基于PLC的十字路口交通灯的设计分析

解大琴

（1.上海工程技术大学高职学院，上海 200437；2.上海市高级技工学校，上海 200437）

0 引言

随着城市经济的飞速发展，公众的生活质量也日益提高，汽车成为家庭的必备品，城市人口和汽车数量的爆发式增长，使得交通拥堵问题和交通事故的数量也急剧增长，因此交通控制系统的设计尤为重要。

交通信号灯在城市道路交通中起到至关重要的指挥功能。因此，如何设计一个合理可靠、有着严谨时序逻辑的交通灯系统便成为十分重要的事。

本文以德国西门子公司生产的S7-300PLC 为核心，设计一套十字路口交通灯的控制系统。该系统需要严谨的时序逻辑控制系统作为支撑。在规定的时间内，用正确的时序来控制红黄绿灯有条不紊地发生变化，以此来保障十字路口的交通运行安全。

1 项目概况

1.1 控制要求

双干道交通信号灯设置四组信号灯。具体控制要求如下[1-2]：

一是信号灯的动作受开关总体控制，按一下启动按钮（常开按钮），信号灯系统开始工作，并周而复始地循环动作；按一下停止按钮（常开按钮），所有信号灯都熄灭。

二是东西向和南北向道路车流量不同，东西绿灯和南北绿灯点亮时长不同。

三是南北红灯亮时，东西绿灯亮；东西红灯亮时，南北绿灯亮。

四是绿灯在变为黄灯前，以1Hz 的频率闪烁5 次，黄灯亮5s 后变为红灯。

1.2 交通灯控制系统控制流程设计

根据任务要求，定下该设计的实现方案。设计所考虑的方面包括简单可靠性和实用性，实现十字路口交通信号灯的基本控制。

十字路口交通灯三种，分别是红灯、黄灯和绿灯，控制相应车道上的车的通行、等待和停止。在系统的运行时间中，南北方向和东西方向的信号灯各自按照给定的规律点亮、闪亮或者熄灭。

信号灯的工作流程：

首先南北向红灯，东西向绿灯，绿灯持续25s 后，变为以1Hz 频率闪烁的绿灯，起到警示作用，闪烁持续5s 后，东西向绿灯熄灭，东西向黄灯点亮，黄灯持续5s 后熄灭，东西向红灯、南北向绿灯同时点亮；南北向绿灯持续45s 后，变为以1Hz 频率闪烁的绿灯，起到警示作用，闪烁持续5s 后，南北向绿灯熄灭，南北向黄灯点亮，黄灯持续5s 后熄灭，南北向红灯、东西向绿灯同时点亮；如此周而复始[3]。

2 交通灯控制硬件设计

2.1 系统设计框图

系统以PLC 为核心。PLC 的输入信号来自两个方面，控制系统启停的启动按钮和停止按钮。PLC 的输出信号驱动6 个接触器，由接触器控制六组信号灯的亮灭控制。

2.2 PLC 输入输出端口分配

交通灯控制系统的输入设备包括启停按钮，输出设备包括南北向红灯、南北向黄灯、南北向绿灯、东西向红灯、东西向黄灯、东西向绿灯，如表1所示。

表1 端口分配表

PLC 的I/O 端子分配及端子接线图。其中，南北向红灯（SN_R）、南北向绿灯（SN_G）、南北向黄灯（SN_Y）、东西向红灯（EW_R）、东西向绿灯（EW_G）、东西向黄灯（EW_Y）的控制接触器为输出，连接输出模块SM32。启动按钮（SB1）和停止按钮（SB2）为输入，连接输入模块SM321。

3 十字路口交通灯编程实现

交通信号灯控制程序比较复杂，所以在这里分为周期控制、定时时序设计、南北向信号灯的设计和东西向信号灯四个部分来设计和介绍。

3.1 周期控制程序

如图1所示，周期控制信号在启动按钮，按下的瞬间开始生效，在停止按钮，按下的瞬间变为无效，由M0.0 这个中间触点来体现，由此可编写出周期控制程序。

3.2 定时时序设计

定时时序由控制周期信号M0.0 控制，由各定时器具体实现控制程序，如图2所示。

3.3 南北向信号灯控制程序

根据图3的时序关系可知，“南北红灯”在两种情况下需要点亮：一是进入定时周期的前35s 即M0.0 为1 且T3 定时器到达之前；二是整个周期结束即T6 定时器到达之后。“南北绿灯”只有在进入定时周期后T3 定时到达且T4 定时未到达时常亮，在T4 定时到达且T5 定时未到达时以1Hz 的频率闪亮。“南北黄灯”只有在进入定时周期后T5 定时到达且T6 定时未到达时点亮[4]。

3.4 东西向信号灯控制程序

根据图4的时序关系可知，“东西红灯”只有在进入定时周期后T3 定时到达且T6 定时未到达时点亮。“东西黄灯”只有在进入定时周期后T2 定时到达且T3定时未到达时点亮。而“南北绿灯”在三种情况下需要点亮：一是进入定时周期的前25s，即M0.0 为1 且T1 定时器到达之前常亮；二是在进入定时周期后T1定时到达且T2 定时未到达时以1Hz 的频率闪亮；三是整个周期结束，即T6 定时器到达之后常亮[5]。

4 十字路口交通灯的仿真实现

将硬件组态和软件程序下载到仿真器中，在仿真器中将CPU 点击为RUN，点击启动按钮，将其置为ON，摁下启动按钮，I0.0 接通，M0.0 置位，Q0.1 接通，南北红灯亮，Q0.5 接通，东西绿灯亮，全部计时器开始计时。

摁下停止按钮，I0.1 接通，M0.0 复位，所有信号灯熄灭，所有计时器停止计时。

定时程序段用于控制各信号灯的亮灭顺序与亮灭时长。在T6 计时结束后，用T6 常闭触点断开所有计时器，使其重置计时。

程序段3 中，Q0.1 输出控制南北向红灯，在按下启动按钮使M0.0 置位后，Q0.1 置位，南北红灯点亮。在计时器T3 计时结束时，Q0.1 复位，南北红灯灭。在计时器T6 计时结束时，Q0.1 置位，南北红灯点亮。

程序段4 中，Q0.2 输出控制南北向绿灯，在计时器T3 计时结束时，Q0.2 置位，南北绿灯亮。当计时器T4 计时结束时，由M100.5 发出频率为1Hz 的脉冲信号，使Q0.2 闪烁，南北绿灯闪烁。当计时器T5 计时结束时，停止闪烁。

程序段5 中，Q0.3 输出控制南北向黄灯，在计时器T5 计时结束时，Q0.3 置位，南北向黄灯亮。在计时器T6 计时结束时，Q0.3 复位，南北向黄灯灭。

程序段6 中，Q0.4 输出控制东西向红灯，在计时器T3 计时结束时，Q0.4 置位，东西向红灯亮。当计时器T6 计时结束时，Q0.4 复位，东西向红灯灭。

程序段7 中，Q0.5 输出控制东西向绿灯，在按下启动按钮使M0.0 置位后，Q0.5 置位，东西向绿灯点亮。当计时器T1 计时结束时，由M100.5 发出频率为1Hz 的脉冲信号，使Q0.5 闪烁，东西绿灯闪烁。当计时器T2 计时结束时，停止闪烁并熄灭。当计时器T6计时结束时，Q0.5 置位，东西绿灯亮。

程序段8 中，Q0.6 输出控制东西向黄灯，当计时器T2 计时结束时，Q0.6 置位，东西黄灯亮。当计时器T3 计时结束时，Q0.6 复位，东西黄灯灭[6-7]。

5 结语

此设计从基于PLC 的交通灯系统控制要求出发，做了系统硬件、软件等部分的设计，运用step7 软件对系统进行调试，调试结果表明：利用PLC 对交通灯的控制是可行的，基本实现预期效果。但是，如果要投入实际应用，还需要进行一些改进，如按照不同的车流量来改变不同路段的红绿灯时长；也可以增加转向用的红绿灯；在绿灯和红灯即将结束时增加一个倒计时，使司机可以更加直观地知道红绿灯即将亮灭的时间。一个直观且可靠的系统，可以使交通变得更加有序、更加安全，可以减少事故的发生。