环。
正常期的控制方案为：
（1） 南北方向左转弯灯和南北南北方向红灯同时亮10秒，同时东西方向红灯亮；
（2） 南北方向绿灯亮30秒，东西方向红灯继续亮；
（3） 南北方向黄灯闪烁5秒；东西方向红灯继续亮；
（4） 东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；
（5） 东西方向绿灯亮30秒，南北方向红灯继续亮；
（6） 东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第（1）步依次循环。
晚间的控制方案为：
东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮 0.4 秒，暗 0.6 秒的规律反复循环。
2.3 硬件选型
城市道路交通信号控制是典型的开关量顺序控制，采用PLC能充分利用它的优点。在这里我们采用德国西门子公司的S7-200可编程控制器，它是积木式结构，安装比较方便，中央处理单元和信号模板有多种类型，另外还具有如位控单元、PD调节等特殊功能模块。根据本系统输入点数及控制要求，中央处理单元可选用CPU224，该CPU板上本身具有10个数字量输入点，6个非隔离数字量输出点，最多能够带8个数字量信号模板。
电源模块将交流电源转换成供CPU，存储器等所有扩展模块使用的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心，它的好坏直接影响到PLC的稳定性和可靠。S7-200属于小型PLC，电源模块与CPU模块封装在一起，通过连接总线为本机和扩展模块提供+5V（DC）电源。同时，还可通过端子向外输出一个+24V（DC）电源，供本机输入点和扩展模块继电器线圈使用。需注意的是，从资料中我们了解到，外部电源不可与S7-200的传感器电源并联使用。否则，交会导致两个电源的竟争而影响它们各自的输出，缩短其使用寿命，使得一个或两个电源同时失效，使PLC系统产生不正确的操作。正确的使用方法是S7-200的传感器电源和外部电源应该在不同的点上提供电源，而两者之间只能有一个会共连接点。
由于根据控制要求所确定的输入输出点分别一个和八个，由于我们是以一个路口信号单独控制为例，考虑到够用为准。所以我们选择了CPU224这一具有较强控制功能的控制器。
另外，在硬件选型时，不要忘记完成现场测试及软件编程时所需的一些设备。
综上，得到系统硬件配置如表1所示：
表1 硬件配置表
名 称
数 量
DC24V电源
1
CPU224
1
PC/PPI编程电缆
1
STEP7编程软件
1
PC机
1

3 系统I/O分配
分析PLC的输入和输出信号,在满足控制要求的前提下,要尽量减少占用PLC的I/O点。由系统控制要求可见，由控制开关输入的启、停信号是输入信号。由PLC的输出信号控制各指示灯的亮、灭。在交通灯布置图中，每个方向都有红灯、绿灯、黄灯和左转灯四种，而由于东和西，南和北的信号是一样的，所以这里只用到8个输出便足够。由此可得系统I/O分配如表2所示：
表2 系统I/O分配表
输入/输出
设备/器件名称
I/O地址
符号名
数据类型
输入
程序启停按钮
I0.1
SB0
BOOL
输出
东西方向绿灯
Q0.0
Q1
BOOL
东西方向黄灯
Q0.1
Q2
BOOL
东西方向红灯
Q0.2
Q3
BOOL
南北方向绿灯
Q0.3
Q4
BOOL
南北方向黄灯
Q0.4
Q5
BOOL
南北方向红灯
Q0.5
Q6
BOOL
东西方向左转弯灯
Q0.6
Q7
BOOL
南北方向左转弯灯
Q0.7
Q8
BOOL

4 PLC端子接线图
根据I/O表及PLC的配置图很容易就可以得到PLC端子接线图4如下所示：

5 软件设计
本控制系统的控制原理是：用一路数字量的不同输入状态来判定是否对时钟进行初始化，用一路数字量的不同输入状态分别用作程序的启动和停止控制，每一方向有红、黄、绿及转弯四种信号灯，分别对应四位数字量输出，两个方向共有8位数定量输出；在高峰和正常时段的一个循环周期里面，系统用了10个定时器顺序工作交替工作，从而实现各种状态的切换以及循环。本文所设计的软件就只有一个主程序，思路比较简明。程序主要任务包括：读取两个开关状态，根据开关的不同状态做出相应的处理，当开关SB0断开时候，系统不工作；当开关SB0闭合时则读取时钟值，并做处理，根据处理后的时钟值的大小判定当前时间是属于哪个时间段，并启动相应的时期的中间继电器，对相应的变量进行赋值。晚间时段的控制规律为：两个方向的四个黄灯均按亮0.4秒灭0.6秒的规律闪烁，其余的交通灯全灭程序中将用到两个定时器T49和T50实现，功能如表3所示。高峰和正常时段的控制方案相同，程序中将用到10个定时T39-T48，每个定时器的功能就是实现不同时间的状态转换，状态如表4所示。
该程序实现了信号由东西左转、东西直行、南北直行依次循环变化。其优势思路简单，容易理解，对时钟的校正以及各时段的起始时间和终止时间的修改方便。如路口要求在21：00以后实行各方向黄色信号灯闪烁功能，只需要将对应的黄灯的条件并联一个相应的脉冲即可。如果需要将几个路口集中到一台PLC控制，根据实际需要的I/O点数，硬件上再增加相应的数字量输出模板即可。需要指出的是，用PLC实现城市道路关通信号控制，最好几个路口共用一套PLC，这样可以大大降低工程成本。
表3 晚间时段定时器一个循环中的功能明细表
定时器
0s≤t<0.4s
0.4s≤t<1s
t=1s
T49
定时0.4秒
开始计时，输出OFF，黄灯亮
定时到，输出ON且保持；黄灯灭
开始下一次循环的定时
T50
定时0.6秒
未启动
开始计时，输出OFF
定时到，输出ON，随即复位开始下一次循环的定时，黄灯亮。
表4 高峰和正常时段各定时器一个循环中的状态
定时器
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
t8
t9
t10
T39
Off
On
On
On
On
On
On
On
On
On
T40
Off
Off
On
On
On
On
On
On
On
On
T41
Off
Off
Off
On
On
On
On
On
On
On
T42
Off
Off
Off
Off
On
On
On
On
On
On
T43
Off
Off
Off
Off
Off
On
On
On
On
On
T44
Off
Off
Off
Off
Off
Off
On
On
On
On
T45
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off
On
On
On
T46
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off
On
On
T47
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off
On
T48
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off
Off(最后输出On,复位)

t1~t10表示每个状态时间段，说明入如下图

程序流程图

高峰时段控制结构图

10—45s
0—10s
45—50s
50—60s
60—85s
85—90s
东西方向红灯、南北方向红灯和南北方向左转绿灯亮；其他灯灭。
南北方向绿灯亮,，东西方向红灯仍亮；其他灯灭。
南北方向黄灯闪烁,东西方向红灯仍亮；其他灯灭。
南北方向红灯、东西方向红灯和东西方向左转弯灯亮；其他灯灭。
东西方向绿灯亮，南北方向红灯仍亮；其他灯灭。
东西方向黄灯闪烁,南北方向红灯仍亮；其他灯灭。

正常时段控制结构图

10—40s
0—10s
40—45s
45—55s
55—85s
85—90s
东西方向红灯、南北方向红灯和南北方向左转绿灯亮；其他灯灭。
南北方向绿灯亮,，东西方向红灯仍亮；其他灯灭。
南北方向黄灯闪烁,东西方向红灯仍亮；其他灯灭。
南北方向红灯、东西方向红灯和东西方向左转弯灯亮；其他灯灭。
东西方向绿灯亮，南北方向红灯仍亮；其他灯灭。
东西方向黄灯闪烁,南北方向红灯仍亮；其他灯灭。

6 总 结
通过这次十字路口交通信号灯的PLC控制，使我对PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更深刻的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。

参考文献
[1] 廖常初主编. PLC编程及应用. 北京:机械工业出版社，2003
[2] 周万珍、高鸿斌主编. PLC分析与设计应用. 北京:电子工业出版社，2004年1月
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[4] 温照方主编. SIMATIC S7-200可编程序控制器教程. 北京:北京理工大学出版社，2002年9月
[5] 张进秋、陈永利、张中民主编. 可编程控制器原理及应用实例. 北京:机械工业出版社，2004年1月