基于PLC交通燈控制

　基于 PLC 的交通燈控制

　 摘 要：PLC 可編程序控制器是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術發展而來的一種新型工業控制裝置。它具有結構簡單、編程方便、可靠性高等優點，已廣泛用于工業過程和位置的自動控制中。專家認為，可編程控制器將成為今后工業控制的主要手段和重要的基礎設備之一，PLC、機器人、CAD/CAM 將成為工業生產的三大支柱。由于 PLC 具有對使用環境適應性強的特性，同時其內部定時器資源十分豐富，可對目前普遍使用的“漸進式”信號燈進行精確控制，特別對多岔路口的控制可方便地實現。因此現在越來越多地將PLC 應用于交通燈系統中。同時，PLC 本身還具有通訊聯網功能，將同一條道路上的信號燈組成一局域網進行統一調度管理，可縮短車輛通行等候時間，實現科學化管理。隨著社會經濟的發展，城市交通問題越來越引起人們的關注。

　本文選擇三菱可編程控制器 FX2N 為核心部件，著重進行硬件接口設計，利用梯形圖進行編程，實現了十字路口交通燈控制系統的自動化。

　關鍵詞: PLC；交通控制；自動化

　 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 緒論

　1.1 交通燈的發展史

　紅綠燈（交通信號燈）是以規定時間交互更迭的光色訊號，設置于交岔路口或其它特殊地點，用以將道路通行權指定給車輛駕駛人與行人，管制其行止及轉向的交通管制設施。以紅、黃、綠三色燈號或輔以音響，指示車輛及行人停止、注意與行進。

　紅綠燈的起源可追溯到 19 世紀初的英國。1868 年英國機械工程師德.哈特在倫敦威斯敏斯特區的議會大廈前的廣場上設計安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。制造的燈柱高 7 米，身上掛著一盞紅綠兩色的提燈—煤氣交通信號燈，這是城市街道的第一盞信號燈。在燈的腳下，一名手持長桿的警察隨心所欲的牽動皮帶轉換提燈的顏色。后來在信號燈的中心裝上煤氣燈罩，它由紅綠兩個旋轉式方形玻璃提燈組成紅色表示“停止”綠色表示“注意”。1869 年 1 月 2 日只面世 23天的煤氣燈突然爆炸自滅，使一位正在值勤的警察也因此斷送了性命，遂被取消。

　1914 年，克里夫蘭市率先在街道中恢復交通信號燈，隨后紐約、芝加哥等城市也開始出現。這時的交通信號燈已從煤氣進化為電氣，這與現代的交通信號燈已經沒有多少差距，除了信號燈本身，美國人還完善了信號控制系統。于是紅黃綠三色信號燈即以一個完整的指揮信號家族，遍及全世界陸、海、空交通領域了。

　關于黃色信號燈的發明有不同說法。一種說法稱黃燈的發明者是中國人胡汝鼎，時間是 1927 年。據《解放日報》報道，這種說法并不可靠。1899 年，美國鐵路系統就使用了三色燈，其中黃色代表“謹慎”。公路方面，1920 年 10 月，美國就已經安裝了三色的信號燈。另一種說法是美國警察威廉.波茨發明了第一盞紅黃綠三色、四方向的交通信號燈，并在 1920 年 10 月投入使用，其三色燈光的含義與今天基本一致。

　中國最早的紅綠燈出現在上海的英租界。有資料顯示，早在 1923 年，上海公共租界開始在部分十字路口使用機械裝置指示車輛停止和前進，該年 4 月 13日，南京路兩個重要十字路口，最先安裝紅綠燈交通信號裝置。

　 1.2 課題研究背景

　在現代城市中，人口和汽車日益增長，市區交通也日益擁擠，人們的安全問題也日益重要。因此，一個好的交通燈控制系統，將給道路擁擠、違章控制等方面給予技術革新。隨著社會的不斷發展，城市交通問題也越來越引起人們的關注，人、車、路三者關系的協調，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。交通信號燈常用與交叉路口，用來控制車的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故。有了交通燈人們的安全出行有了很大的保障。城市交通控制系統是用于城市交通數據監測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統，它是現代城市交通監控重要的組成部分。

　傳統的交通信號燈控制一般采用電子線路和繼電器實現，結構復雜，可靠性低，故障發。PLC 采用軟件控制方式，控制系統一旦構成便可在機械裝置研制之前根據技術要求獨立進行應用程序開發。

　2.4 PLC 的分類

　 PLC 的種類很多，其實現的功能、內存容量、控制規模、外型等方面均存在較大的差異。因此，PLC 的分類沒有一個嚴格的統一標準，而是按照結構形式、控制規模、實現的功能進行大致的分類。

?。?）按結構形式分類

　 PLC 按照硬件的結構形式可以分為整體式和組合式。整體式 PLC 外觀上是一個長方形箱體，又稱為箱式 PLC。組合式 PLC 在硬件構成上具有一定的靈活性，其規?？梢韵衿捶e木一樣的進行組合，構成具有不同控制規模和功能的 PLC，因此這種 PLC 又稱為積木式 PLC。

　整體式 PLC：整體式 PLC 的 CPU、存儲器、輸入輸出安裝在同一機體內，這種結構的特點是：結構簡單，體積小，價格低；輸入輸出路數固定，實現的功能和控制規模固定，靈活性較低。

　 組合式 PLC：組合式 PLC 為總線結構。其總線做成總線板，上面有若干個總線槽，每個總線槽可安裝一個 PLC 模塊，不同的模塊實現不同的功能。PLC 的 CPU、存儲器和電源等做成一個模塊，該模塊在總線版上的安裝位置一般來說是固定的，而且該模塊也是構成組合式 PLC 所必需的。其他的模塊根據 PLC 的控制規模、實現的功能選取，安裝在總線版的其他任一總線槽上。組合式 PLC 安裝完成后，需進行登記，使 PLC 對安裝在個總線上的模塊進行確認。組合式 PLC 的總線板又稱為基版。組合式 PLC 的特點是系統構成靈活性高，可構成具有不同控制規模和功能的 PLC；價格較高。

?。?）按控制規模分類

　 輸入/輸出的總線數，又稱 I/O 點數，是表征 PLC 控制規模的重要參數。因此，按控制規模對 PLC 分類時，可根據 I/O 點數的不同大致分為小型、中型和大型 PLC。

　 小型 PLC：I/O 點數較少，在 256 點以下的 PLC。

　 中型 PLC：I/O 點數較多，在 256 點以上、2048 以下的 PLC。

　大型 PLC：I/O 點數較多，在 2048 點以下的 PLC。

?。?）按實現的功能分類

　 按照 PLC 所能實現的功能的不同，可以把 PLC 大致的分為低檔、中檔、和高

　檔機三類。

　一般地，低檔機多為小型 PLC，采用整體式機構；中檔機可為大、中、小型 PLC，其中小型 PLC 多采用整體式結構，中型和大型 PLC 多采用組合式結構；高檔機多為大型 PLC，采用組合式結構。

　目前，在國內工業控制中應用最廣泛的是中、低檔機。

　2.5 PLC 的基本結構和工作原理

　2.5.1 PLC 的基本結構

　各種 PLC 的組成結構基本相同。PLC 專為工業場合設計，采用了典型的計算機結構，由硬件和軟件兩部分組成。硬件配置主要由 CPU、電源、存儲器、和輸入/輸出接口電路等組成。PLC 的基本結構如圖 2-1 所示。

　圖 2-1PLC 的基本結構圖 輸出方式最常用，適用于交、直流負載，其特點是帶負載能力強，但動作頻率與響應速度慢；晶體管輸出適用于直流負載，其特點是動作頻率高，響應速度快，但帶負載能力??；晶閘管輸出適用于交流負載，響應速度快，帶負載能力不大。

　其他部件：有些 PLC 還可以有 ERROM 寫入器、存儲器卡等其他外部設備，用于增強 PLC 的存儲容量和擴展功能。

　2.5.2 PLC 的工作原理

　PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點)不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。

　考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于 100ms，因此，PLC 采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式---掃描技術。這樣在對于 I/O 響應要求不高的場合，PLC 與繼電

　器控制裝置的處理結果上就沒有什么區別了。

　當 PLC 投入運行后其工作過程一般分為三個階段即輸入采樣、程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間 PLC的 CPU 以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。

?。?）輸入采樣階段

　在輸入采樣階段 PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入 I/O 映像區中的相應得單元內。輸入采樣結束后轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O 映像區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

?。?）程序執行階段

　在用戶程序執行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統 RAM 存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映像區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。

　在用戶程序執行過程中，只有輸入點在 I/O 映像區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在 I/O 映像區或系統 RAM 存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。

　 （3）輸出刷新階段

　在所有指令執行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態在（通/斷）在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅動外部負載。對于小型 PLC，I/O 點數較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統的響應速度，但從根本上提高了系統的抗干擾能力，增強了系統的可靠性。

　在 PLC 的存儲器中，設置了一片區域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。PLC 梯形圖中別的編程元件也

　有對應的映像存儲區，它們統稱為元件映像寄存器。

　PLC 的掃描工作過程如圖 2-2、圖 2-3 所示。

　圖 2-2 PLC 的掃描工作過程圖

　 3 交通燈系統設計

　3.1 控制系統的控制要求

　信號燈受啟動及停止按鈕的控制，當按下啟動按鈕時，信號燈系統開始工作，并周而復始地循環工作，當按下停止按鈕時，系統將停止在初始狀態，所有信號燈都熄滅。

?。?）控制要求：

　南北主干道

　綠燈亮 20S 綠燈閃 3S

　黃燈亮 2S 紅燈亮 25S

　南北人行道

　紅燈亮 30S 綠燈亮 17S 綠燈閃 3S

　東西主干道

　紅燈亮25S 綠燈亮20S 綠燈閃3S 黃燈亮2S 東西人行道

　綠燈亮 17S 綠燈閃 3S

　紅燈亮 30S （2）正常循環控制方式：

　交通燈變化順序表（單循環周期 50 秒）：

　 1）南北向（列）和東西向（行）主干道均設有綠燈 20S，綠燈閃亮 3S，黃燈 2S 和紅燈 25S。當南北主干道紅燈點亮時，東西主干道應依次點亮綠燈，綠燈閃亮和黃燈；反之，當東西主干道紅燈點亮時，南北主干道依次點亮綠燈，

　綠燈閃亮和黃燈。

　 2）南北向和東西向人行道均設有通行綠燈和禁行紅燈。南北人行道通行綠燈應在南北向主干道直行綠燈點亮 3S 后才允許點亮，然后接 3S 綠閃，其他時間為紅燈；同樣，東西人行道通行綠燈于東西向主干道直行綠燈點亮 3S 后才允許點亮，然后接 3S 綠閃，其它時間為紅燈。

?。?）急車強通控制方式：

　1）急車強通信號受急車強通開關控制。無急車時，按正常循環時序...