基于PLC的信号交通灯（西门子S7-1200 PLC；串行通信；15000字；高质量；组态设计）

摘 要

摘要：随着人们的消费水平不断提高，私人车辆不断的增多，人多、车多、道路少的 道路交通状况已经很明显，各路口是城市道路网的咽喉要道，因此十字路口 信号灯的控制更为重要。通常需要对整个系统进行集中监控与管理，采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。本论文详细介绍交通灯的正常运行情况， 采用具有通用性强特点的型号西门子S7—1200 系列PLC实现控制，与PLC实现串行通信，进而实现对十字路口交通灯实时控制。

关键词：交通灯控制；十字路口；西门子S7-1200 PLC；串行通信

（另起一页）

目录

1 绪论...................................................................................................................................................... 7

1.1 国内外发展研究现状.............................................................................................................. 8

1.1.1 国外发展现状............................................................................................................ 8

1.1.2 国内发展现状............................................................................................................ 8

1.2本设计的主要内容................................................................................................................... 8

2系统方案设计....................................................................................................................................... 9

2.1硬件选型................................................................................................................................... 9

2.1.1 上位机界面的选择.................................................................................................... 10

2.2交通灯控制分析..................................................................................................................... 10

2.3PLC I/0分配........................................................................................................................... 11

2.4PLC接线图............................................................................................................................... 11

3软件设计............................................................................................................................................. 12

3.1PLC控制时序图....................................................................................................................... 12

3.2主程序的设计......................................................................................................................... 12

3.3子程序的设计......................................................................................................................... 13

3.3.1复位程序..................................................................................................................... 13

3.3.2启动和倒计时程序..................................................................................................... 14

3.3.3启动步骤..................................................................................................................... 15

3.3.4南北绿灯和东西红灯................................................................................................. 15

3.3.5南北绿灯闪烁东西红灯............................................................................................. 16

3.3.6南北黄灯闪烁东西红灯............................................................................................. 16

3.3.7东西绿灯南北红灯..................................................................................................... 17

3.3.8东西绿闪烁灯南北红灯............................................................................................. 17

3.3.9东西绿闪烁灯南北红灯............................................................................................. 18

4交通灯的系统仿真测试..................................................................................................................... 18

4.1编程软件简介......................................................................................................................... 18

结论........................................................................................................................................................ 21

参考文献................................................................................................................................................ 23

1绪论

近年来，我国许多城市的交通压力都伴随着流动人口的急剧增加而增加。经济的快速发展，一些红绿灯路口不合理的工作时间，交通违章记录不准确，为了提高工作效率，改善现有的交通系统，加强对路口信号控制是非常重要的。在此背景下，结合城市道路交通国内的实际情况来看，开发真正适合我们自己的 智能控制系统，已成为一项重要任务。设计一个十字路口的交通灯控制电路，设计红色，黄色，绿色交通信号灯，其中红色光，表示该道路禁止通行；黄灯表示车 辆等待，绿灯表示道路允许通行。该电路自动控制两个红色，黄色和绿色交通灯 的状态转换。红绿灯十字路口易于使用相应的系统配置简单的编程与友好的用户 界面接入设备的设计要求，应用程序库，以加速编程和调试的速度。这个时候学会了设计PLC控制扩展I/0 接口的方法，学习使用软件西门子博图编程，并进一步学习编程PLC-1200,以及学习实施模拟交通灯的控制。

在日常生活中，利用交通信号灯可以有效清晰的管理道路交通，提高道路通行能力，对减少交通事故有着显著的效果。交通灯控制系统由 PLC 控制，监控仿 真西门子 博图编程两部分组成，继而实现交通灯的基本功能，使交通实现有效控制。为了保障通过路口的行人安全，以及车辆交通秩序化，规范化，有必要使设计的红绿 灯更人性化，更标准化，保障行人和车辆的安全通行。通过设计红绿灯电路程序， 掌握 PLC 编程软件和仿真软件西门子 博图编程的应用，并达到基本电路可以自行设计的目的。

1.1国内外发展研究现状

1.1.1 国外发展现状

早在19世纪，英国就诞生了第一个交通信号灯，由于其使用的是煤气交通信 号灯，并在随后的使用中发生爆炸，造成交通信号灯几乎近半个世纪消失。直到 20世纪初，美国的克利夫兰市才再次出现了交通灯，但此时已经改成了电力信号 灯。1926年英国出现了使用自动化的控制器来控制的交通灯，这是城市交通自动 控制的开始。

20世纪初，美国首先使用车辆感应式信号控制器，车辆传感器控制器的特征是，它可以根据交通流量来调整绿灯时间的长度，使得绿灯时间更有效地利减少车辆在路口的等待时间，比定时控制具有更大的灵活性。目前城市道路交通信号控制系统最具代表性的有英国的TRANSYT和 SC00TS交 通控制系统以及澳大利亚的 SCATS 系统。信号灯在发展过程中，自适应理论备受 各研究机构欢迎。比如上面提到的SCO0TS 和 SCATS系统。近年来，国外依旧偏向 于用自适应理论研究交通控制系统，特别是美国的十几所大学和研究机构正在开 发自适应交通信号控制系统的理论，例如美国亚利桑那大学研发的RHODES。

1.1.2 国内发展现状

我国在交通灯的研发领域起步较晚，由于我国人口众多，随着社会的发展，交通问题越发严重，这使得我国对交通的需求急剧增加。城市交通是一个高度集 成和复杂的问题，必须在依据城市道路实际情况下进而多方面的去解决。由于中 国经济和社会的快速发展使得对道路交通效率而安全的要求越发严格。

当前国内的交通灯设计呈现多元化，有单片机控制交通灯的控制系统；有应用CPLD设计的交通灯控制系统；有应用PLC设计的交通灯控制系统。国内交通信 号灯基本位于车辆相对密集的十字路口，并设置红，绿，黄三种颜色的指示灯指示，再加上一个倒数计时器来控制车辆的行驶。这样的设计对于大多数的道路交 通都能起到很好的车辆分流作用，但由于实际中出现各种突发事件，与各种外在 因素的存在，这种设计仍然存在着很大的弊端，例如不能根据道路的车流量来及 时的改变放行时间，进而影响了交通效率。

1.2本设计的主要内容

在生产控制系统自动化领域中 PLC 具有可靠、稳定、抗干扰能力强的特性， 如今PLC的应用也更加广泛。在 PLC控制器设计主要是利用内部定时器和外围电 路相结合，来实现控制十字路口红绿灯。通过主电路，控制电路，梯形图设计， 仿真和在线监控西门子博图实现了系统的硬件和软件的设计和人机交互。

摸拟的十字路口交通灯组态图，用一个开关控制交通灯的运行与停止，当开 关为开时，信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯控制系统开 始工作，且先南北绿灯亮，东西红灯亮。南北绿灯亮12秒，同时东西红灯亮12 秒，则南北方向的车辆运行，东西方向的车辆停止运行，之后南北方向绿灯闪烁3 秒，此时东西方向仍然红灯；然后南北方向黄灯亮3秒，之后东西绿灯亮12秒， 同时南北红灯亮12秒，则东西方向的车辆运行，南北方向的车辆停止运行，之后 东西方向绿灯闪烁3秒，此时南北方向仍然红灯；然后东西黄灯亮3秒，再回到 南北绿灯、东西红灯的状态，循环下去。另外，此设计中在遇到特殊情况时加上了东西延时和南北延时，各延时15秒，即当东西延时或南北延时按钮时，东西方 向或南北方向各自多延时15秒。当启动信号断开时，所有的信号灯都保持原有状态。

2系统方案设计

为了设计思路清晰与便利，采用了顺序控制法。顺序控制就是指系统或生产 设备在各输入信号的作用下，内部元件状态按照生产工艺预先规定的时间顺序变化，使得各执行机构在生产过程中自动有序地进行操作。PLC 顺序控制设计法最 基本的设计思路是将控制系统的一个完整的工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，然后用转换条件控制代表各步的内部编程元件，使其状态安装一丁点时间顺 序变化，最终输出控制相应执行机构的动作步是根据输入量状态的变化来划分的。 在任何一步之内各输出量的状态不变，但相邻两步输出量总的状态是不同的。步的这种划分方法代表各步编程元件的状态与各输出量状态之间有着极为简单的逻 辑关系。

2.1硬件选型

主要介绍了主要的硬件选型，主要选用功能全面，指令丰富的西门子S7-1200，非常符合用在本课题的控制装置中。并且结合实际设计需求，对比市面上各种产品类型，最终选择了支持网络通信和串口通信（RS485），功能及通信接口上均满足需求的西门子S7-1200 PLC,如下图2-1所示。

图2-1 西门子S7-1200PLC

结合实际设计需求，对比市面上各种产品类型，最终选择西门子型号为S7-1200的PLC，支持网络通信和串口通信（RS485），功能及通信接口上均满足需求，如下图2-2所示。

2.1.1 上位机界面的选择

上位机界面有两种选择，第一种是组态王，第二种是WinCC。通过对两种软件的调查可知，两种软件都能实现上位机组态界面的功能。但基于西门子PLC的兼容性，本课题触摸屏比较符合课题的需求，且操作方便，因此将WinCC作为本课题上位机软件界面，WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中也已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化，如下图2-3所示。

图2-3 西门子WinCC触摸屏

2.2交通灯控制分析

信号灯是受启动按钮和停止按钮的控制，当按下启动按钮时，受控制的信号 灯开始工作，并循环工作，当按下停止按钮时，系统将维持在原有状态。

交通灯示意图如图2-4所示，在东西南北两个方向均安装信号灯，两个方向 各6个灯，分为红、黄、绿三种颜色。按下起动按钮后，南北向绿灯亮维持12s, 12s后，南北绿灯亮3s, 之后南北黄灯亮3s,期间，东西向红灯也亮，并维持18s; 18s 后，东西方向绿灯亮12s, 后绿灯闪烁3s, 然后东西方向黄灯亮3s, 期间， 南北向红灯也亮18s, 并维持接下去周而复始，直到停止按钮被按下为止。

图2- 4交通灯示意图

分析系统及控制要求知需2个输入和6个输出，所以选 CPU224 即可满足 (CPU224有14输入和10输出)。

2.3PLC I/0分配

IO分配表是PLC（可编程逻辑控制器）编程中的一个重要部分，它定义了哪些物理输入设备（如按钮、传感器等）连接到PLC的哪些输入端子上，以及哪些物理输出设备（如信号灯、电机等）连接到PLC的哪些输出端子上。这样，PLC程序就可以通过读取输入端子的状态来控制输出端子的状态，从而实现自动化控制，I/0 接口分配。

表2-5 I/0接口分配

2.4PLC接线图

根据设计要求，采取西门子S7-1200型 PLC为控制器，启动按钮 SB1, 停 止按钮 SB2, 红黄绿三种颜色信号灯各4只，输入/输出接线，如图2-6所示。由 图可见，启动按钮SB1接入输入继电器I0.0 端，停止按钮SB2接入输入继电器I0.1 端，东西方向的红灯接于输出继电器Q0.0端，东西方向的黄灯接于输出继电器Q0.1 端，东西方向的绿灯接于输出继电器Q0.2端，南北方向的红灯接于输出继电器Q0.3 端，南北方向的黄灯接于输出继电器Q0.4端，南北方向的绿灯接于输出继电器Q0.5 端，将输出电源与输出公共端1L相连。

图2-6交通灯的输入输出接线图

3软件设计

3.1PLC控制时序图

交通信号灯正常时序控制时序图如图3-1所示：

图3-1交通信号灯时序控制时序图

3.2主程序的设计

刚开始我们按下启动按钮，通过定时器T37 定时先实现南北绿灯亮12秒，同 时东西红灯亮12秒，则南北方向的车辆运行，东西方向的车辆停止运行，之后定 时器T38 定时实现南北方向绿灯闪烁3秒，同时东西红灯扔持续亮3秒；然后T39 定时实现南北方向黄灯亮3秒，同时东西红灯扔持续亮3秒；之后定时器T40 定 时实现东西绿灯亮12秒，同时南北红灯亮12秒，则东西方向的车辆运行，南北 方向的车辆停止运行，之后定时器T41 定时实现东西方向绿灯闪烁3秒，此时南 北方向仍然红灯亮3秒；然后T42 定时实现东西黄灯亮3秒，再回到南北绿灯、 东西红灯的状态，循环下去。当启动信号断开时，所有的信号灯都保持原有状态。 整个系统的总体流程图如下图3-2所示。

3-2 系统总体流程图

3.3子程序的设计

对于通常的应用来说， 一般不使用顺序控制指令 PLC 编程，顺控指令一般用 在需要 PLC 控制的动作具有明确的步骤顺序，并且周而复始地循环的场合。顺控 指令程序可以作功能块(子程序)包含在整个程序中，与其他非顺控控制程序共存。

普通的PLC程序是从头到尾不断扫描执行的。SCR指令的关键是“步”和“转 换”,当转换的条件不满足时会一直保持在当前的步中。“转换”就是从一个步， 进入另一个步。在一个步的状态中，西门子 PLC 程序也不是按普通程序运行的模 式进行局部的“循环扫描”。顺序控制继电器转换 (SCRT) 指令标识 SCR 位被启 用 ( 下n 位被设置)。顺序控制继电器结束 (SCRE) 指令标志着SCR段的结束。

3.3.1复位程序

如图3-3所示，实现的是系统的整体复位初始化。

图3-3

3.3.2启动和倒计时程序

如图3-4所示，起保停电路，0停止，1运行；东西南北倒计时程序。

图3-4

3.3.3启动步骤

如所示3-5，一共分为10步，运行完归零重复循环。

图3-5

3.3.4南北绿灯和东西红灯

如图3-6所示南北绿灯亮12秒；东西红灯亮。

图3-6