基于PLC的交通信号灯控制系统设计

张天宇， 马 帅， 曾宝宝， 刘 祯

（湖北文理学院机械与汽车工程学院， 湖北 襄阳 441053）

引言

交通信号灯的控制是城市道路和交通管理体系的一个重要组成部分。其对城市发展和经济建设有着重要的关系[1]。随着电子科技的发展，实现交通灯控制系统的设计方法也层出不穷，可编程控制器（Programmable Logic Controller,PLC）作为工业用的计算机，在工业自动化中的地位极为重要。其具有小型化、价格低、可靠性高等特点，广泛应用于各个行业。近些年，将PLC用于交通灯控制系统的设计方法也有很多，功能都不尽相同[2]。PLC可编程逻辑控制器具有高可靠性、易于编程、方便控制的特点被广泛应用于工业领域[3]。本文用三菱FX系列的PLC实现交通信号灯的控制，程序简单、便于修改，大大提高了交通路口的通行能力。

1 系统总体方案

交通信号灯系统的动作要求如图1所示，通过对东西方向和南北方向信号灯的程序控制，达到对车流的分流作用。整个系统为手动开启，自动循环运行的方式。系统的控制要求如下：要求系统能够自动循环运行。按下启动按钮，系统开始进入周期性工作：在东西方向上，红灯亮10 s，东西方向的车流停止，此时南北方向上为绿灯，车流可以前进，5 s以后，绿灯开始闪烁，提醒司机绿灯即将结束，3 s计时结束以后，绿灯熄灭，黄灯亮2 s，未进入路口的车辆停止，等待下一个绿灯。此时东西方向的红灯结束，绿灯点亮5 s，车辆通行，5 s结束后绿灯开始闪烁，闪烁3 s，接着黄灯点亮，提醒未进入路口的车辆停止，2 s以后东西向的红灯点亮，车辆禁止通行，系统进入下一个循环周期。在遇到特殊情况时，可以打开手动开关，进入紧急状态，所有信号灯熄灭，南北向和东西向的黄灯同时闪动，周期为1 s。交通信号灯控制系统的东西向和南北向均为同步运行，避免了因部分原件出现故障而导致整个系统出现崩溃的情况，提高了系统的稳定性。系统的工作流程如图2所示。

图1 交通信号灯控制系统的动作要求

图2 交通信号灯控制系统的工作流程

2 软件控制系统设计

2.1 I/O点的估算

通过对PLC控制系统分析可知：共有3个输入点，分别是：自动位启动按钮、手动开关（带自锁型）与停止按钮。有6个输出点：东西向绿灯、东西向黄灯、东西向红灯、南北向绿灯、南北向黄灯与南北向红灯。根据系统结构需要具备的功能分析可以确定编程原件编号以及PLC的类型。

2.2 PLC的选择

PLC的种类和型号有很多，选用一种合适的PLC对于整个控制系统来说是非常重要的。FX2N系列的PLC是三菱FX系列中最为先进的一种，其有极高的处理速度与强大的性能，能用于多种特殊的用途。除了输入输出16-25点的独立用途外，还可以扩大控制点数，以适用于在多个基本组件间的连接、定位控制、模拟控制等特殊用途，是一套可满足多样化广泛需求的PLC装置[4]。

通过对交通信号灯控制系统结构和功能要求的详细分析以及I/O点的估算，本文选用三菱PLC FX2N-16MR型号，8个输入点（X000-X007）和8个输出点（Y000-Y007），满足使用需求。

2.3 I/O分配表的设计

对于PLC系统外部接线图的分析，能够确定所需要编程元件的编号。交通信号灯控制系统的I/O分配如表1所示。

表1 交通信号灯控制系统I/O点分配表

2.4 外部接线图设计

通过对交通信号灯控制系统的功能以及技术要求的分析，PLC的外部接线如图3所示。

图3 交通信号灯控制系统外部接线图

2.5 系统控制时序图

通过对交通信号灯控制系统的信号进行分析，PLC控制系统的时序图如图4所示。

2.6 SFC图和梯形图的设计

控制程序的设计程序基于三菱GX Developer软件，采用状态转移图（SFC）编程的方式，系统的SFC设计如图5所示。为了能使设计程序更加形象、直观，本文也同时给出了相应的梯形图，如图6所示。

图4 交通信号灯控制系统时序图

图5 交通信号灯控制系统SFC图

图6 交通信号灯控制系统梯形图

在按下自动启停按钮X0后，南北向和东西向同时运行，在南北方向上系统进入S20状态，南北向红灯Y6通电点亮，同时计时器T0 K100开始计时10 s，10 s结束后输入信号T0，状态转移为S21，红灯Y6熄灭，绿灯Y4通电点亮，计时器T1 K50通电开始计时5 s，5 s后输入信号T1，绿灯Y4熄灭，状态转移为S22，时间继电器M8013通电产生周期性信号传递给绿灯Y4，开始进行周期为1的闪烁，计时器T2 K30开始计时3 s，3 s后输入信号T2，绿灯Y4断电，状态转移为S23，黄灯通电点亮。在东西方向上，X0通电以后，进入S24状态，绿灯Y0通电点亮，定时器T3 K50通电开始计时5 s，5 s后输入信号T3，进入状态S25，绿灯Y0熄灭，时间继电器M8013通电开始产生周期性信号给绿灯Y0，绿灯Y0开始进行周期为1 s的闪烁，同时计时器T4 K30通电开始计时3 s，3 s后输入信号T4，绿灯Y0停止闪烁，进入状态S26，黄灯Y1通电点亮，计时器T5 K20通电开始计时2 s，2 s后输入信号T5，进入状态S27，东西向红灯Y2通电点亮，计时器T6 K100开始计时10 s，10 s结束后输入信号T6，南北向黄灯Y5和东西向红灯Y2熄灭，系统进入下一个循环。在需要关闭系统的时候，按下停止按钮X2，初始脉冲常开触电M8002得电，发出一个初始信号脉冲，各个方向的交通信号灯熄灭，如果需要进入紧急情况状态，按下自锁型的手动开关X1，区间复位指令通电使状态S20和S27复位，同时时间继电器M8013通电，产生周期为1的信号传输给南北方向和东西方向的黄灯Y5和Y1，开始进行周期性闪烁。

交通信号灯控制系统南北向和东西向同时运行，大大减小了系统的故障率，提高了系统的稳定性。能够实现自动运行状态和紧急状态，可以灵活使用。

3 结语

本文所设计的交通信号灯控制系统采用PLC控制，可以实现自动运行状态和紧急状态两种模式的自动控制，方便快捷，且PLC控制程序修改方便、易于扩充，控制系统的性能稳定、可靠性高，保证了交通管理体系的工作效率，可以用于城市道路交通的现场。