基于三菱PLC的城市十字路口交通灯控制系统

李斯婷

摘 要：本文利用三菱公司的FX2N系列的可编程控制器，设计了一种用PLC控制的城市十字路口交通信号灯控制系统，来实现交通信号灯的自动控制。文中根据交通灯控制系统的控制要求，阐述了整个系统软硬件的设计过程。经过上机仿真、实践后的结果表明，该系统设计方案合理，可靠性高，达到预期目标，效果良好。

关键词：十字路口交通灯 PLC 程序设计

为了实现交通道路的科学管理，本系统力求实现交通管理的先进性、科学化，并结合PLC可靠性高、抗干扰能力强、硬件配套齐全、功能完善、适用性强、容易改造、体积小、重量轻、能耗低等特点，采用可编程控制器设计交通灯管制的控制系统。实践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。笔者结合路口交通的实际情况，阐述了交通灯控制系统的设计方案与实现方法，给出了一种简单实用的PLC城市交通灯控制系统的设计方案。

一、PLC功能

该系统选用中档PLC进行控制。PLC最基本、最广泛的应用领域就是开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。即使用PLC步进控制中的选择流程顺序控制来实现。

现代PLC还具有数学运算、数据传送、数据转换、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。此交通灯控制系统也大量地利用了PLC的数据处理功能。

二、传感器的选用

在系统中，我们选用了电感式传感器进行闯红灯车辆检测，如图1所示。

图1 测量基本原理

当每经过一辆汽车时，传感器就输出一次直流电压U，该直流电压用于触发驱动控制器件，从而达到非接触式检测的目的，如图2所示。

图2 传感器检测原理框图

1.传感器的选用

根据系统对传感器的要求，考虑到选用的传感器需要检测的范围较大，还需要预埋入地下，而且要采用脉冲输出的特点，我们选用了西普E210M-D90NK长距离接近开关。参数：直流电压10～30V、输出电流200mA、频率15Hz、额定动作距离90mm。

2.传感器的铺设

要在每个车道的闯红灯警戒线处铺设传感器。

三、交通灯控制电路的设计

1.交通灯功能分析

（1）启动、停止功能。

（2）手动/自动工作模式选择功能。利用转换开关进行工作模式的切换。

自动功能：按下启动按钮，所有的交通灯自动按照预定时序循环运行工作。

手动功能：在特殊情况，如遇特殊车辆（军用车、消防车等）需强制通行，则可利用此功能。要分别设置南北方向强制通行与东西方向强制通行两个按钮。

（3）车辆闯红灯摄像启动功能。不论是东西方向还是南北方向，当红灯亮时，一旦有车辆闯红灯，系统马上启动摄像功能，记录下闯红灯的车辆。

2.正常时序情况

技术要点分析如下。

（1）信号灯分类。交通路面信号灯分为两大类：主干道和人行道。分为两大方向：东西方向和南北方向。

（2）时间控制。在主干道和人行道中，东西、南北方向的红、黄、绿三种信号灯的时间控制应非常准确。在主干道中，闪烁提醒部分均需设置为周期为2s、占空比为50%的闪烁控制，闪烁3次，共需6s。在人行道中，因为人们行走速度较车辆行驶速度慢，所以闪烁时间相对较长，闪烁提醒部分需设置周期为2s、占空比为50%的闪烁控制，闪烁10次，共需20s。

（3）除了各方向的机动车道和人行道的信号灯控制外，还需设置四个右转弯黄灯的信号控制。在启动交通灯控制系统后，四个右转弯黄灯始终闪烁，一方面始终允许车辆右转弯，另一方面，提醒车辆，前方有人行道，需慢行通过。闪烁控制：周期为2s、占空比为50%。输出继电器分配为：Y14、Y15、Y16、Y17。

3.急车强通情况

在手动工作模式下，有南北强制通行與东西强制通行两个按钮。此功能用于特殊情况，如遇特殊车辆（军用车、消防车等）需强制通行的状况。

按下南北强制通行按钮，主干道中的东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮；人行道中的东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮。

按下东西方向强制通行按钮，主干道中的东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮；人行道中的东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。

4.摄像启动情况

在主干道中设置4个传感器，用于感应在红灯亮时，车辆有无越过规定界线，若传感器感应到有车辆通过，则立刻启动摄像系统进行拍摄。

5.PLC的I/O分配情况（表1、表2）

表1 输入信号分配表

作用 输入继电器 作用 输入继电器

启动 X0 南北方向传感器1 X5

停止 X1 东西方向传感器1 X6

手动/自动转换开关 X2 南北方向传感器2 X7

南北强制通行 X3 东西方向传感器2 X10

东西强制通行 X4

表2 输出信号分配表

作用 输出继电器 作用 输出继电器

主干道东西左转弯灯 Y0 四个方向

右转弯

黄灯 Y14

主干道东西绿灯 Y1 Y15

主干道东西黄灯 Y2 Y16

主干道东西红灯 Y3 Y17

主干道南北红灯 Y4 四个

摄像系统

启动信号 Y20

主干道南北左转弯灯 Y5 Y21

主干道南北绿灯 Y6 Y22

主干道南北黄灯 Y7 Y23

人行道东西绿灯 Y10

人行道东西红灯 Y11

人行道南北红灯 Y12

人行道南北绿灯 Y13

6.PLC选型

结合PLC功能、交通灯功能以及PLC的I/O分配情况，此系统选择日本三菱公司的FX2N-48MR PLC进行设计。

7.程序编制、仿真、调试情况

（1）程序调试、仿真。程序调试采用广东三向教学仪器制造有限公司的SX-608D设备平台。在此平台上进行程序的调试及输出信号的仿真，成功实现了交通灯系统的所有功能。

（2）系统调试。系统调试的技术要点为两个装置的位置调试。第一，传感器的铺设深度。传感器铺设在地底，离地面约10cm处。第二，电子摄像机的安装位置。摄像机的位置和角度应调整在能够清晰地拍摄到闯红灯车辆的位置。

四、难点总结

第一，交通灯系统的总体功能设计。要包括各方向的主干道及人行道的各种信号灯的输出时间的控制、输出继电器的分配、状态继电器的分配、定时器的分配、计数器的分配。

第二，手动控制与自动控制两种工作模式的切换，以及手动状态下实现两个方向的强制通行。

第三，闯红灯记录系统。在红灯亮的情况下，对应的传感器有信号输入，对应的摄像系统马上启动，进行拍摄。

城市十字路口过去采用环形圆岛疏导交通，现在采用十字路口交通灯系统后，交通状况大大改善，车辆及行人过往更为有序，交通事故大大减少。同时，由于PLC的现场环境适应性强，抗粉尘能力强，运行稳定，所以此系统故障率较低，大大减少了维修次数、时间及维修成本，有较强的实用性。