基于PLC的交通信号灯控制设计

基于PLC的交通信号灯控制设计
摘要:PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。

由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定制器资源十分丰富，可对目前普遍使用的信号灯进行精准控制，特别对多岔路口的控制可以方便的实现。

本文以单个十字路口交通灯为例，用PLC实现单个十字路口交通信号灯控制的方法。

关键词：交通灯; 自动控制; PLC
Traffic Signal Light Controlling Based On PLC
Abstract: Taking a microprocessor as a foundation, the programmable controller is one new industry controller device synthesized with the computer technology, the automatic control technology and the communication technological. It has simply structure, conveniently program and high reliability, and widely uses in industry process and in automatic position control. Because PLC has a strong characteristic adapting to environment and simultaneously it’s internal timer resource s are extremely rich, the signal lights which is universally used on the present have been controlled accurately,specially to the multi-road fork control. This passage introduces single crossroads traffic lights control methods for example to achieving the methods of controlling single crossroads traffic light based on PLC.
Keywords: traffic light; automatic control; PLC
1.PLC的概述
1.1 PLC的产生及发展
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。

但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。

到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。

这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。

1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。

1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。

我国PLC从1974年开始研制，于1977年开始工业应用。

1.2 PLC的结构
PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU 模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

图1 PLC的基本结构框图
1.3 PLC的定义
可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为
基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）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、计数和算术运算等操作的指令，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。

”
1.4 PLC的工作原理
1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。

2）程序执行阶段：PLC对用户程序扫描。

3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。

1.5 PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2 模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3 运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专业的控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎多有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4 过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PI D模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5 数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

6 通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

1.6 PLC的发展趋势
1、向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。

目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。

PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。

在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。

为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

2、向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。

现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。

小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。

3、 PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。

这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。

加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。

PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。

为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC 已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。

4、增强外部故障的检测与处理能力
根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。

前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。

因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

5、编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C 语言等）等。

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

2. PLC控制系统设计
2.1 设计任务和内容
任务：
设计一个能够控制十二盏交通信号灯，分成六祖交通灯的模拟系统，并且要求交通信号灯按照交通规则的模试来运行。

内容：
因为本课程设计是交通灯的单片机控制设计，所以要了解实际交通灯的变化情况和规律。

假设一个十字路口为东西南北走向。

然后转状态1南北红灯，东西绿灯通车。

过一段时间转状态2东西绿灯灭，黄灯闪烁几次，南北仍然红灯。

再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯。

过一段时间转状态4，南北绿灯灭，闪几次黄灯，东西仍然红灯。

最后循环至状态1。

2.2 控制系统设计概要
我们在学习了PLC的大量的相关知识后，要能够把其运用在实际训练当中。

当然要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。

1、 PLC控制系统设计的基本原则
1）最大限度地满足被控对象的控制要求。

2）保证控制系统的高可靠、安全。

3）满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便。

4）选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。

2、 PLC控制系统设计的基本内容
1) 选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象。

2) 分配I/O，设计电气接线图，考虑安全措施。

3) 选择适合系统的PLC.
4) 设计程序
5) 调试程序,一个是模拟调试，一个是联机调试。

6) 设计控制柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。

7) 验收、交付使用。

3、 PLC控制系统设计的一般步骤
1）流程图功能说明
a. 分析生产工艺过程。

b. 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O。

c. 选择PLC。

d. 设计PLC接线图以及电气施工图。

e. 程序设计和控制柜接线施工。

2） PLC程序设计的步骤
a. 对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路。

b．设计梯形图。

c．程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止。

d．现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求。

e．编写技术文件
f．交付使用。

3）设计步骤框图如下：
图2 设计步骤框图
4、控制系统执行程序的过程及特点
PLC执行程序的过程分三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。

1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。

接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。

2）程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。

若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。

当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。

当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。

对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。

3）输出刷新阶段
程序执行完毕后，进入输出处理阶段。

在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。

因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。

当PLC 进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。

这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。

在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。

在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。

在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。

这种方式称为集中输出。

对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。

从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入／输出响应滞后。

对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。

应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动
器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。

滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。

3. 十字路口交通信号灯的具体设计
3.1 十字路口交通信号灯的控制要求
随着城市和经济的发展，交通信号灯发挥的作用越来越大，正因为有了交通信号灯，才使车流、人流有了规范，同时，减少了交通事故发生的概率。

然而，交通信号灯不合理使用或设置，也会影响交通的顺畅。

交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。

红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。

交通信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。

交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使各同时到达的人、车交通流尽可能减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。

十字路口交通信号灯现场示意图如图3所示，
图3 交通灯现场示意图
南北和东西每个方向各有红、绿、黄三种信号灯，为确保交通安全，要求如下：1）采用PLC构成十字路口的南北向和东西向交通信号灯的电气控制。

系统上电后，交通指挥信号控制系统由由一个3位转换开关SA1控制。

SA1手柄指向左45°时，接点SA1-1接通，交通指挥系统开始按常规正常控制功能工作，按照如图3-2所示工作时序周而复始，循环往复工作。

SA1手柄指向中间0°时，
接点SA1-2接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮。

SA1手柄指向右45°时，接点SA1-3接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮。

2）正常控制时
a. 当东西方向允许通行（绿灯）时，南北方向应禁止通行（红灯）；同样，当南北方向允许通行（绿灯）时，东西方向应禁止通行（红灯）。

b. 在绿灯信号要切换为红灯信号之前，为提醒司机提前减速并刹车，应有明显的提示信号：绿灯闪烁同时黄灯亮。

c. 信号灯控制系统启动后应能自动循环动作。

信号灯动作的时序图如图4所示，它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置1表示信号灯点亮。

图4 十字路口交通灯正常工作时序
3）输入/输出信号分配
输入/输出信号分配如表1所示：
表1 十字路口交通灯控制信号说明
3.2 PLC硬件控制电路设计
1) 硬件结构设计。

了解各个控制对象的驱动要求，如：驱动电压的等级、负载的性质等；分析对象的控制要求，确定输入/输出接口（I/O）数量；确定所控制参数的精度及类型，如：对开关量、模拟量的控制、用户程序存储器的存储容量等，选择适合的PLC机型及外设，完成PLC硬件结构配置。

2) 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，编制I/O接口功能表。

据信号控制要求，I/O分配及其接线如图5所示
图中用一个输出点驱动两个信号灯，如果PLC输出点的输出电流不够，可以用一个输出点驱动一个信号灯，也可以在PLC输出端增设中间继电器，由中间继器再去驱动信号灯。

图5 十字路口交通信号灯PLC外部I/O分配及其接线
3.3 PLC控制程序设计
3.3.1 PLC的状态转移
在设计较为复杂的程序时，仅仅采用简单的逻辑处理已经很难保证程序的正确性和易读性，所以就需要采用别的方法来编制程序。

为了保证程序逻辑的正确以及程序的易读性，我们可以将一个控制过程分为若干个阶段，在每一个阶段均设立一个控制标志，当每一个阶段执行完毕，就启动下一个阶段的控制标志，将本阶段的控制标志清除。

所谓“状态”是指特定的功能，因此状态转移实际上就是控制系统的功能转移。

机电自控系统中机械的自动工作循环过程就是电气控制系统的状态自动、有序、逐步转移的过程。

这种功能流程图完整地表现了控制系统的控制过程，各状态的功能、状态转移顺序和条件，它是PLC应用控制程序设计的极好工具。

3.3.2 PLC的状态转移图
图6 十字路口交通信号灯PLC的状态转移图
3.3.3 十字路口交通信号灯PLC的程序设计说明
据图5所示的状态转移，说明十字路口交通信号灯PLC的程序设计。

1）PLC开始运行时，M8002产生一初始脉冲，使初始状态S0置1。

2）当SA1手柄指向中间0°时，触点X1接通，交通指挥系统南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮。

3）当SA1手柄指向右45°时，触点X2接通，交通指挥系统东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮。

4）当SA1手柄指向左45°时，触点X0接通，状态转移到S20和S30，使S20和S30置1，同时S0在下一扫描周期自动复位，Y0线圈得电东西绿灯亮与此同时Y6线圈得电，南北红灯亮。

5）延时25S后，转移条件T0闭合，状态从S20转移到S21，使S21置1，同时驱动T1记时，而S20在下一扫描周期自动复位。

6）延时5S后，转移条件T1闭合，状态从S21转移S22，使S22置1产生0.5S 接通和断开的时针脉冲信号，从而使东西绿灯闪烁，同时驱动计数器C0记数，若记数次数未到三次，C0的常闭触点接通，状态转移到S21，继续循环共计三次。

7）次数到三，C0常开触点闭合，状态由S22转移到S23，使S23置1同时S22在
下一扫描周期自动复位，Y1线圈得电东西黄灯亮。

8）延时2S后，转移条件T3闭合，一方面状态从S23转移到S24，使S24置1，S23在下一扫描周期自动复位，Y2线圈得电东西红灯亮，计数器C0复位。

另一方面状态S30转移到S31，使S31置1同时S30在下一扫描周期自动复位，线圈Y4得电南北绿灯亮。

9）延时25S后，转移条件T4闭合，状态从S31转移到S32，使S32置1，同时驱动T5记时，而S31在下一扫描周期自动复位。

10）延时5S后，转移条件T5闭合，状态从S32转移S33，使S33置1产生0.5S 接通和断开的时针脉冲信号，从而使南北绿灯闪烁，同时驱动计数器C1记数，若记数次数未到三次，C1的常闭触点接通，状态转移到S32，继续循环共计三次。

11）次数到三，C1常开触点闭合，状态由S33转移到S34，使S34置1同时S33在下一扫描周期自动复位，Y5线圈得电南北黄灯亮，计数器C1复位。

12）延时2S后，回到初始状态S0进行循环执行。

4.结束语：
用PLC控制交通信号灯有以下优点：1、高可靠性 2、丰富的I/O接口模块 3、采用模块化结构 4、编程简单易学 5、安装简单，维修方便。

在实际生活中，采用PLC 控制城市交通指挥信号灯，能根据不同交通道路要求，随时修改控制程序，以改变各信号灯的工作时间和工作状况。

与继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更高的可靠性、灵活性和经济适用性。

参考文献
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【2】李伟《机床电器与PLC》西安电子科技大学出版社，2006
【3】台方《可编程序控制器应用教程》中国水利水电出版社，2001
【4】常斗南《可编程序控制器》原理·应用·实验北京：机械工业出版社，1998 【5】廖常初《PLC基础及应用》机械工业出版社，2004
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【8】余雷声《电气原理与PLC应用》机械工业出版社
【9】张还三菱FX系列PLC设计与开发——原理、应用与实训机械工业出版社
附录一、正常控制程序的梯形图
图6 正常控制程序梯形图。