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十字路口交通信号灯PLC控制系统

摘要：随着近年来科技和交通工具的发展与人民生活水平不断提高，私家车拥有量越来越多，与之而来的就是日益严重的交通问题。于是我分析并结合城乡交通的实际情况阐述交通灯控制系统的工作原理，自行设计一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。
本次设计的控制系统，能根据不同的路况要求，改变各信号灯的工作时间和工作状况，使之与当前路况匹配，更加充分利用好人力物力资源。而且与继电器、逻辑电路或单片机控制系统相比，PLC控制系统具有更高的可靠性、灵活性和经济实用性。

关键词：交通控制；交通灯；PLC控制
Intersection Traffic Lights Control System Based On PLC
Abstract: With the development of science and technology and transportation tools in recent years and the continuous improvement of people's living standards, the number of private cars has become more and more, which is the increasing traffic problem. So I analysis and combined with the actual situation of urban and rural traffic traffic light control system working principle, design a kind of simple and practical urban traffic light control system hardware circuit design.
The design of control system, can according to the requirements of the different road conditions, change the working hours and working conditions of each signal to that of the current road conditions match, more make the manpower resources. Compared with relay, logic circuit or SCM control system, PLC control system has higher reliability, flexibility and economic utility.
Keywords: Traffic Control, The Traffic Light, PLC Control

目 录
第1章 前言 1
1.1 设计目的 1
1.2 设计要求 1
第2章 总体方案设计 2
2.1 方案论证 2
2.2 总体方案 2
2.2.1 CPU选择 2
2.2.2 系统总体方案框图 3
第3章 系统PLC部分设计 3
3.1 西门子S7-200简介 4
3.2 输入输出端口分配表 5
3.3 PLC控制系统I/O接线图 5
3.4 十字路口交通灯的控制时序图 6
3.5 十字路口交通灯的控制梯形图 9
第4章 系统MCGS组态部分设计 22
4.1 监控界面设计 22
4.2 PLC与组态的通讯连接 22
第5章 模拟调试 24
5.1 组态软件参数设定 24
5.2 控制系统的模拟调试步骤 25
5.3 模拟调试过程遇到的问题及解决方法 25
第6章 总结 26
参考文献 27

第1章 前言
1.1 设计目的
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
城市与城市之间共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，就是解决问题的关键。同时随着我国经济的稳步发展，城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，大量汽车进入寻常老百姓的家庭。据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。
于是，我想设计一个十字路口交通信号灯PLC控制系统，可以区别正常时段、高峰时段和晚间时段，来利用道路上的每一个要素，以此完成对人力和物力资源的充分利用。
1.2 设计要求
（1）系统不仅有指示灯显示还要有数码管显示；
（2）实现高峰时段、正常时段、晚间时段等不同时段的控制；
（3）可以实现任意时间信号灯亮灭的控制；
（4）完成监控界面的设计及实现启动和停控制。
第2章 总体方案设计
2.1 方案论证
为了达到系统设计要求，且单片机由于硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难的等缺点。所以我决定使用PLC控制系统来完成这次的设计。
然后要确定如何设计梯形图来满足控制要求。在什么时候用什么样的继电器和什么样的输出节点，以及采取什么方法来分别实现不同时段的控制，在这里我和同学一起商量讨论许久。最终确定以总体的方法，不再逐个计时，而是采用整体计时的方法，在不同的时间打开不同的开关量，使得设计更加直观。这样显著减少了设计时的工作量， 不再为每一个定时器的后续是否冲突矛盾而反复排查。
最后一步步实现一些细节之处的处理。
2.2 总体方案
2.2.1 CPU选择
方案一：CPU222。集成8输入/输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
方案二：CPU224。集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
由于CPU222的I/O端子排可很容易地整体拆卸，具有很强控制能力的控制器，最终选择了方案二。

2.2.2 系统总体方案框图

P
L
C
控
制
南北红灯控制
高峰启停

东西左转灯

南北左转灯
东西绿灯控制

东西黄灯控制
灯

东西红灯控制

南北绿灯控制

南北黄灯控制

总体启停
夜间启停
正常启停

图2.1 系统总体方案框图
第3章 系统PLC部分设计
3.1 西门子S7-200简介
CPU224型
（1）基本输入端子
CPU224的主机共有14个输入点（I0.0～I0.7、I1.0～I1.5）和10个输出点（Q0.0～Q0.7，Q1.0～Q1.1），在编写端子代码时采用八进制，没有0.8和0.9。CPU224输入电路参见图2-2，它采用了双向光电耦合器，24V直流极性可任意选择，系统设置1M为输入端子（I0.0～I0.7）的公共端，2M为（I1.0～I1.5）输入端子的公共端。
（2）基本输出端子
CPU224的10个输出端。共用1M和1L公共端，Q0.5～Q1.1共用2M和2L公共端，在公共端上需要用户连接适当的电源，为PLC的负载服务。
CPU224的输出电路有晶体管输出电路和继电器输出两种供用户选用。在晶体管输出电路中（型号为6ES7 214-1AD21-0XB0）中，PLC由24V直流供电，负载采用了MOSFET功率驱动器件，所以只能用直流为负载供电。输出端将数字量输出分为两组，每组有一个公共端，共有1L，2L两个公共端，可接入不同电压等级的负载电源。在继电器输出电路中（型号为6ES7 212-1BB21-0XB0），PLC由220V交流电源供电，负载采用了继电器驱动，所以既可以选用直流为负载供电，也可以采用交流为负载供电。在继电器输出电路中，数字量输出分为三组，每组的公共端为本组的电源供给端，Q0.0～Q0.3共用1L，Q0.4～Q0.6共用2L，Q0.7～Q1.1共用3L，各组之间可接入不同电压等级、不同电压性质的负载电源。
（3）高速反应性
CPU224 PLC有6个高速计数脉冲输入端（I0.0～I0.5），最快的响应速度为30KHz用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号.
CPU224 PLC 有2个高速脉冲输出端（Q0.0，Q0.1），输出频率可达20KHz，用于PTO （高速脉冲束）和PWM（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出。
（4）模拟电位器
模拟电位器用来改变特殊寄存器（SM28，SM29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。
（5）存储卡
该卡位可以选择安装扩展卡。扩展卡有EEPROM存储卡，电池和时钟卡等模块。存储卡用于用户程序的拷贝复制。在PLC通电后插此卡，通过操作可将PLC中的程序装载到存储卡。当卡已经插在基本单元上，PLC通电后不需任何操作，卡上的用户程序数据会自动拷贝在PLC中。利用这一功能，可对无数台实现同样控制功能的CPU22X系列进行程序写入。
且电池模块用于长时间保存数据，使用CPU224内部存储电容数据存储时间达190小时，而使用电池模块数据存储时间可达200天。
3.2 输入输出端口分配表
根据实验要求，得到I/O分配表如下所示：
表3.1 输入输出端口分配表

输入信号
高峰启动SB1
I0.0
高峰停止SB2
I0.1
正常启动SB3
I0.2
正常停止SB4
I0.3
夜间启动SB5
I0.4
夜间停止SB6
I0.5
启动SB7
I0.6
停止SB8
I0.7

输出信号
南北红灯HL1、HL2
Q0.0
南北黄灯HL3、HL4
Q0.1
南北绿灯HL5、HL6
Q0.2
东西红灯HL7、HL8
Q0.3
东西黄灯HL9、HL10
Q0.4
东西绿灯HL11、HL12
Q0.5
南北左转灯HL13、HL14
Q0.6
东西左转灯HL15、HL16
Q0.7
3.3 PLC控制系统I/O接线图
根据十字路口交通灯的输入输出点分配表，画出如图3.1所示的PLC控制系统I/O接线图。

图3.1 PLC控制系统I/O接线图
3.4 十字路口交通灯的控制时序图
根据十字路口交通灯的控制关系画出如图3.3所示的时序图。

正常时段的控制时序图

ON

高峰时段的控制时序图

ON

图3.2 十字路口交通灯的控制时序图
即本系统的控制对象有八个，分别为东西方向红灯两个，南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。本控制系统律分为高峰时段和正常时段进行控制，晚上时段按提示敬告方式运行，规律为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。
正常时段(6:30~7:00、8:15~16:30、19:30~22:00)：
南北绿灯亮维持25秒，闪烁5秒后南北黄灯亮5秒，然后熄灭，同时南北红灯亮，东西左转弯绿灯亮5秒闪烁5秒后，东西方向绿灯亮，同时东西方向红灯熄灭，25秒后东西方向绿灯闪烁5秒后熄灭，东西黄灯亮5秒后熄灭，同时东西方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮同时南北方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮5秒后熄灭。然后如此循环往复。
高峰时段（7:00~8:15、16:30~19:30）：
南北绿灯亮维持30秒，闪烁5秒后南北黄灯亮5秒，然后熄灭，同时南北红灯亮，东西左转弯绿灯亮5秒闪烁5秒后，东西方向绿灯亮，同时东西方向红灯熄灭，20秒后东西方向绿灯闪烁5秒后熄灭，东西黄灯亮5秒后熄灭，同时东西方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮同时南北方向红灯亮，南北方向左转弯灯亮5秒闪烁5秒后熄灭，同时南北绿亮。然后如此循环往复。
晚间时段（22:00-6:30）：东，南，西，北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。

图3.3 十字路口交通信号灯的示意图
3.5 十字路口交通灯的控制梯形图

第4章 系统MCGS组态部分设计
4.1 监控界面设计

图4.1监控界面
打开用户窗口，新建一个窗口，将其设置为启动窗口。
打开窗口，在窗口中画出红绿灯监控界面，并将其控制量与被控量与实时数据库中的开关量相连接。然后保存，运行，检查。
4.2 PLC与组态的通讯连接
利用RS485总线使PLC与电脑连接。使PLC输入输出信号能够和电脑进行数据的传输。

图4.2 RS485通讯总线

第5章 模拟调试
5.1 组态软件参数设定
先设定组态软件中的参数设置，将每个开关量都在实时数据库中设置参数，并将其与监控界面的控制量和被控量对应。
图5.1 组态参数设定
然后打开设备窗口界面。选择设备管理。
选择添加的设备。先添加一个串口父设备，再将PLC作为子设备挂在串口下方。
然后双击串口通讯设备，在弹出的设备属性对话框中根据所用设备的通讯协议设置所用的通讯端口，通讯波特率，数据位数，奇偶校验方式和停止位位数，设置完成后点击确定。至此完成PLC与组态的通讯连接。

图5.2 通讯接口设定
5.2 控制系统的模拟调试步骤
（1）将程序输入到PLC的用户存储器，并查找程序是否正确。
（3）对程序进行调试和修改，直到在组态模拟上满足要求为止。
5.3 模拟调试过程遇到的问题及解决方法
（1）在开始，按下转换开关，根据设计的要求,应该亮的灯有“南北红灯”、“东西绿灯”，由于设计中未考虑周全，当按下转换开关时，不仅“南北红灯”、“东西绿灯”亮，而且“南北绿灯”、“东西红灯”也亮，断电后，对程序进行检查，发现把程序转换到高峰时段后，没有对定时器终止，所以才会出现灯亮混乱的情况。
（2）设计中，当程序处在早上八点十五之后的正常时段时，程序运行了一个周期后，就不再循环了。断电后对程序进行检查，发现程序执行完一个周期后，定时器没有被复位，检查得知是因为对定时器的分段控制不当。对程序进行修改后，调试后都正常。
第6章 总结
这次我设计的是十字路口交通信号灯PLC控制系统设计与调试。首先做硬件设计，先画原理图和硬件接线图，然后确定元器件的型号。之后就是设计元器件的位置，并在软件上实现模拟。接下来就是软件的设计。在编写程序之前，先对基本的电路进行分析，在理解之后，考虑怎样进行正常时段、高峰时段和晚间时段的跳转。起初程序出现了错误，该亮的灯没亮，该灭的等没灭，而且不能进行跳转，在与同学的一次又一次的分析下，我们对程序进行修改、试验，最后终于成功。
而且在这次试验中，我并没有选用单片机控制系统设计，是因为单片机硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难。于是我在程序设计的过程中，分析控制交通的多种原理，选用可编程控制器PLC，很好的避开单片机控制系统的缺点，极大的发挥可编程控制器PLC的抗干扰能力强，更高的可靠性、灵活性和经济实用性等特点。并通过对可编程控制器PLC的程序编辑，实现正常时段、高峰时段和晚间时段的跳转，更好的完成对人力物力资源的利用。
但是，这次PLC的设计还是有许多缺点的，比如操纵的灵活性相对较弱，当想要改变红绿灯的时间时，需要重新编写输入新的程序。和未对系统设置多重保护，运行期间可能会出现程序的冲突而导致系统出错。而且，若是在特殊时段，想进行强制手动控制，本设计并不能满足对应的要求，所以有些不适应显示情况。所以如果以后能有机会再次对本设计进行优化和改善，我会给本系统多加几层保护，以便在程序出错时尽快的自检并重新启动。然后再添加一部分的手动控制功能，来实现系统的灵活性，使之更能适应现代的工作要求。
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