基于PLC的交通信号灯控制系统设计-.pdf

公路交通技术2 0 1 1 年 8月 第4期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g ． 2 0 1 I N o ． 4 基于 P L C的交通信号灯控制系统设计 郭和伟 湖北职业技术学院机电工程学院， 湖北 孝感4 3 2 0 0 0 摘要 针对城 市道路 十字交叉路 口交通灯信号控 制存在 的 问题 进行探讨 提 出一种 新的基 于 P L C的交通信号 灯控 制方案。该方案将传统十 字路 口交通信 号设置 红、 绿、 黄 灯控 制改 为南北 车辆 左转 、 直行 、 右 转单独控 制 ， 增加行 人 控制及在发生突发事件时能强制南北方向或东西方向通行， 还设置了夜间通行模式。该方案能有效解决在十字交 叉路 口发生车辆抢道和人车争道引起的堵塞现象， 防止交通事故。 关键词 - 十 字交叉路 口； 交通灯 ； P L C； 控制 文章 编号 1 0 0 9 6 4 7 7 2 0 1 1 0 4 0 1 3 4 0 4 中图分类号 U 4 9 1 ． 5 1 文献标识码 B De s ig n o f Co n t r o l Sy s t e m f o r Tr a f f i c L ig h t s Ba s e d O n PL C Gt t O He we i 目前由于各种原因 ， 城市道路交通拥堵等 问题 日益突出， 迫切需要采取各种措施加以改善。以往 十字路口交通信号灯控制系统设计采用传统的南北 和东西方 向各设置红 、 绿 、 黄灯控制方法 ， 当对 向车 辆需左转和其它方向的车辆需直行时 ， 容易发生事 故 ， 且左转车辆易与人行道上的行人发生抢道现象 ， 使得交通繁忙的十字路 口经常发生堵塞。这种情况 下 ， 道路交通灯 的正常运行 以及合理 的功能就是交 通畅通的重要保证 j 。传统十字路 口交通信号灯 控制系统大都采用继电器控制系统或单片机控制系 统来实现， 存在功能少、 不易更改控制电路、 可靠性 差 、 经常出故障 、 维护量大等缺点 。而 P L C编程简 单 ， 易维护 ， 可以随不 同场合的需要灵活改变程序 以 实现不同的功能需求 ， 可靠性 高， 性价 比较好 ， 且最 重要的是 P L C很适 合交通信号灯这类控 制的时序 控制系统l 3 J 。由此 ， 笔者设计 了一种用 P L C控制 的城市十字路 口交通灯控制 系统 ， 本文将对该系统 进行详细介绍。 1 控 制要 求 本文提出的交通灯系统由东西和南北 4个方 向 的信号灯组成。每个方向各有 7盏灯， 包括 5种车 辆信号灯 直行灯、 左行灯、 右行灯、 红灯、 黄灯， 还有 2种行人灯 行人红灯 和行人 绿灯。该 系统适用 于 十字路 口双向4车道及以上车道的交通灯控制， 并 可根据南北方向和东西方 向的车流量 ， 在需要时通 收稿 日期 2 0 1 1 0 3～ 04 作者简介 郭和伟 1 9 6 6 一 ， 男， 湖北省云梦县人， 硕士， 副教授 I 过编程改变各种控制灯的通电时间。 本文假设东西方向车流量大些。为了不发生人 车争道现象 ， 对人车进行分流控制 ， 即车辆直行时 ， 让相应 的人行道绿灯亮 ， 行人可 以通行 ； 车辆左转 向 时， 让各方向人行道红灯亮 ， 禁止行人通行 ， 以使 车 辆不争道、 人车不争道 可有效防止交通事故的发生 和提高十字路 口交通能力 。 十字路 口交通灯控制系统受开关控制 ， 按下起 动按钮时系统工作 ， 合上停止开关时系统停止工作 。 1 ． 1 手动控 制 遇到紧急情况时 ， 可手动强制控制南北或东西 方向的通行 。 1 ． 2自动控制 十字路 口交通灯控制系统具有时间循环控制规 律 。 按下十字路 口交通 控制 系统启动按钮后 ， 东西 南北 4个方向的右行绿灯都点亮 ， 并一直保持点亮 ， 同时南北方向左转向灯点亮 ， 东西方 向红灯和东西 、 南北方 向行人红灯亮 ， 南北左转绿灯点亮 1 8 s 后 闪 烁 3 S 周期 1 s ， 下面的闪烁周期相同 ； 然后南北左 转绿灯灭 ， 换南北方向直行绿灯和行人绿灯点亮 2 1 S ， 南北方向直行灯闪烁 3 s ， 行人绿灯闪烁 6 s ； 南北 方向灯熄灭后黄灯点亮， 3 s 后南北直行黄灯灭， 南 北方向红灯和东西、 南北方向行人红灯亮 ， 同时东西 方向左行绿灯点亮 2 0 s 。同理 ， 东西左行绿灯先亮 2 0 S 且闪烁 3 S 后灯灭 ， 换东西方向直行绿灯和行人 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年 第 4期 郭和伟 基于 P L C的交通信号灯控制系统设计 1 3 5 绿灯点亮 2 3 S ； 然后东西方向直行灯 闪烁 3 S ， 行人 绿灯闪烁 6 S ， 东西方 向直行灯熄灭后黄灯点亮 ， 3 S 后东西直行黄灯灭 ， 东西方向红灯和行人红灯亮 ； 南 北方向左转灯亮 1 8 S ， 东西方向红灯和东西 、 南北方 向行人红灯亮 ， 如此循环往复 。由此也可以看出 ， 南 北方向红灯点亮时间为 5 2 S ， 东西方向红灯 点亮 时 间为 4 8 S ， 整个周期为 1 0 0 S 。以上通行时间还可根 据实际车流量和人流量的情况进行调整。 1 ． 3夜间停止工作控制 由于夜间行人和车辆较少 ， 所 以夜间 l 2 0 0后 可让交通灯控制系统停止工作 ， 以节约用 电。按下 停止开关则系统停止工作 ， 各方 向黄灯闪烁 ， 提醒路 人和行人注意安全。十字路 口具体交通灯控制情况 如图 1 所示。 南 东 圉 三 图 1 十字路 口交通灯示意 2 P L C控制系统设计 2 ． 1 机型选择及 I ／ o点分配 每个循环中 ， 东西南北 4个方向右行信号灯 的 绿灯一直都是点亮的， 且不需要亮黄灯和红灯 ， 故可 以把这 4组右行信号灯合并为一个输出点。南北方 向 2组直行和左行信号灯点亮规律相 同， 可以合并 为 2 个输出点， 东西方向直行和左行信号灯点亮规 律也相 同， 可 以合并 为 2个输出点 ； 南北方 向红灯 、 黄灯控制规律相 同， 可 以合并为 2个输出点 ， 同样 ， 东西方 向黄灯和红灯合并 为 2个输出点； 南北方 向 行人红灯和绿灯合并为 2个输出息， 东西方向行人 红灯和绿灯合并为 2个输出点 ， 总共需要 l 3个输 出 点。由于有 1个启动按钮 和 1个停 止开关 ， 还有 1 个南北和 1 个东西方向强制控制开关 ， 故共需 4个 输入点 ， 再加上 至少 1 0 ％ 的 I ／ O点余 量。因此 ， 控 制 系统配备 了三菱公 司生产的小型 F X 1 N系列 中的 4 0 MR型号 P L C。该型号 P L C有 2 4点输入点 ， 1 6点 输 出点 ， 完全可 以满足控制需要 ， 且功能强大 j 。 表 1 为十字路口交通信号灯 P L C控制系统 I ／ 0分 配表。 2 ． 2 系统程序设计 2 ． 2 ． 1 顺序功能图设计 该十字路 口交通信号灯控制系统程序设计可采 用时序电路设计法 ， 也可采用步进指令编程法 ， 本文 采用步进指令编程 ， 需要先设计顺序功能图。笔者 设计的十字路 口交通信号灯 控制系统顺序 功能 图 S F C图 如图 2所示。 图 2采用并行性分支进行绘制 ， 因为南北车辆 左转和直行控制 、 南北行人控制 、 东西车辆左转和直 行控制 、 东西行人控制 4个并行分支的总控制时间 都是 1 0 0 s ， 所以在编制各分支控制规律 时， 应按照 各控制灯通行顺序 ， 用时间继电器 常开触头进行状 态转换控制 ， 以达到控 制时序 目的。每一次状态转 换需要一个时间继电器和一个状态继电器 ， 且所有 分支最后转移到初始状态 S 0时的状态转移条件 由 时间继电器 T 5常开触头控制 ， 以使系统能进行下一 表 1 十 字路口交通信 号灯 P L C控制 系统 I ／ o 分配 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 6 公路交通技术 2 0 1 1篮 叶 i口 - - 1 和 直 }} 南 北 行 人 删 } 鬻 且 } l 东 两 行 人 I l 麓 T 匮 T 匿 I K210 f f K480 一T6 L L 一 匪 卜 广 ① T 叵 T 匿 ∞ 千 T 。 ． l l 2 1 0 l I K 2 0 0 一 T 7 L T lo L 啐 。15 匮 _r _ 巨 8 0H卜 l L 一。。0 1 T 6T 8 F S D 。 。 髓。 匿 匮 T T12 L ⑩ 啐 ，。 叵 T 4 _ T 4 L J．i- T I3 匿 习 l L 加 l 图 2 十字路 口交通信号灯控制系统顺序功能 个循环控制周期 。根据控制规律 ， 设计 的控制程 序 中共计需用 1 6个时间继电器 ， 1 9个状态继电器。 根据东西 、 南北方 向不同的车流量、 人流量 ， 修 改总的控制时间 ， 然后更改各方 向信号灯控制时间， 即更改 1 6个时间继电器 的定时时间就可很方便 地 改变控制规律 ， 且不需要改变控制系统接线。 2 ． 2 ． 2 十字路 口交通信号灯控制系统程序设计 根据控制要求 ， 控制 系统通 电后 ， 由 P L C内特 殊继 电器 M 8 0 0 2让系统状态继 电器复位 ， 特殊继 电 器 M8 0 0 0使 东 西南 北 车辆 右 行灯 总保 持 通 电状 态 1 J 。十字路口交通信号灯控制系统程序设计要 完成如下要求 按下启动按钮 S B， 控制系统开始 自动运行 。 合上停止开关 S A I ， 所有状态继电器停止工作 ， 此时东西、 南北方向黄灯用于夜间控制； 断开 S A 1 ， 系统准备进入 自动运行状态 按下按钮 S B就可 自 动运行 。 合上南北强制通行开关 S A 2 ， 要求所有状态继 电器停止工作 ， 南北通行绿灯 Y 2 点亮； 断开 S A 2 ， 系 统准备进入 自动运行状 态 按下按钮 S B就可 自动 运行 。 合上东西强制通行 开关 S A 3 ， 要求所有状态继 电器停止工作 ， 东西通行绿灯 Y I O点亮 ； 断开 S A 3， 系统准备进入 自动运行 状态 按下按 钮 S B就 可 自 动运行 。 十字路 口交通信号灯控制系统的公共梯形图程 序如图 3所示。 根据图 2的顺序功能图 ， 可以很方便地设 计对 应的步进梯形 图。由于步进梯形图程序较 长， 在此 省略 J 。 2 ． 3系统调试 2 ． 3 ． I 硬件调试 通过瑞新公 司生产 的 P L C控 制系统实验 台进 行模拟测试， 按图4进行交通灯控制系统安装接线， 接通电源， 检查可编程序控制器能否正常工作， 接头 是否接触 良好 。 2 ． 3 ． 2 软件调试 打开上位机电脑， 通过电脑中三菱公司P L C 专 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 4期 郭和伟 基于 P L C的交通信 号灯控制 系统设计 1 3 7 回 图3 十字路 口交通信号灯控制系统的公共梯形图 用编程软件 F X G P WI N， 按要求输入梯形图， 检查后 编译通过 ， 在线工作后把 程序写人可编程序控制器 的程序存储区， 然后运行程序， 仿真信号灯控制完全 满足要求。 2 ． 3 ． 3运行调试 在硬件调试和软件调试正确的基础上， 使 P L C 进入运行状态 ， 观察运行情况 ， 看是否能够实现循环 工作 。 根据 以上调试情况 ， 说明该控制设计方案完全 符合控制要求 。硬件接线原理图如图 4所示。 3 结束语 采用 P L C技术对交通灯进行控制 ， 不仅可 以提 高控制系统的可靠性， 减少故障率， 而且还可以根据 实测各十字路 口之间的距 离、 车流量 和车速及人流 量等变更时间参数， 合理确定各路口信号灯之间的 时差 ， 使控制变得更加灵活 ， 大大缩短车辆 的等待时 呈 X O r - 1 I L X 1 N 竺 X 2 Y 0 竺 x 3 P L C Y I ]r Y 2 陶 Y3 一 陶 Y 4 萄 Y5 赢 Y 7 融 K M 1 4 客 Y l4 COM 4 C o M 3 j ，、g N F U C O M cC oO MM } 图 4 硬件接线原理 间。该控制系统可改善十字路 口车辆和行人 的通行 状态 ， 提高道路 的交通利用率 ， 实现对交通状况 的科 学化管理 加 ] 。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐明铭． 城市十字路 口交通灯控制系统的 P L C程序设 计[ J ] ． 福建电脑， 2 0 0 7 1 0 1 4 6 ， 3 9 ． [ 2 ] 曹增英． 十字路口交通信号灯的 P L C控制[ J ] ． 科技资 信 ， 2 0 0 9 2 7 1 01 2 ． [ 3 ] 范永胜， 王岷． 电气控制与 P L C应用 [ M] ． 北京 中 国电力 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 李道霖． 电气控制与 P L C原理及应用[ M] ． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 蔡红斌 ， 郭和伟． 电气与 P L C控制技术 [ M] ． 北京 清 华大学出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 金秀慧． 基于 P L C控制的十字路 口交通灯信号系统 [ J ] ． 农业装备与车辆工程， 2 0 0 9 5 3 l一 3 3 ． [ 7 ] 周玲， 李谷， 钟义广． 城市十字路口交通灯控制系 统的P L C设计方案[ J ] ． 科技资讯， 2 0 1 0 1 2 1 7 1 8 ． [ 8 ] 经张俊， 程 一向． 基 于 P L C的交通灯实时控制研究 [ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 0 8 ， 2 1 1 2 9 09 1 ． [ 9 ] 孙岚． 基于 P L C的交通控制系统设计 [ J ] ． 机电信 息， 2 0 1 0 6 1 0 ， 2 5 ． [ 1 0 ]史丛立． 一种基于 P L C的智能交通灯控制系统设计 [ J ] ． 温州职业技术学院学报， 2 0 0 8 2 4 4 4 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m