基于PLC的交通信號燈控制系統的設計摘要當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。社會的發展，人們的消費水平不斷的提高，私人車輛不斷的增加。人多、車多道路少的道路交通狀況已經很明顯了。所以采用有效的方法控制交通燈是勢在必行的。PLC的智能控制原則是控制系統的核心，采用PLC把東西方向或南北方向的車輛按數量規模進行分檔，相應給定的東西方向與南北方向的綠燈時長也按一定的規律分檔.這樣就可以實現按車流量規模給定綠燈時長，達到最大限度的有車放行，減少十字路口的車輛滯流，緩解交通擁擠、實現最優控制，從而提高了交通控制系統的效率。本文主要是基于PLC的智能交通燈設計，實現交通管制的控制系統，以提高交通路口的通行能力。關鍵詞：PLC；智能交通燈；控制系統；程序目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 前言在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通，并為交通參與者的安全提供了強有力的保障。但是隨著社會、經濟的快速發展，原先的交通燈控制系統已經不能適應現在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統，使其適應現在的交通狀況，成為研究的課題。隨著經濟的發展，車輛急劇增多，城市道路交通堵車現象日益嚴重。因此，許多城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速路的系統研究和控制，高速道路沒有充分發揮出預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，也決定了其交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道車流量繁忙的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規劃部門有待解決的主要問題。鑒于當前實際中，一般在主干道是行車道而次道是人行橫道和一些非機動車通行的十字馬路處的交通燈仍然采用固定通行的一般的交通燈系統。這樣的系統，不利于提高道路的利用率，也利于主要車道的通行，在沒有行人需要通過人行橫道的時候，主要車道上的行人也必須在停止線以外停車侯車道綠燈亮。本文提出了一種全新的思路來解決此類問題，來緩解日益嚴重的交通擁堵。文中采用西門子S7-200PLC來實現帶有人行橫道請求的十字馬路交通燈控制系統的設計。1交通信號燈控制系統總體結構框架的設計1.1方案的選擇與論證成本系統就現在掌握的技術而言有以下兩種方案：方案一：使用51或者PIC單片機來設計一套十字路口交通燈的控制系統單片機雖說PIO端口比較多、單片價格較為便宜但是其編程相比較PLC而言較為復雜且不容易維護，要求較高的單片機專業知識故而不選擇本方案。方案二：使用西門子S7-200PLC可編程控制器，其編程方法簡單易學且功能強大工業控制能力較為強大一臺小型的PLC內有成百上千個可以為用戶提供使用的變成元件可以實現非常復雜的控制能力就控制能力而言較普通的單片機要強一些具有很高的性能價格比故而本系統選擇西門子S7-200PLC作為本設計的主控制器。1.2總體方案的確定采用S7-200PLC設計交通燈控制系統，要求能實現交通燈的各種控制功能，在常規交通燈控制功能及基礎上要求能顯示時間以適應道路的不同繁忙程度的情況下的交通控制要求。在控制方法上，將改變定周期的系統控制,使系統內的周期可隨時改變,增加系統的靈活性，以適應瞬時變化的交通流量。

該系統屬于連續循環工作的控制系統要求系統啟動后能夠周期性地連續循環工作故系統中設置一個輸入信號控制系統的啟動。PLC選用西門子S7-200基本單元。圖1-1PLC控制器系統結構圖

2交通燈控制系統硬件電路的設計2.1控制要求分析4.1.1控制要求分析對于單交叉路口的信號燈控制主要在于求取最佳信號周期和兩交叉方向的綠信比。當交通車流稀少時，信號周期盡量短些，但一般不能少于30秒，以免某一方向的綠燈時間小于15秒使車輛來不及通過路口而影響交通安全。當交通車流需求量較大時，信號周期應該長些，但一般也不能超過120秒，否則某一相位的紅燈時間超過60秒，司機和行人的心理上不能忍受。系統開始工作時，首先給南北方向固定的15秒的綠燈時間，利用PLC，可使上述描敘的各傳感器以及各道口的信號燈與之直接相連，非常方便可靠。4.1.2控制要求本設計實現三種交通信號燈系統狀態。以I0.0為一個啟動并帶有選擇功能的輸入信號：（1）當I0.0按一下，此時交通信號燈應適應的道路狀況為南北方向交通流量多，南北方向道路繁忙，南北路綠燈亮的時間為30S，此后閃爍3S，進入南北路黃燈亮減速的狀態，南北路黃燈亮2S，在南北路黃燈亮完后南北路紅燈亮25S，與此同時東西路綠燈亮起，亮的時間為20S，此后閃爍3S，進入東西路黃燈亮減速狀態，東西路黃燈亮2S，在東西路黃燈亮完后，東西路紅燈亮35，與此同時南北路綠燈亮起，實現一個控制周期。（2）當I0.0按兩下，此時交通信號燈應適應的道路狀況為東西路方向交通流量多，東西方向道路繁忙，東西路綠燈亮的時間為30S，此后閃爍3S，進入東西路黃燈亮減速的狀態，東西路黃燈亮2S，在東西路黃燈亮完后，東西路紅燈亮25S，與此同時南北路綠燈亮起，亮的時間為20S，此后閃爍3S，進入南北路黃燈亮減速狀態，南北路黃燈亮2S，在南北路黃燈亮完后南北路紅燈亮35，與此同時東西路綠燈亮起，實現一個控制周期。（3）當I0.0按三下，交通信號燈停止工作。圖2-1模式1的時序圖圖2-2模式2的時序圖2.2交通信號燈控制系統模型圖建立交通信號燈控制系統的十字路口應用的模型，這個十字路路口分別是南北主干道和東西主干道的交匯處，分別在南北方向和東西方向設有紅黃綠三種顏色的交通信號燈，在東西方向和南北方向分別設有甲和乙兩輛汽車燈分別代表東西方向和南北方向的通行情況[15]。圖2-3交通信號燈系統模型圖2.3交通信號燈控制系統電氣控制線路在本設計中南北方向兩個路口上的紅綠黃共有六盞燈，但是在實際操作中只需控制三個支路，每個支路應該有兩盞任何時候都是相同狀態的燈即可。通過一個啟動按鈕I0.0來操作整個系統的啟動和模式選擇。由PLC的8個輸出端口來控制六個交通信號燈和兩個表示路段流通兩個汽車燈。電氣控制線路圖如下：圖2-4電氣控制線路圖2.4I/O分配 在本系統的I/O端口分配中，有一個輸入繼電器對應的輸入端口I0.0，有八個輸出繼電器對應的八個輸出端口分別對應的南北紅燈Q0.0，南北綠燈Q0.1，南北黃燈Q0.2，東西紅燈Q0.3，東西綠燈Q0.4，東西黃燈Q0.5，南北方向的車燈Q0.6，東西方向的車燈Q0.7，進行控制。表2-1I/O分配表I/O口分配類型地址功能輸入I0.0啟動、選擇輸出Q0.0南北紅燈Q0.1南北綠燈Q0.2南北黃燈Q0.3東西紅燈Q0.4東西綠燈Q0.5東西黃燈Q0.6南北車燈Q0.7東西車燈3交通燈控制系統軟件的設計3.1程序流程圖圖3-1程序流程圖3.2主要梯形圖解析（1）系統初始化網絡1用于系統初始化，SM0.1為常用特殊繼電器，在首次掃描時為ON，常用做初始化脈沖，M0.0作為輔助繼電器，在PLC中沒有外部的輸入端子和輸出端子與之對應，因此它不受外部信號的直接控制，其觸電也不能直接驅動外部負載，用于在程序設計中處理邏輯控制任務，下文出現的M也是作為輔助繼電器。圖3-2網絡1梯形圖（2）上升沿脈沖觸發的狀態網絡2是在按動I0.0瞬間，常開觸電I0.0通電，表現為高電平，此時通過上升沿脈沖使得寄存器加法指令執行一次相加的操作，在LAD中，IN1+IN2=OUT，數據類型為整數，所以在雙整數相加時輸出也為整數，傳遞給VW1，在第二次上升沿脈沖觸發時繼續在VW1上累加。在對VW1賦值的同時，在每一次上升沿脈沖產生時，輔助繼電器需要進行處理，將M10.0和M0.0置位，其他輔助觸點均復位，M10.0在整個梯形圖中只是起個排除干擾的作用。圖3-3網絡2梯形圖在網絡4中按動I0.0瞬間，常開觸電I0.0通電，表現為高電平，此時通過上升沿脈沖使得移位寄存器加法指令執行一次移位的操作將IN的數值賦予OUT，而在此處移位寄存器的作用是當第三次上升沿脈沖到來時將0值賦予VW1，使得VW1中的數值一直在0、1、2這三個數中循環變換。圖3-4網絡4梯形圖（3）比較指令實現模式選擇在網絡5和網絡6中，當M0.0為置位高電平，I0.0按下，常開觸電I0.0閉合時，通過VW1中的數值與“1”和“2”相比，如果當VW1等于1，此時輔助繼電器M0.1置位高電平，其他輔助繼電器復位，定義為模式一；如果當VW1等于2，此時輔助繼電器M2.1置位高電平，其他輔助繼電器復位，定義為模式二；這兩個網絡運用比較指令實現了模式的選擇。圖3-5網絡5梯形圖（模式1的選擇）圖3-6網絡6梯形圖（模式2的選擇）（4）置位復位指令控制輔助繼電器的狀態在網絡2、網絡3、網絡5到網絡22這十五個網絡中均出現置位和復位指令。在網絡2、網絡3、網絡5和網絡6中，置位復位指令是初始化輔助繼電器的狀態，而在網絡7到網絡22中，通過與定時器的串聯，使得各個輔助繼電器在以時間軸為順序下，先后置位復位交替進行。以網絡7為例，當定時器T44計時結束，M1.0為高電平時，又將M0.1置位高電平，同時M1.0復位低電平，在某個時間段時只允許有一個輔助繼電器為高電平，其余為低電平。這種輔助繼電器的置位和復位使得順序控制按照時間軸的指向各個環節一次進行。圖3-7網絡7梯形圖（5）特殊繼電器在閃爍電路中的應用在網絡24和網絡27中，為實現南北綠燈和東西綠燈閃爍3S時間的控制，用到了特殊繼電器SM0.5.SM0.5的作用是在1S的時鐘脈沖里，0.5S閉合，0.5S斷開，再串聯一個T43或T39（定時時間為3S）的常閉觸點，在3S之中閃爍電路作用，3S之后閃爍電路斷開不再工作。圖3-8網絡24梯形圖（6）輔助繼電器和定時器的結合，循環控制的實現在梯形圖的網絡中輔助繼電器觸點與定時器的常閉觸點的串聯，實現輔助繼電器狀態的控制，同時輔助繼電器的狀態為高電平是觸發定時器開始工作。以網絡9、網絡18和網絡31為例當M0.1或M2.5置位高電平觸發T37計時，T37計時結束時常開觸點T37閉合，此時網絡9中M0.2置位，M0.1復位，通過這網絡9和網絡31這兩個網絡，輔助繼電器M0.1置位高電公平的時間就是T37計時的時間1S。通過這網絡18和網絡31這兩個網絡，輔助繼電器M2.5置位高電公平的時間就是T37計時的時間1S。圖3-9網絡31梯形圖圖3-10網絡9梯形圖圖3-11網絡18梯形圖

4十字路口交通燈的組態控制過程在本系統設計的框架完成以后就行了一系列的調試與優化，在實驗室做了一天時間的優化和調試。調試的內容包括，各個交通信號燈是否達到了亮，閃爍等狀態的時間，在按下I0.0切換的時候，切換完成工作的一瞬間是否連貫，能否能夠滿足在切換的同時解決我們想到的交通問題同時也不會影響司機旅客的心情和心理狀態，減少因為切換而導致交通違章的發生。在調試的過程中，常常會發生的是，交通信號燈不能達到預期設想的效果，這個時候我們更多的是要利用PLC的優點通過改變軟件部分來解決問題，不用重新搭建電氣控制電路。反復的修改程序，反復的實驗，同時加上計時器旳計時，盡可能地將本次設計的實際作用加強。在調試的過程還需要注意的，就是編程計算機跟PLC設備的通訊問題，合理的選擇通信頻段是保證通信成功和程序下載的關鍵。調試是一個畢業設計最關鍵的一個環節，也是把相關知識綜合在一起的環節，這個環節的成功與否，不僅僅是關系設計是否成功，也是考驗我們能否將書本知識跟實際相結合的過程。5總結在交通信號燈的控制系統研究中，我們仔細得查閱了大量的資料，了解了在歷史的進程中隨著交通工具的改變對交通的管理也顯得十分重要。如何使得交通發揮出它應有的作用，如何能將交通的效率提高，如何將自動化應用于交通控制中等等，都是一系列值得長期探討的話題。而在本設計中，作為自動化方面的學生，我們著重研究的是交通自動化，利用較為先進的自動化設備控制交通信號燈的工作，使得交通運輸的效率提高。在基于S7-200PLC交通信號燈控制系統的設計，以西門子PLC作為主要控制器，通過最開始的建立交通信號燈控制系統的模型，根據模型設計電氣控制線路，有電氣控制新路作為硬件部分，再根據電氣控制線路定義I/O端口地址。緊接著完成梯形圖為主要部分的軟件編譯，并通過PC機將程序傳入PLC控制器中。上述工作完成后我們需要做的是調試和運行，在調試和運行的過程中發現問題解決問題。并根據運行的結果，查閱和調查當地交通信號燈工作的情況，查閱道路司機對于等候交通信號燈指示心理情況。通過查閱和調查再對交通信號燈工作時間進行調整。在調整的過程中，根據PLC控制器本身的優勢只需做軟件部分的改動，以使得本設計更加完善。當然本設計也有意猶未盡的地方，就是只注重交通信號燈的控制，對整個交通道路的交通流量和流量的統計這部分有所欠缺。參考文獻[1]洪偉.智能交通控制理論及其應用[J].實驗室研究，2015,1（2）：9[2]陳洪.單路口交通實時控制的一種方法[M].機械工業出版社，2016,1（7）：2[3]范萍.PLC在電工技術實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2016,7（9）：7[4]王也仿.可編程控制器應用技術[M].北京:機械工業出版社，2016,12（6）：3[5]郭宗仁.可編程序控制器應用系統設計及通信網絡技術[M].人民郵電出版社,2017(12):35-36[6]陳宗梅.交通燈控制系統電路設計[J].重慶學院學報