采用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈的PLC控制

無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 劉婧瑤

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市的交通問題日益突出。道路交通是否通暢與我們每個(gè)人的生活息息相關(guān)。十字路口的交通燈，在這個(gè)問題里扮演了重要的角色，人們遵守著交通信號(hào)燈的自動(dòng)變化來出行。那么，交通信號(hào)燈的控制時(shí)間是如何實(shí)現(xiàn)的呢？三種不同顏色的信號(hào)燈如何有序的工作呢？本文介紹了利用PLC來實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈的控制，對于PLC的初學(xué)者學(xué)習(xí)PLC的控制理念和方法有很好幫助。

1 PLC控制系統(tǒng)

1.1 PLC系統(tǒng)概述

可編程控制器（Pr ogr ammabl e Logic Cont r ol l er簡稱PLC）是專門為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種通用控制器。它采用可編程的存儲(chǔ)器，用于內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作指令，通過模擬式或者數(shù)字式的輸入、輸出控制各種類型的對象或者生產(chǎn)過程。PLC不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，還具有強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算，運(yùn)動(dòng)控制，數(shù)據(jù)處理，聯(lián)網(wǎng)控制等功能。這些都使得PLC的用范圍和領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大，廣泛的應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化，樓宇自動(dòng)化，商業(yè)，公用事業(yè)，農(nóng)業(yè)等。PLC具有優(yōu)良的性能和高可靠性，日益成為工業(yè)控制裝置的首選，成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一。

1.2 交通燈的控制要求

本文中的控制對象是十字路口的交通燈信號(hào)燈，按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，交通信號(hào)燈系統(tǒng)開始工作，并且循環(huán)工作，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，系統(tǒng)停止，所有交通信號(hào)燈熄滅。十字路口交通信號(hào)燈位置如圖1所示，具體紅、綠、黃三種的控制過程為：南北方向：啟動(dòng)按鈕按下后，綠燈亮4s后閃爍2s滅，黃燈亮2s后滅，接著紅燈亮8s后滅，綠燈又亮……，如此不斷循環(huán)。 東西方向：對應(yīng)同時(shí)紅燈亮8s滅，接著綠燈亮4s后閃爍2s滅，黃燈亮2s后滅，紅燈又亮……，如此不斷循環(huán)。按下停止按鈕后，所有信號(hào)燈熄滅。

圖1 十字路口交通信號(hào)燈示意圖

2 交通燈的PLC控制

2.1 I/O 分配

I/O分配是輸入/輸出（Input/Out put）分配的簡稱。這里我們采用的是松下FP ∑C32T型的PLC。該型號(hào)的PLC雖然體積小，但功能強(qiáng)大，其I/O點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，其中，輸入點(diǎn)16個(gè)，輸出點(diǎn)16個(gè)，能夠滿足交通信號(hào)燈系統(tǒng)的控制需求。根據(jù)交通信號(hào)燈的南北、東西方向的具體控制要求和PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，列出該項(xiàng)目的I/O分配表，如表1所示。

表1 交通信號(hào)燈系統(tǒng)的I/O分配表

2.2 硬件連接

該系統(tǒng)所需硬件主要有：裝有編程軟件FP WINGR的計(jì)算機(jī)、 電源、PLC模塊， 連接導(dǎo)線以及通信電纜。根據(jù)交通燈信號(hào)燈系統(tǒng)的I/O分配表和FP ∑C32T型的PLC外部接線要求：將兩個(gè)按鈕用導(dǎo)線連接到PLC的輸入端X0，X1；將交通信號(hào)燈兩個(gè)方向的6組指示燈分別接在PLC 的輸出端Y0-Y5。如圖2所示。

圖2 交通信號(hào)燈系統(tǒng)的接線圖

2.3 邏輯關(guān)系

交通信號(hào)燈系統(tǒng)控制過程通過文字描述較為復(fù)雜，但通過一些圖表的分析，我們可以很清楚的掌握其中的信號(hào)燈亮滅的規(guī)律。首先，根據(jù)交通信號(hào)燈的控制要求，我們繪制出交通信號(hào)燈的控制時(shí)間軸，按燈亮（置1）和燈滅（置0）分別繪制，一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)6組信號(hào)燈的亮滅的時(shí)間點(diǎn)均標(biāo)明在圖3中。

圖3 交通信號(hào)燈系統(tǒng)的時(shí)序圖

根據(jù)時(shí)序圖，我們可分析得知，南北和東西兩個(gè)方向的交通信號(hào)燈工作周期均為16s,所以先保證在一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)信號(hào)燈的正確運(yùn)行，再考慮整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)的問題。在每個(gè)工作周期內(nèi)，每個(gè)信號(hào)燈都有自己的工作區(qū)間，有固定的運(yùn)行起點(diǎn)和終點(diǎn)。可分析得知，我們采用PLC內(nèi)部的定時(shí)器來控制每個(gè)信號(hào)燈的運(yùn)行起點(diǎn)和終點(diǎn)即可，可以用每個(gè)定時(shí)器的常閉觸點(diǎn)和常開觸點(diǎn)來控制前一個(gè)信號(hào)燈的熄滅和后一個(gè)信號(hào)燈的開啟。利用最后一個(gè)信號(hào)燈的定時(shí)器時(shí)間到了以后，復(fù)位所有定時(shí)器即可重新循環(huán)。

在設(shè)計(jì)略微復(fù)雜的程序時(shí)，采用簡單的邏輯分析比較難以入手編程，所以我們采用更為有效的方法來幫助分析，入手編程。十字路口交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)可以分為若干個(gè)階段，在每個(gè)階段都是獨(dú)立完成的，所以結(jié)合交通信號(hào)燈系統(tǒng)的I/O分配表，可繪制如圖4所示的狀態(tài)流程圖。

2.4 軟件編程

根據(jù)分析可知主要采用PLC中的定時(shí)器進(jìn)行交通信號(hào)燈系統(tǒng)的編程，對于定時(shí)器的使用，本文以梯形圖為例， 討論采用定時(shí)器編程的三種方法，每種方法都各有特點(diǎn)， 可根據(jù)具體控制系統(tǒng)的需求和編程思路來選擇。

（1）采用同一定時(shí)參考點(diǎn)編程。以每個(gè)交通信號(hào)燈工作周期開始為所有定時(shí)器計(jì)時(shí)的起點(diǎn)進(jìn)行計(jì)時(shí)。編程示例如圖5所示。

圖4 交通信號(hào)燈系統(tǒng)的狀態(tài)流程圖

圖5 同一定時(shí)參考點(diǎn)編程示例

（2）采用不同定時(shí)參考點(diǎn)編程。利用前一個(gè)定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間到的信號(hào)作為下一個(gè)定時(shí)器計(jì)時(shí)的起點(diǎn)。編程示例如圖6所示。

圖6 不同定時(shí)參考點(diǎn)編程示例

前面兩種方法分析了每個(gè)交通信號(hào)燈時(shí)間點(diǎn)的編程，在完成定時(shí)器時(shí)間點(diǎn)的設(shè)置后，我們可以I/O分配表來完成輸出部分程序的編寫，采用如圖7 所示南北綠燈控制程序的編寫方法來進(jìn)行其它各燈控制程序的編寫。

圖7 南北綠燈控制程序

（3）采用定時(shí)器指令的經(jīng)過值編程。在該型號(hào)的PLC中每一個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)與其相同編號(hào)的經(jīng)過值區(qū)域EV。當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)條件滿足時(shí)，經(jīng)過值區(qū)域EV中的數(shù)值就會(huì)從定時(shí)器的設(shè)定值開始按定時(shí)器的計(jì)時(shí)精度逐個(gè)進(jìn)行遞減。當(dāng)經(jīng)過值區(qū)域EV的數(shù)值到達(dá)零時(shí)，對應(yīng)編號(hào)的定時(shí)器的相關(guān)觸點(diǎn)就會(huì)動(dòng)作。由此可知，我們可以把交通信號(hào)燈的工作周期設(shè)定為定時(shí)器的設(shè)定值，這樣可將各個(gè)信號(hào)燈的起始工作點(diǎn)全部包含在內(nèi)。利用信號(hào)燈工作開始時(shí)定時(shí)器的經(jīng)過值和工作結(jié)束時(shí)定時(shí)器的經(jīng)過值構(gòu)成一個(gè)時(shí)間區(qū)間。當(dāng)經(jīng)過值小于某信號(hào)燈工作開始時(shí)的定時(shí)器經(jīng)過值并大于工作結(jié)束時(shí)的定時(shí)器經(jīng)過值時(shí)該信號(hào)燈就處于工作狀態(tài)。編程示例如圖8所示。

圖8 采用定時(shí)器經(jīng)過值編程示例

通過對這幾種定時(shí)器編程方法的分析，我們可以總結(jié)得到時(shí)間順序控制任務(wù)的常用編程方法。雖然我們的任務(wù)要求是編制交通信號(hào)燈系統(tǒng)的控制程序，但是我們可以用不同的指令，不同的方法來實(shí)現(xiàn)同一個(gè)任務(wù)。

3 總結(jié)

在PLC教學(xué)實(shí)踐中，交通信號(hào)燈系統(tǒng)控制是一個(gè)很好的實(shí)踐課題，充分利用生活中現(xiàn)有資源，創(chuàng)設(shè)教學(xué)實(shí)踐場景，利用漸進(jìn)式的、探究式的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。通過十字路口交通信號(hào)燈的系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)，我們掌握了十字路口交通信號(hào)燈的自動(dòng)控制原理，并進(jìn)一步熟悉FP ∑C32T型PLC 功能指令及定時(shí)器的使用，學(xué)習(xí)了利用定時(shí)器來控制系統(tǒng)的編程方法，實(shí)現(xiàn)了十字路口的交通控制自動(dòng)化。

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