基于西门子PLC的交通灯控制系统设计

杜丹 陈德豪 杨靖

摘 要： 交通灯系统通过对路况的采集和处理，完成对路口车辆的控制，使得交通系统变得更加稳定。但是现在的交通灯，大部分都不够智能化和人性化。该设计利用可编程控制器PLC进行程序设计，利用MCGS软件进行组态，将编写的梯形图程序下载到组态中模拟控制各个路口交通灯的时序。设计的主要创新点是针对一个路口的多种交通状况进行分开考虑，完成自动控制，并能根据具体的交通路况智能化地调节系统到相应的控制状态。

关键词： 交通灯； 可编程控制器； 仿真； 组态

中图分类号：TP29 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）10-35-04

Abstract： The traffic light system completes the control of the intersection vehicle by collecting and processing the road information， making the traffic system more stable. But now， the most of traffic light are not intelligent and humanized. This design uses programmable logical controller PLC to programming， uses the MCGS software to carry on the configuration， and downloads the ladder diagram program to the configuration to simulate the time sequence of traffic light on each road. The main innovation point of the design is to separately consider a variety of traffic conditions for a single intersection and complete the automatic control， and the system can be adjusted to the corresponding control state according to the specific road traffic conditions.

Key words： traffic light； PLC； simulation； configuration

0 引言

交通路况在一天中会呈现不同的状态，例如，城市上下班高峰期，如果仅仅通过人力的控制或者一些固定的时序控制，灵活性不高。又如，救护车要接送病人时，如果遇上红灯，车辆阻塞可能会延误病人的就诊。夜间的车流量处于一天中的最低值。交通灯如果一直按照正常的时序进行工作时，会浪费很多的资源。道路上的情况复杂多变，所以交通灯所控制的时序也应具有适用于不同路况的控制状态[1-3]。

1 方案设计

本设计完成的交通灯系统设计，第一步是设计好路口中的交通灯对象数量及路口情况的设计；并设定好基础的结构框架和交通灯点亮的时序问题。同时，要设计系统应对不同情况的交通灯功能并设计功能流程图和系统框图。此次设计采用西门子公司功能比较强大300PLC系列产品。根据PLC的I/O分配情况，设计好输入和输出元件的数量。

1.1 主控方案设计

在设计的系统中，一共有16个交通灯，东西方向具有直行绿灯，直行红灯，直行黄灯，东西左转/右转绿灯，左转/右转红灯，左转/右转黄灯。同时，系统中设有人行道灯，在实际生活中，人行道并不具有黄灯，所以在系统中设置有东西人行道红灯和东西人行道绿灯。相对应，在南北方向设置有南北人行道红灯和南北人行道绿灯。

交通灯系统启动后，系统实现基本时序，设定东西方向为初始方向，系统开始后，南北方向的直行红灯、右转红灯、左转红灯和人行道红灯处于点亮状态。同时，东西方向直行绿灯、右转绿灯、左转绿灯和人行道灯均处于绿灯状态，绿灯亮25秒钟后，直行绿灯、人行横道绿灯进入闪烁状态，閃烁3秒钟后熄灭后，东西方向人行横道黄灯和直行黄灯进入闪烁状态，闪烁时间为2秒钟，时间到后熄灭，直行红灯和人行横道红灯点亮。这时，总循环经过了30s，东西方向左转和右转绿灯继续点亮25秒钟，时间到达后变为闪烁状态。右转绿灯、左转绿灯开始闪烁点亮，闪烁时间为3秒钟，时间到达后，右转红灯和左转红灯开始闪烁2秒钟熄灭，左转红灯和右转红灯点亮。

南北方向的时序，与东西方向相互对应，整个循环的时间为120s，南北方向直行、右转、左转、人行道0-60s时处于红灯。60-85s处南北方向直行、右转、左转、人行道处于绿灯，南北方向直行、人行道绿灯85-88闪烁3s，南北方向直行、人行道黄灯88-90闪烁2s，60-115s南北方向左转和右转绿灯处于点亮状态，115-118s北方向左转和右转绿灯处于闪烁状态，118-120s南北方向左转和右转黄灯处于闪烁状态[4-5]。

1.2 夜间模式

夜间模式下，所有的灯停止原本的时序。同时，南北直行、右转、左转灯变为黄灯并且不断的闪烁；东西方向的直行、右转、左转灯也变为黄灯并且不断的闪烁提醒夜间行驶的司机注意，并且人行道灯熄灭。这种模式不会因为无故的等待红灯，而造成不合理的控制。

1.3 应急模式

本次设计可以通过相应的声音传感器检测到应急车辆发出应急声音，比如传感器感知到急救车、警车、消防车等高频率的声音就切换到相应的应急模式。在应急模式中，触发传感器的开关，会使南北方向直行、左转、右转黄灯先闪烁3s，东西方向直行、左转、右转黄灯同时闪烁3s，闪烁的目的是使所有的车辆先逐渐停止不会引起混乱。3-6秒中，应急车辆来的方向变为绿灯，同时绿灯闪烁3s，提醒车道变为应急车辆通过车道，在6-40s中，应急车辆经过的方向直行、右转、左转会保持绿灯亮的状态，保证应急车辆经过。同时，另一方向的直行、右转、左转会保持红灯亮的状态。40s之后，恢复到正常时序状态，完成系统对突发应急状况的控制。

1.4 高峰期模式

本次设计的系统中假定了一个工厂，在处于下班期间会使东西方向的车流量大大增加。系统为解决这时的状况，会设定一个传感器传感器检测在一段道路中的车辆数，经过一个正常时序的周期后，如果仍有大量的车辆停留，会触发传感器的开关。使得系统进入一个新的时序状态，在这个时序下，0-35s东西方向的直行灯和人行道灯处于绿灯是点亮的状态，35-38东西方向的直行灯和人行道灯处于绿灯闪烁的状态，38-40s东西方向的直行灯和人行道灯处于黄灯闪烁的状态。

2 系统硬件的设计

2.1 可编程控制器的选型介绍

S7300系列属于模块化的PLC控制系统，可以通过滑轨部件，安装不同的系统模块。根据设计要求需要配置一个数字量输入模块DI和一个数字量输出模块DO。S7300最多可配置一个CPU模块，扩展32个功能模块，通过软件可以实现对硬件的组态。这次设计选用了S7-300系列CPU315C DN/DP中央处理器模块。

2.2 系统I/O口的分配

使用了I0.0-I1.0的输入口，输出的地址范围为Q4.0-Q5.0。如表1为I/O通道占用情况分配表。

2.3 硬件电路的设计

根据PLC模块的硬件选型和所分配地址，通过滑轨的链接将各个模块按照电源模块，CPU模块，DI模块，DO模块的顺序安装。

3 系统软件设计

3.1 PLC系统软件设计

交通灯控制系统是控制交通灯时序的变换来完成对路口交通的控制，所以规划好各个交通灯时序是解决问题的基本。如图1所示是交通信号灯控制系统流程图。

3.2 MCGS软件组态

通过用户窗口中，点击新建窗口通过工具库和绘图软件设计好一个十字路口，每个方向的道路具有三条通道，分别是直行、左转、右转三个方向。并且具有东西方向和南北方向人行道，在每条车道上会对应有直行、左转、右转三个方向的指示灯，同时每个方向有斑马线。同时需要在右边设计一个简易的操作台，具有显示运行，启动按钮、停止按钮、复位按钮、夜间模式、应急模式、高峰期模式，能在操控台上完成模式的切换。每个路口会根据设定的情况，增加可以移动的小车，从而使得画面更加生动，使控制的效果更加直观。

3.3 MCGS组态脚本程序

脚本程序是MCGS中使得元件听从脚本程序语言从而实现所编写的功能，基本结构是IF...then的条件语句，中间加入了and与语句。完成交通转向灯的时序控制和闪烁，并且使得小车能够在规定的时序内进行移动完成监控画面。下面为控制小车移动的部分脚本程序。

if 启动按钮=0 then

定时器复位=1

定时器启动=0

东西方向向右小车=0

东西方向向右X=0

endif

.......

endif

if 定时器时间>120 then

定时器复位=1

定时器启动=0

endif

if 应急模式=1 then

消防车=1

消防车=消防车-7

endif

Exit

4 研究结果

4.1 PLC仿真结果

图2是PLC仿真运行画面。

4.2 MCGS组态监控仿真

以应急模式为例，图3是该模式下的仿真控制界面。

4.3 实物运行演示

将编写好的程序下载到S7300，进行实物仿真，图4是实物运行演示。

5 总结

首先在硬件的设计方面，成功解决了PLC的接线和模块安装问题。在进行通讯方面，考虑交通灯需要远距离的监控，本来打算采用IP协议使用网线进行通讯，结果再经历很多次的尝试中没有成功。采用了MPI下载线的方式，完成了将PLC中的程序下载到硬件中，同时，也实现了上位机对与PLC硬件之间的通讯。软件方面，采用先设计好一个周期时间模块，之后进行调用的思路，使PLC程序指令运行效率增强。同时利用MCGS组态动态仿真，将利用PLC实现的功能大部分在MCGS上通过动态仿真来实现监控。该系统已经能够初步实现预设的一些功能，但是还存在一些不足，一下几个方面在今后的工作中继续进行研究。

在真实系统中加入传感器，如车流量传感器，人流量传感器等等，通过传感器收集的数据，便于交通灯控制系统真正实现实时的自动控制。

MCGS的动态仿真界面可以进一步设计，并加入无线通信，使系统真正能够实现远程实时监控。

该系统不仅考虑到了路口交通的三种特殊情况，同时还能进行实时的动态仿真监控，操作人员不需要在现场，就能够实现交通灯的自动调节，同时可以将传感器技术，物联网无线传感器技术应用于該系统，因此，该系统在继续完善后具有很广泛的应用前景。

参考文献（References）：

[1] 王兆义，陈治川，陈勇根.逻辑与可编程控制系统[M].上海大学出版社，2006.

[2] 王兆义，小型可编程控制器实用技术[M].机械工业出版社，1997.8：30-31

[3] 郭纯生，可编程控制器编程实践与提高[M].电子工业出版社，2006.

[4] 孔祥冰，电气控制与PLC技术应用[M].中国电力出版社，2008.

[5] 刘洪涛.PLC应用开发从基础到实践[M].电子工业出版社，2013.