交通信号灯.docx
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交通信号灯
基于PLC交通信号灯的控制
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引言
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。
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负
荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路
建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通量的快速增长和缺
乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道
路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合
处交通状况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的
城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通
运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，
减少交通事故有明显效果。
为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。
用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明
该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。
分析了现代
城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原
理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。
可编程序控制器在
工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。
随着科技的发展，可编程控制
器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
1PLC的概述
1.1PLC的产生及发展
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按
照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是
通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控
制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，
首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称
ProgrammableController（PC）。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）
的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
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这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积小，
使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年，已经成功
地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。
这一新型工业控制装置的出现，也受到了世
界其他国家的高度重视。
1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台
PLC。
1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。
我国从1974年开始研制。
于1977年
开始工业应用。
1.2PLC的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构
上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面
板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、
I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
图1PLC的基本结构框图
接受驱动
现场信号受控元件
1.3PLC的定义
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术
为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectrical
Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环
境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其
输
入
接
口
部
件
中央处理单元
CPU板
电源部件
接
口
部
件
输
出
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内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数
字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设
备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.4PLC的工作原理
1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息
存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执行时，即使输入信号发生变化，内存中输
入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。
2）程序执行阶段：
PLC对用户程序扫描。
3）输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是
输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。
1.5PLC的应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽
车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、
顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、
印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等
都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量
（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，
使可编程控制器用于模拟量控制。
3）运动控制
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PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开
关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱
动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎
都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，
PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中
用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等
场合有非常广泛的应用。
5）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转
换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与
存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的
智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制
造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，
工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的
网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2PLC编程语言
采用面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC进行编程，其编程语言常用的有：
梯形图、语句表、功能图等。
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2.1梯形图
梯形图是使用最多的PLC图形编程语言。
梯形图与继电器电路图很相似，具有直
观易懂的优点，特别适合于数字量逻辑控制。
梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令
框组成。
触点电表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。
线圈通常代表
逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。
指令框用
来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。
使用编程软件可以直接生成和编辑梯
形图，并将它下载到PLC。
2.2语句表
语句表又叫指令表，它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，用指令的助记
符编程，由多条语句组成一个程序段，可以实现某些不能用梯形图或功能块图表示的功
能。
2.3功能块图
功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。
即用类似于与门、
或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，
输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流
动。
3PLC的特点
3.1抗干扰能力强，可靠性高
继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备
连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低
了系统的可靠性。
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由
于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅
剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触
点接触不良造成的故障大为减少。
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而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部
分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。
3.2配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，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
模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，
可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控
制、温度控制、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
发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3.3易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语
言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接
近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不
熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之
门。
3.4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计
及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程
序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
3.5体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗
仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
4PLC的发展趋势
4.1向高速度、大容量方向发展
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为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目
前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性
能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量，有的公司已
使用了磁泡存储器或硬盘。
4.2向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，
特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其
使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开
发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机
及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。
4.3PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计
数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器
的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。
加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。
PLC的联网通信有两类：
一类
是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算
机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网通信能力，
PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为
集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分.
4.4增强外部故障的检测与处理能力
根据统计资料表明：
在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入
设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。
前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它
可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。
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因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提
高系统的可靠性。
5交通信号灯控制的实现
5.1控制要求
信号灯受启动开关控制。
当启动开关接同时，信号灯系统开始工作，先南.北红灯
亮，在东.西绿灯亮。
当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
1）南.北绿灯和东.西绿灯不能同时亮，如果同时亮则应关闭信号灯系统，并立刻
报警。
2）南.北红灯亮维持25s，在南.北红灯亮的同时东.西灯也亮，并维持20s，到20s
时，东.西绿灯闪亮，闪亮3s后熄灭。
在动系绿灯熄灭时，东.西黄灯亮，并维持2s。
到2s时，东.西黄灯熄灭，东.西红灯亮。
同时，南.北红灯熄灭，绿灯亮。
3）东.西红灯亮维持30s，南北绿灯亮维持25s，然后闪亮3s后熄灭，同时南.北
黄灯亮，维持2s后熄灭，这时南.北红灯亮，东.西绿灯亮。
4）上述动作循环进行。
图1交通灯的面板示意图
基于PLC交通信号灯的控制
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5.2交通信号灯的控制时序
交通信号灯的控制时序如图2所示，它是按信号灯置1与置0两种状态绘制的，置
1表示信号灯点亮，置0表示信号灯点灭。
图2十字路口交通灯正常工作时序
5.3I/O分配表
序号输入设备端号输出设备端号
1启动按钮SB1X0东西绿灯Y000
2停止按钮SB2X1东西黄灯Y001
3东西红灯Y002
4南北绿灯Y004
5南北黄灯Y005
6南北红灯Y006
表3I/O分配表
通过上述的分析，可以看到，系统需要2个输入和6个输出，对于这样一个小型的
系统可以选择一些小型PLC就可以满足需求，可以选择FX2-48MR型PC机。
5.4控制电路接线图
根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，如图4所示。
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图中用一个输出点驱动两个信号灯，如果PLC输出点的输出电流不够，可以用一
个输出点驱动一个信号灯，也可以在PLC输出端增设中间继电器，由中间继器再去驱
动信号灯。
该模拟交通信号灯分为南北和东西两个方向，分别由绿、黄、红三种颜色，其中，
交通灯选用5V直流电，COM端为交通灯的公共端。
图4PLC控制电路接线图
Y6
COM1
~
Y0
电源
东西绿灯
Y1
东西黄灯
Y2
东西红灯
COM2
Y4
南北绿灯
Y5
南北黄灯
南北红灯
输出
220VAC
L
N
COM
SA
RUN
SB1
X0
SB2
X1
SB3
X2
X3
停
止
输入
F
X
2
-
3
2
M
R
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5.5交通灯的流程图
图5交通灯流程图
5.6交通灯的梯形图
根据对交通信号灯的控制要求及PLC控制系统的I/O分配的定义，可对PLC进行
控制程序的设计：
下面对所设计的梯形图作几点说明：
（1）当按下启动按钮X0接通，中间继电器M0接通，Y0线圈得电，东西绿灯亮20
ｓ，与此同时，南北红灯亮25ｓ。
（2）延时20秒后，T0、T1与该接点串联的Ｔ８的常开接点共同控制产生１秒的秒
钟脉冲信号，使东西绿灯闪烁3s。
（3）经过3秒后，Y1线圈得电，东西黄灯亮2ｓ。
此时的常开接点闭合，线圈接通，
东西黄灯亮2s。
（4）经过2秒后，T2的常闭接点断开，Y1线圈失电，东西黄灯灭。
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（5）延时25s后，的常闭接点断开，线圈失电，南北红灯灭；同时，的常开接点闭
合，接通，东西红灯亮；由于的常开接点闭合，线圈得电，南北绿灯亮。
南北绿灯工作25s后，系统的工作情况与上述类同。
交通灯控制的PLC梯形图见附录一
指令表见附录二
6GXDeveloper软件的介绍
GXDeveloper是三菱PLC的编程软件。
适用于Q系列的Q模式、Q系列的A模式、
QnA、A、运动CPU、FX全系列可编程程序控制器。
支持LD、IL、SFC、ST及FBD、LABLE
语言程序设计，网络参数的设定，可进行程序的在线修改，监控及调试，具有异地读写
PLC程序等功能。
6.1GXDeveloper软件的特点
a、软件的通用性
b、程序的标准化
c、丰富的编程功能
6.2GXDeveloper软件的功能
a、共用功能－包括工程、在线、诊断、窗口、帮助
b、设置功能－包括编辑、查找／替换、转换、显示
6.3GXDeveloper编程应用
A丶软件界面：
如图6所示
图6
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B丶创建新工程：
如图7所示
图7
C丶编辑界面:
如图8所示
图8
D丶编辑操作:
如图9所示
图9
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E丶变换操作：
如图10所示
图10
升级会员 