基于PLC的十字路口交通燈的設計分析

解大琴

（1.上海工程技術大學高職學院，上海 200437；2.上海市高級技工學校，上海 200437）

0 引言

隨著城市經(jīng)濟的飛速發(fā)展，公眾的生活質(zhì)量也日益提高，汽車成為家庭的必備品，城市人口和汽車數(shù)量的爆發(fā)式增長，使得交通擁堵問題和交通事故的數(shù)量也急劇增長，因此交通控制系統(tǒng)的設計尤為重要。

交通信號燈在城市道路交通中起到至關重要的指揮功能。因此，如何設計一個合理可靠、有著嚴謹時序邏輯的交通燈系統(tǒng)便成為十分重要的事。

本文以德國西門子公司生產(chǎn)的S7-300PLC 為核心，設計一套十字路口交通燈的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要嚴謹?shù)臅r序邏輯控制系統(tǒng)作為支撐。在規(guī)定的時間內(nèi)，用正確的時序來控制紅黃綠燈有條不紊地發(fā)生變化，以此來保障十字路口的交通運行安全。

1 項目概況

1.1 控制要求

雙干道交通信號燈設置四組信號燈。具體控制要求如下[1-2]：

一是信號燈的動作受開關總體控制，按一下啟動按鈕（常開按鈕），信號燈系統(tǒng)開始工作，并周而復始地循環(huán)動作；按一下停止按鈕（常開按鈕），所有信號燈都熄滅。

二是東西向和南北向道路車流量不同，東西綠燈和南北綠燈點亮時長不同。

三是南北紅燈亮時，東西綠燈亮；東西紅燈亮時，南北綠燈亮。

四是綠燈在變?yōu)辄S燈前，以1Hz 的頻率閃爍5 次，黃燈亮5s 后變?yōu)榧t燈。

1.2 交通燈控制系統(tǒng)控制流程設計

根據(jù)任務要求，定下該設計的實現(xiàn)方案。設計所考慮的方面包括簡單可靠性和實用性，實現(xiàn)十字路口交通信號燈的基本控制。

十字路口交通燈三種，分別是紅燈、黃燈和綠燈，控制相應車道上的車的通行、等待和停止。在系統(tǒng)的運行時間中，南北方向和東西方向的信號燈各自按照給定的規(guī)律點亮、閃亮或者熄滅。

信號燈的工作流程：

首先南北向紅燈，東西向綠燈，綠燈持續(xù)25s 后，變?yōu)橐?Hz 頻率閃爍的綠燈，起到警示作用，閃爍持續(xù)5s 后，東西向綠燈熄滅，東西向黃燈點亮，黃燈持續(xù)5s 后熄滅，東西向紅燈、南北向綠燈同時點亮；南北向綠燈持續(xù)45s 后，變?yōu)橐?Hz 頻率閃爍的綠燈，起到警示作用，閃爍持續(xù)5s 后，南北向綠燈熄滅，南北向黃燈點亮，黃燈持續(xù)5s 后熄滅，南北向紅燈、東西向綠燈同時點亮；如此周而復始[3]。

2 交通燈控制硬件設計

2.1 系統(tǒng)設計框圖

系統(tǒng)以PLC 為核心。PLC 的輸入信號來自兩個方面，控制系統(tǒng)啟停的啟動按鈕和停止按鈕。PLC 的輸出信號驅(qū)動6 個接觸器，由接觸器控制六組信號燈的亮滅控制。

2.2 PLC 輸入輸出端口分配

交通燈控制系統(tǒng)的輸入設備包括啟停按鈕，輸出設備包括南北向紅燈、南北向黃燈、南北向綠燈、東西向紅燈、東西向黃燈、東西向綠燈，如表1所示。

表1 端口分配表

PLC 的I/O 端子分配及端子接線圖。其中，南北向紅燈（SN_R）、南北向綠燈（SN_G）、南北向黃燈（SN_Y）、東西向紅燈（EW_R）、東西向綠燈（EW_G）、東西向黃燈（EW_Y）的控制接觸器為輸出，連接輸出模塊SM32。啟動按鈕（SB1）和停止按鈕（SB2）為輸入，連接輸入模塊SM321。

3 十字路口交通燈編程實現(xiàn)

交通信號燈控制程序比較復雜，所以在這里分為周期控制、定時時序設計、南北向信號燈的設計和東西向信號燈四個部分來設計和介紹。

3.1 周期控制程序

如圖1所示，周期控制信號在啟動按鈕，按下的瞬間開始生效，在停止按鈕，按下的瞬間變?yōu)闊o效，由M0.0 這個中間觸點來體現(xiàn)，由此可編寫出周期控制程序。

3.2 定時時序設計

定時時序由控制周期信號M0.0 控制，由各定時器具體實現(xiàn)控制程序，如圖2所示。

3.3 南北向信號燈控制程序

根據(jù)圖3的時序關系可知，“南北紅燈”在兩種情況下需要點亮：一是進入定時周期的前35s 即M0.0 為1 且T3 定時器到達之前；二是整個周期結(jié)束即T6 定時器到達之后?！澳媳本G燈”只有在進入定時周期后T3 定時到達且T4 定時未到達時常亮，在T4 定時到達且T5 定時未到達時以1Hz 的頻率閃亮?！澳媳秉S燈”只有在進入定時周期后T5 定時到達且T6 定時未到達時點亮[4]。

3.4 東西向信號燈控制程序

根據(jù)圖4的時序關系可知，“東西紅燈”只有在進入定時周期后T3 定時到達且T6 定時未到達時點亮?！皷|西黃燈”只有在進入定時周期后T2 定時到達且T3定時未到達時點亮。而“南北綠燈”在三種情況下需要點亮：一是進入定時周期的前25s，即M0.0 為1 且T1 定時器到達之前常亮；二是在進入定時周期后T1定時到達且T2 定時未到達時以1Hz 的頻率閃亮；三是整個周期結(jié)束，即T6 定時器到達之后常亮[5]。

4 十字路口交通燈的仿真實現(xiàn)

將硬件組態(tài)和軟件程序下載到仿真器中，在仿真器中將CPU 點擊為RUN，點擊啟動按鈕，將其置為ON，摁下啟動按鈕，I0.0 接通，M0.0 置位，Q0.1 接通，南北紅燈亮，Q0.5 接通，東西綠燈亮，全部計時器開始計時。

摁下停止按鈕，I0.1 接通，M0.0 復位，所有信號燈熄滅，所有計時器停止計時。

定時程序段用于控制各信號燈的亮滅順序與亮滅時長。在T6 計時結(jié)束后，用T6 常閉觸點斷開所有計時器，使其重置計時。

程序段3 中，Q0.1 輸出控制南北向紅燈，在按下啟動按鈕使M0.0 置位后，Q0.1 置位，南北紅燈點亮。在計時器T3 計時結(jié)束時，Q0.1 復位，南北紅燈滅。在計時器T6 計時結(jié)束時，Q0.1 置位，南北紅燈點亮。

程序段4 中，Q0.2 輸出控制南北向綠燈，在計時器T3 計時結(jié)束時，Q0.2 置位，南北綠燈亮。當計時器T4 計時結(jié)束時，由M100.5 發(fā)出頻率為1Hz 的脈沖信號，使Q0.2 閃爍，南北綠燈閃爍。當計時器T5 計時結(jié)束時，停止閃爍。

程序段5 中，Q0.3 輸出控制南北向黃燈，在計時器T5 計時結(jié)束時，Q0.3 置位，南北向黃燈亮。在計時器T6 計時結(jié)束時，Q0.3 復位，南北向黃燈滅。

程序段6 中，Q0.4 輸出控制東西向紅燈，在計時器T3 計時結(jié)束時，Q0.4 置位，東西向紅燈亮。當計時器T6 計時結(jié)束時，Q0.4 復位，東西向紅燈滅。

程序段7 中，Q0.5 輸出控制東西向綠燈，在按下啟動按鈕使M0.0 置位后，Q0.5 置位，東西向綠燈點亮。當計時器T1 計時結(jié)束時，由M100.5 發(fā)出頻率為1Hz 的脈沖信號，使Q0.5 閃爍，東西綠燈閃爍。當計時器T2 計時結(jié)束時，停止閃爍并熄滅。當計時器T6計時結(jié)束時，Q0.5 置位，東西綠燈亮。

程序段8 中，Q0.6 輸出控制東西向黃燈，當計時器T2 計時結(jié)束時，Q0.6 置位，東西黃燈亮。當計時器T3 計時結(jié)束時，Q0.6 復位，東西黃燈滅[6-7]。

5 結(jié)語

此設計從基于PLC 的交通燈系統(tǒng)控制要求出發(fā)，做了系統(tǒng)硬件、軟件等部分的設計，運用step7 軟件對系統(tǒng)進行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明：利用PLC 對交通燈的控制是可行的，基本實現(xiàn)預期效果。但是，如果要投入實際應用，還需要進行一些改進，如按照不同的車流量來改變不同路段的紅綠燈時長；也可以增加轉(zhuǎn)向用的紅綠燈；在綠燈和紅燈即將結(jié)束時增加一個倒計時，使司機可以更加直觀地知道紅綠燈即將亮滅的時間。一個直觀且可靠的系統(tǒng)，可以使交通變得更加有序、更加安全，可以減少事故的發(fā)生。