十字路口交通信号灯的PLC控制程序设计

引言改革开放四十多年以来我国的各个城市在飞速变化当中，家庭汽车的拥有量也在逐步上升，这就导致了堵车的现象层出不穷。当下，道路交通是否能畅通已经逐渐成为城市迅速发展的阻碍因素之一。其往往制约着各种人力与物品流动的速度，也会因为车辆的拥堵使人们的心情变糟糕，所以一个城市的迅速发展必然要先想方设法的解决交通问题。而且交通运输情况也同样显示出一个城市的经济建设实力，因此解决对各路口交通信号灯的控制问题很有现实的意义。伴随着科技水平的提升，对于智慧城市建设也是越来越重视，可编程逻辑控制器也在各行各业中有着广泛的用途，这就为我国各大企业带来机遇与挑战。如今可编程逻辑控制器在不断的发展，各种控制技术页日趋成熟，所以本文通过利用可编程逻辑控制器对交通信号灯进行实时智能控制。

1交通信号灯发展现状与意义1.1交通信号灯发展的现状随着我国社会稳定发展国民经济稳中向好的健康发展，现在汽车已逐渐成为每个家庭的出行代步工具。随着车道上越来越多的车辆，道路上变得越来越拥挤，各种物资人力不能够充沛的调动。因此在城市建设中加强城市基础交通道路建设有着重要的实际意义。1.2交通信号灯控制系统设计的意义为了保证城市道路交通有序、安全、稳定正常运行，提升交通管理的智能化和安全化管理属于当务之急。本文将利用可编程逻辑控制器制作一个交通信号灯控制系统，使其能够在城市交通的运行发挥着重要的作用。尤其是近几年来道路交通事故呈上升趋势，这说明了道路交通控制设计方面存在很多问题。所以对于交通信号灯的智能化系统设计就显得非常的必要。[1]智能交通信号控制系统可以实现信息采集、综合传输、处理和执行等有效的管理和控制，交通系统的信号控制更加的人性化，道路高通车率高。智能调控各个车道进行疏导来避免交通拥堵问题。智能交通信号控制系统对营运车辆的管理也起到一定的作用。

2交通信号灯控制系统方案设计2.1控制方案的抉择可编程逻辑控制器是一种以CPU为核心扩展其他模块以及网络通信自动控制等技术创造出了一种用于工业发展的高端自动化控制设备，它在制造业、冶金业、工业和建筑业无处不在充分发挥着各种各样出色的控制能力，对劣环境的适应能力使它成为各种行业青睐的产品，通俗易懂所以也受着各行各业人们的喜爱。每个PLC内部的内部还具有时钟，所以可根据时间来进行智能化设计。可以依据不同路段的不同高峰时间进行设置，而且PLC还具有联网通信的技术，利用这种技术可以实现一个PLC工程师对各个路口PLC交通信号灯控制系统进行操控。而且依靠着PLC的高可靠性和稳定性可以实现二十四小时无人把控。如上分析的可显示出可以运用编程逻辑控制器对交通灯控制系统进行操控，并且依靠其具有抗干扰性强、可靠性和适应复杂环境的能力。因此运用可编程逻辑控制器完成该交通信号灯控制系统的设计成为了本次交通灯信号灯控制系统设计的首选方案。[3]2.2可编程逻辑控制器的控制方案设计首先我们出于主要出行时间段的考虑将一天分为两部分，白天和夜间，夜间由于车流量很少，各方向车道交通信号灯全部显示闪烁黄灯来提醒路过的车辆谨慎慢行。白天将根据每个车道车流量传感器检测出车辆的多少来进行智能化分配时间；如果小于一定的车流量，则按固定的时间进行各个方向交通灯调配，如果大于一定的车流流量，则根据各个方向的车流量多少进行百分比加权，这样更有利于智能化。能根据各个车道车流量进行智能化调配。如果有紧急车辆需要强行通过的话，则需要断开正在运行的程序，对紧急车辆所在的车道进行绿灯使紧急通过。根据上段控制方案的描述，加入一些循环设置后则构成本控制系统。2.3系统硬件介绍和选择可编程逻辑控制器多种品牌，比较厉害的有德国的西门子，日本的施耐德、欧姆龙、三菱和松下，美国的G-E和A-B,我国起步较晚但也有台达和信捷等等西门子S7-1200可编程控制器是西门子公司推出的中型产品的核心用以替代旧产品S7-200和S7-300，版本的更替也给人们带来更加便利的数据块和函数快。利用西门子S7-1200可编程逻辑控制器的设计可以增加通信之类的模块利于传输，没有过于冗杂的功能，价格适宜，能够运用于此系统设计的控制，也能适应于各种复杂的应用当中。本文主要对该系统进行了介绍，并说明了如何利用西门子的可编程逻辑控制器制作可控的，智能化的，能根据车流量的变化调整而调整的系统设计。同样传感器也有着许多品牌，比较厉害的有美国的Interface、Honeywell，瑞士的ABB等等。我们根据自己的需要进行选择，PNI公司的地磁传感器RM3100凭借着优良的性能和不错性比价、丰富的功能和精准度于是选择了这款传感器。[3]

3交通信号灯控制系统的软件设计3.1交通信号灯控制系统的I/O接口图进行PLC设计要先进行I/O接口地址的分配，便于后期用于接线，与程序整理。然后针对输入输出接口图的主要接口进行原理图制作。表3.1PLCI/O分配表LCI0.1I2.1I3.1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.5Q1.0Q4.0Q4.1根据上面段落的思路整理，然后根据表3.1的I/O地址图利用西门子公司的博图软件V15.1的TIAPortalV15.1进行梯形图的制作，然后根据接口图做出连接线路的原理图，如图附录Ⅱ，然后依据附录Ⅱ的原理图对线路进行实际的模拟仿真使之有更好的思路，HMI显示画面也有更加清晰的结果。[10]图3-1程序循环思路图3-2控制系统整体主流程图根据主流程图进行划分的子流程图设计如图3-3、图3-4和图3-5。加入一些合理的功能并对流程进行划分。图3-3方向强通子流程图图3-4依据车流量对系统进行控制分流程图图3-5低于车流量流程图图3-4和图3-5主要是程序阈值的确立对车流量变化智能的做出对应变化，使得控制程序更加人性化一些。3.2交通信号灯控制系统的设计解释依据附Ⅰ梯形图进行分析解释：将启动按键I0.0按下程序启动，信号通过常闭触点I0.1后能流流经线圈Q1.0后使得线圈Q1.0得电，然后再将常开触点Q1.0闭合后短路I0.0形成起保停电路。用时钟脉冲M0.5每一秒对读取本地时间(RD_LOC_T)进行时间校正，然后检测当前时间点是否大于22小时或者小于5小时，如果是的话则为夜间信号灯控制程序启动，否则的话白天交通信号灯控制系统启动，接下来先分析白天信号灯控制系统。线圈M2.7得电后，常开触点闭合，常闭触点断开，然后开始统计东方向车道来车和西方向车道来车，I2.1和I2.3的传感器每感应一次车辆则上升沿指令M4.1和M4.2都会导致东方向车辆DB8和西方向车辆DB9的加计数器加一，然后用加法计数器ADD对东方向车道车流量和西方向车道车流量相加，得出整个东西方向车道车流量的总和MW20。用同样的方法统计南方向车道来车和北方向车道来车，I3.1和I3.3的传感器每感应一次车辆则上升沿指令M4.3和M4.4都会导致南方向车道车辆DB10和西方向车道车辆DB11的加计数器加一，然后用加法计数器ADD对南方向车道车流量和北方向车道车流量相加，得出整个南北方向车道车流量的总和MW30。再次利用加法计算器ADD对东西方向车道车流量MW20的总和和南北方向车道车流量MW30的总和相加，得出整个车道车流量的总和MW40。[7]由于每次车流量都会发生变化传感器检查的车辆也不相同，所以要有一个循环，我们利用接电延时定时器设置(ET)值为112秒进行接通一次，当线圈Q0.6失电时，常闭触点断开，程序断开将112秒内传感器的各个车道车流量的数据进行汇总。然后进行一个循环，如图3-6所示。图3-6循环控制检查车辆图3-7车流量与预定阈值比较如图3-7预定一个阈值，如果总车道车流量小于这个阈值的话，设计一个比较标准的控制系统控制，如果大于这个标准的话则采用智能化的方式控制，防止时间过少导致行车来不及转向对应的车道信号灯就发生了变化。常开触点M2.7的闭合后信号流经到线圈M2.6后，线圈M2.6得电，M2.6常开触点得电，总车道车流量总和MW40是否小于等于40，如果小于等于40则线圈Q4.0小于阈值车流量常开触点Q4.0得电，线圈M2.1低于阈值信号灯得电，在没有应急车辆和紧急停止程序时，信号流经常闭触点M3.0和紧急停止常闭触点I1.7后，线圈M2.0得电，M2.0低于阈值白天信号灯常开触点闭合。形成一个小型的起保停电路，并控制着低于阈值信号灯控制系统，下面分析低于阈值控制系统交通信号灯的变化情况。3.2.1白天车辆低于阈值常开触点M2.0闭合后，信号流经常闭触点T6.Q之后东方向车道和西方向车道的交通灯红灯亮起禁止车辆通过，南方向车道和北方向车道的交通灯绿灯亮起车辆允许通过；当接电延时闭合定时器T1流经信号得电后实际时间值(ET)开始计数，当实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)50s后，接电延时闭合定时器T1的输出Q发出输出脉冲，接电延时闭合定时器T1的常开触点T1.Q变为接通状态，常闭触点T1.Q得电，东方向车道和西方向车道的交通灯依然为红灯，南方向车道和北方向车道的交通灯发出clock_1Hz的脉冲信号(表示闪烁信号，每秒闪烁一次)绿灯开始闪烁。当接电延时闭合定时器T2中的实际时间值(ET)达到实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)53s后，接电延时闭合定时器T2的输出Q发出输出脉冲，接电延时闭合定时器T2的常开触点T2.Q变为接通状态，常闭触点T2.Q得电，东方方向车道和西方向车道的交通灯依旧为红灯，南方向车道和北方向车道交通灯由绿灯熄灭转变为黄灯。当接电延时闭合定时器T3中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)56s后，接电延时闭合定时器T3的输出Q发出输出脉冲，接电延时闭合定时器T3的常开触点T3.Q变为接通状态，常闭触点T3.Q得电，东方向车道与西方向车道的交通灯红灯熄灭转变为绿灯，南方向车道与北方向车道的交通灯黄灯熄灭转变为红灯。当接电延时闭合定时器T4中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)106s后，接电延时闭合定时器T4的输出Q发出输出脉冲，接电延时闭合定时器的常开触点T4.Q变为接通状态，常闭触点T4.Q得电，东方向车道西方向车道交通灯发出clock_1Hz(表示闪烁信号，每秒闪烁一次)脉冲绿灯开始闪烁，南北方向交通灯依旧为红灯。当接电延时闭合定时器T5中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)109s后，接电延时闭合定时器T5的输出Q发出输出脉冲，接电延时闭合定时器T5的常开触点T5.Q变为接通状态，常闭触点T5.Q得电，东方向车道与西方向车道的交通灯绿灯熄灭变为黄灯，南方向车道和北方向车道的交通灯保持红灯不变化。当接电延时闭合定时器T6中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)112s后，接电延时闭合定时器T6输出Q发出输出脉冲，常开触点T6.Q变为接通状态，常闭触点T6.Q得电有信号，东方向车道西方向车道的信号灯由黄灯转变为红灯，南方向车道和北方向车道的交通灯由红灯熄灭转变为绿灯。最后接电延时闭合定时器T6的输出Q的常闭触点由断开转为闭合状态程序断开又相当于程序的复原了，然后按照这种顺序循坏扫描下去。[4]3.2.2白天车辆高于阈值然后回到之前，如果车道车流量MW40＞40的话，线圈大于阈值车流量Q4.1得电。大于阈值车常开触点Q4.1信号流经线圈M7.0后，高于阈值信号灯线圈M7.0得电，导致高于阈值流量线圈M7.0常开触点闭合，当车道中没有紧急车辆出现和程序需要紧急停止时，高于阈值白天信号灯线圈M7.7得电，常开触点M7.7得电闭合，形成一个起保停电路，构成一个车流量大于阈值的智能交通信号灯控制系统。接下来着重分析一下高于阈值的信号灯控制系统。高于阈值白天信号灯M7.7常开触点闭合后，能流流经处罚计算器，计算东西方向车道车流量总和所占总车道车流量总和的百分比MW50，同样方法计算出南北方向车道车流量总和所占总车道车流量总和的百分比MW60。然后用取最大值MAX模块比较东西方向车道车辆所占百分比与南北的方向车道车辆所占百分比，取出其中最大的百分比MW70，然后将100S用乘法计算器乘以最大值数量的百分比得出的数字设定为该方向车辆百分比最大时间绿灯的秒数(为了方便接下来的描述我们假设为xS)，此时需要用到数据块FB完成一些数据类型的转换，由bool型转换为int和time。用100S减去得出来的该方向最大车流量的绿灯时间则为较小车流量方向的绿灯时间(为了方便描述假设为yS)。如果东西方向车辆百分比MW50大于南北方向车辆百分比MW60，则东方向车道和西方向车道绿灯时间为x秒，信号流经常闭触点T104.Q后流经接电延时定时器T101，此时东方向车道和西方向车道的交通灯为绿灯，南方向车道和北方向车道的交通灯为红灯，当接电延时闭合定时器T101中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)x秒后，接电延时闭合定时器T101输出Q发出输出脉冲，常开触点T101.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T101.Q常闭状态转变为断开状态，东方向车道和西方向车道交通灯发出clock_1Hz(表示闪烁信号，每秒闪烁一次)脉冲绿灯开始闪烁，南方向车道和北方向车道交通灯依旧为红灯。当接电延时闭合定时器T102中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)3秒后，接电延时闭合定时器T102输出Q发出输出脉冲，常开触点T102.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T102.Q常闭状态转变为断开状态，东方向车道和西方向车道交通灯由绿色转变为黄色，南方向车道和北方向车道交通灯依旧为红灯。当接电延时闭合定时器tT102中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)3秒后，接电延时闭合定时器tT102输出Q发出输出脉冲，常开触点tT102.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点tT102.Q常闭状态转变为断开状态,东方向车道和西方向车道交通灯由黄灯转变为红灯，南方向车道和北方向车道交通灯由红灯变为绿灯。当接电延时闭合定时器T103中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)y秒后，接电延时闭合定时器T103输出Q发出输出脉冲，常开触点T103.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T103.Q常闭状态转变为断开状态，南方向车道和北方向车道交通灯发出clock_1Hz(表示闪烁信号，每秒闪烁一次)脉冲绿灯开始闪烁，东方向车道和西方向车道交通灯依旧为红灯。接电延时闭合定时器T106中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)y秒后，接电延时闭合定时器T106输出Q发出输出脉冲，常开触点T106.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T106.Q常闭状态转变为断开状态，南方向车道和北方向车道交通灯由绿色转变为黄色，东方向车道和西方向车道交通灯依旧为红灯。接电延时闭合定时器T104中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)y秒后，接电延时闭合定时器T104输出Q发出输出脉冲，常开触点T104.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T104.Q常闭状态转变为断开状态，南方向车道和北方向车道的交通灯由黄灯转变为红灯，东方向车道和西方向车道的交通灯由红灯熄灭转变为绿灯。最后这些上述这些接电延时定时器由接电延迟闭合定时器T106的常闭触点T106.Q得电后全部接电延迟闭合定时器断电实际时间值(ET)清零后，全部接电延时定时器常开触点和常闭触点复原，等待下一个循环分配量的开始。如果东西方向车辆百分比MW50小于等于于南北方向车辆百分比MW60，则南方向车道和北方向车道绿灯时间为x秒，信号流经常闭触点T114.Q后流经接电延时定时器T110，此时南方向车道和北方向车道的交通灯为绿灯，东方向车道和西方向车道的交通灯为红灯，当接电延时闭合定时器T110中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)x秒后，接电延时闭合定时器T110输出Q发出输出脉冲，常开触点T110.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T110.Q得电，南方向车道和北方向车道交通灯发出clock_1Hz(表示闪烁信号，每秒闪烁一次)脉冲绿灯开始闪烁，东方向车道和西方向车道交通灯依旧为红灯。当接电延时闭合定时器T111中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)3秒后，接电延时闭合定时器T111输出Q发出输出脉冲，常开触点T111.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T111.Q常闭状态转变为断开状态，南方向车道和北方向车道交通灯由绿色转变为黄色，东方向车道和西方向车道交通灯依旧为红灯。当接电延时闭合定时器T112中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)3秒后，接电延时闭合定时器T112输出Q发出输出脉冲，常开触点T112.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T112.Q常闭状态转变为断开状态,南方向车道和北方向车道信号灯由黄灯转变为红灯，东方向车道和西方向车道信号灯由红灯变为绿灯。当接电延时闭合定时器T113中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)y秒后，接电延时闭合定时器T113输出Q发出输出脉冲，常开触点T113.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T113.Q由闭合状态转变为断开状态，东方向车道和西方向车道交通灯发出clock_1Hz (表示闪烁信号，每秒闪烁一次)脉冲绿灯开始闪烁，南方向车道和北方向车道交通灯依旧为红灯。接电延时闭合定时器T115中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)y秒后，接电延时闭合定时器T115输出Q发出输出脉冲，常开触点T115.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T115.Q常闭状态转变为断开状态，东方向车道和西方向车道交通灯由绿色转变为黄色，南方向车道和北方向车道交通灯依旧为红灯。接电延时闭合定时器T114中的实际时间值(ET)达到预设时间值(PT)y秒后，接电延时闭合定时器T114输出Q发出输出脉冲，常开触点T114.Q由断开状态转变为闭合状态，常闭触点T114.Q常闭状态转变为断开状态，东方向车道和西方向车道的交通灯由黄灯转变为红灯，南方向车道和北方向车道的交通灯由红灯熄灭转变为绿灯。最后上述全部接电延时继电器由接电延迟闭合定时器T114的常闭触点T114.Q得电后全部接电延迟闭合定时器断电实际时间值(ET)清零后，所有接电延时定时器常开触点和常闭触点复原来等待下一个循环分配量的开始。3.2.3应急车道车辆强通图3-8应急车辆强通如图3-8当出现应急车辆通过交通路口时，按下强通按钮，于是M3.0常开触点得电变为闭合状态，如果东方向车道和西方向车道出现应急车辆强制通过，那么常开触点M6.0转为闭合状态，线圈M3.1得电，能流流经线圈Q0.1和线圈Q0.3得电，东方向车道和西方向车道红绿灯强制变为绿灯，南方向车道和北方向车道强制变为红灯；当应急车辆驶出路口时，可编程逻辑控制器通过电压差的变化，使线圈M3.1失电，常开触点M3.1由闭合状态转变为断开状态，交通信号灯也转变为正常情况设置的阶段。如果南方向车道和北方向车道出现应急车辆强制通过，那么可常开触点M6.0转为闭合状态，线圈M3.2得电，常能流流经线圈Q0.0和线圈Q0.4得电，南方向车道和北方向车道红绿灯强制变为绿灯，东方向车道和西方向车道强制变为红灯；应急车辆驶出路口时，可编程逻辑控制器通过电压差的变化，使内线圈M3.2失电，M3.2失电由闭合转变为断开，交通信号灯也转变为正常情况设置的阶段。3.2.4夜间车辆通行图3-9夜间交通灯控制如图3-9当检测到时间大于晚上22时或者小于凌晨5时，夜间交通灯线圈Q0.7会得电，能流通过常闭触点M3.0后再流经脉冲信号clock_1Hz(表示闪烁信号，每秒闪烁一次)东方向车道、西方向车道、南方向车道和北方向车道信号灯全部变为一秒闪烁一次的黄灯，来提醒车辆谨慎驾驶。综上所述这个梯形图设计的设计完美的实现了对于十字路口交通信号灯的智能控制，又可以对应急车辆的强通做出相应的改变，根据该控制程序和电气原理图可以很好的实施交通路口的交通信号灯系统。3.3系统硬件外围接线图和组态界面图图3-10PLC外部接接线图传感器主要用于四个方向车道来车车辆的检车，可以采取RM3100地磁线圈感应器(如图3-11传感器外围接线图)，该磁感器能够检测三位空间的磁场强度，埋藏在车道下面传感器的三个轴其中两个轴x，y轴要有一个轴要与车辆的前行方向相同，z轴则要垂直于地面。当有汽车经过时，会使磁感线圈周围的磁场发生变化。传感器检测到并发出高电平的信号，通过可编程逻辑控制器PLC的DI模块进行反馈，连接线的控制点电位出现现变化，每当经过一辆汽车时就导通为1，否则为零，然后通过对东西南北四个方向的车道的传感器动作来进行计数来统计四个方向车道车辆的车流量。[2]图3-11RM3110传感器外围电路图根据上述思考，针对I/O表格进行绘制可编程逻辑控制器的外部接线图，如图4，根据机床电气所学知识，可以制作出主电路图如图9。[2]完成上述设计后，通过运用西门子博图软件进行程序编译无错误无警告后点击仿真按钮，然后弹出来西门子博图软件的PLCSIM进行编辑，然后对附录Ⅰ的梯形图编制的程序进行仿真，点击监视按键可以得到正在运行的程序，由此可知当在接线正常的情况下，利用附录Ⅰ设计出来的交通信号灯控制系统能够完全应用于实际使用，仿真成功之后接下来可以设置来添加新设备选择触摸屏，然后再工具箱中取适量的元件，通过更改属性里面的信息更改形状、颜色以及动画来构造自己的组态界面并加入相应变量然后保存自己的项目，仿真中电机启动后，点击设备组态界面中的启动按钮，画面开始动作，整个过程都是按照之前的设计出来显示。依据仿真图所显示出的白天和夜间的组态图如图3-11和图3-12所示。3-12系统组态白天设计图图3-13系统组态晚间设计图

4结论本次设计的课题依据PLC各个结构的配合，以及各个结构的作用，利用西门子博图软件对课题存在的问题进行解答。这个主题主要针对生活的实际问题,运用PLC来处理在实际生活中存在的问题和学生解决生活实际问题中如何使用PLC,用以培养良好品格对学生有着很大的帮助。通过本课题的设计，掌握了西门子PLC编制程序的一些技巧以及一些指令的运用，熟练运用博图编程软件，用博图软件对程序进行仿真，分析讨论使用PLC时遇到的问题，并逐步解决。我也学会了仔细观察生活的细微差别，收集各方面的信息