基于PLC的交通灯设计

-25-第一章绪论1.1城市交通现状据一项对美国土要城市交通状况的调查显示:1982年至2000年，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时12公里。用这个目标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值:每年耗费1.5亿小时，减少生产总值117亿元。相当于该市整个生产总值的7%。在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达35%--40%，而北京只有20%。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉，到2010年，北京将投资500亿元用于城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就达到600公里。但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵一修路一再拥堵”的怪圈。中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，北京、上海、广州三大城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。从我国目前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通系统发展不足，快速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调现象。因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围，充分发挥各种交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统的效率。1.2智能交通的国内外发展状况城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通管理体系在国外已经有.了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。智能交通系统将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国--些特大城市的交通拥堵己排在世界前列。在北京召开的“第二届国际智能交通系统技术研讨暨技术与产品展览会”上透露。我国将投资20亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山10个城市进行交通智能化改造，到2010年，这10个城市将全部实现交通的智能化。目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一点是共同的:智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用。从各国的发展来看，智能交通系统能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经济效益。它不但有可能解次交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。

第二章PLC基础知识简介2.1PLC的产生与定义2.1.1PLC的产生背景PLC的设想最早是由美国通用汽车公司（GM）在20世纪60年代末提出来的。由于那时美国的汽车行业竞争非常激烈，汽车制造厂纷纷推出新的车型来增强竞争力。通用公司希望通过在对汽车更换造型或是改变工艺时尽量少改动原来的继电器控制柜的内部接线，来达到减少成本、缩小新品开发时间，提高汽车在市场中的竞争力和占有率的目的。于是，他们便要求重新设计控制系统，并且要在原有的基础上进行最小的改动还要尽量让生产最大化[3]。新的控制系统要满足以下条件：（1）编程容易，修改便利；（2）维护方便，替换模块即可；（3）适应性强，在较差的环境下也可以工作；（4）体积比一般的继电器要小；（5）可以将数据通过通信功能传输到计算机上；（6）价格低；（7）输入和输出信号可以是115VAC；（8）能够直接对接触器等装备进行驱动；（9）易于扩展，变动较小；（10）用户存储容量要在4K以上。根据这些要求，美国DEC公司推出了PDP-14控制器，并取得了成功的应用。其后，日本、德国等国家相继研发出自己的PLC。从此开创了PLC开发和应用的新纪元。2.1.2PLC的定义PLC由于有着实用性高、便于操作、学习简单和体积小等优势，在其他自动控制领域的应用也日益广泛。为了使PLC的标准化和规范化，国际权威组织为PLC在生产和开发等多个方面做了一个定义：“可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专用于工业条件的应用程序，它使用可编程序存储器到内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算指令，并根据数字和模拟输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。它和相关装置需要与工业控制系统联系起来，形成一个有机的整体，易于扩展系统功能的设计原则。”最初的可编程控制器叫做可编程逻辑控制器，即PLC，这主要是因为它是在继电器顺序逻辑控制的基础上发展而来的。然而，经过后来的不断发展和完善，PLC已经产生了完全的蜕变，所以，由美国电气制造协会商议决定将其正式命名为可编程控制器（PC）。但这也容易和个人计算机的简称（PC）混淆，所以为了更好的将两者区别开来，在大多数情况下，仍习惯沿用PLC作为可编程控制器的简称。2.2PLC的基本结构2.2.1CPU模块中央处理器（CPU）是PLC的最重要组成部分，由大规模或超大规模的集成电路芯片构成，它也是PLC的运算和控制中心。它的功能包括：（1）通过输入/输出通道读入现场状态；（2）执行系统和用户程序（如梯形图等）；（3）实现各种运算；（4）输出运算结果，驱动现场设备；（5）协调内部各部分工作；（6）控制与外部设备通信等。PLC常用的处理器主要有通用微处理器、单片计算机和双极型位片式微处理器。通常来说，所采用的处理器性能越高，PLC的功能就越强。2.2.2存储器存储器可以用来存放PLC系统程序和数据、包含了用户的信息和运行数据的单元，一般分为只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）。（1）只读存储器（ROM）ROM指在使用过程中只能从中读出（取出）数据而不能写入（存储）数据的存储器。由于只读存储器在断电状态下仍能保存所存储的内容，也称为非挥发性存储器，用来存储系统软件，如系统管理程序、逻辑解释程序和标准程序模块等，也常用来存储用户经过运行考核证实能满足设计要求的应用程序。（2）随机读写（存取）存储器（RAM）RAM在使用过程中可随时从中读出（取出）数据，又可以写入（存储）数据。RAM在断电后，其存储的内容就会丢失，所以也称为挥发性存储器。在应用中通常都配备断电保护电路，当电源关断后，由内部电池继续供电，保持存储的内容不变。RAM在PLC中常用来存储系统运行时不断变化的数据和用户程序。2.2.3I/O模块I/O模块是PLC与工艺过程控制现场之间的连接部件。PLC通过输入部件获得全部生产过程的各种工艺参数，如按钮、开关、触点和温度、压力、流量等；而PLC通过输出部件，如继电器、可控硅、晶体管等，把按程序处理得到的结果送到生产过程的执行机构上去实现控制，如指示灯、开关、继电器、电磁阀、电气转换器等。由于I/O模块与生产过程的各种信号相连，这就要求它有很好的信号适应能力、负载能力、抗干扰能力和高可靠性。因此，输入模块一般都配有电平变换、光电隔离和阻容滤波、去抖动和浪涌保护等电路；输出模块则配有光电隔离和阻容滤波、输出保护等电路。为适应生产过程各种工艺参数的输入/输出控制要求，PLC特别是中型以上的PLC均提供种类较多的输入/输出模块。这些输入/输出部件可归纳为：开关量以及模拟量的输入/输出和特殊输入/输出等。2.2.4扩展单元扩展单元用于PLC扩展输入/输出点数和信号类型。扩展单元有串行接口扩展、并行接口扩展和专用扩展模块等形式。2.2.5外部设备及其接口PLC的外部设备主要有编程器、图形终端等。其接口一般分为通用接口和专用接口两种。通用接口指标准通用的接口，如RS－232、RS－422或RS－485等。专用接口指各PLC厂家专有的自成标准和系列的接口。（1）编程器是编制、调试和跟踪、监视PLC用户应用程序的外部设备。编程器有手持式编程器和便携式智能图形终端编程器等几种，通常用于中小型PLC编程和现场调试。大型的PLC则多数用上位机和相应的组态软件进行，便于实现编写大型、复杂的应用程序以及编写文档、打印输出等多项功能。（2）图形终端是PLC的操作员界面，也称为人机界面。用于显示生产过程的工艺流程、实时数据、历史和报警参数等信息。同时，终端上的按键又允许操作人员对选定的对象（位号）进行操作，十分方便、灵活。2.2.6电源电源是各种系统中不可或缺的组成部分，它的作用是给PLC内部提供所需要的电源。多数小型和微型的PLC和部分中型PLC的电源还同时向外提供隔离的直流电源。目前，PLC的电源一般采用开关式电源，具有输入电压范围宽、体积小、重量轻、功率大和抗干扰能力强的特点，而且具有可以多台并用或互为备用运行的优点，大大提高了电源的供给能力和可靠性。2.3PLC的发展历程与未来发展方向2.3.1PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController(PC)个人计算机(简称PC)发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController(PLC)，现在，仍常常将PLC简称PC。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取.代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PIC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。2.3.2PLC的未来发展方向随着新技术、新旗舰的不断更新，尤其是单片机技术、微处理器技术和半导体元件的快速发展，让可编程控制器的功能愈发完整，实用性越强，性价比也越高。现在，可编程控制器已经在各行业的控制方面得到了广泛应用，产品的更新速度也很快，可编程控制器在以后主要由以下几个发展趋势。（1）向大型、高性能化方向发展；（2）向方便灵活、小型化发展；（3）网络结构更开放、通信功能更完善；（4）编程组态更方便灵活。

第三章方案选择交通问题一直都是各个国家关心的问题，也是我国经济发展的重要关键，我国人口众多、经济建设稳步发展，这也使得我国的交通问题日趋严重。日前，为了缓解交通所带来的问题和压力，许多城市都在想尽办法。但是，大多办法都是建立在高昂的经济投入基础之上的。所以，如何在现有的交通体系中提高效率成为了关键所在，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。目前，我国交通灯控制系统大多数都是利用定时进行控制。这种控制方式必然会有一定的弊端：某条道路的车流量很大却要等待红灯，同时另一条空道或车流量相对较少的道路的信号灯仍然是亮着绿灯，造成这种现象是因为采用的定时控制方式，不能很好的对道路实际情况进行监管。这也导致了控制系统效率低下，它可能会引起不必要的交通拥堵，同时也需要大量的资源进行监管。所以，设计一种智能化交通控制系统是必不可少的。这种控制系统需要能够根据车流量的多少来自行对红绿灯的时间进行调整，最大限度地减少十字路口的车辆拥堵现象，可以很好的舒缓交通拥挤、实现交通控制系统的最优控制，提高交通控制系统的效率。随着科技的不断进步，人民生活水平的不断提高，人们正逐渐向享受型转变，这些都必将导致私家车数量的猛增，道路交通拥挤的问题日益突出，不难想象，智能交通控制系统在未来的应用前景将不可限量。3.1控制机的选择交通信号灯控制系统可以采用PLC、单片机、继电器等设备控制。交通灯的正常运行成为交通畅通的重要保证，采用继电器实现，存在着功能少、可靠性差、结构复杂、维护量大等缺点，越来越不适应城市交通高速发展的要求。单片机虽然有着物美价廉的优点，但是由于单片机自身的抗干扰能力比较差，特别是在环境比较差，噪声大的场合，单片机有可能会因受外界干扰而出现问题，造成系统不能正常工作；并且采用单片机，编程比较复杂。采用PLC控制交通信号灯系统具有以下优点：（1）PLC具有很高的可靠性，平均无故障时间在30万小时以上；（2）编程能力强，编程方便；（3）抗干扰能力强；（4）PLC性价比高。所以我们采用PLC控制交通信号系统。3.2定时配时方案的选择交通信号信息灯系统的配时方案根据具体情况的不同，可以选择、设计与之最适应的配时方案。不同条件下的配时方案不尽相同，最主要的配时方案有以下几种。3.2.1方案一方案一是最基本的定时方案，一般用于车流量较小的交叉路口。这种交通灯只包含3盏灯，绿灯、黄灯、红灯，其配时方案如下：首先某一方向（假定东西）方向通行，绿灯先亮；绿灯定时结束后，绿灯闪；接下来变成黄灯。至此，定时半个周期结束。然后是南北方向通行，也是先绿灯亮，绿灯定时结束后，绿灯闪，接着黄灯亮。前半个周期，南北直行不能通行，红灯亮，但是允许右转。其时序图如图3-1所示。图3-1简单配时方案时序图这个方案在绿灯亮时，允许左转，直行，右转，即通行时，全体放行。而禁止通行时，允许右转，即右转不受限制。这种方案适合直行车辆较多，左右转车辆较少，总体车流量也较少的场合。3.2.2方案二方案二的相位图如图3-2所示。首先南北直行通行，定时结束后，南北左右转通行；然后东西直行通行，定时结束后，南北左右转通行。这样一个周期定时就结束了。其中，每个方向都有绿灯、绿灯闪和黄灯三个步骤。图3-2方案二的相位转换图3.2.3方案三方案三的相位图如图3-3所示。首先东西方向直行通行，然后东西方向左转通行，再是南北方向先直行通行，然后左转通行。接着是由西向东方向左转和直行通行，再由东向西方向左转和直行通行，最后是由南向北方向左转和直行同时通行，再由北向南方向左转和直行同时通行。图4.3方案三的相位转换图3.2.4方案四方案四具体如下：先东西方向绿灯亮（此时南北方向红灯亮，但右转弯绿灯亮），允许通行30s（时间可以依实际而改变），左右转向均红灯亮。30s后，东西方向绿灯灭而黄灯亮2s，同时右转弯的黄灯也亮2s，然后东西方向红灯亮，同时右转弯的绿灯亮（右转弯的红灯黄灯同时灭），即此时东西方向仅允许右转弯。53s后，东西方向左转弯黄灯亮2s，接着也允许左转弯（左转弯红灯、黄灯灭，同时绿灯亮）。16s后，左右转弯的绿灯同时闪三下（指示信号灯将变化）后灭。左右转弯黄灯亮2s后灭而红灯亮，东西方向黄灯也亮2s，然后整体便进入下一个循环。东西向人行道仅有红灯和绿灯，人行道红灯变化情况和东西向中间红灯类似，仅先于中间灯2s，人行道绿灯和中间绿灯变化也类似，区别仅在点亮的最后3s闪烁而已[12]。综合上面的分析可以看出，交通灯指示的总体思路是，先允许直向通行，后允许右转弯，然后允许左右转弯，如此反复循环，南北方向的交通灯变化与东西方向次序完全一样，只不过时间上滞后55s而已，即当东西方向允许右转弯的同时，南北方向允许左右转向。3.2.5方案比较与确定方案一中交通信号灯只有绿、黄、红三色灯，是最简单的交通灯。该方案仅适合于小的交叉路口，车流量比较小，可以同时允许直行、左转、右转通行。方案二中交通灯有左转箭头灯、直行箭头灯、红灯、黄灯，省掉了不必要的右转箭头灯（直行箭头可以用绿灯替代）。这种配时方案适合于大多数的十字路口，特别是中小型的十字路口。这个方案相位少，控制简单，而且达到了控制车辆稳定有序运行的要求。方案三采用了8个相位进行控制，其控制方案本身具有一定缓解车辆滞留的能力。但是采用8个相位控制，对于编程来说比较复杂，且其缓解车辆滞留能力不是特别显著。方案四与方案三相似，其本身有着缓解滞留的特点，但是对于PLC控制系统来说，其过程比较复杂。基于PLC的优点在于其控制能力，而不是其逻辑能力，选取控制方式相对较简单的方案二的定时配时方案进行控制。当要求人行与车辆分离时，可以采取人行与车辆直行时段一致，右转与左转时段一致的配时方案。3.3智能延时方案的选择智能控制原则是本控制系统的核心，是系统如何依据车辆检测器脉冲的计数结果自动输出以调节红绿灯的时间长度的控制逻辑。智能延时有很多方案。十字路口大部分的车流都是直行的，故智能延时也主要针对直行方向。3.3.1方案一采用“规模分档”的绿灯时长智能控制原则，即把东西方向或南北方向的车辆数目以及红绿灯时间长度分别进行相应的分档。这样就可以实现按车流量多少控制绿灯时长，降低拥挤的车流量，舒缓交通堵塞，从而改善了交通控制系统的效率。同时可对控制系统进行三种不同考虑：假设需要控制东西方向的绿灯时长，那么若东西方向的车流量较少，而南北方向的车流量也较少，那么我们就选用中长度的时间，否则选用短时间；如果东西方向的车流量正常适中，那么不考虑南北方向的车流量是多是少，我们都采用中等长度时间；如果东西方向的车流量比较大，而且南北方向的车流规模也是，那么我们选用中长度的时间（这是为了加快交通的流动频率，提高系统效率），否则采取大长度的时间。东西方向绿灯时长逻辑运算如表3-1，南北方向与此类似。表3-1东西车道车流规模比较3.3.2方案二还有一种方案就是在直行通行时段，实时检测并比较东西方向与南北方向的最大车辆滞留量，在满足直行绿灯延时条件下，保持直行绿灯继续亮，直至延时条件不满足。3.3.3延时方案的比较与确定方案一是在直行通行之前，根据东西方向与南北方向的车辆滞留量事先确定绿灯延时时间。这样就存在不能实时检测比较，判断延时的缺陷。例如：在东西方向直行通行时，若突然东西方向的车流密度增大而南北方向的车流密度减少，使得东西方向的车辆滞留量远远大于南北方向（由于交通流的易变性，这是很有可能发生的），这时事先确定的延时时间就不合理了。方案二恰恰考虑到了这一点，采取了直行时段实时检测比较、做出判断的方法来合理地延长绿灯时间。所以控制系统的智能延时方案采用方案二。其延时条件为：当前通行方向车辆滞留量减去相反方向车辆滞留量大于给定经验值σ，并且相反方向的车辆滞留量小于允许的最大值δ，并且延时时间不超过允许的最长延时时间。

第四章PLC交通信号灯系统设计本文编程采用的是西门子S7-200系统PLC，对十字路口交通灯进行控制。S7-200系列小型PLC（MicroPLC）能够用于多类自动化系统。内部排列密切，很低的投入和效用很强的命令集，让s7-200能够将近完美地完成小范围的控制规定。多类的cpu类别、电压级别和以WINDOWS为基础的编程工具，可以让我们更加灵活、快捷的处理自动控制问题。s7-200控制器体积更小、指令更加强大并且功能更加丰富。4.1S7-200的编程资源S7-200这类别是西门子公司中的PLC。这类别的PLC可以应付很多的智能控制系统各种要求。所以这个种类的产品具紧密的方案、良好的伸缩性、较低的售价和命令性能强等特点，让S7-200能够轻易完成小范围的控制需求。除此之外，多种多样的中央处理器和电压等级使s7-200可以广泛的应用在处理用户在工业自动化方面的问题。4.1.1S7-200CPU的主要技术指标S7-200CPU的主要技术指标如表4-1所示。表4-1S7-200系列CPU的主要参数指标4.1.2主要组成部分1台S7-200的PLC由单个的S7-200中央处理器，还有可以多扩展的控制模块。（1）CPUS7-200的CPU含有单独的中央处理单元（CPU）、电源和本身自带的数字输入输出点，所有的模块被放在同一个单独的部件中。主要担任程序处理和数据录入负责执，用来对企业智能控制过程和任务来处理。一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。（2）扩展模块S7-200CPU单元给出了特定个数的自身输入输出口，扩展单元给出了额外的I/O口。（3）最大I/O配置每种CPU的最大I/O配置须服从以下限制：模块数量CPU221：不能扩展；CPU222：最多2个扩展模块；CPU224和CPU226：扩展模块最多可以达到7个；上限有7个：自动控制单元最多有2块。非模拟量反应寄存器范围：各个CPU许可的非模拟量I/O的逻辑空间都是128个。由于该逻辑空间按8点模块分配，因此有些物理点无法被寻址。一个特殊模块可能不能全部寻址8个点，例如CPU224有10个输出点，但它占用逻辑输出区的16个点地址。一个4入/4出模块占用逻辑空间的8个输入点和8个输出点。模拟量映象寄存器大小，模拟量I/O允许的逻辑空间为：CPU222：16输入和16输出；CPU224和CPU226：32输入和32输出；5V电源预算：每种CPU都有所能提供的最大电压为5V的电流。在一个系统中的所有扩展模块的电流总和不能超过该预算。4.2交通灯与车辆检测器布置选取横式单排式箭头灯，自外向里为红、黄、左箭头、直箭头灯（或绿灯）。信号灯的安装采用B式安装，位置是在道路右边正对面路口处。具体布置如图4-1所示。图4-1十字路口交通灯、检测器布置图4.3控制要求4.3.1整体控制思想控制系统的整体控制思想如图4-2所示：启动PLC的第一个周期，清零输出和计数器，同时设置初值。与此同时，读取PLC的当前时间，并比较判断。当PLC当前时间大于等于5且小于等于22，即早上5点至晚23点这段时间，采取白天控制模式。当PLC当前时间大于22或小于5，即晚23点至次日5点，采取夜间控制模式。在白天控制模式下，执行完一个周期后，再次读取并比较判断PLC当前时间，若还是在处于白天时段，则继续执行白天控制模式，直到执行完某个周期后，PLC当前时间进入夜间时段，执行夜间控制模式。在夜间控制模式下，时时读取比较PLC当前时间，一旦不满足，则进入白天控制模式。图4-2控制系统整体控制思想4.3.2白天控制模式白天控制模式是控制系统的主要部分，是控制系统的主要、重要运行方式。具体的流程如图5.3所示。当PLC当前时间属于白天模式的时间段时，启动车辆计数和强通检测，同时开始信号灯工作。首先东西左转绿灯亮，时间为20s（VW2，可以根据经验值设定）；定时结束后，东西左转绿灯闪2s，禁止左转车辆通行；然后左转黄灯亮3s；黄灯灭的同时，东西直行绿灯亮，先定时30s（VW0，根据经验值设定），定时结束后，开始延时，延时条件为：东西车流最大滞留量－南北车流最大滞留量>结定值σ且南北车流滞留量小于δ且延时时间没超过最大延时时间；当延时条件不再满足时，东西直行绿灯闪2s；然后东西直行黄灯亮3s；至此，半个周期结束。接下来是南北通行，与东西通行类似，首先南北左转绿灯亮30s，然后闪2s，然后黄灯亮；再接着，南北直行绿灯亮并且延时，延时结束后，绿灯闪2s，然后黄灯亮。整个周期结束。图4-3白天控制模式框图4.3.3夜间控制模式夜间模式很简单，PLC当前时间属于夜间模式时间段时，车道信号灯全变为黄灯，提醒夜间驾驶人员小心驾驶。同时，夜间模式断开了车辆检测计数的开关，节省了用电。4.3.4强通控制模式强通模式属于白天控制单元中重要的控制单元。紧急车辆强制通断由强通开关控制。没有急车时，按照平常循环方案控制，当急车来时，开启急车强通按钮，无论之前信号情况怎样，都强行把急车行驶的方向绿灯打开，直至急车正常行驶过才恢复到原来的状态。急车正常行驶过后，可以采用返回原状态方式，也可以采用接着这个状态往下循环的方式。由于返回原状态需要经过5s的切换时间（为了安全，需要加上绿灯闪2s，黄灯3s），而急车通过路口的时间与固定定时相差不大，且返回原状态并不一定是合理的，故采用接着强通状态往下循环的方式。4.4软件设计4.4.1数字量输出控制系统总共需要17个数字量输出触点。其中Q0.0～Q1.7都是用于驱动交通信号灯。Q2.0是传感器控制开关，由于四个方向的车辆检测传感器应该同时关断，为节省触点，采用同一个触点。具体数字量输出分配见表4-2：表4-2数字量输出地址分配4.4.2数字量输入控制系统需要12个，224CPU具有14个输入触点。具体输入触点的作用如表所示。I0.0和I0.1、I0.2和I0.3、I0.4和I0.5、I0.6和I0.7分别为由东至西、由西至东、由南至北、由北至南四个方向车辆检测信号的减计数和加计数信号。I1.1和I1.2、I1.3和I1.4分别为东西方向直行和左转、南北方向直行和左转的强通检测信号输入。表4-3、4-4分别为车辆检测信号输入、强通检测信号输入。表4-3车辆检测信号输入表4-4强通检测信号输入由上文可知，控制系统需要12个数字量输入，17个数字量输出，单独的S7-200PLC的CPU都不能满足所需求的输出点。从节省触点的原则出发，选用224CPU，再采用EM222数字量输出扩展模块（包含8个数字量输出触点）。这样就有了18个输出触点，14个输入触点，满足需求。4.4.3数据寄存器分配与作用表4-5数据寄存器地址分配与作用4.4.4步分配与定时器分配控制系统的步分配及其每一步所对应的定时器如表4-6所示。其中，梯形图中，M3.0步是夜间控制步，M4.0步是检测强通输入信号步，M2.0是PLC判断出时间处于白天模式，进入白天模式循环的过渡步。M2.0和M4.0为1的时间都很短。M2.0在PLC判断出时间处于白天模式，有能流通过时为1，M2.0为1后，M0.0变为1，M2.0又马上变为0。M4.0为1的时间是检测到有强通信号之后的一个上升沿。表4-6步分配与定时器分配4.4.5计数器分配控制系统总共用到4个计数器，C0、C1、C2和C3。其所计的数如表4-7所示。表4-7计数器分配4.5编写梯形图4.5.1控制模式的选择由系统的控制思想可知：白天控制模式与夜间控制模式的选择是依据PLC的当前时间来决定的。采用PLC的读取时间指令TODR，把PLC的当前时间写入VB22为起始地址的8字节缓冲区中（梯形图主程序中第2个网络所示）。读实时时钟指令读当前时间和日期并把它装入一个8字节的缓冲区（起始地址是T）。地址由小到大分别存放年、月、日、小时、分钟、秒、0、星期，并且其值全部用BCD码表示。读取PLC当前时钟后，小时数存放在VB25中，用VB25与16#5、16#22比较，当VB25大于等于16#5且小于等于16#22时，选择白天控制模式，否则选择夜间控制模式。4.5.2延时的实现直行绿灯延时的条件为：当前通行方向的车辆滞留量减去相反方向的车辆滞留量大于经验值σ且相反方向车辆滞留量大于δ且延时时间不超过最长延时时间。直接利用延时条件控制绿灯延时显得很复杂，但是选取其非条件作为绿灯延时向绿灯闪的转换条件，则控制就变得简单了。如梯形图主程序网络10、网络18所示。4.5.3强通的实现强通的实现方法如下：当检测到任意强通信号时，在其上沿使M4.0为1。同时开启接通延时定时器T57，经过0.5s的延时后（时间可以设置，要求比上升沿脉冲时间长），依据检测到的强通信号，把相应的步置1即可。这样，控制系统经过一段极短的暂停工作时间后，跳入了强通所对应的工作状态。4.5.4车辆计数的实现利用车辆检测器，当有车辆通过时输出5V脉冲。利用PLC内置计数器（一般计数器，工作频率为几十赫兹）对脉冲计数。车辆进入车道，计数器加1；车辆驶出车道，计数器减1。由此可以计数出车辆滞留量。4.6硬件接线控制系统的硬件接线图见附录1。4.7程序调试4.7.1调试步骤（1）打开STEP7-Micro/WINV4.0版编程软件，新创建一个项目。（2）选择PLC的型号为CPU224。（3）编写梯形图。（4）编译程序。（5）下载程序到PLC中。（6）运行PLC，监视程序状态。观察能流变化是否正确。（7）观察PLC的LED亮的次序是否正确。（8）利用状态