基于PLC的交通灯控制系统

摘 要： 红绿灯是交通疏导的最常见和最有效方式，要在车多、人多、道路少的当今道路状况下更好地发挥交通疏导的作用，采用有效的方法优化交通灯势在必行。PLC以微处理器为核心，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活方便等优点。基于PLC的交通灯控制系统为解决目前交通拥堵指明了方向。

关键词： PLC 交通信号灯 模糊控制

1.PLC的基本概念

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业功能已经大大超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置被称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。［１］

2.PLC的基本结构

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相同，基本构成为：电源，中央处理单元（CPU），存储器，输入输出接口电路，功能模块，通信模块。

3.PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程通常划分为三个阶段：输入采样、用户程序执行和输出刷新。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以固定的扫描速度不间断地重复上述三个阶段。

（1）输入采样阶段

PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内，这一过程称为输入采样阶段。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下，由左到右的顺序依次地扫描用户程序，并进行逻辑运算然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。［２］

在程序执行的过程中，如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值也不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

（3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

4.十字路通灯控制实际情况描述

（1）南北方向绿灯和东西方向的不能同时亮；如果同时亮，应自动立即关闭信号灯系统，并立即发出报警信号。

（2）系统工作后，首先南北红灯亮并维持25s；与此同时，东西绿灯亮，并维持20s时间，到20s时，东西绿灯闪亮，闪亮3s后熄灭。

（3）在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持2s，然后东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。

（4）东西红灯亮并维持30s，与此同时，南北绿灯亮并维持25s；然后，南北闪亮3s后熄灭。

（5）南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮维持2s后熄灭；南北红灯亮，东西绿灯亮。至此，结束一个工作和和循环。［３］

当交通灯系统启动，南北向（列）和东西向（行）主干道上均有绿灯10s，绿灯闪亮2s（亮1s灭1s），黄灯2s和红灯14s。当南北主干道点亮红灯时，东西主干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯。反之，当东西主干道点亮红灯时，南北主干道依次点亮绿灯，闪，黄灯。南北向和东西向行人道均设为通告绿灯和禁行。南北人行道通告应在南北主干道点；亮绿灯时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北方向行人道绿灯也要对应闪亮，其余时间为红灯。东西行人道通告绿灯于东西主干道绿灯点亮时点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。除此之外另设两个功能：（1）盲人保护功能。使用10个脉冲开关。可以实现在盲人通过十字路口时手动控制车流量。其中8个安装在人行道的两边当东西方向街的盲人要过马路时，按下脉冲开关，东西向行人道亮起绿灯，此时南北向主干道红灯闪亮，延迟10秒恢复原来的控制系统。南北向脉冲开关对应东西向功能相同，另外2个脉冲开关可以用来控制车流量，当东西向主干道等待车量较多的时候，就按下东西向控制脉冲开关，东西向主干道延长点亮时间到15s。东西向行人道也要对应延长。（2）学生保护功能。在学校上学和放学的时间段，针对学生流和时间段密集的时间，可以通过脉冲开关对交通灯作出相应的调整。

传统的十字路通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预告设置好，这个设定很长时间不会改变。然而实际上交通流量的变化往往是不确定的，有很多路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行适用的方案，可仍然会发生这样的现象:绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展现状，需要有一种能够及时根据流量变化情况自适应控制的交通灯。而模糊控制恰好在这方面具有的优势。此系统就是应用编程序控制器（PLC）对十字路通控制灯实现模糊控制。此控制系统的输入量是指十字路口各方向上车辆数的动态变化。具体由传感器采集数据后送入可编程序控制器在十字路口的四个方向（E、S、W、N）的近端J（斑马线附近）和远端Y（距斑马线约100米处）各设置一个传感器，分别统计通过该处的车辆数。为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两部分:其一是固定的10s作为路口车辆状态参数的采集时间t1；其二是根据两个方向车辆流量变化进行模糊决策的延时t2。然后通过传感器采集后的排队等候的车辆数送往PLC进行模糊推理运算得出延迟时t2，最后由t1和t2来实现对十字路口车流量的灵活控制。经过这样处理就能实时的对路口进行监测并有效管理了。［4］

因为基于PLC的交通控制系统能够根据实际情况，及时更改控制程序，优化道路资源的配置。所以能适应当下的复杂道路状况，应用范围将更加广泛。

参考文献：

［1］张洪涛主编.PLC应用技术.

［2］廖长出.PLC基础及应用.机械工业出版社.

［3］胡汉文，张鑫主编.电气控制与PLC.案例教程.

［4］王整风，谢云编.可编程控制器原理与实践教程.