一、系统硬件分析
基于PLC控制的智能交通控制系统所用到的主要硬件有PLC和触摸屏。本设计用到的PLC是西门子S7-200系列的PLC,其CPU型号为224,触摸屏是广州致远公司的MiniHMI-1000系列触摸屏,下面我将对它们作详细介绍,并且对I/O地址的分配和PLC的接线作初步说明。
（一）PLC概述
PLC是可编程逻辑控制器,其硬件结构基本上与微型计算机相同。它是在工业控制领域有十分突出的地位,目前比较出名的PLC有西门子、三菱、欧姆龙等,我国国内也有许多PLC的品牌,相比来说价格低廉,也有很多人在使用,但质量良莠不齐,一些使用规格和平常不一样,造成国内品牌口碑不佳。所以选用了西门子的S7-200系列PLC作为本设计的硬件核心。
- PLC的特点以及构成
S7-200系列PLC是一种小型的PLC,相比于其他的电气控制器,它具有结构设计紧凑、扩展性能好、功能模块丰富、指令系统强大以及价格低廉的特点，特别适合初学者使用与研究。S7-200系列PLC的CPU22*是CPU主机,该模块包括中央处理器CPU、数字I/O、通信口和电源。
2.CPU224的介绍
CPU是PLC的核心，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,本设计需要用到的是S7-200系列的CPU224：
图2.1 CPU224
（四）交通灯控制系统设计
1.控制要求
基于PLC控制的智能交通控制系统所控制的是十字路口的交通灯，每个路口都是双向车道，下图为路况示意图：
图2.2 路况示意图
二、智能交通控制系统的软件设计
西门子PLC的编程软件是STEP7 Micro/win 、STEP7 Micro/win SMART、STEP7 V5.5和STEP7 V11，其中STEP7 Micro/win是西门子S7- 200的编程软件，本设计用到的是STEP7 Micro/WIN V4.0编程软件，它支持LAD、FBD和STL语言，我们用到LAD即语言进行程序编辑。根据基于PLC控制的智能交通控制系统的设计要求，作者首先确定了主程序的流程，而主程序中又包含了正常时序流程和自动调整流程。
（一）主程序
当车流量在0-45辆/s时，是平峰期，采用正常时序循环控制，当车流量在45辆/s以上时，是高峰期，根据车流量自动调整。每当灯置红时，相机抓拍，使用信号沿控制。如果有南北紧急通行或者东西紧急通行的信号传入，该方向的绿灯亮起，需要重置南北/东西方向的信号，绿灯才会熄灭。如果有南北拍照或者东西拍照的信号传入，相机1或相机2也可以进行手动拍照。主要思路如下：按下启动按钮IO.0，车辆检测器IO.5检测到车流量存在，并将其数据传送到PLC中，PLC通过计算得到车流量σ，当σ 小于等于45的时候执行正常时序流程，而σ大于45的时候执自动调整流程。车流量的检测是一直不断地进行下去的，当自动调整流程使σ减小，直到σ小于等于45的时候，返回到正常时序流程，这两个程序不断进行。当有需要紧急通行的时候，我们按下南北紧急通行按钮IO.1，可以使南北绿灯亮起来；我们按下东西紧急通行按钮IO.2，可以使东西绿灯亮起来。每次南北方向绿灯结束的时候，南北相机自动拍照，我们按下南北拍照按钮IO.3也可以使南北相机拍照。每次东西方向绿灯结束的时候，东西相机自动拍照，我们按下东西拍照按钮IO.4也可以使东西相机拍照。紧急通行和拍照可以作为中断，不影响正常时序和自动调整的流程。
（二）正常时序
按下启动按钮后，一开始是南北红灯亮长亮25秒，这25秒里面东西绿灯先亮20秒，然后东西绿灯闪烁3秒，然后东西接绿灯熄灭，紧接着东西黄灯亮，并维持2秒，东西黄灯熄灭、南北红灯熄灭，这个过程持续25秒。下一个25秒中，东西红灯亮长亮25秒，这25秒里面南北绿灯先亮20秒，然后南北绿灯闪烁3秒，然后南北接绿灯熄灭，接着南北黄灯亮，并维持2秒，南北黄灯熄灭、东西红灯熄灭，这个过程也是持续25秒。上述动作循环进行，一个正常时序的时间长度是50s。正常时序是程序设定好的，当没有其他数据输入干扰时，将一直循环执行。这是比较死板的程序控制，在过去交通控制系统没有智能化的时候，类似正常时序这种定时循环控制相当普遍。如今，因为这种定时循环的绿占比低，红灯时间长，单位时间内通过的车辆数少，所以它只能适用于车辆较少的平峰期。对于高峰期来说，最好是根据车辆來控制交通信号灯相位，因为城市道路交通的路面状况并不是均匀的，大多数时候的高峰期是某一方向的车辆激增，而另外的方向车辆减少，如果交通系统继续采用定时循环控制，会大大增加车辆排队长度，造成交通拥堵。由此，本设计提出在某一方向车流量超过45辆/s时，延长其绿灯时间，让车辆迅速通过，减少排队时间，达到过段时间后该方向车流量减少的要求。
（三）自动调整
按下启动按钮后，正常时序控制，此时车流量计算已经开始，检测经过各路口车流量数。判断南北方向车流量是否溢满，如果没有溢满，车流量数少于等于45，则继续执行正常时序流程；如果溢满，当车流量数>45的时候启动45s计时器延长南北方向的绿灯时间；45s计时器动作完成后，再次判断车流量是否溢满，如果没有溢满，车流量数少于等于45，则返回执行正常时序流程；如果溢满，当车流量数>45的时候启动45s计时器延长南北方向的绿灯时间，如此循环。判断东西方向车流量是否溢满，如果没有溢满，车流量数少于等于45，则继续执行正常时序流程；如果溢满，当车流量数>45的时候启动45s计时器延长东西方向的绿灯时间；计时器动作完成后，再次判断车流量是否溢满，如果没有溢满，车流量数少于等于45，则返回执行正常时序流程；如果溢满，当车流量数>45的时候启动45s计时器延长东西方向的绿灯时间，如此循环。车流量的计数是一直存在的，在接通45s计时器后，车辆检测仍然在进行，45s计时器动作后，车流量没有溢满才跳出延长绿灯的循环。
智能交通控制系统自动调整流程是有关于车流量控制的设计，该流程中包含正常时序和绿灯延长，可以在平峰期和高峰期状态中自由切换。使用这种控制手段的交通控制系统明显能在高峰期通过更多的车辆，极大程度地减少车辆排队时间，节约了许多宝贵的时间， 带来巨大的经济效益和时间效益。这种以人为本、人性化、可以自动调节的控制手段，我们称之为智能化。车流量的计算是基于PLC 控制智能交通控制系统的智能化体现的关键，我们用S7-200系列的PLC可以实现。
（四）PLC编程程序
本设计用到STEP7 Micro/WIN V4.0编程软件，使用了梯形图作为控制程序。因为梯形图相较于工业控制领域的其它编程语言来说，编程中逻辑设计更加直观明了，更加方便快捷，它的流概念的思维让设计者或者读者更能很好的了解程序的逻辑，完成控制要求。PLC 是通过STEP7 Micro/WIN V4.0编程软件编写好的程序进行对智能交通控制系统进行控制的，所以简单明了的程序对于PLC处理和运行有着至关重要的作用。STEP7 Micro/WIN V4.0编程软件支持梯形图和语句表的相互转化，通过观察梯形图来了解实现的功能的同时STL语句表可以让读者或者设计者明白程序的逻辑，了解智能交通控制系统的实现流程。由于过去复杂的电气控制接线已经无法满足人们对简单明了的控制系统的渴望与要求，特别是亚洲地区的技术人员表示需要编程逻辑更加直观的设计语言，梯形图编程语言应运而生，梯形图在继承继电器控制系统的优点的同时改进了程序的复杂性，使逻辑更加简单清晰，使功能更加容易实现，特别满足亚洲人的直线思维，受到世界各地广大电气领域的技术人员的喜爱与广泛应用。在智能交通控制系统程序的设计过程中，梯形图网络由各种基本逻辑指令和数字运数指令以及计时器等组成。能流在设计好的梯形图程序中流转，会经过触点到达线圈、计数器、定时器等位置，当PLC检测到相应器件发生动作时，CPU会进行处理这些信息，使之经过一定的逻辑关系然后输出信号。能流与程序的执行顺序都是先由左至右或由上至下，编程时我们还可以为梯形图某个触点、线圈或者功能块加上注释，方便读者在更加充分了解程序的逻辑关系，或者让设计者在调试过程中查询错误的时候迅速找到位置。
三、调试
调试是PLC系统设计必不可少的过程，是检验我们系统设计的有效性的重要手段。对于程序来说，一个程序能正常运行是最基本的要求，我们不单要程序能正常运行，更需要它解决我们所提出的问题。软件调试就是检查程序能否按我们的要求去控制各个组件，使它能够及时作出反应。硬件调试主要检查实物与程序之间的连接与实际使用情况是否与设计要求相符合。对基于PLC控制的智能交通控制系统的调试分为硬件调试和软件调试，我们主要是对软件调试做说明。
（一）硬件调试
在此仅提出硬件调试的思路：首先目测元件是否完好，连接线是否已经全部连接？有无错接？接着给元件加电，用万用表测试连接点，查看所有连接点是否正常。然后连机测试，看智能交通控制系统能否正常使用。如果出现异常，应该按照先分后合原则和就近原则去处理，分步测试各单元，按照逻辑距离由近到远，一步一步排查。
（二）软件调试
软件调试是在梯形图程序设计好以后执行程序是否存在语法或者逻辑错误。然后用STEP7 Micro/WIN V4.0将已经编写好的程序导出为.awl的格式，到S7-200模拟器中选择双击西门子CPU区域选择CPU型号为CPU224，导入程序，选择导入程序块，将CPU设为运行模 式，进行系统功能测试。在这里我们可以打开语句表或者梯形图来查看程序，点击程序监控状态按钮，可以看到PLC的运行状态，蓝色代表接通。
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