摘要

可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC。是一种综合了通讯、自动控制和计算机技术发展而来的主要用于工业生产的自动控制系统。PLC运用数字运算操作系统，采用可编程序存储器，来于储存内部程序。执行逻辑运算、定时控制、顺序控制、计数与算术操作等指令，通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的被控对象和生产过程。是现代工业使用最多的自动控制系统，其具有编程简单易学、功能强、性价比高、使用方便适应性强、可靠性高、抗干扰能力强、设计安装调试工作量少、维修方便、体积小，能耗低的优点，广泛获得人们认可。由于PLC具有对使用环境适应性强，可靠性高，内部定时器资源丰富的优点，可对目前普遍使用的“渐进式”交通灯系统进行精确控制。因此在我国越来越多的地区将PLC应用于交通灯智能控制系统中。同时，PLC本身还具有网络通讯功能，可将同一条道路上多个路口的交通灯组成一个局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，减小城市通压力，实现科学化管理城市交通。

关键字:可编程控制器，PLC，智能控制系统，交通灯，局域网络。

Abstract
Programmable Logic Controller for short PLC.Is a comprehensive communication, automatic control and computer technology development and the main used for the automatic control system of industrial production.PLC uses the digital operation system, uses the programmable memory, comes in the storage internal procedure. Perform logic operations, timing control, sequence control, counting and arithmetic operations, etc., through digital or analog input / output control of various types of controlled objects and production processes.PLC is a modern industrial use most of the automatic control system. It has programming is simple and easy to learn, strong function, high ratio of performance to price, convenient use strong adaptability, high reliability, strong anti-interference ability, design and installation of debugging work less, convenient maintenance, small size, the advantages of low energy consumption, extensive access to recognized.Because PLC has the advantages of high reliability, high internal timer resource, and rich in internal timer resources.It can be used for the “progressive” traffic light system to be accurately controlled.So PLC is applied in intelligent traffic light control system in China.Meanwhile, the PLC itself has the function of communication network, a plurality of intersection on the road with a traffic light consists of a LAN unified dispatching management, can reduce the waiting time of vehicles, reducing the urban pressure, realize the scientific management of urban traffic.

Keywords: Programmable Logic Controller, PLC, intelligent control system, traffic light, local network.

目录

第一章 绪论
1.1 引言…1
1.2 课题研究意义…1
1.3 城市智能交通灯在国内外的研究现状…2
1.4 城市智能交通灯在国内外的发展趋势…3
第二章 硬件及软件的选择PLC产生和定义
2.1 PLC的基本概念和基本结构…4
2.2 PLC的特点和应用领域…5
2.3 PLC的工作原理…5
2.4 WINCC仿真软件特点及使用方法…6
2.5金属传感器的选择及工作原理（铺设）… 6
第三章 基于PLC的三路口智能交通灯控制系统设计
3.1设计思路… …8
3.2交通灯时序分析…14
3.3 I/O地址的分配（创建符号表）…15
3.4主程序的设计…18
第四章 程序运行与调试
4.1、调试过程中遇到的问题及解决方法…27
4.2、在WINCC上调试程序…30
总结…34
参考文献…35
致谢…36

第一章 绪论

1.1引言
交通灯控制系统的发展有着悠久的历史，伴随着人类工业文明的发展，汽车以及其他各种交通工具呈现出一片欣欣向荣的景象。各种交通工具的大量使用使得人们的出行更加方便，但随之而来的是交通的压力越来越大，各个路口对于交通控制系统的控制要求不断提高。【5】1914年，美国的克利夫兰制造了一款由电力驱动的交通灯，这也是第一台使用电力驱动的交通灯。它被安装在了纽约和芝加哥，这种交通灯的概念已经和现在大致相同。1926年，自动化控制的交通灯得到利用，这为现代城市交通奠定了基础。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对交通灯的各种意义做出了明确的规定——绿灯行，黄灯准备，红灯停【12】。
交通灯的出现，使城市交通得以有效管制，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。使得城市的拥堵显现得到了一定程度的缓解，使人们的出行现状得到了改善。
传统交通控制系统控制笨拙、维修相当复杂、寿命比较短、对工作环境要求高。面对当今复杂的交通状况显得无能为力。
智能交通控制系统是基于现代电子信息技术面向交通运输和车辆控制的服务系统。它的突出特点是以信息的采集、处理、输出、交换、分析、整理利用为主路线，为城市交通控制系统提供多样性的服务【6】。运用高科技改变传统的控制方式，使传统的交通模式变得更加智能化，更加节能、安全、高效。
当今是城市交通智能化的时代。人们需要的交通控制系统是先进、智能的一体化交通综合控制系统。公路靠自身的智能调节将交通流量调整到最佳状态，最大限度的提高解决问题的能力。基于PLC智能交通灯控制系统是智能交通控制系统的典范，由于其操作简单、维修方便、环境适应性强、性价比高的特点，被广泛应用于城市交通灯中。【16】
1.2 课题研究目的及意义
目的：
（1）使学生进一步巩固、加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握。
（2）使学生获得从事科研工作的初步训练，培养学生的独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力。
（3）培养学生在制定研究（设计）方案、设计计算、工程绘图、实验方法、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等方面的基本工作实践能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法。
（4）使学生树立严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识、善于与他人合作的工作作风。
意义：
（1）通过本次设计，提高学生学习思维能力。
（2）通过实习可以加深我们对专业的理解和认识，提高专业技能，并激发我们对本专业学习的兴趣。
（3）锻炼学生独立动手能力
1.3 城市智能交通灯在国内外的现状
从国内形势看，设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD(Complex Programmable Logic Device)设计实现交通信号灯控制器方法；有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计；有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法【12】。目前，国内的交通灯一般铺设在十字路口及三叉路口，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。加上一个倒计时的显示计时器来控制车辆通行时间。【11】对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：
（1）两车道的车辆轮流放行时间相同，在十字路口，在干道上车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。
（2）两条干道的红绿时间不能随时间的改变而修改。不适合现实状况下复杂多变的交通状况。
随着国内经济不断发展，城市公共交通的规模不断扩大，越趋于复杂化。交通控制系统控制压力日益凸显，交通灯控制系统还有待完善。【7】
从国外发展来看，就控制系统和控制效率而言，国外的交通控制系统比较先进。但巨大的交通压力也会使美国这样的发达国家陷入交通拥堵。在国外，大级城市及特大城市优先公共交通发展已成为一种共识。但是这样使得政府投资及财政补贴大量增加。目前公共交通普遍面临政府补贴有限、企业经济效益差和职工劳动量大、工资低等问题。如何更好地发展与管理城市交通，实现其社会效益最优化，并最大限度的提高公共交通管理水平、减少政府补贴，成为目前面临的问题。【5】
1.4 城市智能交通灯在国内外的发展趋势
从国内形势看，我国的交通灯发展还待完善。我国经济不断发展，城市化进程加快，城市公共交通的规模不断扩大，越趋向于复杂化。
从国外发展来看，在大城市及特大城市优先公共交通发展已成为共识。但是这样使政府投资及财政补贴大量增加，目前公共交通普遍面临补贴政府补贴有限、企业经济效益差和职工劳动量大、工资低等问题。如何更好地发展与管理城市交通，实现其社会效益最优化，并最大限度的提高公共交通管理水平、减少政府补贴，成为目前面临的问题。

第二章 硬件及软件的选择

PLC产生和定义
1968年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969年有美国数字设备公司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（programmable logic controller）【3】。
80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为PC（programmable controller）即可编程控制器。国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下【13】：
可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。【14】
2.1 PLC的基本概念和基本结构
目前，可编程控制器的产品很多，不同的公司生产的PLC以及同一家公司生产的不同型号的PLC其结构各不相同，但就其工作原理大致相同的。

图2.1 PLC
它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍PLC各组成部分及作用。

图2.2 PLC各组成部分
2.2 PLC的特点和应用领域
PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的特点而设计制造和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的优点【1】。
（1）可靠性高，抗干扰能力强；
（2）通用性强，使用方便；
（3） 采用模块化结构，使系统组合灵活方便编程器输出电路输入电路中央处理器（CPU）系统程序存储器用户程序存储器电源；
（4） 编程语言简单、易学，便于掌握；
（5） 系统设计周期短；
（6） 对生产工艺改变适应性强；
（7）安装简单、调试方便、维护工作量小；
（8）体积小、重量轻、功耗低。【2】
为了适应市场的各方面的需求，各生产厂家对PLC不断进行改进,推出功能更加强大、结果更加完美的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方向发展：一个向超小型、专用化和低价格的方向发展，以进行单机控制；另一个是向大型化、高速化、多功能化和分布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要。
2.3 PLC的工作原理
可编程控制器主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几组成。可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器：存放系统管理程序。用户存储器：存放用户编制的控制程序。【6】

图2.3 PLC控制系统示意图
2.4 WINCC仿真软件特点及使用方法
WINCC(Windows Control center)运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，是业界遵循的标准【4】。如果你想使设备和机器最优化运行，如果你想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WINCC当是上乘之选。
仿真时，在WINCC的变量管理器中MPI中新建一个驱动连接，驱动连接的属性插槽号要设为2，站地址一般为2002，之后，把建的变量直接剪切到这个驱动连接之下即可。在图形编辑器下建立新的图形界面，在MPI下建立的变量是不能动的，然后把仿真器打开，把程序下载到PLCSIM，和实际中一样，WINCC数据就接通了，即WINCC与STEP7已完成连接。
2.5金属传感器的选择及工作原理（铺设）
金属传感器按工作原理分大致可以分为以下三类：利用电磁感应高频振荡型，使用磁铁磁力型和利用电容变化电容型。接近传感器可以不与目标物实际接触情况下检测靠近传感器金属目标物。

图2.4 高频振荡型接近传感器
经过分析高频振荡型接近传感器比较适合本设计要求。高频振荡型接近传感器工作原理：电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生涡流吸收了振荡器能量，使振荡减弱停振。振荡器振荡及停振这二种状态，转换为电信号整形放大转换成二进制开关信号，经功率放大后输出。【10】
传感器铺设在主干道上，检测交通拥堵情况。具体方案是：1、2、3号路口总共铺设18个金属传感器，每个路口6个分别铺设在主干道上，每组3个。当任一组3个传感器都触发时，表示该路口交通出现了拥堵。

第三章 基于PLC的三路口智能交通灯控制系统设计

设定三个路口路口与路口之间距离相等，且车辆由一路口行驶到下一个相邻路口平均需要12S时间。

3.1设计思路
交通灯控制系统设计分为三个部分：右转交通灯控制系统设计、自动控制系统设计和手动控制系统设计。自动控制系统设计可分为正常状况下的控制系统设计和交通控制现场出现拥堵状况时的控制系统设计。如下图：

图3.1 交通灯控制系统
在整个控制系统中右转交通灯控制系统主要控制对象是每个路口右转交通灯，在国内，交通法规定车辆靠右行驶，右转方向在普通情况下一般不会对交通产生影响，反而长时间让右转绿灯对路口的交通有一定疏导作用，有利于缓解交通压力。设定所有路口右转方向交通灯：当系统上电后，右转交通灯绿灯亮，当按下I0.1时，右转绿灯熄灭，黄灯亮3S后红灯亮。
启动自动模式，在正常状况下，三路口交通灯控制系统的控制要求如下：
按下启动控制按钮I0.0，启动开关接通，自动控制系统开始工作。
1号路口：首先东向西方向直行、左转绿灯亮，34S后东向西方向直行、左转绿灯亮闪烁3S，3S后东向西方向直行、左转绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后东向西方向直行、左转黄灯熄灭红灯亮；同时南北向直行、左转红灯熄灭绿灯亮，6S后南北向直行、左转绿灯闪烁3S，3S后南北向直行、左转绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后南北向直行、左转黄灯熄灭红灯亮；同时西向东直行、左转红灯熄灭绿灯亮，34S后西向东直行、左转绿灯闪烁，3S后西向东直行、左转绿灯熄灭黄灯亮，3S后西向东直行、左转黄灯熄灭红灯亮；同时南北向直行、左转红灯熄灭绿灯亮，6S后南北向直行、左转绿灯闪烁3S，3S后南北向直行、左转绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后南北向直行、左转黄灯熄灭红灯亮。程序流程图如下

图3.2 1号路口自动模式
2号路口：首先南北向直行、左转红灯熄灭绿灯亮，6S后南北向直行、左转绿灯闪烁3S，3S后南北向直行、左转绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后南北向直行、左转黄灯熄灭红灯亮；同时东向西方向直行、左转绿灯亮，34S后东向西方向直行、左转绿灯亮闪烁3S，3S后东向西方向直行、左转绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后东向西方向直行、左转黄灯熄灭红灯亮；同时南北向直行、左转红灯熄灭绿灯亮，6S后南北向直行、左转绿灯闪烁3S，3S后南北向直行、左转绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后南北向直行、左转黄灯熄灭红灯亮；同时西向东直行、左转红灯熄灭绿灯亮，34S后西向东直行、左转绿灯闪烁，3S后西向东直行、左转绿灯熄灭黄灯亮，3S后西向东直行、左转黄灯熄灭红灯亮。程序流程图下

图3.3 2号路口自动模式
3号路口：首先西向东直行、左转红灯熄灭绿灯亮6S，6S后西向东直行、左转绿灯闪烁，3S后西向东直行、左转绿灯熄灭黄灯亮，3S后西向东直行、左转黄灯熄灭红灯亮；南北向直行、左转红灯熄灭绿灯亮，6S后南北向直行、左转绿灯闪烁3S，3S后南北向直行、左转绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后南北向直行、左转黄灯熄灭红灯亮；同时东向西方向直行、左转绿灯亮，34S后东向西方向直行、左转绿灯亮闪烁3S，3S后东向西方向直行、左转绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后东向西方向直行、左转黄灯熄灭红灯亮；同时南北向直行、左转红灯熄灭绿灯亮，6S后南北向直行、左转绿灯闪烁3S，3S后南北向直行、左转绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后南北向直行、左转黄灯熄灭红灯亮；同时西向东直行、左转红灯熄灭绿灯亮，34S后西向东直行、左转绿灯闪烁，3S后西向东直行、左转绿灯熄灭黄灯亮，3S后西向东直行、左转黄灯熄灭红灯亮。程序流程图下

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图3.4 3号路口自动模式
可以看到，在按钮I0.0后2号路口绿灯先由南北向开始，3号路口在按下按钮I0.0后，强制西向东方向绿灯亮6S闪烁3S，后黄灯3S转红灯，在第二个周期开始时这6S绿灯将不再促发。这样，当车辆由1号路口行驶到2号路口时，2号路口东向西方向绿灯刚好亮，当车辆由2号路口行驶到3号路口时，3号路口东向西方向绿灯亮。形成一条由东向西的绿波带，使得在东向西方向车辆等待绿灯的时间大大减小。
堵车状况控制系统设计（以一号路口堵车为例）：
当主干道东向西方向上车辆出现堵车状况时，东向西时序前南北向时序会由9S减少至4S，东向西绿灯由37S增加至42S；
主干道西向东方向上车辆出现堵车状况时，东向西时序前南北向时序会由9S减少至4S，西向东绿灯由37S增加至42S。1号路口堵车程序流程图如图3.6。
手动控制系统设计：
当按下手动模式按钮后，手动模式控制系统开始工作。1、2、3路口西向东绿灯亮，当按下其他方向通行按钮时。原来运行在通行状态下的路口绿灯熄灭，黄灯亮3S后转红灯。被按按钮通行方向3S后绿灯亮。程序流程图如图3.5。

图3.5 东向西路口手动模式

图3.6自动模式

3.2交通灯时序分析
在1号路口，按下I0.0后，东向西绿灯最先亮，其次是南北向绿灯亮，在其次是西向东绿灯亮，最后南北向绿灯亮。在最后一次南北向绿灯亮结束后，1号路口完成一个周期； 1号路口时序图如下：

图3.7 1号路口时序图
在2号路口，按下I0.0后，南北向绿灯最先亮，其次是东向西绿灯亮，在其次是南北向绿灯亮，最后西向东灯亮。在最后一次西向东绿灯亮结束后，2号路口完成一个周期； 2号路口时序图如下：

图3.8 2号路口时序图
在3号路口，为了实现三路口的路灯传递功能，按下I0.0后，西向东绿灯最先亮6S闪烁3S，黄灯亮3S,这16S结束后3号路口时序周期开始。首先南北向绿灯亮，其次是东向西绿灯亮，再其次南北向绿灯亮，最后西向东绿灯亮。3号路口完成一个周期；3号路口时序图如下：

图3.9 号路口时序图
其中东向西、西向东绿灯亮时间为34S，绿灯闪烁3S，黄灯亮3S;南北向绿灯亮时间为6S，绿灯闪烁3S，黄灯亮3S。
3.3 I/O地址的分配（创建符号表）
本设计使用的是S7 300的PLC，使用了3个DI16/DO1624V/0.5A模块，3个DODC24V/0.5A模块。
在此设计中总共有18个传感器，每个路口有传感器6个，他们分3个一组铺设在每个路口的主干道上；启动、停止、手动启动各一个按钮；手动模式下，方向执行按钮共9个，每个路口3个；红绿灯共有108个，每个路口有36个。因此共有30个输入，108个输出。接线的输入采用交流220V，输出采用12V直流，I/O地址分配图如下：
根据三路口设计要求，符号表如下：
表1 程序符号表
启动 I0.0 1号路口东向西直行绿灯亮 Q 0.0
停止 I0.1 1号路口东向西直行黄灯亮 Q 0.1
手动/自动切换 I0.2 1号路口东向西直行红灯亮 Q 0.2
1号路口东向西传感器A I0.3 1号路口东向西左转绿灯亮 Q 0.3
1号路口东向西传感器B I0.4 1号路口东向西左转黄灯亮 Q 0.4
1号路口东向西传感器C I0.5 1号路口东向西左转红灯亮 Q 0.5
1号路口西向东传感器A I1.0 1号路口东向西右转绿灯亮 Q 0.6
1号路口西向东传感器B I1.1 1号路口东向西右转黄灯亮 Q 0.7
1号路口西向东传感器C I1.2 1号路口东向西右转红灯亮 Q 1.0
2号路口东向西传感器A I1.5 1号路口南向北直行绿灯亮 Q 1.1
2号路口东向西传感器B I1.6 1号路口南向北直行黄灯亮 Q 1.2
2号路口东向西传感器C I1.7 1号路口南向北直行红灯亮 Q 1.3
2号路口西向东传感器A I4.2 1号路口南向北左转绿灯亮 Q 1.4
2号路口西向东传感器B I4.3 1号路口南向北左转黄灯亮 Q 1.5
2号路口西向东传感器C I4.4 1号路口南向北左转红灯亮 Q 1.6
3号路口东向西传感器A I4.7 1号路口南向北右转绿灯亮 Q 1.7
3号路口东向西传感器B I5.0 1号路口南向北右转黄灯亮 Q 4.0
3号路口东向西传感器C I5.1 1号路口南向北右转红灯亮 Q 4.1
3号路口西向东传感器A I5.4 1号路口西向东直行绿灯亮 Q 4.2
3号路口西向东传感器B I5.5 1号路口西向东直行黄灯亮 Q 4.3
3号路口西向东传感器C I5.6 1号路口西向东直行红灯亮 Q 4.4
1号路口手动东向西通车 I8.1 1号路口西向东左转绿灯亮 Q 4.5
1号路口手动西向东通车 I8.2 1号路口西向东左转黄灯亮 Q 4.6
1号路口手动南北北南通车 I8.3 1号路口西向东左转红灯亮 Q 4.7
2号路口手动东向西通车 I8.4 1号路口西向东右转绿灯亮 Q 5.0
2号路口手动西向东通车 I8.5 1号路口西向东右转黄灯亮 Q 5.1
2号路口手动南北北南通车 I8.6 1号路口西向东右转红灯亮 Q 5.2
3号路口手动东向西通车 I8.7 1号路口北向南直行绿灯亮 Q 5.3
3号路口手动西向东通车 I9.0 1号路口北向南直行黄灯亮 Q 5.4
3号路口手动南北北南通车 I9.1 1号路口北向南直行红灯亮 Q 5.5
1号路口北向南左转绿灯亮 Q 5.6
1号路口北向南左转黄灯亮 Q 5.7
1号路口北向南左转红灯亮 Q 8.0
1号路口北向南右转绿灯亮 Q 8.1
1号路口北向南右转黄灯亮 Q 8.2
1号路口北向南右转红灯亮 Q 8.3

2号路口东向西直行绿灯亮 Q 8.4 3号路口东向西直行绿灯亮 Q 15.0
2号路口东向西直行黄灯亮 Q 8.5 3号路口东向西直行黄灯亮 Q 15.1
2号路口东向西直行红灯亮 Q 8.6 3号路口东向西直行红灯亮 Q 15.2
2号路口东向西左转绿灯亮 Q 8.7 3号路口东向西左转绿灯亮 Q 15.3
2号路口东向西左转黄灯亮 Q 9.0 3号路口东向西左转黄灯亮 Q 15.4
2号路口东向西左转红灯亮 Q 9.1 3号路口东向西左转红灯亮 Q 15.5
2号路口东向西右转绿灯亮 Q 9.2 3号路口东向西右转绿灯亮 Q 15.6
2号路口东向西右转黄灯亮 Q 9.3 3号路口东向西右转黄灯亮 Q 15.7
2号路口东向西右转红灯亮 Q 9.4 3号路口东向西右转红灯亮 Q 16.0
2号路口南向北直行绿灯亮 Q 9.5 3号路口南向北直行绿灯亮 Q 16.1
2号路口南向北直行黄灯亮 Q 9.6 3号路口南向北直行黄灯亮 Q 16.2
2号路口南向北直行红灯亮 Q 9.7 3号路口南向北直行红灯亮 Q 16.3
2号路口南向北左转绿灯亮 Q 12.0 3号路口南向北左转绿灯亮 Q 16.4
2号路口南向北左转黄灯亮 Q 12.1 3号路口南向北左转黄灯亮 Q 16.5
2号路口南向北左转红灯亮 Q 12.2 3号路口南向北左转红灯亮 Q 16.6
2号路口南向北右转绿灯亮 Q 12.3 3号路口南向北右转绿灯亮 Q 16.7
2号路口南向北右转黄灯亮 Q 12.4 3号路口南向北右转黄灯亮 Q 17.0
2号路口南向北右转红灯亮 Q 12.5 3号路口南向北右转红灯亮 Q 17.1
2号路口西向东直行绿灯亮 Q 12.6 3号路口西向东直行绿灯亮 Q 17.2
2号路口西向东直行黄灯亮 Q 12.7 3号路口西向东直行黄灯亮 Q 17.3
2号路口西向东直行红灯亮 Q 13.0 3号路口西向东直行红灯亮 Q 17.4
2号路口西向东左转绿灯亮 Q 13.1 3号路口西向东左转绿灯亮 Q 17.5
2号路口西向东左转黄灯亮 Q 13.2 3号路口西向东左转黄灯亮 Q 17.6
2号路口西向东左转红灯亮 Q 13.3 3号路口西向东左转红灯亮 Q 17.7
2号路口西向东右转绿灯亮 Q 13.4 3号路口西向东右转绿灯亮 Q 18.0
2号路口西向东右转黄灯亮 Q 13.5 3号路口西向东右转黄灯亮 Q 18.1
2号路口西向东右转红灯亮 Q 13.6 3号路口西向东右转红灯亮 Q 18.2
2号路口北向南直行绿灯亮 Q 13.7 3号路口北向南直行绿灯亮 Q 18.3
2号路口北向南直行黄灯亮 Q 14.0 3号路口北向南直行黄灯亮 Q 18.4
2号路口北向南直行红灯亮 Q 14.1 3号路口北向南直行红灯亮 Q 18.5
2号路口北向南左转绿灯亮 Q 14.2 3号路口北向南左转绿灯亮 Q 18.6
2号路口北向南左转黄灯亮 Q 14.3 3号路口北向南左转黄灯亮 Q 18.7
2号路口北向南左转红灯亮 Q 14.4 3号路口北向南左转红灯亮 Q 19.0
2号路口北向南右转绿灯亮 Q 14.5 3号路口北向南右转绿灯亮 Q 19.1
2号路口北向南右转黄灯亮 Q 14.6 3号路口北向南右转黄灯亮 Q 19.2
2号路口北向南右转红灯亮 Q 14.7 3号路口北向南右转红灯亮 Q 19.3

3.4主程序的设计
本次设计输入/输出共有138个。为了方便改正编程时出现的问题，将所有程序分为四个部分：

图3.10 程序块

1.OB1 主要编写的是程序的启动、停止、手动启动。具体程序如下：

图3.11 启动、停止、手动程序
2.FC1 是1号路口的程序，该段程序设计的是一号路口所有交通灯的控制系统设计，包括路灯转换、正常情况下一号路口的交通灯控制系统设计、路口出现堵车是的交通控制系统设计、手动模式下交通灯的控制系统设计。
在自动模式下，交通灯按照正常时序工作，当主干道出现堵车情况时，南北向通车时间将被大大减少，减少的时间被堵车的主干道抢去执行绿灯。主干道通车时间加长了，堵车情况得到解决或缓解。西向东堵车时，西向东可以将在西向东时序前的南北向时间抢走，来增加西向东的通车时间；西向东堵车时，东向西可以将在东向西时序前的南北向时间抢走，来增加东向西的通车时间。
主干道堵车程序如图3.12：

图3.12 1号路口堵车程序
东向西绿灯控制程序如图3.12：

图3.13 1号路口绿灯控制程序
南北向绿灯控制程序如图3.14：

图3.14 1号路口南北向绿灯控制程序
西向东绿灯控制程序如图3.15：

图3.15 1号路口西向东了绿灯控制程序
在手动模式下，某个路口状态改变时都会启动一个脉冲定时器SE，时间为3S。当路口同行按钮被按下时，通行路口3S后由红灯变为绿灯；原来通行路口由红灯立转为黄灯，3S后黄灯熄灭红灯亮。这样可以让开车的司机有充足的时间来反映路灯的变化情况。

图3.16 1号路口手动控制程序
3.FC2 主要编写的是2号路口的交通灯控制系统。根据计算，车辆由1号路口行驶到2号路口的平均时间需要12S。为了形成东向西的绿波带，2号路口交东向西绿灯要比1号路口东向西绿灯晚亮12S。经过调整，设定当整个交通等控制系统自动模式启动后，2号路口先南北向绿灯亮，再东向西绿灯亮。路口主干道堵车、自动正常模式、手动模式基本控制思路与1号路口相似。
南北向开始时序与南北向绿灯程序如图3.17：

图3.17 2号路口南北向绿灯控制程序
3.FC3 主要编写的是3号路口的交通灯控制系统。根据计算，车辆由2号路口行驶到3号路口的平均时间需要12S。为了形成东向西的绿波带，3号路口交东向西绿灯要比2号路口东向西绿灯晚亮12S。经过调整，设定当整个交通等控制系统自动模式启动后，3号路口先西向东绿灯亮6S闪烁3S后黄灯亮3S，再南北向绿灯亮。这样当1号路口车辆到达3号路口时，3号路口绿灯刚好亮，减少了东向西车辆等待绿灯的时间，减小了城市内的交通压力。路口主干道堵车、自动正常模式、手动模式基本控制思路与2号路口相似。
西向东开始时序与西向东绿灯程序如图3.18、图3.19：

图3.18 3号路口开始时序程序段

图3.19 3号路口西向东绿灯程序
在整个控制系统中右转交通灯控制系统是一个单独的控制系统。在国内，交通法规定车辆靠右行驶，右转方向在普通情况下一般不会对交通产生影响，反而长时间让右转绿灯对路口的交通有一定疏导作用，有利于缓解交通压力。设定当系统上电后，右转交通灯绿灯亮，当按下停止按钮I0.1时，所有路口右转绿灯熄灭，黄灯亮3S后红灯亮。1、2、3号路口右转基本相同，下图是1号路口右转交通等控制程序：

图3.20 1号路口右转控制程序
三路口交通灯控制系统南北向控制思路是南向北、北向南方向同时放行，这样使得南北向交通灯控制系统设计成为该设计的一个难点。涉及东向西、西向东堵车抢时问题，手动模式启动问题，南向北、北向南绿灯正常情况控制问题。编程比较复杂，让人眼花缭乱，在指导老师指导在，最终解决。

图3.21 一号路口南北向绿灯控制程序

第四章 程序运行与调试

4.1、调试过程中遇到的问题及解决方法
1、在WINCC调试过程中，因为WINCC安装出现了问题，使得在WINCC上对按钮定义无效，按下按钮无法达到预期的控制效果；对交通灯颜色定义无效，程序运行后，交通灯不能转换颜色无法达到预期控制效果。
在老师的指导下，发现按钮用硬启动不可行，改用软启动后，按钮效果得以实现。以启动按钮为例：最初定义为I0.0，按钮动作无效，改为M3.0后便达到了预期控制效果；同时还发现交通灯改用闪烁效果，把闪烁中两个闪烁颜色设置成一样，交通灯就可以实现颜色转换效果了。
2、由于按钮需要软启动，于是将每个按钮下并联一个对应的软启动按钮。如在启动按钮I0.0上并联M3.0，在I0.1上并联M3.1。如图4.1：

图4.1 改正前OB1程序段
但运行发现，程序启动后无法停止，手动启动后无法中断，最后出现了3个路口路灯同时亮的情况。经过分析发现，在添加按钮M3.0、M3.1…时，常开触点需要并联联在程序中，常闭触电则需要串联在程序中不能并联在程序中。如图4.2：

图4.2 改正后的OB1程序段
3、手动模式下，按下通行按钮后，按钮对应的方向绿灯立即亮，原来通行方向绿灯立即变为红灯。这样违反了交通灯的控制要求，是现实状况不不允许发生的。
经过分析，在按钮按下时同时触发一个3S的SE，用这个定时器的常闭触电接在对应路口绿灯的控制程序上，常开触点接在原来通行路口的黄灯控制程序上。如下图，以1号路口定时器触发程序、东向西路灯和黄灯控制程序为例。

图4.3 手动控制程序段
4、对于路口红灯的控制程序设计，采用该路口绿灯和黄灯常闭触点串联在控制程序中的方法。当系统上电是，若路口绿灯或黄灯亮，则该路口红灯熄灭；若路口绿灯、黄灯均熄灭，这该路口红灯亮。
但上电后，当绿灯闪烁时，红灯也开始闪烁。经过同学间的交流及对时序分析了解到了解决的方法。以1号路口东向西控制程序为例，在绿灯闪烁时序下接通一个中间继电器Q2.0，当东向西绿灯闪烁时Q2.0一直得电，当东向西绿灯闪烁结束时Q2.0失电。将Q2.0串联在东向西红灯控制程序中（如下图）。这样当东向西绿灯闪烁时红灯就不会跟着闪烁了。

图4.4 1号路口东向西红灯程序
4.2、在WINCC上调试程序
程序编写完成后，打开PLCSIM。点到RUN-P，并打开WINCC仿真软件界面开始仿真。初始状态是所有路口红灯亮。如图4.2
按下停止按钮M3.2：1、2、3、号路口红灯亮。如图4.2

图4.2 上电/停止状态下程序运行状况
按下启动按钮M3.0，自动模式启动：
1号路口东向西绿灯亮，40S后东向西黄灯熄灭南北向绿灯亮，12S后南北向黄灯熄灭西向东绿灯亮，40S后西向东黄灯熄灭南北向绿灯亮，12S后南北向黄灯熄灭东向西绿灯亮。
2号路口南北向绿灯亮，12S后南北向黄灯熄灭东向西绿灯亮，40S后东向西黄灯熄灭南北向绿灯亮，12S后南北向黄灯熄灭西向东绿灯亮，40S后西向东黄灯熄灭南北向绿灯亮。
3号路口西向东绿灯亮，12S后西向东黄灯熄灭南北向绿灯亮，12S后南北向黄灯熄灭东向西绿灯亮，40S后东向西黄灯熄灭南北向绿灯亮，12S后南北向黄灯熄灭西向东绿灯亮，40S后西向东黄灯熄灭南北向绿灯亮。
堵车情况的调试（图4.3为仿真1号路口西向东、东向西及2号路口西向东堵车情况发生）：

图4.3 堵车仿真图
按下1号路口东向西传感器A、B、C，东向西方向堵车。西向东黄灯结束后，南北向绿灯闪烁，4S后东向西绿灯灯亮。
按下1号路口西向东传感器A、B、C，西向东方向堵车。东向西黄灯结束后，南北向绿灯闪烁，4S后东向西绿灯灯亮。
按下2号路口东向西传感器A、B、C，东向西方向堵车。西向东黄灯结束后，南北向绿灯闪烁，4S后东向西绿灯灯亮。
按下2号路口西向东传感器A、B、C，西向东方向堵车。东向西黄灯结束后，南北向绿灯闪烁，4S后东向西绿灯灯亮。
按下3号路口东向西传感器A、B、C，东向西方向堵车。西向东黄灯结束后，南北向绿灯闪烁，4S后东向西绿灯灯亮。
按下3号路口西向东传感器A、B、C，西向东方向堵车。东向西黄灯结束后，南北向绿灯闪烁，4S后东向西绿灯灯亮。
手动模式调试：

图4.4 手动1、2、3号路口初始状态
程序运行自动状态下，按下手动模式按钮M3.2，手动模式启动。1、2、3号路口若东向西路口在自动状态下为红灯或黄灯3S后绿灯亮。若东向西在自动状态下是绿灯，则按下手动保持红灯亮。若南北向在自动状态下是绿灯，则按下手动南北向黄灯亮3S，3S后红灯亮；若为红灯则保持红灯亮。若西向东在自动状态下是绿灯，则按下手动西向东黄灯亮3S，3S后红灯亮；若为红灯则保持红灯亮。3S后状态如图4.5：

图4.5 1号路口手动南北向通车
按下通行路口对应按钮，东向西绿灯熄灭黄灯亮，3S后东向西黄灯熄灭，对应路口绿灯。程序如下（以1号路口为例）：

图4.6 1号路口手动控制程序
自动模式启动后，按下M5.7时，东向西路灯熄灭黄灯亮3S，3S后南北向绿灯亮如图4.5。再按下M5.6，东向西红灯保持不变，南北向绿灯熄灭黄灯亮3S，3S后西向东绿灯亮如图4.7。

图4.7 1号路口手动西向东通车

第四章 总结

当自己拿到这个课题时，开始脑子里一片空白，虽然对PLC编程有一定了解，但面对三个路口的交通灯控制系统设计却无从下手。对三路口交通灯控制工艺缺乏了解，在老师和同学的帮助下，经过不断思考查找资料、不断检查和坚持不懈的努力，终于实现了基于PLC的城市智能交通灯三路口控制系统设计要求的基本功能。实现了交通灯三路口控制系统绿灯传递功能，实现了根据主干道上车辆拥堵情况改变主干道通车时间的功能，实现了在手动模式下控制系统控制功能。
设计接近尾声，有许许多多值得反思和注意的地方，在编程过程中，犯了不少错误，也获得了不少收获。智能交通控制系统立足于基本交通灯的设计思路之上，增加了根据路口车辆改变路口绿灯时间的功能。通过铺设在交通路口的金属传感器，能够实时的读取路面的拥堵情况，通过控制系统加以分析，能够智能的调整交通信号灯的绿灯时间。这种设计的好处不仅能够有效的缓解城市的交通压力，控制车流量，而且可以节约大量的交通资源，使交通资源得到合理利用。
虽然本设计功能基本完成，但也存在一定的缺陷。例如，如果能将几个交通路口的红绿灯时间显示出来，使人能够清楚看到红绿灯的具体时间，使司机能够了解红绿灯通断时间。这样的话，本设计显得比较人性化，智能化程度会更高。同时，本设计是通过金属传感器来判断路口拥堵情况，进而改变路口通断时间的。如果能统计出出流量来进行比较，那么将会更加接近实际的情况，控制的效果也会更好。但是这样的话设计的难度会提高，工作量也会大大增加，由于设计的时间关系，只做讨论。

参考文献

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致谢

经过这段时间的不断分析思考，终于圆满的完成了基于PLC城市智能交通灯三路口控制系统的设计。想到刚刚拿到这个课题时的不知所措与茫然，在此我要真诚的向我的指导老师徐凌桦老师说声：“谢谢！”
三路口联动控制系统设计是一个新的控制系统，无从查找参考，需要靠自己通过学习单路口控制系统来探索三路口控制系统设计。在编程过程中，不断遇到新问题，经常犯一些大大小小的错误。看到被人做的比自己好，有的时候会很自责，觉得自己不如别人，但我没有放弃。在徐老师耐心指导和宽容爱护下，编程中出现的问题被一个个解决。在前期的准备工作和后期的方案选定，及具体的程序设计编程上徐老师给了我极大的帮助，让我少走了不少弯路。
另外在此，还要感谢同组的同学，没有他没的帮助我很难成功的完成这次设计。在与你们的交流中，在思想不断碰撞的过程中，我学到了不少自己想不到的解决方法，获得了不少建议，正是这些方法与建议让我的设计更加完善。让我又一次体验到了团队的力量和知识碰撞产生的美。
再次感谢你们。也许过了许久，我会忘记在大学里认识的某某，但我永远不会忘记给我耐心指导热心帮助的徐老师；永远不会忘记在一起快乐过，一起紧张过，一起伤心过的你们。