十字路口交通灯PLC控制程序设计与分析

王 权，周凯凯，杨 晨

0 引言

随着城市化的进程，道路车辆越来越多，交通灯起到了十分重要的安全控制作用[1-2]。十字路口交通灯是对十字路口上纵横两条路上的交通进行控制的一种交通信号灯，它是一种典型的利用时间原则进行控制的系统。PLC作为一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，能够很好地完成时间顺序控制，并且控制简单、可靠性高[3-4]。三菱PLC编程方法简单，受到很多编程者的喜爱。

1 控制要求

十字路口交通灯有红灯、黄灯、绿灯三种，分别控制相应车道的停止、等待与顺利通行，并且在东西和南北方向分别设有两组信号灯。运行过程中，东西方向与南北方向的信号灯各自按照相应的规律被点亮与熄灭，同时它们又相互联系，当某一组的信号灯为绿灯或黄灯时，另一组点亮绿灯或黄灯。交通灯的运行情况是：南北方向红灯亮30秒、绿灯亮25秒、绿灯以1Hz闪烁三次、黄灯亮2秒，同时东西方向绿灯亮25秒、绿灯以1Hz闪烁三次、黄灯亮2秒、红灯亮30秒，并循环。

系统中有一个启动信号，控制六个信号灯。系统的输入、输出（I/O）地址分配情况为，启动信号为X0，东西方向绿灯、黄灯、红灯分别为Y0、Y1、Y2，南北方向绿灯、黄灯、红灯分别为Y3、Y4、Y5。

2 程序实现

PLC是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，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[5-6]。输入采样阶段用来感应外部控制信号的状态变化，将变化后的信号存储于输入数据暂存区。程序执行阶段根据输入处理阶段读入的数据执行程序，执行的结果存储在输出状态暂存区。输出刷新阶段实现输出信号的信号变化。PLC采用梯形图编程，编程方法简单，按照使用的指令不同，三菱PLC编程可分为基本指令编程、步进指令状态编程和应用指令编程三种。

2.1 基本指令编程实现

三菱PLC基本指令编程的基本思想是采用启动、停止与保持这三种逻辑控制输出继电器Y的接通与断开。分析十字路口交通灯的控制特点，程序中要控制六个输出继电器Y0～Y5。分别找出这六个输出继电器的启停信号即可实现程序的控制。同时该系统是一个典型的时间控制原则，启停信号都用定时器来控制。东西方向的三个交通灯在一分钟内完成一个周期循环，南北方向的三个交通灯也在一分钟内完成一个周期循环，八个定时器的定时时间与功能见表1。

表1 定时器功能表

表1分别列出了八个定时器的功能情况，在程序设计中要保持东西与南北方向的灯按照严格的顺序点亮与熄灭，X0是T0和T10的启动信号，同时借助一个辅助继电器M0实现动作保持功能。为了试下交通灯的循环工作，可取T3与T13的下降沿信号作分别作为T0与T10的启动信号，实现程序的循环工作。

2.2 步进指令状态编程

三菱PLC的状态编程方法是采用PLC的状态软元件S实现程序的顺序控制。其编程思想是把整个系统分成若干步进行控制，每一步由一个状态软元件控制，相邻两步通过转移条件相连接，完成顺序控制要求[7]。步进指令状态编程又分为单流程、并行分支与选择分支三种。单流程针对控制对象为严格的顺序流程的控制系统，并行分支针对控制程序中出现两条或多条并行工作线路的控制系统，选择分支针对控制程序中出现两条或多条工作线路的控制系统。可知十字路口交通灯属于并行分支系统，需要9个状态软元件，见表2。

表2 状态软元件功能表

其中T3是S24到S20的跳转条件。其中T13是S34到S30的跳转条件。S0为初始状态，是状态编程中不可缺少的，状态编程的结束指令为RET。

2.3 应用指令移位编程

三菱PLC的移位指令（SFT）也可以实现2.2中的顺序控制[8]，且不需要有初始状态。针对十字路口交通灯的控制特点，可以采用两个位左移（SFTL）指令，一个（SFTL M0 M10 K4 K1）控制南北方向，一个（SFTL M0 M20 K4 K1）控制东西方向。M10～M13功能同2.2中S20～S23，M20～M23功能同2.2中S30～S33，指令的启动信号为X0，每次移位的控制信号为表2中相应的定时器的下降沿信号。

3 系统分析

在实际当中，由于交通的流通情况会随着时间或季节等的外界条件变化而变化，这时候要人为更改程序中定时器的定时时间就显得过于麻烦，为了解决这种情况，可以把以上各个定时器的时间设定值K用数据寄存器D来表示，D的数值改变可以改变系统交通灯的点亮时间，进而更加智能地调节交通，缓解交通拥堵情况拥堵。

增加PLC的输入点，把感应交通拥堵情况的传感器加入PLC的输入信号，以此改变程序中数据寄存器D的数值，从而把控制系统与被控对象的实时情况联系起来，形成闭环控制，使控制系统更加人性化、智能化。

4 总结

根据十字路口交通灯的控制要求，提出了三种控制程序的编写方法，都能满足控制要求，且各有特点。同时联系实际，分析交通灯在不同交通情况下定时时间改变的方法，符合当下十字路口交通灯的控制要求，有良好的实用价值。