基于三菱FX2N型PLC的十字路口交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代忠紅，孫曉丹，張慶豐，寧平華

（馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031）

隨著現(xiàn)代化交通工具的逐漸增加，城鎮(zhèn)交通的壓力日趨明顯。特別是十字路口的交通問題迫切需要一個(gè)自動(dòng)化的控制系統(tǒng)來解決。該文針對(duì)這種情況利用PLC設(shè)計(jì)了十字路口交通燈的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠按照交通流量對(duì)交通燈實(shí)施自動(dòng)化控制，對(duì)于提高現(xiàn)代交通系統(tǒng)的流暢性具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義和作用。該設(shè)計(jì)基于PLC的步進(jìn)指令利用時(shí)序圖的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)一個(gè)交通燈控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)要求概括如圖1所示。

圖1 十字路口交通燈示意圖

控制要求如下。

東西方向放行：當(dāng)東西方向的放行（綠燈亮）5 s后，以1 Hz的頻率閃爍，閃爍時(shí)間為3 s（綠燈閃3 s），以提醒司機(jī)和行人注意。然后黃燈亮2 s。與此同時(shí)，南北方向的紅燈亮10 s。然后立即開始另一個(gè)方向的放行，即南北方向的放行：當(dāng)南北方向放行（綠燈亮）5 s后，以1 Hz的頻率閃爍，閃爍時(shí)間為3 s（綠燈閃3 s），然后黃燈亮2 s。與此同時(shí)，東西方向紅燈亮10 s。同時(shí)要求：①如需運(yùn)行自動(dòng)循環(huán)，即系統(tǒng)交通信號(hào)燈按圖2所示要求進(jìn)行運(yùn)行，并自動(dòng)進(jìn)入循環(huán)工作。如需停止該系統(tǒng)信號(hào)燈熄滅時(shí)，則按停止按鈕即可。②如需手動(dòng)運(yùn)行工作時(shí)，要求所有黃燈都同時(shí)閃爍，周期為1 s，如圖2所示。

圖2 十字路口交通信號(hào)燈自動(dòng)運(yùn)行的動(dòng)作要求

設(shè)計(jì)分析如下。

在該交通燈控制系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)要求分析可知：該系統(tǒng)的PLC輸出的信號(hào)狀態(tài)變化有一定規(guī)律，即按規(guī)定時(shí)間順序變化，因此，可考慮用時(shí)序圖的方法設(shè)計(jì)該控制程序。首先，畫出該系統(tǒng)各輸出信號(hào)的時(shí)序圖，其次，理清該系統(tǒng)各狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件和轉(zhuǎn)換時(shí)間，最后，建立清晰的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。在此基礎(chǔ)上，合理使用PLC內(nèi)部相關(guān)資源（如定時(shí)器），從而達(dá)到系統(tǒng)控制的目的。該系統(tǒng)是典型的并行性流程的控制，為使編程簡(jiǎn)潔，可采用步進(jìn)指令進(jìn)行編程。在篩選PLC時(shí)，可綜合考慮其功能、性價(jià)比和兼容性等方面來選擇。

1 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 PLC選型

目前，市場(chǎng)上PLC種類很多，應(yīng)用較廣的是三菱和西門子系列。考慮到三菱FX系列是目前國(guó)內(nèi)使用最多的PLC產(chǎn)品，特別是近幾年推出的FX2N系列PLC，具有應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高和功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合本設(shè)計(jì)要求及綜合各方面因素考慮，所以該設(shè)計(jì)選用性價(jià)比較高的FX2N系列PLC。

PLC的技術(shù)性能指標(biāo)包括技術(shù)指標(biāo)和一般指標(biāo)2種。其中，技術(shù)指標(biāo)又可分為具體的性能規(guī)格和一般的性能規(guī)格；而一般指標(biāo)主要是指PLC的功能和結(jié)構(gòu)等情況，是用戶在選用PLC時(shí)需要首先了解的指標(biāo)。FX系列PLC的基本性能指標(biāo)、輸入技術(shù)指標(biāo)及輸出技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 FX系列PLC的基本性能指標(biāo)

FX2N的PLC是當(dāng)今三菱FX系列中速度較快、功能較強(qiáng)的微型PLC，該P(yáng)LC主要有25個(gè)基本單元。其基本指令執(zhí)行時(shí)間每條指令可高達(dá)0.08 pus，內(nèi)置的用戶存儲(chǔ)器可由8 kB擴(kuò)展到16 kB，最大可擴(kuò)展到256個(gè)I/O點(diǎn)。由多種特殊功能擴(kuò)展板或功能模塊組成，該P(yáng)LC的每個(gè)基本單元可擴(kuò)展8個(gè)特殊的單元，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多軸定位的控制；該P(yáng)LC機(jī)內(nèi)裝有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其中的PID指令可實(shí)現(xiàn)模擬量的閉環(huán)控制。而且該P(yáng)LC還有功能很強(qiáng)的數(shù)學(xué)指令集，如三角函數(shù)、開平方和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。通過特殊適配器或通信擴(kuò)展模塊（板）可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)和通信鏈接，如RS-232C、RS-422，CCLink，AS-i網(wǎng)絡(luò)和RS-485通信，N：N鏈接、計(jì)算機(jī)鏈接、并行鏈接和I/O鏈接。

綜合以上分析，結(jié)合系統(tǒng)控制要求，綜合考慮PLC的功能、性價(jià)比等兼容性因素，本設(shè)計(jì)硬件選用FX2N系列的FX2N-48MR-D機(jī)型的PLC。該類型PLC包含24個(gè)輸入點(diǎn)數(shù)，24個(gè)輸出點(diǎn)數(shù)，繼電器輸出，由24 V的直流電源供電。

1.2 PLC的I/O分配

該交通燈的I/O分配情況見表2。

表2 交通燈的I/O分配表

1.3 PLC的外部接線

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，其系統(tǒng)接線圖如圖3所示（PLC的輸出負(fù)載都用指示燈代替）。

圖3 交通燈的控制系統(tǒng)接線圖

2 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 程序設(shè)計(jì)方案

（1）控制時(shí)序，針對(duì)十字路口交通燈的控制要求，其自動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)的時(shí)序如圖4所示。

圖4 交通燈自動(dòng)運(yùn)行的時(shí)序圖

（2）基本邏輯指令的編程，根據(jù)控制時(shí)序圖，用8個(gè)定時(shí)器分別控制各信號(hào)轉(zhuǎn)換的時(shí)間；閃爍信號(hào)由特殊功能繼電器M8013產(chǎn)生的周期為1 s的脈沖來進(jìn)行控制。

（3）步進(jìn)順控指令的編程，可將南北方向和東西方向的信號(hào)燈動(dòng)作過程看成2個(gè)獨(dú)立的順序控制過程，因此可考慮采用匯合和并行性分支的編程方法，如圖5所示為該狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖5 交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

基本邏輯指令編程時(shí)邏輯較為復(fù)雜。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)順控指令編程。

2.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖5，寫出指令清單，如圖6所示。

圖6 十字路口交通燈指令清單

2.3 根據(jù)指令表寫出程序

3 PLC控制系統(tǒng)的檢測(cè)與調(diào)試

調(diào)試可分為3個(gè)模塊來進(jìn)行。

（1）輸入程序，利用GX軟件正確輸入程序（以狀態(tài)梯形圖的形式顯示）。

（2）靜態(tài)調(diào)試模塊，按圖3所示的接線圖正確連接好系統(tǒng)輸入設(shè)備，并進(jìn)行PLC的模擬靜態(tài)調(diào)試，觀察各輸出指示燈的指示是否按要求工作，否則，進(jìn)行檢查并修改程序，直至按要求工作。

具體操作步驟為：將選擇開關(guān)SA切換至手動(dòng)狀態(tài)，觀察指示燈。如果此時(shí)南北和東西向的黃燈同時(shí)閃爍；將選擇開關(guān)SA切換至自動(dòng)狀態(tài)，觀察指示燈。如果此時(shí)南北和東西向的黃燈都不閃爍。

（3）動(dòng)態(tài)調(diào)試模塊，按圖3所示的系統(tǒng)接線圖正確連接好系統(tǒng)輸入設(shè)備，進(jìn)行PLC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)試，觀察交通燈能否按控制要求工作，否則，檢查線路或者修改程序，直至交通燈按控制要求工作。

具體操作步驟為：將選擇開關(guān)SA切換至自動(dòng)狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕SB1。南北和東西向的信號(hào)燈將以圖2所示的控制要求動(dòng)作，并自動(dòng)循環(huán)。按下停止按鈕SB2，所有信號(hào)燈熄滅。

4 結(jié)束語

近年來由于PLC具有控制規(guī)模大、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、體積小、功耗低、安裝調(diào)試簡(jiǎn)便和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通、化工、食品、輕工和建材等多個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)。

本文基于三菱PLC設(shè)計(jì)的控制十字路口交通指示燈，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)只要按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕即可。當(dāng)需要維護(hù)維修及調(diào)整時(shí)，可旋轉(zhuǎn)手動(dòng)開關(guān)，切換至手動(dòng)檔，方便維護(hù)，并且可通過更改程序中的時(shí)間繼電器的時(shí)間常數(shù)來調(diào)整各燈的顯示時(shí)間。程序簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，自動(dòng)、手動(dòng)可隨時(shí)切換。在疏導(dǎo)交通，維護(hù)城鎮(zhèn)道路秩序發(fā)揮重要作用。