基于三菱FX2N型PLC的十字路口交通灯控制系统设计

代忠红，孙晓丹，张庆丰，宁平华

（马鞍山职业技术学院 电气工程系，安徽 马鞍山 243031）

随着现代化交通工具的逐渐增加，城镇交通的压力日趋明显。特别是十字路口的交通问题迫切需要一个自动化的控制系统来解决。该文针对这种情况利用PLC设计了十字路口交通灯的自动控制系统。该系统能够按照交通流量对交通灯实施自动化控制，对于提高现代交通系统的流畅性具有非常现实的意义和作用。该设计基于PLC的步进指令利用时序图的设计方法来设计一个交通灯控制系统，其控制系统要求概括如图1所示。

图1 十字路口交通灯示意图

控制要求如下。

东西方向放行：当东西方向的放行（绿灯亮）5 s后，以1 Hz的频率闪烁，闪烁时间为3 s（绿灯闪3 s），以提醒司机和行人注意。然后黄灯亮2 s。与此同时，南北方向的红灯亮10 s。然后立即开始另一个方向的放行，即南北方向的放行：当南北方向放行（绿灯亮）5 s后，以1 Hz的频率闪烁，闪烁时间为3 s（绿灯闪3 s），然后黄灯亮2 s。与此同时，东西方向红灯亮10 s。同时要求：①如需运行自动循环，即系统交通信号灯按图2所示要求进行运行，并自动进入循环工作。如需停止该系统信号灯熄灭时，则按停止按钮即可。②如需手动运行工作时，要求所有黄灯都同时闪烁，周期为1 s，如图2所示。

图2 十字路口交通信号灯自动运行的动作要求

设计分析如下。

在该交通灯控制系统中，对系统要求分析可知：该系统的PLC输出的信号状态变化有一定规律，即按规定时间顺序变化，因此，可考虑用时序图的方法设计该控制程序。首先，画出该系统各输出信号的时序图，其次，理清该系统各状态转换条件和转换时间，最后，建立清晰的系统设计思路。在此基础上，合理使用PLC内部相关资源（如定时器），从而达到系统控制的目的。该系统是典型的并行性流程的控制，为使编程简洁，可采用步进指令进行编程。在筛选PLC时，可综合考虑其功能、性价比和兼容性等方面来选择。

1 PLC控制系统的硬件设计

1.1 PLC选型

目前，市场上PLC种类很多，应用较广的是三菱和西门子系列。考虑到三菱FX系列是目前国内使用最多的PLC产品，特别是近几年推出的FX2N系列PLC，具有应用范围广、性价比高和功能强等优点。结合本设计要求及综合各方面因素考虑，所以该设计选用性价比较高的FX2N系列PLC。

PLC的技术性能指标包括技术指标和一般指标2种。其中，技术指标又可分为具体的性能规格和一般的性能规格；而一般指标主要是指PLC的功能和结构等情况，是用户在选用PLC时需要首先了解的指标。FX系列PLC的基本性能指标、输入技术指标及输出技术指标见表1。

表1 FX系列PLC的基本性能指标

FX2N的PLC是当今三菱FX系列中速度较快、功能较强的微型PLC，该PLC主要有25个基本单元。其基本指令执行时间每条指令可高达0.08 pus，内置的用户存储器可由8 kB扩展到16 kB，最大可扩展到256个I/O点。由多种特殊功能扩展板或功能模块组成，该PLC的每个基本单元可扩展8个特殊的单元，同时可实现多轴定位的控制；该PLC机内装有实时时钟，其中的PID指令可实现模拟量的闭环控制。而且该PLC还有功能很强的数学指令集，如三角函数、开平方和浮点数运算等。通过特殊适配器或通信扩展模块（板）可实现多种数据和通信链接，如RS-232C、RS-422，CCLink，AS-i网络和RS-485通信，N：N链接、计算机链接、并行链接和I/O链接。

综合以上分析，结合系统控制要求，综合考虑PLC的功能、性价比等兼容性因素，本设计硬件选用FX2N系列的FX2N-48MR-D机型的PLC。该类型PLC包含24个输入点数，24个输出点数，继电器输出，由24 V的直流电源供电。

1.2 PLC的I/O分配

该交通灯的I/O分配情况见表2。

表2 交通灯的I/O分配表

1.3 PLC的外部接线

根据系统的控制要求，其系统接线图如图3所示（PLC的输出负载都用指示灯代替）。

图3 交通灯的控制系统接线图

2 PLC控制系统的软件设计

2.1 程序设计方案

（1）控制时序，针对十字路口交通灯的控制要求，其自动运行设计的时序如图4所示。

图4 交通灯自动运行的时序图

（2）基本逻辑指令的编程，根据控制时序图，用8个定时器分别控制各信号转换的时间；闪烁信号由特殊功能继电器M8013产生的周期为1 s的脉冲来进行控制。

（3）步进顺控指令的编程，可将南北方向和东西方向的信号灯动作过程看成2个独立的顺序控制过程，因此可考虑采用汇合和并行性分支的编程方法，如图5所示为该状态转移图。

图5 交通灯的状态转移图

基本逻辑指令编程时逻辑较为复杂。本设计采用步进顺控指令编程。

2.2 程序设计

根据状态转移图5，写出指令清单，如图6所示。

图6 十字路口交通灯指令清单

2.3 根据指令表写出程序

3 PLC控制系统的检测与调试

调试可分为3个模块来进行。

（1）输入程序，利用GX软件正确输入程序（以状态梯形图的形式显示）。

（2）静态调试模块，按图3所示的接线图正确连接好系统输入设备，并进行PLC的模拟静态调试，观察各输出指示灯的指示是否按要求工作，否则，进行检查并修改程序，直至按要求工作。

具体操作步骤为：将选择开关SA切换至手动状态，观察指示灯。如果此时南北和东西向的黄灯同时闪烁；将选择开关SA切换至自动状态，观察指示灯。如果此时南北和东西向的黄灯都不闪烁。

（3）动态调试模块，按图3所示的系统接线图正确连接好系统输入设备，进行PLC系统的动态调试，观察交通灯能否按控制要求工作，否则，检查线路或者修改程序，直至交通灯按控制要求工作。

具体操作步骤为：将选择开关SA切换至自动状态，按下启动按钮SB1。南北和东西向的信号灯将以图2所示的控制要求动作，并自动循环。按下停止按钮SB2，所有信号灯熄灭。

4 结束语

近年来由于PLC具有控制规模大、抗干扰能力强、可靠性强、体积小、功耗低、安装调试简便和维修方便等优点，广泛应用于交通、化工、食品、轻工和建材等多个领域和行业。

本文基于三菱PLC设计的控制十字路口交通指示灯，可实现自动循环运行，自动运行时只要按下自动启动按钮即可。当需要维护维修及调整时，可旋转手动开关，切换至手动档，方便维护，并且可通过更改程序中的时间继电器的时间常数来调整各灯的显示时间。程序简单，易于维护，自动、手动可随时切换。在疏导交通，维护城镇道路秩序发挥重要作用。