自動(dòng)控制裝置的先進(jìn)程度是體現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程序控制器已經(jīng)成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一。用內(nèi)部編程“軟元件”取代繼電器邏輯控制電路中大量的時(shí)間繼電器和中間繼電器，簡(jiǎn)化控制線(xiàn)路、提高系統(tǒng)可靠性，是PLC的最大優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際工藝要求，借助于順序功能圖和梯形圖來(lái)編制用戶(hù)控制程序,實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的順序控制，則是PLC的主要功能之-。同時(shí)PLC以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新型工業(yè)控制自動(dòng)化裝置。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,該裝置在功能及構(gòu)造上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了早期的PLC。

交通問(wèn)題是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的-一個(gè)重要表現(xiàn)，同時(shí)也是社會(huì)發(fā)展的重要依托。交通運(yùn)輸是城市功能活動(dòng)的命脈，它直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生活的各個(gè)方面。無(wú)論是在古代還是現(xiàn)代，交通運(yùn)輸都具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略意義。在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，交通問(wèn)題己經(jīng)被許多國(guó)家和地區(qū)提上了日程。如何高效、快捷地出行，是關(guān)乎人們生產(chǎn)和日常生活的重要問(wèn)題。而與之相關(guān)的方方面面也就自然而然地成為了人們所研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。

本課題通過(guò)深入地研究PLC的硬件結(jié)構(gòu)與工作方式，成功地將PLC與十字路口交通信號(hào)燈聯(lián)系起來(lái)，初步解決了交通擁堵問(wèn)題。系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了基于PLC的十字路口復(fù)雜的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，對(duì)包括具體信號(hào)燈配置、硬件與軟件的設(shè)計(jì)在內(nèi)的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了深刻研究，實(shí)現(xiàn)了十字路口的交通燈的自動(dòng)控制。

目前國(guó)內(nèi)城市人口密集區(qū)，機(jī)動(dòng)車(chē)和非機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量訊速增長(zhǎng)，嚴(yán)重匱乏且陳舊的道路交通設(shè)施、布局不盡合理的城市路網(wǎng)已經(jīng)不堪重負(fù)，這些都導(dǎo)致了城區(qū)交通擁堵頻繁、交通秩序混亂等問(wèn)題。特別是早晚行車(chē)流量高峰期，道路人流、車(chē)流量基本處于飽和或超飽和狀態(tài)，車(chē)輛行駛緩慢，加上小商販占道擺攤設(shè)點(diǎn)、車(chē)輛隨意停亂放，使得蠶食、侵占道路現(xiàn)象比較突出，而“行車(chē)難、停車(chē)難”己越來(lái)越成為中心城區(qū)內(nèi)的一種常態(tài)，是城市交通管理的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。隨著城鎮(zhèn)人口不斷增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)擁有量還會(huì)逐年遞增，城市安全設(shè)施建設(shè)的滯后性凸顯，交通違法事故、治安事件時(shí)有發(fā)生，城市安全防控已成為了整個(gè)社會(huì)所關(guān)注的焦點(diǎn)。

從相關(guān)部門(mén)的事后查處的結(jié)果來(lái)看，造成這些現(xiàn)象其中的-一個(gè)重要原因就是機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員在交警視線(xiàn)外違法行駛的情況非常普遍，交通參與者的交通安全意識(shí)普遍偏低。隨意違法的問(wèn)題也在很大程度上反映了我區(qū)交通秩序管理缺乏科技手段給予支撐的問(wèn)題，這些都成為我區(qū)道路交通事故處在多發(fā)態(tài)勢(shì)的主要原因。面對(duì)日益嚴(yán)重的交通擁堵問(wèn)題，想要僅僅依靠行政措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。解決交通問(wèn)題還應(yīng)該利用科技力量對(duì)城市交通進(jìn)行有效的管理，如何對(duì)異常的交通擁堵等交通事件進(jìn)行有效的監(jiān)督管理，是城市實(shí)現(xiàn)智能交通時(shí)需要考慮的重點(diǎn)之一。利用交通燈對(duì)車(chē)流進(jìn)行管理，無(wú)疑是最為便捷且最為行之有效的方法。眼下一個(gè)極為迫切的問(wèn)題就是如何優(yōu)化目前的交通信號(hào)燈系統(tǒng)。

交通運(yùn)輸是城市功能活動(dòng)的命脈，它直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生活的各個(gè)方面。在世界范圍內(nèi)，隨著人口密度高速增長(zhǎng)，城市化的腳步不斷加快，交通問(wèn)題日漸嚴(yán)重。尤其在國(guó)際性大都市，擁擠的交通已經(jīng)造成了巨大的能源損失和環(huán)境污染，同時(shí)也給人們的生活帶來(lái)了巨大的困擾。在我國(guó)這個(gè)情況尤為突出。這就說(shuō)明了交通路口的車(chē)輛指揮工作是極為重要的一-環(huán)，而疏導(dǎo)交通的主要工具交通信號(hào)燈的性能就更為重要。以往的交通燈大都采用繼電器或單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然簡(jiǎn)單可控成本低，但同時(shí)也存在著功能少，可靠性較差，維護(hù)量很大等缺點(diǎn)。

目前我國(guó)的交通信號(hào)燈主要靠單片機(jī)甚至是更初級(jí)的控制方式。該控制方式雖然簡(jiǎn)單易行，但由于單片機(jī)工作穩(wěn)定性差、易受外界干擾、可實(shí)現(xiàn)功能少且聯(lián)網(wǎng)性差，己越來(lái)越不能適應(yīng)現(xiàn)代化都市對(duì)于交通控制的需求。而國(guó)內(nèi)外到目前為止尚無(wú)完善的解決方案，這就為PLC的研發(fā)應(yīng)用提供了廣闊的空間。PLC控制的信號(hào)燈的出現(xiàn)使得該問(wèn)題迎刃而解。

和單片機(jī)控制的十字路口信號(hào)燈相比，用PLC進(jìn)行控制主要是考慮PLC具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源非常豐富，可對(duì)交通燈進(jìn)行精確控制。并且由于PLC內(nèi)部均配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，因此通過(guò)PLC控制可對(duì)交通燈實(shí)施全天候無(wú)人化管理。另外因?yàn)镻LC具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，所以可以將同一-條道路上的交通燈組成局域網(wǎng)進(jìn)行的統(tǒng)一調(diào)度管理，這樣就可以縮短車(chē)輛等候時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。該課題的提出和研究有利于填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外PLC應(yīng)用領(lǐng)域的空白和不足，充分發(fā)揮PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制中的優(yōu)越性。

  如圖2-1所示，S7-200屬于小型PLC，其主機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是整體式，主機(jī)上有一定數(shù)量的輸入/輸出點(diǎn)，一個(gè)主機(jī)單元就是一個(gè)系統(tǒng)，如果I/O點(diǎn)不夠，可以靈活的進(jìn)行增加I/O擴(kuò)展模塊，如需要特殊通信或定位控制等，可增加相應(yīng)的功能模塊。

主機(jī)模塊選用CPU224，集成有14輸入/10輸出，本次使用1輸入/10輸出，最多可擴(kuò)展7個(gè)模塊。

圖2-1 PLC基本組成

   本次設(shè)計(jì)輸入為一個(gè)按鈕，輸出為各個(gè)方向的交通燈，由于采用了多個(gè)交通燈用同一輸出點(diǎn)，所以有10個(gè)輸出點(diǎn)，I/O分配表如圖2-2。

表2-2 PLC的IO分配表

PLC外部接線(xiàn)圖如圖2-3所示，SB0為按鈕輸入，L為電源輸入，COM為電路保護(hù)的熔斷器和交流電源，另外還有10個(gè)輸出，整體采用S7-200，主機(jī)模塊為CPU224。

圖2-3 外部接線(xiàn)圖

如表3-1所示，采用了TON定時(shí)器和計(jì)數(shù)器進(jìn)行定時(shí)與計(jì)數(shù)。由于按鈕既要控制啟動(dòng)，又要控制停止，所以計(jì)數(shù)器主要是對(duì)按鈕的按下次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，而所有的定時(shí)器都是對(duì)紅綠黃燈的亮和閃爍的時(shí)間進(jìn)行定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到時(shí)則相互變換不同顏色的交通燈。

表3-1  定時(shí)/計(jì)數(shù)器功能表

動(dòng)作流程圖如圖3-1所示，開(kāi)機(jī)前處于停止?fàn)顟B(tài)，判斷按下按鈕的次數(shù)，按下一次則啟動(dòng)，按下兩次則停止。當(dāng)按下一次時(shí)，南北左轉(zhuǎn)綠燈亮15s，閃2s，南北直行，人行道紅燈亮17s，第二步南北直行，人行道綠燈亮30s，閃3s，南北左轉(zhuǎn)紅燈亮36s，第三步南北直行，人行道黃燈亮3s，同時(shí)東西所有紅燈亮53s。第四步東西左轉(zhuǎn)綠燈亮12s，閃2s，東西直行，人行道紅燈亮14s，第五步東西直行，人行道綠燈亮25s，閃3s，東西左轉(zhuǎn)紅燈亮31s，第六步東西直行，人行道黃燈亮3s，同時(shí)南北所有紅燈亮43s。

圖3-1 動(dòng)作流程圖

順序功能圖如圖3-2所示，按下I0.0，采用并行分支，南北左轉(zhuǎn)綠燈，南北直行，人行道紅燈，東西所有的紅燈同時(shí)亮，15s后，南北左轉(zhuǎn)綠燈閃2s，其他保持不變，17s后，南北直行，人行道綠燈亮，南北左轉(zhuǎn)紅燈亮，東西所有的紅燈亮，30s后，南北直行，人行道綠燈閃3s，其他保持不變33s后，南北直行，人行道黃燈亮3s，其他保持不變。東西左轉(zhuǎn)綠燈，東西直行，人行道紅燈，南北所有的紅燈同時(shí)亮，12s后，東西左轉(zhuǎn)綠燈閃2s，其他保持不變，14s后，東西直行，人行道綠燈亮，東西左轉(zhuǎn)紅燈亮，南北所有的紅燈亮，25s后，東西直行，人行道綠燈閃3s，其他保持不變，東西直行，人行道黃燈亮3s，其他保持不變。                 

圖2-2 順序功能圖

程序梯形圖見(jiàn)附錄所示，按鈕I0.0既要控制啟動(dòng)，也要控制停止，則采用一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)值為2。按下一次，在I0.0的上升沿時(shí)則開(kāi)始，按下兩次時(shí)，計(jì)數(shù)器為高電平，無(wú)論程序運(yùn)行到哪一步，用計(jì)數(shù)器C0的常開(kāi)直接跳轉(zhuǎn)到S0.0，控制停止，同時(shí)用C0的常開(kāi)來(lái)復(fù)位計(jì)數(shù)器C0.按下I0.0時(shí)，跳轉(zhuǎn)到S0.1與S0.5，接通Q0.1與M1.3，M0.5與M1.0，定時(shí)器T37開(kāi)始計(jì)時(shí)17s，T40開(kāi)始計(jì)時(shí)53s，T37定時(shí)結(jié)束后，跳轉(zhuǎn)到S0.2，接通Q0.4與M0.0，定時(shí)器T38開(kāi)始計(jì)時(shí)，T40定時(shí)結(jié)束后，跳轉(zhuǎn)到S0.6，接通Q0.6與M1.1，定時(shí)器T42開(kāi)始計(jì)時(shí)，T38計(jì)時(shí)結(jié)束后跳轉(zhuǎn)到S0.3，接通Q0.3與M0.1，T39開(kāi)始計(jì)時(shí)，T42計(jì)時(shí)結(jié)束后跳轉(zhuǎn)到S0.7，接通Q1.1與M0.6，定時(shí)器T43開(kāi)始計(jì)時(shí)，T39計(jì)時(shí)結(jié)束后，跳轉(zhuǎn)到S0.4，接通M0.1與M0.3，定時(shí)器T41開(kāi)始計(jì)時(shí)，定時(shí)器T43計(jì)時(shí)結(jié)束后跳轉(zhuǎn)到S1.0，接通Q1.0與M0.7，定時(shí)器T44開(kāi)始計(jì)時(shí)，T41計(jì)時(shí)結(jié)束后跳轉(zhuǎn)S0.1，T44計(jì)時(shí)結(jié)束后跳轉(zhuǎn)到S0.5。此后一直進(jìn)行循環(huán)。M1.3與M0.3常開(kāi)并聯(lián)接通Q0.2，M0.5,M0.6,M0.7常開(kāi)并聯(lián)接通Q0.5，M1.0,M1.1常開(kāi)并聯(lián)接通Q0.7，M0.0,M0.1,M0.2常開(kāi)并聯(lián)接通Q0.0，在閃爍時(shí)用到SM0.5，閃爍周期為1S。各輸出接口所代表燈的定義見(jiàn)梯形圖所注釋。

   采用仿真軟件仿真后結(jié)果如圖4-1所示，通過(guò)控制I0.0，實(shí)現(xiàn)Q0.0至Q1.1的亮滅，對(duì)照I/O分配表，觀(guān)察各個(gè)方向，各種顏色交通燈的變化。

圖4-1 軟件仿真界面

①開(kāi)關(guān)I0.0既要控制啟動(dòng)也要控制停止，所以不知道采用什么樣的指令，在編寫(xiě)程序時(shí)，嘗試過(guò)采用置位和復(fù)位，也試過(guò)用中間繼電器，但都沒(méi)有得到預(yù)想的結(jié)果，最后用了計(jì)數(shù)器，在每一步后面都加上了跳轉(zhuǎn)的指令，即計(jì)數(shù)器的常開(kāi)控制跳轉(zhuǎn)。

②在輸出點(diǎn)的數(shù)量的控制上采用了一個(gè)輸出點(diǎn)代表多個(gè)交通燈的亮滅的簡(jiǎn)便方式，尋找亮滅同時(shí)的交通燈，將其接到同一個(gè)輸出點(diǎn)上，由于本設(shè)計(jì)有32個(gè)輸出，這樣可以減少輸出點(diǎn)的數(shù)量。如南北直行，人行道的紅燈原本有4個(gè)輸出點(diǎn)，現(xiàn)作為一個(gè)輸出點(diǎn)，簡(jiǎn)化了的設(shè)計(jì)。

③由于在所有方向的交通燈的設(shè)計(jì)上，在某個(gè)方向的綠燈亮?xí)r，其他方向的紅燈都需要一直亮，所以在編寫(xiě)程序時(shí)考慮了兩種方法，最后選擇了利用并行分支，將南北和東西方向的交通燈同時(shí)點(diǎn)亮。

④最后一個(gè)問(wèn)題是在交通燈的亮滅和閃爍上，剛開(kāi)始采用的是書(shū)本上的閃爍電路，后來(lái)發(fā)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜，于是采用了比較指令與SM0.5（亮0.5s，滅0.5s，周期為1s）這個(gè)特殊繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)交通燈的亮滅和閃爍.

經(jīng)過(guò)仿真軟件的成功仿真后，為增加設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，將設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物仿真，仿真結(jié)果如圖4-3所示。主要進(jìn)行PLC的外部接線(xiàn)，左側(cè)接入電源，對(duì)輸入，輸出，開(kāi)關(guān)按鈕模塊進(jìn)行給電，同時(shí)將按鈕與輸入I0.0連接，用以控制輸出。

圖4-3 實(shí)驗(yàn)室仿真圖

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里老想著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間很多。我趁著做設(shè)計(jì)的同時(shí)也對(duì)課本知識(shí)有了鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。
    同時(shí)通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，了解到自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，為以后完善自己提供了目標(biāo)與方向。

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