基于PLC的交通信號燈控制系統設計

張天宇， 馬 帥， 曾寶寶， 劉 禎

（湖北文理學院機械與汽車工程學院， 湖北 襄陽 441053）

引言

交通信號燈的控制是城市道路和交通管理體系的一個重要組成部分。其對城市發展和經濟建設有著重要的關系[1]。隨著電子科技的發展，實現交通燈控制系統的設計方法也層出不窮，可編程控制器（Programmable Logic Controller,PLC）作為工業用的計算機，在工業自動化中的地位極為重要。其具有小型化、價格低、可靠性高等特點，廣泛應用于各個行業。近些年，將PLC用于交通燈控制系統的設計方法也有很多，功能都不盡相同[2]。PLC可編程邏輯控制器具有高可靠性、易于編程、方便控制的特點被廣泛應用于工業領域[3]。本文用三菱FX系列的PLC實現交通信號燈的控制，程序簡單、便于修改，大大提高了交通路口的通行能力。

1 系統總體方案

交通信號燈系統的動作要求如圖1所示，通過對東西方向和南北方向信號燈的程序控制，達到對車流的分流作用。整個系統為手動開啟，自動循環運行的方式。系統的控制要求如下：要求系統能夠自動循環運行。按下啟動按鈕，系統開始進入周期性工作：在東西方向上，紅燈亮10 s，東西方向的車流停止，此時南北方向上為綠燈，車流可以前進，5 s以后，綠燈開始閃爍，提醒司機綠燈即將結束，3 s計時結束以后，綠燈熄滅，黃燈亮2 s，未進入路口的車輛停止，等待下一個綠燈。此時東西方向的紅燈結束，綠燈點亮5 s，車輛通行，5 s結束后綠燈開始閃爍，閃爍3 s，接著黃燈點亮，提醒未進入路口的車輛停止，2 s以后東西向的紅燈點亮，車輛禁止通行，系統進入下一個循環周期。在遇到特殊情況時，可以打開手動開關，進入緊急狀態，所有信號燈熄滅，南北向和東西向的黃燈同時閃動，周期為1 s。交通信號燈控制系統的東西向和南北向均為同步運行，避免了因部分原件出現故障而導致整個系統出現崩潰的情況，提高了系統的穩定性。系統的工作流程如圖2所示。

圖1 交通信號燈控制系統的動作要求

圖2 交通信號燈控制系統的工作流程

2 軟件控制系統設計

2.1 I/O點的估算

通過對PLC控制系統分析可知：共有3個輸入點，分別是：自動位啟動按鈕、手動開關（帶自鎖型）與停止按鈕。有6個輸出點：東西向綠燈、東西向黃燈、東西向紅燈、南北向綠燈、南北向黃燈與南北向紅燈。根據系統結構需要具備的功能分析可以確定編程原件編號以及PLC的類型。

2.2 PLC的選擇

PLC的種類和型號有很多，選用一種合適的PLC對于整個控制系統來說是非常重要的。FX2N系列的PLC是三菱FX系列中最為先進的一種，其有極高的處理速度與強大的性能，能用于多種特殊的用途。除了輸入輸出16-25點的獨立用途外，還可以擴大控制點數，以適用于在多個基本組件間的連接、定位控制、模擬控制等特殊用途，是一套可滿足多樣化廣泛需求的PLC裝置[4]。

通過對交通信號燈控制系統結構和功能要求的詳細分析以及I/O點的估算，本文選用三菱PLC FX2N-16MR型號，8個輸入點（X000-X007）和8個輸出點（Y000-Y007），滿足使用需求。

2.3 I/O分配表的設計

對于PLC系統外部接線圖的分析，能夠確定所需要編程元件的編號。交通信號燈控制系統的I/O分配如表1所示。

表1 交通信號燈控制系統I/O點分配表

2.4 外部接線圖設計

通過對交通信號燈控制系統的功能以及技術要求的分析，PLC的外部接線如圖3所示。

圖3 交通信號燈控制系統外部接線圖

2.5 系統控制時序圖

通過對交通信號燈控制系統的信號進行分析，PLC控制系統的時序圖如圖4所示。

2.6 SFC圖和梯形圖的設計

控制程序的設計程序基于三菱GX Developer軟件，采用狀態轉移圖（SFC）編程的方式，系統的SFC設計如圖5所示。為了能使設計程序更加形象、直觀，本文也同時給出了相應的梯形圖，如圖6所示。

圖4 交通信號燈控制系統時序圖

圖5 交通信號燈控制系統SFC圖

圖6 交通信號燈控制系統梯形圖

在按下自動啟停按鈕X0后，南北向和東西向同時運行，在南北方向上系統進入S20狀態，南北向紅燈Y6通電點亮，同時計時器T0 K100開始計時10 s，10 s結束后輸入信號T0，狀態轉移為S21，紅燈Y6熄滅，綠燈Y4通電點亮，計時器T1 K50通電開始計時5 s，5 s后輸入信號T1，綠燈Y4熄滅，狀態轉移為S22，時間繼電器M8013通電產生周期性信號傳遞給綠燈Y4，開始進行周期為1的閃爍，計時器T2 K30開始計時3 s，3 s后輸入信號T2，綠燈Y4斷電，狀態轉移為S23，黃燈通電點亮。在東西方向上，X0通電以后，進入S24狀態，綠燈Y0通電點亮，定時器T3 K50通電開始計時5 s，5 s后輸入信號T3，進入狀態S25，綠燈Y0熄滅，時間繼電器M8013通電開始產生周期性信號給綠燈Y0，綠燈Y0開始進行周期為1 s的閃爍，同時計時器T4 K30通電開始計時3 s，3 s后輸入信號T4，綠燈Y0停止閃爍，進入狀態S26，黃燈Y1通電點亮，計時器T5 K20通電開始計時2 s，2 s后輸入信號T5，進入狀態S27，東西向紅燈Y2通電點亮，計時器T6 K100開始計時10 s，10 s結束后輸入信號T6，南北向黃燈Y5和東西向紅燈Y2熄滅，系統進入下一個循環。在需要關閉系統的時候，按下停止按鈕X2，初始脈沖常開觸電M8002得電，發出一個初始信號脈沖，各個方向的交通信號燈熄滅，如果需要進入緊急情況狀態，按下自鎖型的手動開關X1，區間復位指令通電使狀態S20和S27復位，同時時間繼電器M8013通電，產生周期為1的信號傳輸給南北方向和東西方向的黃燈Y5和Y1，開始進行周期性閃爍。

交通信號燈控制系統南北向和東西向同時運行，大大減小了系統的故障率，提高了系統的穩定性。能夠實現自動運行狀態和緊急狀態，可以靈活使用。

3 結語

本文所設計的交通信號燈控制系統采用PLC控制，可以實現自動運行狀態和緊急狀態兩種模式的自動控制，方便快捷，且PLC控制程序修改方便、易于擴充，控制系統的性能穩定、可靠性高，保證了交通管理體系的工作效率，可以用于城市道路交通的現場。