基于定時器、中間繼電器和PLC的交通燈控制系統

李 航

遼寧軌道交通職業學院 沈陽 110023

1 設計背景

科學技術的不斷進步推動著諸多領域向前發展,尤其是汽車領域的發展更為明顯。據不完全統計,截止至2017年,我國有近2.7億輛汽車。可以說,汽車幾乎已經進入城市的每個角落[1]。與此同時,汽車的迅速增多給城市的交通狀況帶來了極大的沖擊和挑戰,城市交通的合理有效運行急需一個工作穩定、可靠的交通燈控制系統作為保障。當今世界廣泛使用的可編程序控制器(PLC)將多種先進技術結合于一體,具有編程簡單、抗干擾能力強、運行穩定、易于維修等特點[2-4]。筆者設計了一個基于定時器、中間繼電器和PLC的交通燈控制系統,以西門子S7-200系列PLC為核心,分析交通燈控制要求,分配輸入輸出地址,搭建硬件電路,設計時序圖、功能順序圖及梯形圖,最終通過運行調試,實現對交通燈進行自動控制,達到了預期效果。

2 控制要求

基于定時器、中間定時器和西門子S7-200 PLC設計十字路口交通燈控制系統。在一個十字路口,有東西、南北兩個方向[5-6],每個方向各設有紅燈、綠燈、黃燈。紅燈、綠燈、黃燈的具體控制要求如下。

(1) 任意時刻按下系統啟動按鈕,交通燈控制系統開始工作;

(2) 東西方向綠燈亮25 s,綠燈閃爍3 s,黃燈亮2 s;然后南北方向綠燈亮25 s,綠燈閃爍3 s,黃燈亮2 s;

(3) 在東西方向綠燈亮、綠燈閃爍及黃燈亮的同時,南北方向紅燈亮;

(4) 在南北方向綠燈亮、綠燈閃爍及黃燈亮的同時,東西方向紅燈亮;

(5) 十字路口的交通信號燈按以上規律不斷重復;

(6) 任意時刻按下系統停止按鈕,交通燈控制系統停止工作。

3 輸入輸出地址分配

交通燈控制系統采用西門子S7-200 PLC,硬件資源完全滿足系統開發的需要[7-8]。根據系統的控制要求,交通燈控制系統的輸入輸出地址分配見表1、表2。系統共有兩個輸入按鈕,分別是啟動按鈕和停止按鈕。啟動按鈕使系統開始正常運行,停止按鈕使系統立刻停止運行。

表1 交通燈控制系統輸入地址分配

表2 交通燈控制系統輸出地址分配

將功能相同的東西兩個方向紅燈、綠燈、黃燈合并控制,將功能相同的南北兩個方向紅燈、綠燈、黃燈合并控制,進而將輸出端口歸并為六個,即東西方向的紅燈、綠燈、黃燈和南北方向的紅燈、綠燈、黃燈。如此設計,既可以節省輸出點數資源,又滿足控制要求。

4 硬件接線

交通燈控制系統硬件接線如圖1所示。

S7-200 PLC的電源輸入L1端和N端接單相交流220 V電,保證PLC的可靠工作[9]。使用兩個常開按鈕作為交通燈控制系統的啟動按鈕和停止按鈕,將它們的一端分別接S7-200 PLC的輸入端I0.0和I0.1,另一端接PLC的L+端,同時將PLC輸入端的M和1M短接,這樣保證輸入端的I0.0和I0.1能夠可靠供電[10-11]。

圖1 交通燈控制系統硬件接線

使用Q0.0～Q0.5這六個端子分別接六個交通信號燈,同時還要向這六個交通信號燈提供直流電源。PLC輸出端的1L和2L短接,這樣保證輸出端的可靠供電。

5 時序圖

交通燈控制系統東西方向和南北方向的運行情況是一致的,系統在一個周期時間內完成兩個方向交通信號燈的控制,東西方向為綠燈亮25 s,綠燈閃爍3 s,黃燈亮2 s,紅燈亮30 s,南北方向為紅燈亮30 s,綠燈亮25 s,綠燈閃爍3 s,黃燈亮2 s。其中,綠燈的閃爍頻率都是亮0.5 s、滅0.5 s。交通燈控制系統時序圖如圖2所示。

圖2 交通燈控制系統時序圖

6 順序功能圖

交通燈控制系統中有六個時間段,因此需要使用PLC中的定時器來控制和處理時間。在輸出端中需要處理東西、南北方向的綠燈亮和綠燈閃爍,不能直接使用輸出繼電器控制,否則會導致重復輸出,因此,考慮使用中間繼電器間接控制輸出繼電器。交通燈控制系統的順序功能圖如圖3所示。

圖3 交通燈控制系統順序功能圖

使用六個中間繼電器M0.0、M0.1、M0.2、M0.3、M0.4、M0.5,分別與東西方向綠燈亮、綠燈閃爍、黃燈亮,以及南北方向綠燈亮、綠燈閃爍和黃燈亮的狀態相對應,得電接通的時間依次為25 s、3 s、2 s、25 s、3 s、2 s。六個定時器T37、T38、T39、T40、T41、T42的定時時間依次為25 s、3 s、2 s、25 s、3 s、2 s。S7-200 PLC中的特殊繼電器SM0.5可以提供周期為1 s的脈沖信號,用于實現東西和南北方向的綠燈閃爍,順序功能圖中未畫出。

7 梯形圖程序

交通燈控制系統的梯形圖采用時間順序控制方式設計。當按下啟動按鈕時,交通燈控制系統開始按控制要求工作。當按下停止按鈕時,交通燈控制系統停止運行。

在實現東西方向綠燈亮25 s、綠燈閃爍3 s、黃燈亮2 s時,使用的是M0.0、M0.1和M0.2三個中間繼電器,以及T37、T38和T39三個定時器,中間繼電器和定時器控制梯形圖程序如圖4所示。系統啟動按鈕I0.0啟動中間繼電器M0.0并自鎖保持,同時啟動定時器T37工作。定時器T37工作25 s后,啟動中間繼電器M0.1并自鎖,同時啟動定時器T38工作,并且需要用M0.1的常閉觸點使M0.0和T37停止工作。定時器T38工作3 s后,啟動中間繼電器M0.2并自鎖,同時啟動定時器T39工作,并且需要用M0.2的常閉觸點使M0.1和T38停止工作。停止按鈕I0.1可以停止所有中間繼電器和定時器工作,定時器T42觸點用于實現系統的循環控制。

圖4 交通燈控制系統中間繼電器和定時器控制梯形圖程序

實現南北方向綠燈亮25 s、綠燈閃爍3 s、黃燈亮2 s與東西方向原理類似,只是使用另外的M0.3、M0.4和M0.5三個中間繼電器,以及T40、T41和T42三個定時器。

實現東西方向綠燈、黃燈和紅燈功能使用的是輸出繼電器Q0.0、Q0.1和Q0.5。綠燈需要亮25 s和閃爍3 s,因此Q0.0并聯M0.0和M0.1兩個支路。黃燈需要亮2 s,因此Q0.1用M0.2觸點直接連接。紅燈需要亮30 s,因此Q0.5并聯M0.3、M0.4和M0.5三個支路。系統的輸出控制梯形圖程序如圖5所示。

實現南北方向綠燈、黃燈和紅燈功能與東西方向原理類似,只是使用另外三個輸出繼電器Q0.2、Q0.3和Q0.4。

圖5 交通燈控制系統輸出控制梯形圖程序

8 梯形圖程序優化

在交通燈控制系統運行調試過程中,發現一個問題。在按下啟動按鈕I0.0后,系統開始運行,任意時刻再次按下啟動按鈕I0.0,系統又開始運行,產生的現象是同一時間系統會有兩盞以上的燈亮,系統出現錯亂。導致這一問題的原因是系統的梯形圖程序中沒有區別第一次啟動系統和其它次啟動系統,進而引發系統中間繼電器和定時器隨啟動按鈕I0.0被按下而啟動,系統出現混亂。因此,需要對梯形圖程序進一步優化。對圖5中的中間繼電器M0.0梯形圖程序進行修改優化,優化后系統梯形圖程序如圖6所示。

圖6 優化后交通燈控制系統梯形圖程序

當系統沒有啟動,即啟動按鈕I0.0沒有按下時,中間繼電器M0.0沒有接通,整個系統不啟動工作。當系統第一次啟動,即啟動按鈕I0.0第一次按下時,在啟動之前東西和南北方向的紅燈都沒有亮,因此串聯輸出繼電器Q0.5和Q0.4的常閉觸點來消除系統混亂的現象。因為只有在第一次啟動前,東西和南北方向的紅燈沒有工作,而以后再次啟動系統時都會有東西或南北方向的紅燈亮,所以優化后能保證系統的穩定可靠運行。

9 結束語

筆者基于定時器、中間繼電器和PLC設計了交通燈控制系統,采用西門子S7-200系列PLC為控制核心,在對十字路口交通燈控制要求進行分析的基礎上,分配輸入輸出地址,搭建硬件電路,設計時序圖和功能順序圖,進而設計梯形圖程序。通過運行調試,優化了梯形圖程序,實現了整個交通燈控制系統的功能。這一系統能夠可靠穩定運行,具有一定的實用價值。