基于PLC的交通灯控制系统设计

（应用电子技术091班，刘金苗）

摘要：随着我国经济的快速发展，城市化的推进和私家车数量的猛增使交通拥挤情况越来越严重，提高交通控制系统的效率已经刻不容缓。实现交通灯控制的方法有很多，如尺度逻辑器件设计、单片机设计等。本文所采用的是基于PLC的交通灯控制系统设计。根据对交通实际情况的分析，提出了一种简单实际的设计方案，以交通灯为对象，通过可编程控制器（PLC）对其进行控制。它主要包括硬件及外围接线设备设计和梯形图软件设计，计算机与实验箱相结合实现了对交通信号灯控制的现实模拟，使实验更据有依据性、可靠性和真实性。

关键词：可编程逻辑控制器PLC；交通信号灯；实验

一、引言

交通问题是我国社会经济发展的一个大问题，我国的人口压力、现代化建设、等都将使这个问题日益突出。交通是否便捷是衡量一个城市生活水平与投资环境的重要指标。目前，我国许多大城市都在考虑建设地铁或轻轨以缓解交通压力。但是，建设地铁或轻轨都需要大量的资金与时间，这对大多数中小城市都不现实。而且随着我国人民生活水平的不断提高，城市化的推进和私家车数量的猛增，道路交通拥挤的问题越来越严重。所以，改善与提高现有的交通系统的效率已成为当务之急，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。

现在，我国城市十字路口的交通灯控制系统基本上都采用定时控制方式。这样必然产生如下弊端：当某条道路的车流量很大却要等待红灯，而此时我们另一条空道或车流量相对较少的道路却依然按原定时间亮着绿灯，这种现象是未对道路的实际情况进行实时监控造成的，这样，交通控制系统效率低，容易造成交通拥挤，而且浪费人力、物力。因此，我们有必要在原有的交通控制系统上加以改进，提高效率，尽可能又快又好的解决交通拥挤的问题。

目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法、应用单片机实现对交通信号灯设计的方法等，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。我分析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PLC交通灯控制系统的工作原理，做出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。

二、PLC简介

（一） PLC的定义

PLC被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），但后来，它采用微控制器作为其控制核心，其功能远远超过逻辑控制的范畴，人们又将其改名为可编程控制器（Programmable Controller，PC）。

在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”

（二） PLC的系统构成

可编程控制器的基本组成可以分为两大部分，即硬件系统和软件系统。

硬件系统包括：处理单元、存储器、输入输出单元、电源编程器以及其他设备。其中，处理单元是可编程控制器的核心部件，可以接受并存储用户程序和数据;检查并校正用户程序;接受、调用现场信息;执行用户程序;诊断故障等。此外，PLC常配开关式稳压电源为内部电源供电。编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，可以通过其键盘调用和显示PLC的一些内部继电器状态和系统参数。

软件系统分为：系统程序和用户程序。系统程序通常可包含3个部分：系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块和系统调用。用户程序是指用户根据自己的控制需求编写的程序。可编程控制器通常使用梯形图语言、指令语句表、逻辑功能图、顺序功能图以及高级语言进行编程。

（三） PLC的工作原理及过程

PLC控制系统的等效工作电路可分为三部分，即输入电路、内部控制电路和输出电路。输入电路用来采集输入信号，输出电路是系统的执行部件，内部控制电路是通过编程方法实现控制逻辑，用软件编程实现继电器电路的功能。它们的组成如下：

（1）输入电路：由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。

（2）内部控制电路：由用户程序形成的用软继电器来代替硬集电器的控制逻辑。

（3）输出电路:由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如图1：

图1   PLC的工作过程

（四） PLC的发展方向

早期的传统工业控制中，继电器的控制占主导地位。它以其操作方便和价格便宜等优点得到的广泛的应用。但继电器控制有其先天性的缺点：灵活性差；接线复杂；适应性差；维修困难；可靠性低；体积大，不易实现机电一体化等。PLC是生产力发展的必然产物。20世纪60年代，美国的汽车制造工业竞争激烈，产品更新换代的周期越来越短，自然，人们对控制装置提出了更高的要求。首先提出PLC概念的是美国最大的汽车制造厂家--通用汽车公司。1969年美国数字设备公司研制出世界上第一台PLC，并美国通用公司的汽车自动装配生产线上试用获得成功。

经过几十年的迅速发展，PLC的功能越来越强大，应用范围也越来越广，已遍及电力、机械、化学、建材、交通等各个领域，形成了能够满足各种需求的PLC应用系统。随着市场的需求不断提高，PLC发展的趋势逐渐一下几方面靠近：

（1）向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展

（2）过程控制功能的不断加强

（3）大力开发智能型I/O模块

（4）与个人计算机日益紧密结合

（5）编程语言趋向标准化

（6）通信与联网能力不断加强

三、交通灯的实现

（一）交通信号灯控制分析  

根据十字路车辆的通行和人行道的人流量，结合具体的实际情况，我对交通灯信号控制进行了以下分析：按下起动按钮后，南北红灯亮并维持25秒。在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，1秒后，乙车灯亮，表示乙车可以行走。到20秒时，东西绿灯闪烁，3秒后熄灭，在东西绿灯熄灭后，东西黄灯亮，同时乙车灯灭，表示乙车停止通行。黄灯亮2秒后灭，东西红灯亮，与此同时南北红灯灭，南北绿灯亮，1秒后甲车灯亮，表示甲车可以行走。南北绿灯亮20秒后闪烁，3秒后熄灭，同时甲车灯灭，表示甲车停止通行。黄灯亮2秒后熄灭，南北红灯亮，同时东西绿灯亮，如此循环。

根据上述分析可列出表1：

（二）硬件及外围接线

1．根据交通信号灯控制要求，列出I/O分配表2：

电源线：+24V-24V    地线：COM（24V）

公共端连线：COM-COM0-COM1-COM2-COM3-地（24V）

2.为了实物连线更加清晰明了，根据I/O分配表画出如下接线图，如图2：

图2    I/O接线图

（三）软件设计

1．根据交通信号灯的控制要求，可画出交通信号灯的工作时序，如图3：

图3   工作时序图

2．根据对交通信号灯控制要求分析编写梯形图： 

（1）PLC的基本指令

LD：取指令，表示一个与输入母线相连的常开接点指令，即常开接点逻辑运算起始。

LDI：取反指令，表示一个与输入母线相连的常闭接点指令，即常闭接点逻辑运算起始。

OUT：线圈驱动指令，也叫输出指令。    

AND：与指令，用于一个单独的常开接点与其他的电路串联。

ANI：与非指令，用于一个单独的常闭接点与其他的电路串联。

OR：或指令，用于一个单独的常开接点与其他的电路并联。

ORI：或非指令，用于一个单独的常闭接点与其他的电路并联。

ANB：与块指令，并联连接的电路叫并联电路块，分支电路并联电路块与前面电路串联连接时，使用ANB指令，分支的起点用LD、LDI指令，并联电路块结束后，使用ANB指令与前面电路串联。

ORB：或块指令，有两个或两个以上的接点串联连接的电路叫串联电路块，串联电路块并联连接时，分支开始用LD、LDI指令，分支结果用ORB指令。

NOP：空操作指令。

END：程序结束指令。

（2）梯形图，如图4：

图4    梯形图

3．根据以上梯形图，列出以下控制语句表，如表3：

（四）实验器材

实验的器材有：三菱FX系列PLC实验箱：用于交通信号灯的实现模拟。

计算机：用与软件编写梯形图。

PLC串口通讯线：用于将程序从计算机下载到PLC中。

导线若干：连接输入输出接口。

（五）实验步骤

1．将电源线一端插入PLC主机箱的电源孔中，另一端插到220V电源插板上。

2．先将PLC主机上的电源开关拨到关状态，严格接线（注意：电源线和地线一定不能接反，否则会损坏PLC主机）。

（1）输出端接线图，如图5：

图5  输出端接线图

（2）交通灯模拟控制模块接线图，如图6：

图6  控制模块图

3．将PLC主机上的电源开关拨到开状态，并且将PLC串口置于STOP状态，然后通过计算机将程序下载到PLC中，下载完后再将PLC串口置于RUN状态。

4．按下起动按钮，观察实验现象，记录实验结果，如下：

（1）南北红灯亮，东西绿灯亮，乙车通行，如图7：

图7  通行图一

（2）南北红灯亮，东西黄灯亮，乙车停止，如图8:

图8  通行图二

（3）东西红灯亮，南北绿灯亮，甲车通行，如图9:

图9  通行图三

（4）东西红灯亮，南北黄灯亮，甲车停止，如图10：

图1通行图四

四、设计总结

经过一个月的努力，终于完成了基于PLC的交通灯设计的论文。回想当初选择这个课题，很是茫然，不知如何着手。最后在指导老师的提点下，先上网采集资料，再结合以前学过的知识，进行实际考察后设计出方案，最终完成了论文。

查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上有资料但要找到一些真正有用的资料也不是一件容易的事，需要耐心查找。

在调试中，想一次性把程序完成是非常难的，出现了不少的错误。刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来，检查梯形图又却看不出什么问题出。只好一条一条地检查指令。最后，经过一次一次的调试，终于看到了想要的试验结果。虽然找错误是一个枯燥无味的事，但只要耐心的去做的话，肯定能从中学到有用的东西。

我趁着做设计的同时也对课本知识有了巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，所以在这次设计中，我有了解了很多元件的功能，并对其在电路中的使用有了更多的认识。

通过这次设计使我懂得了理论与实际的结合是很重要！只有理论知识是远远不够的，只有把理论知识与实践相结合，从理论中的出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己实际动手和思考的能力

一次又一次的学习，一次又一次的探索，我慢慢地在体会，研究和感悟，终于开始领会到将近成功的那一份喜悦，从写初稿，查找资料，程序设计，到调试仿真，我们学会了细心和耐心，也品尝到了失败与成功，从而更加肯定了自己。兴趣是自发形成的，而默契是慢慢培养出来的。当前的社会，科技迅速发展，知识更新速度大大加快，只要我们怀着求知的欲望去探索，用自己的双手挖掘，一定会打造出一片属于我们自己的新领域。    

参考文献

[1]李稳贤.可编程控制器应用技术（三菱）.北京:冶金工业出版社2008.

[2]孙振强.可编程控制器原理与应用.北京:清华大学出版社2005.

[3]吴建强.可编程控制器原理及应用教程.北京：高等教育出版社2005.

[4]宫淑贞.可编程控制器原理及应用技术.北京：人民邮电出版社2002.

[5]李建兴.可编程控制器原理及应用技术.北京：机械工业出版社2006.