基于PLC的交通灯设计

殷占伟

摘  要：本论文在目前交通控制系统实现的基础上，进行深入分析，对交通高峰期的车辆通过数量进行检测，对交通灯的时间进行实时调整，达到交通控制系统最优化的实现和应用。本系统设计的交通灯控制系统主要由可编程控制器、探测器、执行机构等组成。可编程控制器作为控制系统的大脑，按照工艺说明分析，对各种外部输入信号按照系统的工艺分析结果及程序设计流程，完成系统各项工艺功能的实现，通过上位机系统将当前的状态进行显示和参数设定等控制。按照方案的选择和设备型号的选择，采用可编程控制器的系列是西门子S7-200系列，而此系列的特点非常突出，并且其设计比较小巧，功能强大，运行稳定。本系统设计首先是在对系统熟悉的基础上概述工艺，明确系统设计的全部内容，并且根据内容来作工艺控制的方案，完成系统硬件部分的型号选择计算以及总体控制方案的设计。在此前提下对硬件进行分析，然后根据此来设计图纸，而完成图纸设计之后，并作工艺流程图设计，再实施编写程序，通过程序仿真设计联机调试和修改，系统安全可靠、使用灵活、扩展性强、开发周期短，后期修改方便，达到本设计的工艺要求，以及为后期系统升级改造创造条件。

关键词：可编程控制器  交通灯  流量控制

第一章 绪论

随着城市人口不断增多，人们出行的交通工具越来越多，以及目前交通道路资源的局限性，城市交通控制系统应运而生，在交通管制方面起着极其重要的作用。本论文通过对交通高峰期的车辆通过数量进行检测，对交通灯的时间进行实时调整，达到交通控制系统最优化的实现和应用，从而实现本设计的工艺要求。

编程可控制器在最近几年突飞猛进，其先进技术和工艺享有赞誉，且在很多制造企业中，其都充分发挥优越性和特点，并且深受制造业追捧与热爱。为了保证交通灯控制系统顺利设计完成，详细的设计思路如下几点：

（1）对交通灯控制系统的资料进行查询，了解详细的控制工艺，对国内外研究现状进行分析，进行系统设计策略分析。

（2）详细分析控制系统的工艺策略，明确工艺控制的信号输入和输出，选择最佳控制策略，并完成与系统相关的电气选型和计算，确定具体的控制方案。

（3）对系统进行硬件设计思路分析，明确图纸设计的具体内容，考虑系统安全保护、预留扩展等，完成硬件图纸设计和接线分析。

（4）按照系统控制策略方案和硬件设计图纸，进行程序流程的工艺分析，系统不同功能间都能够根据程序来完成流程设计，继而进行程序编写与调试工作，达到控制的要求。

第二章 交通灯控制系统的总体设计

2.1交通灯的工艺分析

（1）东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。

（2）东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向紅灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

（3）南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。

（4）南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

东西南北四个路口都有三个灯，分别为红绿黄，不管是在哪个路口，如遇到绿灯，便预示着可通行状态，如遇红灯，则预示着不可通行状态，如遇黄灯，则预示着止行、等行状态。

2.2 可编程序控制器的选型

在工业中，为了实现控制环境，则需利用可编程控制器来操作，该电子系统，主要是利用逻辑控制与数字运算集合的形式，来进行操作，工业利用率很高，范围很广。可编程控制器利用专门编程软件，完成工艺程序编制与设备组态等，来实现工业现场逻辑控制运算、顺序功能控制、时间控制、计数控制以及各种数据计算和控制，达到工业现场系统自动化、智能化的工艺控制目的。可编程控制器将先进的自动化控制技术、计算机硬件和软件技术、通信科学技术等多领域的学科融为一起，形成强大的电子控制产品。就当前工业自动化发展趋势而言，可编程控制器是最重要、能够在各种场合下实现控制的工业工控产品。在本次系统设计中，主要是利用西门子S7-200小型的PLC来完成主控制器设计。

S7-200可编程控制器具有很高的可靠性能，指令集比较丰富，可以进行各种功能的设计编译，具有强大的通信功能，可以和上位机进行通信，具有丰富的扩展模块，最多可以连接7个扩展功能模块。

2.3 传感器的介绍及选型

本系统设计，选择欧姆龙公司生产的EE-SPY402凹槽型传感器作为本系统的位置检测元件。该光电传感器的电源为DC24V，可以传感检测的距离为0.2CM-200CM之间，并且可以进行调节。该产品的示意图如下图2-5所示。

EE-SPY402凹槽型光电传感器采用五线制，五根线的颜色分别为棕色、蓝色、白色、黑色、黄色。在这五根线当中，每个颜色所代表的线路不同，电极也存在差异，其中棕色线为DC24V电源的正极，蓝色线为DC24V电源的负极，黑色线为辅助输出的公共线，白色线为NO输出端子接线，黄色线为NC输出端子接线。通常使用时，首先要对该传感器进行通电，电源电压为DC24V，可编程控制器的输入部分公共线接入黑色线，按照系统设计需要接常开触点，可编程控制器的输入接线和白色线连接。当外部的信号检测到，信号检测电路输出信号，可编程控制器的输入端子将通电，输入信号指示灯亮。

2.4 交通灯控制系统的方案确定

本系统设计S7-200对交通信号灯的状态变化进行控制，并且采用光电传感器进行车流量的检测，将检测的信根据采集的数据进行运算，判断出当前的交通流量状态，进而对交通灯的延时时间进行调整，进一步优化交通灯控制系统，改善交通情况。具体框图如下图2-3所示。

第三章 交通灯控制系统的硬件设计

3.1 系统硬件的设计分析

按照交通灯控制系统的设计工艺以及总体方案设计，对该系统的硬件部分进行详细设计。认真学习掌握设备选型元件的工作原理和具体接线方法，结合系统的硬件设计要求，设计出适合本系统的硬件图纸。特别是可编程控制器的硬件接线，认真考虑分析电源部分、输入接口部分及输出接口部分的具体接线，确保界限准确无误。电动机部分接线要确保电动机运行的保护作用。为了提高系统的稳定性，在控制电路中要考虑现场条件的干扰影响，采取措施。

3.2控制系统的硬件设计

通过I/O分配设计，将快速准确的判断系统状态，非常方便。输入输出I/O信号统计如下图3.1所示。

可编程控制器的硬件接线按照该型号PLC的硬件手册分为三部分设计。首先是电源部分设计，采用开关电源供电，输入DC24V直流电，电源接线端子分别为M、L+。其中M端子接负极，L+端子接正极。其次是输入接口的电路设计，输入接口部分公共端子为M端子，该端子接负极，外部主令按钮或开关的一端接入24V正极，而另外一端是接对应端子，例如，端子为外部输入原件，该元件的一端接24V，另一端接入I0.0接口，当该元件动作，I0.0接口有电压输入，输入指示灯亮。最后是输出接口的电路设计，输出接口部分的公共端子为L+，该端子接24V正极，执行元件线圈的一端接输出信号，另一端接负极。比如外部输出元件KA1，一端接Q0.0，另一端接负极。

第四章 交通灯控制系统的软件设计

4.1控制系统流程图分析

根據设计要求，分析出交通灯的正常时序流程图如图4-1所示。

4.2 梯形图程序设计

南北红灯工作时，便将Q0.1南北红灯接通，此时，理所当然的，南北红灯指示，变亮;东西绿灯工作时间时，将Q0.2东西绿灯输出接通，东西绿灯指示灯亮;当东西黄灯工作时间时，将Q0.3东西黄灯输出接通，外部东西黄灯指示灯亮;当东西红灯工作时间时，将Q0.4东西红灯输出接通，东西红灯指示，变亮;当南北绿灯工作时间时，将Q0.5南北绿灯输出接通，外部南北绿灯指示灯亮;当南北黄灯工作时间时，将Q0.6南北黄灯输出接通，外部南北黄灯指示灯亮;如果报警，将Q0.0报警输出接通，外部报警指示灯亮。外部车流检测计数器工作，当60秒内检测到车流量大于15的时候，将60秒赋值给VW60;55秒赋值给VW62;3秒赋值给VW64;2秒赋值给VW66。当60秒内检测到车流量小于15时，将30秒赋值给VW60;25秒赋值给VW62;3秒赋值给VW64;2秒赋值给VW66。

南北红灯工作时间时，将Q0.1南北红灯输出接通，外部南北灯，指示变亮;当东西绿灯工作时间时，将Q0.2东西绿灯输出接通，外部东西绿灯指示灯亮;当东西黄灯工作时间时，将Q0.3东西黄灯输出接通，外部东西黄灯灯亮;当东西红灯工作时间时，将Q0.4东西红灯输出接通，外部东西红灯指示灯亮;当南北绿灯工作时间时，将Q0.5南北绿灯输出接通，外部南北绿灯指示灯亮;当南北黄灯工作时间时，将Q0.6南北黄灯输出接通，外部南北黄灯指示灯亮;如果报警，将Q0.0报警输出接通，外部报警指示灯亮。如图4.3所示。

4.3 交通灯信号输出程序

总结

按照交通灯控制系统的设计工艺要求，对交通灯进行了PLC控制系统设计，设计包括工艺分析、选型设计、方案确定、硬件图纸、软件程序等设计，达到了设计的基本工艺要求，为后期设计起到借鉴作用。本系统的设计，工艺比较复杂，特别在可编程控制器的硬件和软件方面，进行详细的工艺设计。

参考文献

[1]田径.基于车流量的信号灯系统研究[J].河南科技学院学报，2016.4：23-26.

[2]吴国文.交通灯控制系统设计与仿真[J].现代电子技术，2016.3：32-36.

[3]宋怡青.交通灯控制系统的设计[J].计算机测量与控制，2018.04：21-24.

[4]秦伟.交通灯控制系统的程序设计及实现[J].现代电子技术，2014.3：22-26.

[5]于泉.城市交通信号控制基础[M].冶金工业出版社，2014.3：22-26

[6]周蔚吾.交通信号灯控制设置技术手册[M].知识产权出版社，2014.3：42-46

[7]王伟峰.交通灯控制系统发展分析[J].计算机测量与控制，2013.04：51-54.

[8]刘贤.交通灯控制系统的设计及实现[J].现代电子技术，2017.3：62-66.

[9]路林吉.PLC应用开发技术与工程实践[M].人民邮电出版社，2019.4.8

[10]陈立定.电气控制与可编程控制器[M].华南理工大学出版社，2016.2

[11]何衍庆.可编程控制器原理及应用技巧[M].化学工业出版社，2013.1.1