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沈阳航空航天大学课程设计论文 十字路口交通灯的PLC控制（一）
十字路口交通灯的PLC控制（一）
宋胜博 沈阳航空航天大学自动化学院
摘要：本次课程设计主要是针对十字路口交通灯的PLC控制这一实际应用问题而进行，采用西门子S7-200系列PLC作为下位机，考虑到在实际的生活中应该对车辆在十字路口的通行进行合理的协调，因而对红、黄、绿三种灯的亮灭时间进行了科学合理的设置。为了实现对该十字路口的车辆运行状况的实时监控，采用组态王构建了上位机监控画面，以方便对各个道路的实时情况进行了解，当发生故障时可以第一时间去进行排查清除。 关键字：S7-200PLC；组态王；交通灯。
0. 前言
当那冒着巨大白烟的现代化的蒸汽机被人类发明以来，我们人类的社会自此进入了一个任何人也无法阻挡的高速发展的时代。在人们想要获得快速发展时，面临的第一个问题便是如何解决我们那十分不方便的交通问题。由于蒸汽轮机的广泛采用，以蒸汽为动力的火车、汽车便相继问世。当时的人们也许根本就没有想到如今的汽车是如此之普遍，与此同时交通问题也成为每个城市发展所必须解决的头等大事。
道路交通系统是一个地区的主要组成部份，在这一系统中，道路不仅仅是易变化的部分，而其它组成部分则存在着较大的可变性和随机性。只有对这一系统的组成及其运行机理进行科学客观的分析研究，对能制定出科学有效的管理和控制对策，从而保障系统的有效运行。本文提出了一种基于PLC、组态王的十字路口交通灯实时控制方案。该设计系统地介绍了交通灯控制系统的组成和设计方案，并进行了程序设计。
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出
1.总体方案设计
在本次设计中，采用了西门子的S7-200系列PLC作为主控制器，由于PLC具有强大的带载能力，便可以将PLC的输出端口直接负载—红绿灯，从而实现简单的方便的硬
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件连接。为了实现对十字路口交通状况的实时监控，采用组态王作为上位机构建相应的实时监控画面，以便可以实现对故障的实时排查与维护。
为了实现对实时车辆的合理有效分流，本次课设又对东西、南北各重要干道的车流量信息进行了长时间的统计，从而确定了东西、南北各红绿灯的亮灭时间。从而保证该设计具有较大的实用性。
2. 硬件设计
2.1 PLC简介
可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称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。
PLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association） 经过四年的调查工作，于1984 年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC 作了如下定义:
“PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC 之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”
以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2 月通过了对它的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 2.2 PLC的工作原理
PLC的CPU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
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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、用户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。 2.3 PLC的选择以及I/O端口分配
我们在设计PLC控制系统时应该遵循以下基本原则：1、最大限度地满足被控对象的控制要求；2、力求控制系统简单、经济、实用、维修方便；3、保证控制系统的安全、可靠性；4、操作简单、方便，并考虑有防止误操作的安全措施；5、满足PLC的各项技术指标和环境要求。
综上所述，并且还考虑到实际实验室的具体情况，我决定选择西门子S7-200系列PLC作为该次课程设计的控制器，S7-200模拟实验挂箱（二）中的十字路口交通灯控制单元。
在该次课程设计中S7-200系列PLC的I/O端口分配如表1所示。实际的连线图如图1所示。
表1 输出端口分配表
输出 PLC元件 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 元件文字符号 HL0 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 元件名称 交通信号灯 交通信号灯 交通信号灯 交通信号灯 交通信号灯 交通信号灯 控制功能 南北方向红灯 东西方向绿灯 东西方向黄灯 东西方向红灯 南北方向绿灯 南北方向黄灯
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图1实际的连线图
2.4 十字路口交通灯控制要求
当合上开关后，东、西主干道的绿灯亮4s后闪2s灭，然后黄灯亮2s，红灯亮8s；绿灯亮??循环，对应东、西绿黄灯亮时南北红灯亮8s，接着绿灯亮4s后闪2s灭，黄灯亮2s后，红灯又亮??如此循环。对应的时序图如图2所示。
图2 控制时序图
同时，在东西南北各条主干道上埋设相应的彩色的LED提示灯（如图1中的甲、乙所示），以此方便汽车驾驶人员知晓实时的交通灯状况，也帮助广大司机朋友们避免因粗心大意而违反新交通规则相关的交通规则。
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