基于西門子PLC的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜丹 陳德豪 楊靖

摘 要： 交通燈系統(tǒng)通過(guò)對(duì)路況的采集和處理，完成對(duì)路口車輛的控制，使得交通系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定。但是現(xiàn)在的交通燈，大部分都不夠智能化和人性化。該設(shè)計(jì)利用可編程控制器PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，利用MCGS軟件進(jìn)行組態(tài)，將編寫的梯形圖程序下載到組態(tài)中模擬控制各個(gè)路口交通燈的時(shí)序。設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是針對(duì)一個(gè)路口的多種交通狀況進(jìn)行分開(kāi)考慮，完成自動(dòng)控制，并能根據(jù)具體的交通路況智能化地調(diào)節(jié)系統(tǒng)到相應(yīng)的控制狀態(tài)。

關(guān)鍵詞： 交通燈； 可編程控制器； 仿真； 組態(tài)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

交通路況在一天中會(huì)呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，例如，城市上下班高峰期，如果僅僅通過(guò)人力的控制或者一些固定的時(shí)序控制，靈活性不高。又如，救護(hù)車要接送病人時(shí)，如果遇上紅燈，車輛阻塞可能會(huì)延誤病人的就診。夜間的車流量處于一天中的最低值。交通燈如果一直按照正常的時(shí)序進(jìn)行工作時(shí)，會(huì)浪費(fèi)很多的資源。道路上的情況復(fù)雜多變，所以交通燈所控制的時(shí)序也應(yīng)具有適用于不同路況的控制狀態(tài)[1-3]。

1 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)完成的交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)，第一步是設(shè)計(jì)好路口中的交通燈對(duì)象數(shù)量及路口情況的設(shè)計(jì)；并設(shè)定好基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)框架和交通燈點(diǎn)亮的時(shí)序問(wèn)題。同時(shí)，要設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不同情況的交通燈功能并設(shè)計(jì)功能流程圖和系統(tǒng)框圖。此次設(shè)計(jì)采用西門子公司功能比較強(qiáng)大300PLC系列產(chǎn)品。根據(jù)PLC的I/O分配情況，設(shè)計(jì)好輸入和輸出元件的數(shù)量。

1.1 主控方案設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，一共有16個(gè)交通燈，東西方向具有直行綠燈，直行紅燈，直行黃燈，東西左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)綠燈，左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)紅燈，左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)黃燈。同時(shí)，系統(tǒng)中設(shè)有人行道燈，在實(shí)際生活中，人行道并不具有黃燈，所以在系統(tǒng)中設(shè)置有東西人行道紅燈和東西人行道綠燈。相對(duì)應(yīng)，在南北方向設(shè)置有南北人行道紅燈和南北人行道綠燈。

交通燈系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本時(shí)序，設(shè)定東西方向?yàn)槌跏挤较颍到y(tǒng)開(kāi)始后，南北方向的直行紅燈、右轉(zhuǎn)紅燈、左轉(zhuǎn)紅燈和人行道紅燈處于點(diǎn)亮狀態(tài)。同時(shí)，東西方向直行綠燈、右轉(zhuǎn)綠燈、左轉(zhuǎn)綠燈和人行道燈均處于綠燈狀態(tài)，綠燈亮25秒鐘后，直行綠燈、人行橫道綠燈進(jìn)入閃爍狀態(tài)，閃爍3秒鐘后熄滅后，東西方向人行橫道黃燈和直行黃燈進(jìn)入閃爍狀態(tài)，閃爍時(shí)間為2秒鐘，時(shí)間到后熄滅，直行紅燈和人行橫道紅燈點(diǎn)亮。這時(shí)，總循環(huán)經(jīng)過(guò)了30s，東西方向左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)綠燈繼續(xù)點(diǎn)亮25秒鐘，時(shí)間到達(dá)后變?yōu)殚W爍狀態(tài)。右轉(zhuǎn)綠燈、左轉(zhuǎn)綠燈開(kāi)始閃爍點(diǎn)亮，閃爍時(shí)間為3秒鐘，時(shí)間到達(dá)后，右轉(zhuǎn)紅燈和左轉(zhuǎn)紅燈開(kāi)始閃爍2秒鐘熄滅，左轉(zhuǎn)紅燈和右轉(zhuǎn)紅燈點(diǎn)亮。

南北方向的時(shí)序，與東西方向相互對(duì)應(yīng)，整個(gè)循環(huán)的時(shí)間為120s，南北方向直行、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、人行道0-60s時(shí)處于紅燈。60-85s處南北方向直行、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、人行道處于綠燈，南北方向直行、人行道綠燈85-88閃爍3s，南北方向直行、人行道黃燈88-90閃爍2s，60-115s南北方向左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)綠燈處于點(diǎn)亮狀態(tài)，115-118s北方向左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)綠燈處于閃爍狀態(tài)，118-120s南北方向左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)黃燈處于閃爍狀態(tài)[4-5]。

1.2 夜間模式

夜間模式下，所有的燈停止原本的時(shí)序。同時(shí)，南北直行、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)燈變?yōu)辄S燈并且不斷的閃爍；東西方向的直行、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)燈也變?yōu)辄S燈并且不斷的閃爍提醒夜間行駛的司機(jī)注意，并且人行道燈熄滅。這種模式不會(huì)因?yàn)闊o(wú)故的等待紅燈，而造成不合理的控制。

1.3 應(yīng)急模式

本次設(shè)計(jì)可以通過(guò)相應(yīng)的聲音傳感器檢測(cè)到應(yīng)急車輛發(fā)出應(yīng)急聲音，比如傳感器感知到急救車、警車、消防車等高頻率的聲音就切換到相應(yīng)的應(yīng)急模式。在應(yīng)急模式中，觸發(fā)傳感器的開(kāi)關(guān)，會(huì)使南北方向直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)黃燈先閃爍3s，東西方向直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)黃燈同時(shí)閃爍3s，閃爍的目的是使所有的車輛先逐漸停止不會(huì)引起混亂。3-6秒中，應(yīng)急車輛來(lái)的方向變?yōu)榫G燈，同時(shí)綠燈閃爍3s，提醒車道變?yōu)閼?yīng)急車輛通過(guò)車道，在6-40s中，應(yīng)急車輛經(jīng)過(guò)的方向直行、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)會(huì)保持綠燈亮的狀態(tài)，保證應(yīng)急車輛經(jīng)過(guò)。同時(shí)，另一方向的直行、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)會(huì)保持紅燈亮的狀態(tài)。40s之后，恢復(fù)到正常時(shí)序狀態(tài)，完成系統(tǒng)對(duì)突發(fā)應(yīng)急狀況的控制。

1.4 高峰期模式

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中假定了一個(gè)工廠，在處于下班期間會(huì)使東西方向的車流量大大增加。系統(tǒng)為解決這時(shí)的狀況，會(huì)設(shè)定一個(gè)傳感器傳感器檢測(cè)在一段道路中的車輛數(shù)，經(jīng)過(guò)一個(gè)正常時(shí)序的周期后，如果仍有大量的車輛停留，會(huì)觸發(fā)傳感器的開(kāi)關(guān)。使得系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)序狀態(tài)，在這個(gè)時(shí)序下，0-35s東西方向的直行燈和人行道燈處于綠燈是點(diǎn)亮的狀態(tài)，35-38東西方向的直行燈和人行道燈處于綠燈閃爍的狀態(tài)，38-40s東西方向的直行燈和人行道燈處于黃燈閃爍的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 可編程控制器的選型介紹

S7300系列屬于模塊化的PLC控制系統(tǒng)，可以通過(guò)滑軌部件，安裝不同的系統(tǒng)模塊。根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要配置一個(gè)數(shù)字量輸入模塊DI和一個(gè)數(shù)字量輸出模塊DO。S7300最多可配置一個(gè)CPU模塊，擴(kuò)展32個(gè)功能模塊，通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的組態(tài)。這次設(shè)計(jì)選用了S7-300系列CPU315C DN/DP中央處理器模塊。

2.2 系統(tǒng)I/O口的分配

使用了I0.0-I1.0的輸入口，輸出的地址范圍為Q4.0-Q5.0。如表1為I/O通道占用情況分配表。

2.3 硬件電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)PLC模塊的硬件選型和所分配地址，通過(guò)滑軌的鏈接將各個(gè)模塊按照電源模塊，CPU模塊，DI模塊，DO模塊的順序安裝。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

交通燈控制系統(tǒng)是控制交通燈時(shí)序的變換來(lái)完成對(duì)路口交通的控制，所以規(guī)劃好各個(gè)交通燈時(shí)序是解決問(wèn)題的基本。如圖1所示是交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)流程圖。

3.2 MCGS軟件組態(tài)

通過(guò)用戶窗口中，點(diǎn)擊新建窗口通過(guò)工具庫(kù)和繪圖軟件設(shè)計(jì)好一個(gè)十字路口，每個(gè)方向的道路具有三條通道，分別是直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個(gè)方向。并且具有東西方向和南北方向人行道，在每條車道上會(huì)對(duì)應(yīng)有直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個(gè)方向的指示燈，同時(shí)每個(gè)方向有斑馬線。同時(shí)需要在右邊設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的操作臺(tái)，具有顯示運(yùn)行，啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕、夜間模式、應(yīng)急模式、高峰期模式，能在操控臺(tái)上完成模式的切換。每個(gè)路口會(huì)根據(jù)設(shè)定的情況，增加可以移動(dòng)的小車，從而使得畫(huà)面更加生動(dòng)，使控制的效果更加直觀。

3.3 MCGS組態(tài)腳本程序

腳本程序是MCGS中使得元件聽(tīng)從腳本程序語(yǔ)言從而實(shí)現(xiàn)所編寫的功能，基本結(jié)構(gòu)是IF...then的條件語(yǔ)句，中間加入了and與語(yǔ)句。完成交通轉(zhuǎn)向燈的時(shí)序控制和閃爍，并且使得小車能夠在規(guī)定的時(shí)序內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)完成監(jiān)控畫(huà)面。下面為控制小車移動(dòng)的部分腳本程序。

if 啟動(dòng)按鈕=0 then

定時(shí)器復(fù)位=1

定時(shí)器啟動(dòng)=0

東西方向向右小車=0

東西方向向右X=0

endif

.......

endif

if 定時(shí)器時(shí)間>120 then

定時(shí)器復(fù)位=1

定時(shí)器啟動(dòng)=0

endif

if 應(yīng)急模式=1 then

消防車=1

消防車=消防車-7

endif

Exit

4 研究結(jié)果

4.1 PLC仿真結(jié)果

圖2是PLC仿真運(yùn)行畫(huà)面。

4.2 MCGS組態(tài)監(jiān)控仿真

以應(yīng)急模式為例，圖3是該模式下的仿真控制界面。

4.3 實(shí)物運(yùn)行演示

將編寫好的程序下載到S7300，進(jìn)行實(shí)物仿真，圖4是實(shí)物運(yùn)行演示。

5 總結(jié)

首先在硬件的設(shè)計(jì)方面，成功解決了PLC的接線和模塊安裝問(wèn)題。在進(jìn)行通訊方面，考慮交通燈需要遠(yuǎn)距離的監(jiān)控，本來(lái)打算采用IP協(xié)議使用網(wǎng)線進(jìn)行通訊，結(jié)果再經(jīng)歷很多次的嘗試中沒(méi)有成功。采用了MPI下載線的方式，完成了將PLC中的程序下載到硬件中，同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)與PLC硬件之間的通訊。軟件方面，采用先設(shè)計(jì)好一個(gè)周期時(shí)間模塊，之后進(jìn)行調(diào)用的思路，使PLC程序指令運(yùn)行效率增強(qiáng)。同時(shí)利用MCGS組態(tài)動(dòng)態(tài)仿真，將利用PLC實(shí)現(xiàn)的功能大部分在MCGS上通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。該系統(tǒng)已經(jīng)能夠初步實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的一些功能，但是還存在一些不足，一下幾個(gè)方面在今后的工作中繼續(xù)進(jìn)行研究。

在真實(shí)系統(tǒng)中加入傳感器，如車流量傳感器，人流量傳感器等等，通過(guò)傳感器收集的數(shù)據(jù)，便于交通燈控制系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制。

MCGS的動(dòng)態(tài)仿真界面可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)，并加入無(wú)線通信，使系統(tǒng)真正能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該系統(tǒng)不僅考慮到了路口交通的三種特殊情況，同時(shí)還能進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)仿真監(jiān)控，操作人員不需要在現(xiàn)場(chǎng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)交通燈的自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)可以將傳感器技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)，因此，該系統(tǒng)在繼續(xù)完善后具有很廣泛的應(yīng)用前景。

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