基于 PLC 的交通灯控制
摘 要：PLC 可编程序控制器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。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM 将成为工业生产的三大支柱。由于 PLC 具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC 应用于交通灯系统中。同时，PLC 本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。
本文选择三菱可编程控制器 FX2N 为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图进行编程，实现了十字路口交通灯控制系统的自动化。
关键词: PLC；交通控制；自动化
Traffic Light Control Design Based On PLC
Abstract: The programmable preface in PLC controller is a kind of new industry controls the device, it regard microprocessor as the foundation, synthesizing the calculator technique, automatic control technique to develop with the communication technique .It has the construction simple, the plait distance is convenient, high etc. in dependable advantage, already extensive used for the industry process with the automatic control of the position inside. The expert thinks, the programmable controller will become the main means that aftertime industry control with the one of the important foundation equipments, the PLC, robot, CAD/ CAM will become three major of pillar that industry produce. Because the PLC has to the strong characteristic in adaptability in environment in usage, its inner part settles at the same time the machine resources is abundant very, can to current widespread usag
e of" enter the type gradually" the signal beacon proceeds the precision controls, special the ocular control in a many branch roads can realizes expediently. So that is applied the PLC more and more now in transportation light system inside. At the same time, PLC still have the communication internet function, constitute the same of the signal
beacon on the road of bureau area net proceeds to unify to adjust a management, can shorten the vehicle go through waiting time, realizing scientific management.
This paper chooses Mitsubishi PLC FX2N as the main components, focus on the hardware interface design, make use of the ladder diagram form to carry out a program, the realization of the traffic lights at the crossroads automation control system.
Key Words: PLC; Traffic Control; Automation
1 绪论
1.1 交通灯的发展史
红绿灯（交通信号灯）是以规定时间交互更迭的光色讯号，设置于交岔路口或其它特殊地点，用以将道路通行权指定给车辆驾驶人与行人，管制其行止及转向的交通管制设施。以红、黄、绿三色灯号或辅以音响，指示车辆及行人停止、注意与行进。
红绿灯的起源可追溯到 19 世纪初的英国。1868 年英国机械工程师德.哈特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上设计安装了世界上最早的煤气红绿灯。制造的灯柱高 7 米，身上挂着一盏红绿两色的提灯—煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲的牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它由红绿两个旋转式方形玻璃提灯组成红色表示“停止”绿色表示“注意”。1869 年 1 月 2 日只面世 23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命，遂被取消。
1914 年，克里夫兰市率先在街道中恢复交通信号灯，随后纽约、芝加哥等城市也开始出现。这时的交通信号灯已从煤气进化为电气，这与现代的交通信号灯已经没有多少差距，除了信号灯本身，美国人还完善了信号控制系统。于是红黄绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
关于黄色信号灯的发明有不同说法。一种说法称黄灯的发明者是中国人胡汝鼎，时间是 1927 年。据《解放日报》报道，这种说法并不可靠。1899 年，美国铁路系统就使用了三色灯，其中黄色代表“谨慎”。公路方面，1920 年 10 月，美国就已经安装了三色的信号灯。另一种说法是美国警察威廉.波茨发明了第一盏红黄绿三色、四方向的交通信号灯，并在 1920 年 10 月投入使用，其三色灯光的含义与今天基本一致。
中国最早的红绿灯出现在上海的英租界。有资料显示，早在 1923 年，上海公共租界开始在部分十字路口使用机械装置指示车辆停止和前进，该年 4 月 13日，南京路两个重要十字路口，最先安装红绿灯交通信号装置。
1.2 课题研究背景
在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着社会的不断发展，城市交通问题也越来越引起人们的关注，人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。交通信号灯常用与交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控重要的组成部分。
传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结构复杂，可靠性低，故障发。PLC 采用软件控制方式，控制系统一旦构成便可在机械装置研制之前根据技术要求独立进行应用程序开发。
2.4 PLC 的分类
PLC 的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此，PLC 的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、控制规模、实现的功能进行大致的分类。
（1）按结构形式分类
PLC 按照硬件的结构形式可以分为整体式和组合式。整体式 PLC 外观上是一个长方形箱体，又称为箱式 PLC。组合式 PLC 在硬件构成上具有一定的灵活性，其规模可以像拼积木一样的进行组合，构成具有不同控制规模和功能的 PLC，因此这种 PLC 又称为积木式 PLC。
整体式 PLC：整体式 PLC 的 CPU、存储器、输入输出安装在同一机体内，这种结构的特点是：结构简单，体积小，价格低；输入输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。
组合式 PLC：组合式 PLC 为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽可安装一个 PLC 模块，不同的模块实现不同的功能。PLC 的 CPU、存储器和电源等做成一个模块，该模块在总线版上的安装位置一般来说是固定的，而且该模块也是构成组合式 PLC 所必需的。其他的模块根据 PLC 的控制规模、实现的功能选取，安装在总线版的其他任一总线槽上。组合式 PLC 安装完成后，需进行登记，使 PLC 对安装在个总线上的模块进行确认。组合式 PLC 的总线板又称为基版。组合式 PLC 的特点是系统构成灵活性高，可构成具有不同控制规模和功能的 PLC；价格较高。
（2）按控制规模分类
输入/输出的总线数，又称 I/O 点数，是表征 PLC 控制规模的重要参数。因此，按控制规模对 PLC 分类时，可根据 I/O 点数的不同大致分为小型、中型和大型 PLC。
小型 PLC：I/O 点数较少，在 256 点以下的 PLC。
中型 PLC：I/O 点数较多，在 256 点以上、2048 以下的 PLC。
大型 PLC：I/O 点数较多，在 2048 点以下的 PLC。
（3）按实现的功能分类
按照 PLC 所能实现的功能的不同，可以把 PLC 大致的分为低档、中档、和高
档机三类。
一般地，低档机多为小型 PLC，采用整体式机构；中档机可为大、中、小型 PLC，其中小型 PLC 多采用整体式结构，中型和大型 PLC 多采用组合式结构；高档机多为大型 PLC，采用组合式结构。
目前，在国内工业控制中应用最广泛的是中、低档机。
2.5 PLC 的基本结构和工作原理
2.5.1 PLC 的基本结构
各种 PLC 的组成结构基本相同。PLC 专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，由硬件和软件两部分组成。硬件配置主要由 CPU、电源、存储器、和输入/输出接口电路等组成。PLC 的基本结构如图 2-1 所示。
图 2-1PLC 的基本结构图 输出方式最常用，适用于交、直流负载，其特点是带负载能力强，但动作频率与响应速度慢；晶体管输出适用于直流负载，其特点是动作频率高，响应速度快，但带负载能力小；晶闸管输出适用于交流负载，响应速度快，带负载能力不大。
其他部件：有些 PLC 还可以有 ERROM 写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强 PLC 的存储容量和扩展功能。
2.5.2 PLC 的工作原理
PLC 的 CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100ms 以上，而 PLC 扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此，PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。这样在对于 I/O 响应要求不高的场合，PLC 与继电
器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
当 PLC 投入运行后其工作过程一般分为三个阶段即输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间 PLC的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映像区中的相应得单元内。输入采样结束后转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映像区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（3）输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型 PLC，I/O 点数较少，用户程序较短，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，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
在 PLC 的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。PLC 梯形图中别的编程元件也
有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。
PLC 的扫描工作过程如图 2-2、图 2-3 所示。
图 2-2 PLC 的扫描工作过程图
3 交通灯系统设计
3.1 控制系统的控制要求
信号灯受启动及停止按钮的控制，当按下启动按钮时，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环工作，当按下停止按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号灯都熄灭。
（1）控制要求：
南北主干道
绿灯亮 20S 绿灯闪 3S
黄灯亮 2S 红灯亮 25S
南北人行道
红灯亮 30S 绿灯亮 17S 绿灯闪 3S
东西主干道
红灯亮25S 绿灯亮20S 绿灯闪3S 黄灯亮2S 东西人行道
绿灯亮 17S 绿灯闪 3S
红灯亮 30S （2）正常循环控制方式：
交通灯变化顺序表（单循环周期 50 秒）：
1）南北向（列）和东西向（行）主干道均设有绿灯 20S，绿灯闪亮 3S，黄灯 2S 和红灯 25S。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮和黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，
绿灯闪亮和黄灯。
2）南北向和东西向人行道均设有通行绿灯和禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南北向主干道直行绿灯点亮 3S 后才允许点亮，然后接 3S 绿闪，其他时间为红灯；同样，东西人行道通行绿灯于东西向主干道直行绿灯点亮 3S 后才允许点亮，然后接 3S 绿闪，其它时间为红灯。
（3）急车强通控制方式：
1）急车强通信号受急车强通开关控制。无急车时，按正常循环时序...