基于PLC的交通信号灯

摘要
随着社会的发展和进步以及人民生活水平的提高，上路的车辆越来越多，但相应的公路设施却没有相应的改善，这就导致了城市交通拥堵问题突出，而且拥堵的地方多是十字路口等车辆汇集处。

交通问题是现代社会发展的一个重要表现，同时也是社会发展的重要依托。

交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济与生活的各个方面。

在世界范围内，随着人口密度高速增长，城市化的脚步不断加快，交通问题日渐严重。

龙其在国际性大都市，拥挤的交通己经造成了巨大的能源损失和环境污染，同时也给人们的生活带来了巨大的困扰。

在我国，这个情况尤为突出如何改善交通灯控制系统，以便更好地适应现在拥堵的交通状况，成为竞相研究的课题，本文对该问题给予了深刻地研究。

本文十字路口交通灯控制系统主要用于处理十字路口车辆及行人通过的问题，使其减少相互干扰，提高了十字路口的通行能力。

本文总结了交通灯控制技术的发展过程，讨论了基于PLC的十字路口交通信号灯
控制系统的设计可行性。

根据PLC的工作原理并结合当前城市交通的实际状况，本文
提出了以西门子300型PLC作为基本控制核心，安排了四个方向的红黄绿灯，人行道
具体配置；设计完成了PLC的I/O端口分配和控制程序；
关键词：十字路口；信号灯；PLC；西门子；
Abstract
With the development and progress of society and improve people's living standards , more and more vehicles on the road , but the corresponding highway facilities without a corresponding improvement , which led to a prominent problem of urban traffic congestion , and more than a crossroads where congestion Survey Office mouth and other vehicles . Traffic is an important manifestation of the development of modern society , but also an important foundation for social development . Transportation is the lifeblood of the city functional activities , which directly affects all aspects of social and economic life . In the world , along with the rapid growth of population density , urbanization continues to accelerate the pace of traffic problems become more serious . Dragon its international metropolis , traffic congestion has been caused tremendous energy losses and environmental pollution , but also to people's lives brought great distress. In China , the situation is particularly prominent on how to improve traffic light control system in order to better adapt to the current traffic jam condition , become the subject of competing research paper on the issue to give a deep study . This article crossroads traffic light control system is mainly used to handle the problem vehicles and pedestrians through the intersection to reduce the mutual interference and improve the capacity of the intersection .
This paper summarizes the traffic light control technology development process, discusses the design feasibility of traffic lights at the crossroads of PLC -based control system . According to the working principle of PLC and with the current actual situation of urban traffic , this paper presents Siemens 300 PLC as the basic control core , arranged in four directions red, yellow, green , sidewalks specific configuration ; design complete PLC 's I / O ports distribution and control program ;
Keywords: crossroad; traffic light; PLC; Mitsubishi Corporation; remote controller
摘要 (I)
1 绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 课题的背景 (1)
1.3课题研究的目的意义 (2)
1.4 国内外现状及未来发展趋势 (3)
2 PLC的基本知识 (5)
2.1 PLC的发展历程 (5)
2.2 PLC的发展趋势 (6)
2.3 PLC的基本结构 (7)
2.4 PLC的工作原理 (10)
3 控制系统总体方案与技术要求 (12)
3.1 课题研究的主要内容 (12)
3.2 交通繁忙时控制方式 (13)
3.3 急车强通控制方式 (13)
3.4 PLC的功能特点 (14)
3.5 西门子S7-300 PLC (16)
3.6 本章小结 (18)
4 信号灯控制系统的设计 (19)
4.1 信号灯结构设计 (19)
4.2程序梯形图 (20)
4.3仿真图像（部分） (20)
4.4 本章小结 (20)
结论 (22)
致谢 (23)
参考文献 (24)
附录 (26)
1.1 引言
可编程控制器（programmable controller）属于微型计算机的一种，并且最早为工业控制应用而设计制造。

由于其在最初功能上只可实现定时、计数以及逻辑控制等功能，故也被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。

它具有可靠性高，功能完善，抗干扰性好、结构简单、编程方便、体积小、重量轻等优点，是一种专门用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统并且主要用来代替继电器实现逻辑控制。

PLC以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、网络技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制自动化装置。

随着现代技术的发展，该装置在功能及构造上己经远远超过了早期的PLC。

交通问题是现代社会发展的一个重要表现，同时也是社会发展的重要依托。

交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济与生活的各个方面。

在世界范围内，随着人口密度高速增长，城市化的脚步不断加快，交通问题日渐严重。

龙其在国际性大都市，拥挤的交通己经造成了巨大的能源损失和环境污染，同时也给人们的生活带来了巨大的困扰。

在我国，这个情况尤为突出。

本课题通过深入地研究PLC的硬件结构与工作方式，成功地将PLC与十字路口交通信号灯联系起来，初步解决了交通拥堵问题。

系统地设计了基于PLC的十字路口交通信号灯控制系统，对包括具体信号灯配置、硬件与软件的设计在内的控制环节进行了深刻研究，并且探索了手持式无线遥控装置对于信号灯的控制。

1.2 课题的背景
随着社会的发展和进步以及人民生活水平的提高，上路的车辆越来越多，但相应的公路设施却没有相应的改善。

这就导致了城市交通拥堵问题突出，而且拥堵的地方多是十字路口等车辆汇集处。

在世界各大城市，交通堵塞尤为严重，尽管人们发明了红绿灯，修建了立交桥，但是交通堵塞问题始终没有解决，使之成为世界性的难题。

但城市中的交通堵塞状况严重与否还是或多或少地反映出所在城市的经济发达程度和所处的发展阶段。

大多数人选择汽车的初始动机主要是为了出行快捷和节省时间，然而由于交通堵塞所造成的出勤的低效率，往往使得人们的愿望与实际结果产生较大的差异。

目前国内城市人口密集区，机动车和非机动车数量讯速增长，严重匮乏且陈旧的道路交通设施、布局不尽合理的城市路网已经不堪重负，这些都导致了城区交通拥堵频繁、交通秩序混乱等问题。

特别是早晚行车流量高峰期，道路人流、车流量基本处于饱和或超饱和状态，车辆行驶缓慢，加上小商贩占道摆摊设点、车辆随意停乱放，使得蚕食、侵占道路现象比较突出，而“行车难、停车难”已越来越成为中心城区内的一种常态，是城市交通管理的难点和热点。

随着城镇人口不断增长，机动车、非机动车拥有量还会逐
年递增，城市安全设施建设的滞后性凸显，交通违法事故、治安事件时有发生，城市安全防控已成为了整个社会所关注的焦点。

从相关部门的事后查处的结果来看，造成这些现象其中的一个重要原因就是机动车驾驶员在交警视线外违法行驶的情况非常普遍，交通参与者的交通安全意识普遍偏低。

随意违法的问题也在很大程度上反映了我区交通秩序管理缺乏科技手段给予支撑的问题，这些都成为我区道路交通事故处在多发态势的主要原因。

面对日益严重的交通拥堵问题，想要仅仅依靠行政措施是远远不够的。

解决交通问题还应该利用科技力量对城市交通进行有效的管理，如何对异常的交通拥堵等交通事件进行有效的监督管理，是城市实现智能交通时需要考虑的重点之一。

利用交通灯对车流进行管理，无疑是最为便捷且最为行之有效的方法。

眼下一个极为迫切的问题就是如何优化目前的交通信号灯系统。

1.3课题研究的目的意义
交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济与生活的各个方面。

在世界范围内，随着人口密度高速增长，城市化的脚步不断加快，交通问题日渐严重。

龙其在国际性大都市，拥挤的交通己经造成了巨大的能源损失和环境污染，同时也给人们的生活带来了巨大的困扰。

在我国，这个情况尤为突出。

这就说明了交通路口的车辆指挥工作是极为重要的一环，而疏导交通的主要工具.交通信号灯的性能就更为重要。

以往的交通灯大都采用继电器或单片机来实现，虽然简单可控成本低，但同时也存在着功能少，可靠性较差，维护量很大等缺点。

目前我国的交通信号灯主要靠单片机甚至是更初级的控制方式。

该控制方式虽然简单易行，但由于单片机工作稳定性差、易受外界干扰、可实现功能少且联网性差，己越来越不能适应现代化都市对于交通控制的需求。

而国内外到目前为止尚无完善的解决方案，这就为PLC的研发应用提供了广阔的空间。

PLC控制的信号灯的出现使得该问题迎刃而解。

和单片机控制的十字路口信号灯相比，用PLC进行控制主要是考虑PLC具有很强的环境适应性，同时其内部定时器资源非常丰富，可对交通灯进行精确控制。

PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、网络技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制自动化装置。

可靠性高，功能完善，抗干扰性好、具有结构简单、编程方便、体积小、重量轻等优点，是一种专门用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统。

PLC对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源丰富，可实现精确控制，且具有通讯联网功能，可以将相关路口统一调度管理。

并且由于PLC内部均配有实时时钟，因此通过PLC控制可对交通灯实施全天候无人化管理。

另外因为PLC具有通信联网功能，所以可以将同一条道路上的交通灯组成
局域网进行的统一调度管理，这样就可以缩短车辆等候时间，进而实现科学化管理。

该课题的提出和研究有利于填补国内外PLC应用领域的空白和不足，充分发挥PLC在现代工业控制中的优越性。

也正是因为如此，如何充分地利用PLC系统的控制优势，使其适应现在的交通状况，成为竞相研究的课题。

1.4 国内外现状及未来发展趋势
1.4.1 国外发展现状
在交通信号灯的控制方面，国外尤其是欧美等发达国家，PLC控制的交通信号灯在大中城市甚至是小城填也早己数见不鲜。

在日常出行中，高质量的交通信号无疑也对车的智能控制和减少交通拥堵上起到了至关重要的作用。

而且由于PLC具有高可靠性和超长寿命的优点，平时并不需要人工维护，这在人力资源奇缺的西方发达国家来说，是节约劳动力的最好方式。

目前，世界上大约有200家PLC生产厂商，400多品种的PLC产品，按地域来说可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品也都各具自己的特色。

如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC设计先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位,以PLC为基础的红绿灯在各大城市并不少见，各个PLC生产公司也因此大获其利。

就这一角度来说，以PLC控制的信号灯将极具竞争力。

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其在应用方面受到了限制。

但近十多年以来，PLC的应用面却越来越广。

究其原因，主要是一方面由于微处理器芯片有关的元件价格大为下降，这使得PLC的成本迅速下降；另一方面PLC的功能大大增强，也能够解决复杂的计算以及通信问题。

PLC的应用范围通常可分成5种类型，它们分别是：顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理和通信网络。

在工业自动化领域中，国外的PLC己经成为大多数自动化系统的设备基础，由于综合了计算机和自动化技术，PLC的发展更是日新月异，现在己经很大程度地超过了其刚刚出现时的技术水平。

1.4.2 国内发展现状
虽然PLC在国外的研究己得到了长足的进步，但我国工业企业的自动化程度还普遍较低，不仅PLC产品应用范围有限，生产PLC的厂家也是凤毛麟角，如机械行业80%以上的设备仍然采用传统的继电器和接触器进行控制。

PLC在我国的应用潜力远远没有得到充分发挥，PLC产品还有着很大的应用空间。

虽然我国大中型企业普遍采用了先进的自动化系统对生产过程进行控制，但绝大部分的小型企业还尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。

对于交通灯这种技术要求不太高的控制，与PLC有关的研究更是无人问津。

近几年来，随着上路的车辆越来越多，与此同时城市交通拥堵问题日益突出，城市交通问题己成为了关乎人民正常生活与否的重要一环。

合理的交通控制方法能有效的缓解交通拥挤、减少尾气排放及能源消耗、缩短出行延时，改善我国独有的交通问题，所以对交通信号控制方法的研究具有重大意义。

当前我国的十字路口信号灯还主要靠单片机控制，该控制方式虽然简单易行，但由于单片机工作稳定性差、易受外界干扰、可实现功能少且联网性差，己越来越不适应现代化都市对于交通的需求。

本文要研究的由PLC控制十字路口交通信号灯正是为了解决上述问题运应而生。

PLC凭借其高精度、高可靠性及长寿命为其在交通信号灯的控制上提供了巨大的发展空间。

我国在“十五”规划中就已明确提出了“用信息化带动工业化”的发展计划，大量传统产业的自动化改造将为PLC控制。

我国的工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，按目前的经济形势分析，我国将迎来一个PLC市场高速增长的时期。

1.4.3 未来发展趋势
和单片机控制的十字路口信号灯相比，用PLC进行控制主要是考虑PLC具有很强的环境适应性，同时其内部定时器资源非常丰富，可对交通灯进行精确控制。

由于PLC内部均配有实时时钟，因此通过PLC控制可对交通灯实施全天候无人化管理。

另外因为PLC 具有通信联网功能，所以可以将同一条道路上的交通灯组成局域网进行的统一调度管理，这样就可以缩短车辆等候时间，进而实现科学化管理。

正是由于PLC较之单片机及其它控制的种种优点，以PLC取代城市现有的交通灯控制方法是势在必行的。

城市的交通系统是一种时刻变化且非线性的系统。

以往的交通控制方面的研究多倾向于实际操作的考虑而非基于理论控制的方法。

近年来，随着众多研究控制理论的学者教授的参与，城市交通的自动控制领域方面的研究出现了新的思路和方法，人工智能是新的研究方法之一。

人工智能是将PLC控制与智能化计算机结合，利用模糊控制与神经网络控制的技术进行十字路口交通信号灯控制能够取得比定时控制更为有效的结果。

这是今后的交通信号灯的主要研究方向。

将模糊控制和神经网络控制两者结合起来用于十字路口交通信号灯的控制将很有可能成为今后交通信号灯控制研究的重点，所以对其进行一次系统全面的研究是十分必要的。

2PLC的基本知识
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），即PLC是计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的一种数字运算操作的电子系统，现已广泛应用于工业控制的各个领域。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

可编程序控制器具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

2.1 PLC的发展历程
在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。

但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。

1968年美国通用汽车公司（G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。

于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。

1969年美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。

从此这项技术迅速发展起来。

早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller ）。

随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪70年代中期微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。

20世纪80年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。

PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。

PLC的发展过程总的来说大致可以分为如下几个阶段：
1970—1980年：PLC的结构定型阶段。

在这一阶段，由于PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但
迅速被淘汰。

最终以微处理器为核心的现有PLC结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展.推广。

PLC的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟，PLC的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。

1980—1990年：PLC的普及阶段。

在这一阶段，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，PLC被迅速普及。

各PLC生产厂家产品的价格.品种开始系列化，并且形成了固定I/O点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。

PLC的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。

比如三菱公司本阶段的主要产品有F.F1.F2小型PLC系列产品,K/A系列中、大型PLC产品等。

1990—2000年：PLC的高性能与小型化阶段。

在这一阶段，随着微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PLC的CPU运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发，PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。

此外，PLC的体积大幅度缩小，出现了各类微型化PLC。

三菱公司本阶段的主要产品有FX小型PLC系列产品，AIS/A2US/Q2A系列中，大型PLC系列产品等。

2000年至今：PLC的高性能与网络化阶段。

在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC的各种功能不断进步。

一方面，PLC在继续提高CPU运算速度、位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。

与此同时，PLC的网络与通信功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接传统的编程与通入/输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。

2.2 PLC的发展趋势
PLC发展至今已有近40年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天覆地的变化，PLC亦再不断的发展，挣朝着新的技术发展。

PLC的发展主要有三大趋势。

(1). PLC网络化技术的发展，其中有两个趋势。

一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除外形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分；另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能仪表、传感器、智能型电磁阀、智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质(比如双绞线、同轴电缆、光缆)链接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩展更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。

(2) .PLC向高性能小型化方向发展。

PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。

比如三菱的FX-IS系列PLC，最小的机种，体积仅为60×90×75mm，相当于一个继电器，
但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。

PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。

从这种意义上说，PLC系统与DCS(集散控制系统)的差别越来越小了，用PLC同样可以构成一个过程控制系统。

(3). PLC操作向简易化方向发展。

目前PLC推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步，而且不同厂商PLC所有编程的语言也不尽相同，用户往往需要掌握更多种编程语言，难度较大。

PID控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程时，需要熟悉有关的特殊存储器的意义，在编程时对它们赋值，运行时通过访问它们来实现对应的功能。

这些程序往往还与中断有关，编程的过程既繁琐又容易出错，阻碍了PLC的进一步推广应用。

PLC的发展必然朝着操作简化对复杂任务的编程，在这一点上三菱系列的PLC就充当了先行者，三菱FX2N系列的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。

2.3 PLC的基本结构
可编程逻辑控制器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相同，其基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，见图2-1。

PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。

图2-1PLC控制系统。