交通信号协调控制系统

课程名称：逻辑与可编程控制器

设计题目：交通信号协调控制系统哈尔滨工业大学课程设计任务书

*注：此任务书由课程设计指导教师填写

1项目简介

1．目的和意义

在《逻辑与可编程控制器》课程的基础上，针对具体控制对象设计一个以S7 200 PLC 为核心的控制系统，进一步培养独立设计电气控制系统及编写、调试复杂逻辑控制程序的能力。同时在多人协作完成项目的过程中，培养团队精神和协作能力。

2．项目的技术要求

以“交通灯模型”为被控对象，以S7 200 PLC-CPU224XP 为控制器，设计交通信号灯控制系统。实现孤立路口的固定配时和适应性控制两种方案，及两组交通信号的协调控制，并利用触摸屏TP177B 设计交通信号状态的监控系统。

3．设计内容

1）根据项目的技术指标，项目组成员通过集体讨论共同制定系统的总体设计方案，然后将任务分解到每个设计小组。

2）根据分工，各设计小组分别完成自己的设计任务。 3）在实验设备上进行系统的局部调试和联合调试。 4）以项目组为单位进行项目验收。 5）整理设计文件，撰写设计说明书。 4．总体设计方案

#1 交通灯控制系统

Tab.*1

#2交通灯控制系统

Tab.*2

上位机监控系统

Tab.*3

图1.1 交通灯协调控制系统

交通信号协调控制系统的实验设备由连成一体的3个实验台组成，利用PPI 网络电缆将其组成总线式工业控制网络。TP170B PN/DP 为西门子人机界面产品中的触摸屏，CPU224 XP DC/DC/DC 为西门子S7 200系列的PLC 。

交通灯控制系统能够实现固定配时和适应性控制两种模式。其模式选择由上位机

监控系统发出的指令来决定。

固定配时模式下，各个信号灯的时间是固定的，时间的长短可由交通灯模型上的数码拨轮设定或者由上位机监控系统发出的指令来设定。此外，系统采用数码管对当前状态进行倒计时。

适应性控制模式下，系统能够利用车辆检测装置检测该方向上车辆的数目，从而根据车辆多少调整绿灯的时间，若车辆很少，则绿灯时间很短，若车辆增加，则绿灯时间相应地增加，但绿灯时间不能超过其上限值。另外，如果有行人请求过街，系统会自动将绿灯时间调整到一个合适值。与固定配时模式一样，也采用数码管对当前状态进行倒计时。

上位机监控系统能够实现以下三个功能：①设定系统的工作模式（固定配时模式或适应性控制模式）；②监控两个路口各个交通灯的状态并用数码管显示交通信号灯的变化时间；③在固定配时模式中，设定直行绿灯、左转绿灯、禁止通行的时间。

2系统的硬件设计

1．交通灯控制系统组成

图2.1 交通灯控制系统硬件框图

图2.1给出了交通灯控制系统的组成。为了更逼真地进行系统调试，交通灯控制系统中采用了十字路口交通信号灯模型，作为被控对象，它可模拟交通信号灯的变化及其控制。该模型通过连个航空插头CN1、CN2及所带控制电缆，与PLC的控制端口相连。PLC的控制板由24V直流控制电源，CPU224XP及端子排组成，为了方便接线，PLC上所有I/O口都连接到下方的端子排上，使用时需要将控制对象上通过航空插头连接过来的信号线接到端子排上。端子排的接线如附录一中图5.1所示，其中

-X1代表端子排。交通信号灯模型的面板及内部接线如图2.2所示，其主要功能如下：1）数码拨轮。数码拨轮W1，W2的作用是设定交通信号的配时。数码拨轮由两位数组成，每位数的范围是0~9，按拨轮上的“+”或“-”键可改变其数值。每位拨轮输出的四个二进制位组成了BCD码，用来表示所设定的数值。拨轮左侧的Enter按钮，用来发出确定指令，使控制器接收拨轮设定的数值。

2）数码管。1位数码管LED可显示交通信号灯变化时间的指示屏。

3）信号灯。指示灯L1~L3（红、黄、绿）代表该行车方向上左转弯控制信号；指示灯L4~L6（红、黄、绿）代表该行车方向上直行控制信号；指示灯L7~L8（红、绿）代表行人过道的指示信号。Crosswalk按钮为行人过道的请求按钮。

4）车辆感应器。Detector按钮用来模拟车辆感应器，按钮按下表示有车辆经过检测线圈（虚线框）的下方。

2．IO分配

系统的IO分配如表2.1所示。其中W1-x(x=1、2、4、8)是以BCD码的形式从低到高依次表示数码拨轮W1的第0、1、2、3位，W2-x(x=1、2、4、8)是以BCD码的形式从低到高依次表示数码拨轮W2的第0、1、2、3位。W1给出设定值的十位，W2给出设定值的个位。由于输出端子较少，仅使用了LED七段数码管的4位中3位，因此数码管仅能显示7及7以下的数字。LED1、LED2、LED4分别表示经过译码后的LED显示数值的第0、1、2位。直行红灯与人行红灯共用一个输出端子。

表2.1 IO分配表

3系统的软件设计

1．交通灯控制系统时序

交通灯控制系统能够实现固定配时和适应性控制两种模式。两种模式下，将一个循环分成5个状态，状态1~5，如图3.1所示。状态1表示直行绿灯亮；状态2表示直行黄灯亮，直行黄灯亮的时间是固定的（3s ），且以1s 为周期闪烁（亮0.5s ，灭0.5s ）；状态3表示左转绿灯亮；状态4表示左转黄灯亮，左转黄灯亮的时间是固定的（3s ），且以1s 为周期闪烁（亮0.5s ，灭0.5s ）；状态5表示禁止通行，以使另外方向上的车辆及行人通行。状态分区如图3.2所示。左转期间禁止直行，故直行红灯在状态3、状态4、状态5期间一直亮。直行期间禁止左转，故左转红灯在状态1、状态2、状态5期间一直亮。人行绿灯在直行黄灯闪烁其间也以1s 为周期进行闪烁，以警示行人。人行红灯与左转红灯共用一个输出端口。

时序图的状态分区

直行绿灯直行红灯左转红灯左转绿灯人行绿灯人行红灯

直行黄灯

左转黄灯状

态1

状态2

状态3

状态4

状态5

图3.1 交通灯控制系统时序图及其状态分区

2．软件流程及编程

系统的主程序流程图如图3.2所示。首先调用网络子程序，进行三个PLC 之间的通信，然后对程序中使用的一些内存单元进行初始化，再根据触摸屏给出的指令判断程序运行模式，分别调用相应的子程序。固定配时模式子程序的流程图如图3.3所示。自适应控制模式子程序的流程图如图3.4所示。用5个标志位分别标志5种状态，各