十字路口交通信号灯PLC控制系统.docx

第1章 绪 论

1.1 引言
可编程控制器（programmable controller）属于微型计算机的一种，并且最早为工业控制应用而设计制造。由于其在最初功能上只可实现定时、计数以及逻辑控制等功能，故也被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。它具有可靠性高，功能完善，抗干扰性好、结构简单、编程方便、体积小、重量轻等优点，是一种专门用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统并且主要用来代替继电器实现逻辑控制。PLC以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、网络技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制自动化装置。随着现代技术的发展，该装置在功能及构造上己经远远超过了早期的PLC。
交通问题是现代社会发展的一个重要表现，同时也是社会发展的重要依托。交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济与生活的各个方面。无论是在古代还是现代，交通运输都具有十分重要的经济意义和战略意义。在现代经济高速发展的今天，交通问题己经被许多国家和地区提上了日程。如何高效、快捷地出行，是关乎人们生产和日常生活的重要问题。而与之相关的方方面面也就自然而然地成为了人们所研究和关注的焦点。
本课题通过深入地研究PLC的硬件结构与工作方式，成功地将PLC与十字路口交通信号灯联系起来，初步解决了交通拥堵问题。系统地设计了基于PLC的十字路口交通信号灯控制系统，对包括具体信号灯配置、硬件与软件的设计在内的控制环节进行了深刻研究，并且探索了手持式无线遥控装置对于信号灯的控制。
1.2 课题的背景
随着社会的发展和进步以及人民生活水平的提高，上路的车辆越来越多，但相应的公路设施却没有相应的改善。这就导致了城市交通拥堵问题突出，而且拥堵的地方多是十字路口等车辆汇集处。在世界各大城市，交通堵塞尤为严重，尽管人们发明了红绿灯，修建了立交桥，但是交通堵塞问题始终没有解决，使之成为世界性的难题。但城市中的交通堵塞状况严重与否还是或多或少地反映出所在城市的经济发达程度和所处的发展阶段。大多数人选择汽车的初始动机主要是为了出行快捷和节省时间，然而由于交通堵塞所造成的出勤的低效率，往往使得人们的愿望与实际结果产生较大的差异。
目前国内城市人口密集区，机动车和非机动车数量讯速增长，严重匮乏且陈旧的道路交通设施、布局不尽合理的城市路网已经不堪重负，这些都导致了城区交通拥堵频繁、交通秩序混乱等问题。特别是早晚行车流量高峰期，道路人流、车流量基本处于饱和或超饱和状态，车辆行驶缓慢，加上小商贩占道摆摊设点、车辆随意停乱放，使得蚕食、侵占道路现象比较突出，而“行车难、停车难”已越来越成为中心城区内的一种常态，是城市交通管理的难点和热点。随着城镇人口不断增长，机动车、非机动车拥有量还会逐年递增，城市安全设施建设的滞后性凸显，交通违法事故、治安事件时有发生，城市安全防控已成为了整个社会所关注的焦点。从相关部门的事后查处的结果来看，造成这些现象其中的一个重要原因就是机动车驾驶员在交警视线外违法行驶的情况非常普遍，交通参与者的交通安全意识普遍偏低。随意违法的问题也在很大程度上反映了我区交通秩序管理缺乏科技手段给予支撑的问题，这些都成为我区道路交通事故处在多发态势的主要原因。
面对日益严重的交通拥堵问题，想要仅仅依靠行政措施是远远不够的。解决交通问题还应该利用科技力量对城市交通进行有效的管理，如何对异常的交通拥堵等交通事件进行有效的监督管理，是城市实现智能交通时需要考虑的重点之一。利用交通灯对车流进行管理，无疑是最为便捷且最为行之有效的方法。眼下一个极为迫切的问题就是如何优化目前的交通信号灯系统。
1.3课题研究的目的意义
交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济与生活的各个方面。在世界范围内，随着人口密度高速增长，城市化的脚步不断加快，交通问题日渐严重。龙其在国际性大都市，拥挤的交通己经造成了巨大的能源损失和环境污染，同时也给人们的生活带来了巨大的困扰。在我国这个情况尤为突出。
这就说明了交通路口的车辆指挥工作是极为重要的一环，而疏导交通的主要工具.交通信号灯的性能就更为重要。以往的交通灯大都采用继电器或单片机来实现，虽然简单可控成本低，但同时也存在着功能少，可靠性较差，维护量很大等缺点。
目前我国的交通信号灯主要靠单片机甚至是更初级的控制方式。该控制方式虽然简单易行，但由于单片机工作稳定性差、易受外界干扰、可实现功能少且联网性差，己越来越不能适应现代化都市对于交通控制的需求。而国内外到目前为止尚无完善的解决方案，这就为PLC的研发应用提供了广阔的空间。PLC控制的信号灯的出现使得该问题迎刃而解。
和单片机控制的十字路口信号灯相比，用PLC进行控制主要是考虑PLC具有很强的环境适应性，同时其内部定时器资源非常丰富，可对交通灯进行精确控制。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、网络技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制自动化装置。可靠性高，功能完善，抗干扰性好、具有结构简单、编程方便、体积小、重量轻等优点，是一种专门用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统。
PLC对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源丰富，可实现精确控制，且具有通讯联网功能，可以将相关路口统一调度管理。并且由于PLC内部均配有实时时钟，因此通过PLC控制可对交通灯实施全天候无人化管理。另外因为PLC具有通信联网功能，所以可以将同一条道路上的交通灯组成局域网进行的统一调度管理，这样就可以缩短车辆等候时间，进而实现科学化管理。该课题的提出和研究有利于填补国内外PLC应用领域的空白和不足，充分发挥PLC在现代工业控制中的优越性。
也正是因为如此，如何充分地利用PLC系统的控制优势，使其适应现在的交通状况，成为竞相研究的课题。
1.4 国内外现状及未来发展趋势
1.4.1 国外发展现状
目前，世界上大约有200家PLC生产厂商，400多品种的PLC产品，按地域来说可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品也都各具自己的特色。如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC设计先进，结构紧凑，价格便宜，在世界市场上占用重要地位,以PLC为基础的红绿灯在各大城市并不少见，各个PLC生产公司也因此大获其利。就这一角度来说，以PLC控制的信号灯将极具竞争力。PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其在应用方面受到了限制。但近十多年以来，PLC的应用面却越来越广。究其原因，主要是一方面由于微处理器芯片有关的元件价格大为下降，这使得PLC的成本迅速下降；另一方面PLC的功能大大增强，也能够解决复杂的计算以及通信问题。PLC的应用范围通常可分成5种类型，它们分别是：顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理和通信网络。
在工业自动化领域中，国外的PLC己经成为大多数自动化系统的设备基础，由于综合了计算机和自动化技术，PLC的发展更是日新月异，现在己经很大程度地超过了其刚刚出现时的技术水平。
1.4.2 国内发展现状
虽然PLC在国外的研究己得到了长足的进步，但我国工业企业的自动化程度还普遍较低，不仅PLC产品应用范围有限，生产PLC的厂家也是凤毛麟角，如机械行业80%以上的设备仍然采用传统的继电器和接触器进行控制。PLC在我国的应用潜力远远没有得到充分发挥，PLC产品还有着很大的应用空间。虽然 我国大中型企业普遍采用了先进的自动化系统对生产过程进行控制，但绝大部分的小型企业还尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。对于交通灯这种技术要求不太高的控制，与PLC有关的研究更是无人问津。
近几年来，随着上路的车辆越来越多，与此同时城市交通拥堵问题日益突出，城市交通问题己成为了关乎人民正常生活与否的重要一环。合理的交通控制方法能有效的缓解交通拥挤、减少尾气排放及能源消耗、缩短出行延时，改善我国独有的交通问题，所以对交通信号控制方法的研究具有重大意义。
当前我国的十字路口信号灯还主要靠单片机控制，该控制方式虽然简单易行，但由于单片机工作稳定性差、易受外界干扰、可实现功能少且联网性差，己越来越不适应现代化都市对于交通的需求。本文要研究的由PLC控制十字路口交通信号灯正是为了解决上述问题运应而生。PLC凭借其高精度、高可靠性及长寿命为其在交通信号灯的控制上提供了巨大的发展空间。
我国在“十五”规划中就已明确提出了“用信息化带动工业化”的发展计划，大量传统产业的自动化改造将为PLC控制。我国的工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，按目前的经济形势分析，我国将迎来一个PLC市场高速增长的时期。
1.4.3 未来发展趋势
和单片机控制的十字路口信号灯相比，用PLC进行控制主要是考虑PLC具有很强的环境适应性，同时其内部定时器资源非常丰富，可对交通灯进行精确控制。由于PLC内部均配有实时时钟，因此通过PLC控制可对交通灯实施全天候无人化管理。另外因为PLC具有通信联网功能，所以可以将同一条道路上的交通灯组成局域网进行的统一调度管理，这样就可以缩短车辆等候时间，进而实现科学化管理。正是由于PLC较之单片机及其它控制的种种优点，以PLC取代城市现有的交通灯控制方法是势在必行的。
城市的交通系统是一种时刻变化且非线性的系统。以往的交通控制方面的研究多倾向于实际操作的考虑而非基于理论控制的方法。近年来，随着众多研究控制理论的学者教授的参与，城市交通的自动控制领域方面的研究出现了新的思路和方法，人工智能是新的研究方法之一。
人工智能是将PLC控制与智能化计算机结合，利用模糊控制与神经网络控制的技术进行十字路口交通信号灯控制能够取得比定时控制更为有效的结果。这是今后的交通信号灯的主要研究方向。将模糊控制和神经网络控制两者结合起来用于十字路口交通信号灯的控制将很有可能成为今后交通信号灯控制研究的重点，所以对其进行一次系统全面的研究是十分必要的。
1.5 课题研究的主要内容
本设计主要研究了基于PLC的十字路口交通信号灯控制。十字路口信号灯系统的具体构成元素包括：东、西、南、北方向装有主干道直行“红绿黄”灯和左转“红绿黄”灯，人行道红、绿灯和四个数码管倒计时显示装置以及手持式无线控制器。
1.信号灯的设计
PLC系统的信号灯的设计主要是各个方向的红、黄、绿灯信号。对于南北方向上某一行车方向的信号灯输出，本设计共设置了三组信号灯，其中两组车信号灯，分为直行红、黄、绿灯和左转红、黄、绿灯，另外一组是人行道上的红、绿灯。南北向和东西向灯均以120s为一个循环周期，以南北向红黄绿灯来说
（1）直行红黄绿灯，该组信号灯的3个灯以绿灯（35s） 黄灯(5s) 红灯（80s）依次循环。
（2）左转红黄绿灯，该组信号灯的3个灯以红灯（35s） 绿灯（15s） 黄灯(5s) 红灯（60s）依次循环。
（3）人行道红绿灯，各自以红灯（35s） 绿灯（85s）依次循环，并且与直行方向与左转方向绿灯状态相反。
东西方向信号灯与南北向配置相同，但亮、灭状态相反。即在某一方向为绿灯时，另一方向为红灯或黄灯。
2.倒计时数码显示的设计
数码显示主要是为了显示各个信号灯的倒计时时间，由于系统对于信号灯倒计时的显示并无特殊要求，故本设计采用了七段数码管。对于普通七段数码管，其供电电压为24V时即可正常工作，故电源采用外部接入直流24V供电。数码管一端接外部电源，一端接PLC的COM口。
本设计中四个方向数码管共设置了四组，分别是南北方向和东西方向，每一方向各设两组，且每一方向的两组数码管显示示内容完全相同，所以其对应的输入端共用一个输入信号。对于某一组数码管，又分为了个位数字显示和十位显示。每组数码管分别用来显示直行、左转灯当中的绿、黄灯倒计时时间以及处于绿、黄灯间隔中的红灯的倒计时时间。
3.手动无线强通的设计
对于手动无线强通的设计，本文主要是通过AT89SC052单片机来实现的。本设计在南北方向和东西方向车道上各配置了一个点动按键式红外遥控器，通过单片机的发射发出红外信号并通过接收端接收后译码，并将信号送至PLC输入端，从而起到开关的作用。
对于无急车时，按照正常循环时序控制。当有急车来时，打开急车强通开关，不管原先信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止。当断开强通开关时，PLC即复位，以正常时序时进行控制。急车强通控制只能响应一条路上来的控制信号，基两条交叉路均有信号到来，则先响应先来的一方，再响应另外一方。
遥控接收器是根据接收到的不同频率的红外光信号，由CPU转化为相应的控制方法进而对控制电路实施控制。无线遥控系统就其组成来说，主要分为发射电路、接收电路及外围控制电路等部分。最后通过接收电路的输出端与PLC输入端相连以完成控制功能。该设计的特点是对于紧急通过的车辆，可以进行人性化管理，确保该车顺利通过，最大限度地利用PLC的现代控制优势，充分发挥信号灯应有的作用。本设计的研究技术路线如图1.1所示：
研究了解信号灯的工作原理和动作规律
查阅相关资料并选择适合本课题的技术

确定PLC的技术路线
实现PLC控制系统设计的基本要求并设计出PLC的控制程序
依照自己的设计做出总体布局设计
完成PLC控制系统设计流程图绘制

编写毕业论文

图1.1 设计技术路线

第2章 控制系统总体方案与技术要求

2.1 系统的基本要求
2.1.1 信号灯的基本构成
十字路口交通的具体的交通灯分布如图2.1所示，在十字路口的东、西、南、北方向装有主干道直行“红绿黄”灯和左转“红绿黄”灯，人行道红、绿灯和四个计数器以及手持式无线控制器。

图2.1 交通灯分布
1. 南北主干道
南北主干道的交通灯有6个，分别是左转红灯、左转绿灯、左转黄灯、直行红灯、直行绿灯和直行黄灯。
2. 东西主干道
东西主干道的交通灯也是6个，分别是左转红灯、左转绿灯、左转黄灯、直行红灯、直行绿灯和直行黄灯。
3. 人行道
南北向人行道和东西向人行道各2个，分别是红灯和绿灯。
4. 计时器
分为南北向和东西向计时器，分别显示南北和东西方向的倒计时时间。
5. 无线控制器
可以实现人工对某一方向信号灯的强通控制。
2.1.2 基本控制要求
交通信号灯控制系统的要求是能够实现“正常循环运行”和“无线手动强通控制”两种控制方式。
1. 正常循环运行
交通信号灯的正常循环运行逻辑流程图如图2.1所示，具体控制要求如下：
（1）按下启动按钮后，交通信号灯系统开始工作。先亮南北方向绿灯和东西方向的红灯，再亮东西方向绿灯和南北方向红灯，然后再亮南北方向绿灯和东西方向的红灯，如此一直循环运行。
（2）南北向主干道直行绿灯先亮35s，再亮直行黄灯5s，然后是直行红灯亮80s；同时南北向左转红灯先亮40s，其次左转绿灯亮15s，然后是左转黄灯亮5s。
（3）东西主干道直行红灯先亮60s，其次是直行绿灯亮35s，最后是直行黄灯亮5s；同时东西向左转红灯亮100s,其次是左转绿灯亮15s，最后是左转黄灯亮5s后转至左转红灯，依次循环。
（4）南北向和东西向人行道均设有红灯、黄灯、绿灯。人行道上的红、黄、绿灯与同方向主干道上的直行红、黄、绿灯运行方式相同。
开始

南北直行绿灯亮35S
南北直行黄灯亮5s
南北直行红灯亮80s
南北左转红灯亮40s
南北左转绿灯亮15s
南北左转黄灯亮5s

东西直行红灯亮60s
东西直行绿灯亮35s
东西直行红灯亮20s
东西左转红灯亮100s
东西左转绿灯亮15s
东西左转黄灯亮5s
南北左转红灯亮60s
东西直行黄灯亮5s

图2.2 交通灯正常循环运行流程图
2. 无线手动强通控制
无线手动强通控制是为了适应警车、救护车等急车所设计的，它可以实现对某一方向灯的开关控制，其逻辑流程图如图2.3所示。具体控制要求如下：
（1）强通控制受无线遥控开关控制。无急车时，按照正常循环时序控制。当有急车来时，打开急车强通开关，不管原先信号状态如何，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止。当断开强通开关时，PLC即复位，以正常时序时进行控制。
（2）急车强通控制只能响应一条路上来的控制信号，基两条交叉路均有信号到来，则先响应先来的一方，再响应另外一方。
（3）当无线强通停止按钮按下后，该信号将原先的强通电路关闭，同时PLC复位，各个通路以初始状态为起始点开始循环运行，进入原先的运行状态之中，道路恢复通车。由于该过程对时间的要求并无限制，所以该系统同时还可以作为交通故障及道路施工时关闭交通来用。
开始
正常运行
按下南北强通铵钮
南北方向绿灯亮，
东西方向红灯亮
按下东西强通停止按钮
南北方向绿灯亮，
南北方向红灯亮
按下南北强通停止按钮
按下东西强通按钮
东西方向强通失效
南北方向强通失效

图2.3 无线手动强通控制的逻辑流程图
3. 倒数计时功能的实现
在路中央四个方向均设置一组数码管，每组2个。信号灯程序启动后，随着信号灯的亮灭，七段数码管构成的倒计时钟也随之显示信号灯的亮灭时间。
(1)南北方向
该方向上共有两组共6个信号灯，分别控制直行和左转方向的行车。
在该方向，先显示直行绿灯的接通时间35s，然后进入黄灯倒数5s计时，其次是左转绿灯显示15s,后是左转黄灯5s，最后是红灯显示60s，此次工作循环节束，进入下一循环。
（2）东西方向
在该方向，先显示红灯接通时间60s,然后是直行绿灯显示35s，其次是直行黄灯显示5s，后是左转绿灯显示15s，最后是左转黄灯显示5s，此次工作循环节束，进入下一循环。
2.2PLC的结构及原理
2.2.1 PLC的分类
1. 按I/O点数和存储器容量可分为：（1）小型PLC；（2）中型PLC；（3）大型PLC
2. 按结构型式可分为：（1）整体式PLC；（2）模块式PLC；（3）叠装式PLC
3. 按功能可分为：（1）低档机；（2）中档机；（3）高档机
2.2.2 PLC的基本结构及原理
可编程控制器的硬件结构主要由微处理器、存储器、电源、I/O接口电路、扩展接口、外设接口和编程器等构成。PLC接受了来自现场的控制信号后经过中央处理元件处理后送入驱动受控元件进而实现对象的操作控制。
PLC分为整体式和组合式两种结构，整体式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块以及电源等。所有这些元素组合成为一个不可拆解的整体。模块式PLC包括CPU模块、电源模块、内存、机架等，这些硬件设施可以按不同的排列组合形成一定功能的模板。
PLC工作时主要是取指令及执行指令以完成一定的功能，其内部工作过程大致可分为如下阶段：
(1)输入采样阶段
在此阶段中， PLC以扫描的方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，立即转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的数据和状态也不会因此而改变。
(2)程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按照由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描一条梯形图的同时，又总是先扫描梯形图左边的控制线路，并按照先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算得出的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中所对应位的状态；或者是刷新该输出线圈在I/O映象中所对应位的状态；又或者是确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态来刷新所有的输出锁存电路，和外接电路，再经输出放大电路驱动相应的外设。
2.2.3 PLC设计的基本原则
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1、最大限度地满足被控对象的控制要求
如何充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，这是设计PLC控制系统的首要目标，这也是设计中最为重要的一条原则。要求设计人员在设计前就要深入现场来进行调查和研究，收集控制现场的各方资料以及相关先进的国内、国外资料。
2、保证PLC控制系统的安全可靠
保证PLC控制系统能够长期可靠、安全、稳定地运行，这是设计控制系统的重要原则。要求设计者在系统的设计、元器件的选择、软件的编程上要全面考虑，以确保控制系统能够安全可靠地运行。例如：保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在各种非正常情况下如突然掉电再上电、按钮按错等，也能正常工作。
3、力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能够提高产品的数量和质量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入和技术的培训以及设备的维护也将导致运行资金的急剧增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的经济效益，另一方面也要注意不断地降低工程的造价成本。这些要求设计者不仅应该使控制系统简单并且兼具经济性的特点，而且还要使控制系统的使用和维护方便、成本低，而不能一味盲目地追求高指标。
4、适应发展的需要
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断提高，所以设计时要适当考虑到今后控制系统的发展和完善的需要。这就要求在选择PLC的输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当地留有余量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
在可编程逻辑控制器系统的设计时，首先应该确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器的设计和选型。工艺流程的特点和应用要求就是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应该是高度集成的、标准的，按照其易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则来选用型号，而且所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有成熟可靠的系统和投运业绩的各类产品，与其系统硬件、软件配置及功能应该和控制要求相适应。
2.3 PLC的选用
PLC发展到了今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业监测和控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多还具有完善的数据运算能力，因而可用于各种数字控制领域。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸几乎小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积十分小从而很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
近年来PLC的功能单元大量涌现，这使得PLC渗透到了温度控制、位置控制和CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的快速发展，使用PLC组成的各种控制系统变得非常容易。PLC用于存储逻辑代替接线逻辑从而大大减少控制设备外部的接线，这使得控制系统设计及建造的周期大为缩短，与此同时维护也变得更加容易起来。最重要的是使同一设备经过了改变程序改变使得生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
目前生产可编程控制的器的厂家很多，并且每个厂家本身生产的产品也不尽相同，但就其基本构造和指令都相近，因此只需从中选择一款适合控制系统要求的PLC即可。
本文采用的是三菱公司的FX2N-128MT-001，其中输入点：64，输出点：64，晶体管输出。FX2N-128MT-001属于第三代小型可编程控制器，集高速、高性能及高容量于一身。作为一种新型PLC，具有自身一些独有特点，下列是关于FX2N-128MT-001的一些基本介绍：
PLC平均无故障时间（MTBF）高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的外部电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到了数百甚至数千分之一，故障率也就因此大大降低。此外，PLC还带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可以及时地发出警报信息。
从PLC功能来看，该型号PLC的CPU 处理速度达到了0.065us并且内置了高达64K 的大容量RAM 存储器。高内存大幅增加了内部软元件的数量，强化了指令的功能，提供了多达209 条应用指令，包括像与三菱变频器通讯的指令，CRC 计算指令，以及产生随机数指令等等。晶体管输出型的基本单元内置了3 轴独立最高100kHz 的定位功能，并且增加了新的定位指令；带DOG 搜索的原点回归（DSZR ），中断单速定位（DVIT）和表格设定定位（TBL），从而使得定位控制功能更加强大，使用更加地方便；内置了6 点同时100kHz 的高速计数功能，双相计数时可以进行4 倍频计数，大大地提升了运行速度。此外该型号PLC还有一些其它特殊功能：
1.定位指令增加。
2.可扩展高速脉冲输出模块FX3U-WHSY-ADP 用于定位。
3.可扩展定位模块FX3U-20SSC-H模块用于定位。
4.可连接FX系列之前的定位模块。
2.4 本章小结
本章提出了信号灯系统的总体构思，并且提出了十字路口信号灯系统的具体构成元素：东、西、南、北方向装有主干道直行“红绿黄”灯和左转“红绿黄”灯，人行道红、绿灯和四个计数器以及手持式无线控制器。并且通过对PLC各个型号的对比以及从设计的实际要求出发选择了PLC的具体型号。

第3章 信号灯控制系统的设计

3.1 信号灯结构设计
本文以十字路口信号灯的PLC控制为主进行研究。该课题中的十字路口信号灯包括南北方向左转和直行红黄绿灯和人行道红绿灯各两组，东西方向左转红黄绿灯以及人行道红绿灯各两组；东西、南北方向各有两组七段数码管显示屏，由于同一方向控制时间相同，所以该方向两组数码管显示时间完全相同。本节设计主要围绕各个信号灯的工作时序图和具体的PLC控制程序来做介绍，同时分配了各个信号灯以及数码管的PLC端口。
3.1.1 工作时序图
1．南北方向
对于该方向，信号灯配置为左转红黄绿灯和直行红黄绿灯以及人行道红绿灯各两组。直行红黄绿灯控制直行车辆，同时左转红黄绿灯控制左转车辆，两组信号灯状态相反，分别在不同时段放行直行以及左转的车辆。本文采用的是以120s为周期，其信号灯工作时序如图3.1所示。
对于直行红黄绿灯，该组信号灯的3个灯以绿灯（35s） 黄灯(5s) 红灯（80s）依次循环。
对于左转红黄绿灯，该组信号灯的3个灯以红灯（40s） 绿灯（15s） 黄灯(5s) 红灯（60s）依次循环。
对于人行道红绿灯，本设计配置了红灯和绿灯两种状态，且该红、绿灯各自均以红灯（60s） 绿灯（60s）依次循环，并且与直行方向与左转方向绿灯状态相反。即对于某一车道，当直行及左转红灯均亮时该侧的人行道绿灯才亮，当任一直行或左转绿灯亮时该人行道都显示为红灯亮。该循环方式保证了车、人的有序通过，并充分保证了行人的人身安全。

图3.1 南北方向信号灯工作时序图

2．东西方向
东西方向的信号灯工作与南北方向呈对称方式，行车与南北方向道路交替进行，其工作时序如图3.2所示。
对于东西直行红黄绿灯，该组信号灯的3个灯以红灯（60s） 绿灯(35s) 黄灯（5s） 红灯（20s）依次循环。
对于东西左转红黄绿灯，该组信号灯的3个灯以红灯（100s） 绿灯(15s) 黄灯（5s）依次循环。
对于东西侧人行道红绿灯，各自以绿灯（60s） 红灯（60s）依次循环，并且与直行方向与左转方向绿灯状态相反。

图3.2 东西方向信号灯工作时序图
3.1.2 可编程控制器I/O端口分配
由于本设计所选用的PLC为输入点：64，输出点：64，晶体管输出。而本设计中的输入输出点数共为52点，均在PLC的基本输入输出点数范围之内，所以无需进行I/O扩展，在设计时只需赋与其不同的端口地址即可。
1.外部输入控制按钮
本设计当中的6个外部控制按钮的具体I/O端口分配方式如表3.3所示。PLC上的外部输入控制按钮总共分为6个，分别是系统启动按钮、系统停止按钮、南北无线手动强通启动按钮、南北无线手动强通停止按钮、东西手动强通启动按钮、东西手动强通停止按钮。各个按钮均占用1个PLC输入端口，当PLC正常运行时，各个输入按钮均独立工作。
表3.3 外部输入控制按钮I/O端口分配
启动
停止
南北强通 启动
南北强通 停止
东西强通 启动
东西强通 停止
X000
X001
X002
X003
X004
X005
2.信号灯输出
PLC系统的信号灯输出量主要是由各个方向的红、黄、绿灯所构成的。对于南北方向上某一行车方向的信号灯输出，本设计共设置了三组信号灯，其中两组车辆信号灯，分为直行红、黄、绿灯和左转红、黄、绿灯，另外一组是人行道上的红绿灯。另一方行车方向上信号灯的设置与该方向完全相同；对于东西方向，由于其行车与南北方向对称，所以其信号灯的设置也与南北向相同。信号灯输出的I/O端口分配方式如表3.4所示：
表3.4 信号灯输出的I/O端口分配
南北直行绿灯
Y000
东西直行绿灯
Y010
南北直行黄灯
Y001
东西直行黄灯
Y011
南北直行红灯
Y002
东西直行红灯
Y012
南北左转绿灯
Y003
东西左转红灯
Y013
南北左转黄灯
Y004
东西左转绿灯
Y014
南北左转红灯
Y005
东西左转黄灯
Y015
南北人行绿灯
Y006
东西人行绿灯
Y016
南北人行红灯
Y007
东西人行红灯
Y017
3.数码管输出
本设计中四个方向数码管共设置了四组，分别是南北方向和东西方向，每一方向各设两组，且每一方向的两组数码管显示示内容完全相同，所以其对应的输入端共用一个输入信号。对于某一组数码管，又分为了个位数字显示和十位显示。
由于本设计中的显示装置为七段数码管，每个数码管有7个输入端与PLC的输出端口相连，所以本设计当中的四组数码管共占用28点输出。数码管输出的I/O端口分配如表3.5所示：
表3.5 数码管输出的I/O端口分配

南北组数码管个位
a
Y020

东西组数码管个位
a
Y040
b
Y021
b
Y041
c
Y022
c
Y042
d
Y023
d
Y043
e
Y024
e
Y044
f
Y025
f
Y045
g
Y026
g
Y046

南北组数码管十位
a
Y030

东西组数码管十位
a
Y050
b
Y031
b
Y051
c
Y032
c
Y052
d
Y033
d
Y053
e
Y034
e
Y054
f
Y035
f
Y055
g
Y036
g
Y056
3.1.3 程序梯形图
本设计的梯形图设计力求简单、高效，在完成设计要求的同时，尽量简化系统，充分利用系统资源。
1.南北方向
在南北直行方向，当开始按钮启动后，首先启动直行绿灯输出，并设置定时器T0在35s后动作，接通直行黄灯，断开直行绿灯的通路，同时启动定时器T1。5s后T1动作，接通直行红灯，断开直行黄灯通路，同时启动定时器T2。南北方向的程序梯形图如图3.6所示：
对于南北左转方向，当开始按钮启动后，在直行黄灯启动5s后左转绿灯启动，同时启动定时器T3。15s后启动左转黄灯并断开左转绿灯通路，同时启动定时器T4。5s后断开自身通路。对于左转红灯，本设计采用左转红灯通路上串入左转绿灯和左转黄灯的常闭开关控制的方法，既可以简单地对左转红灯进行控制，同时还保证了红灯和绿灯不会同时亮，提高了系统安全性。
对于无线强通控制，当强通开关X002按下后，通过X002的常开及常闭开关强行接通直行方向绿灯，同时强行断开其它方向通路。
对于人行道信号灯，本设计采用直行及左转红、黄、绿灯的常开及常闭开关直接控制其红灯和绿灯的通路，也大大简化了系统，符合设计的可靠性和经济性等要求。

图3.6 南北方向程序梯形图（a）
续图（b）

(b)
续图（c）

(c)
2.东西方向
东西方向的梯形图构成与南北方向相同，但启动次序不同，本文不加以详细论述。具体梯形图程序如图3.7所示：

图3.7 南北方向程序梯形图(a)
续图（b）

(b)
3.1.4 信号灯的PLC外部连线图
信号灯的PLC外部连线较为简便，信号灯输出一端直接接PLC的输出端，另一端在并上一个24V的直流电源后接入PLC的接地端COM1。信号灯的PLC外部连线图如图3.8所示：

图3.8 信号灯的PLC外部连线图
3.2 倒计时数码管的设计
在实际的交通控制中，仅有信号灯是远远不够的，还需要系统将各个时序阶段的具体运行时间显示出来。本节将就如何实现数码显示及数码管的外部接线作详细介绍。3.2.1程序梯形图
本设计中四个方向数码管共设置了四组，南北方向和东西方向各两组，每一方向的两组数码管显示均相同。对于某一组数码管，又分为了个位数字显示和十位显示，对于该组数码管，又分别显示直行、左转时两个灯切换之间的时间。
该段程序的设计，主要是通过D0-D4数据寄存器来实现。开始时，南北直行绿、南北直行黄、南北直行红、东西直行绿、东西直行黄、东西直行红分别在其电路接通时发送给显示电路一个脉冲信号，同时中间继电器M8013每隔1s发送一个脉冲信号。当显示电路收到信号后首先将D0清零， 并且每秒加1，然后用要显示的数依次减去D0中的数字并发送到寄存器D1；将D1中的数字分别取个位和十位发送到寄存器D2和D4，最后用SEGD命令将D2和D4中的数字显示到数码管上。
1.南北方向
该方向程序的梯形图设计如图3.9所示：

图3.9 南北方向程序梯形图(a)
续图（b）

(b)
2.东西方向
该方向程序的梯形图设计如图3.10所示：

图3.10 东西方向程序梯形图(a)
续图（b）

(b)
3.2.2 数码管的PLC外部连线图
对于数码管的连线，南北向、东西向的两组数码管的各接头依次接在PLC输出端的Y020-Y056口上，另一端再并上一个24V的直流电源后接入PLC的接地端COM1，连线图如图3.11所示：

图3.11 数码管的PLC外部连线
3.3 本章小结
本章在就上一章课题提出以及信号灯控制的具体要求后对系统进