張?zhí)煊睿?馬 帥， 曾寶寶， 劉 禎

（湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 湖北 襄陽 441053）

引言

交通信號(hào)燈的控制是城市道路和交通管理體系的一個(gè)重要組成部分。其對(duì)城市發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要的關(guān)系[1]。隨著電子科技的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法也層出不窮，可編程控制器（Programmable Logic Controller,PLC）作為工業(yè)用的計(jì)算機(jī)，在工業(yè)自動(dòng)化中的地位極為重要。其具有小型化、價(jià)格低、可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。近些年，將PLC用于交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法也有很多，功能都不盡相同[2]。PLC可編程邏輯控制器具有高可靠性、易于編程、方便控制的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[3]。本文用三菱FX系列的PLC實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈的控制，程序簡(jiǎn)單、便于修改，大大提高了交通路口的通行能力。

1 系統(tǒng)總體方案

交通信號(hào)燈系統(tǒng)的動(dòng)作要求如圖1所示，通過對(duì)東西方向和南北方向信號(hào)燈的程序控制，達(dá)到對(duì)車流的分流作用。整個(gè)系統(tǒng)為手動(dòng)開啟，自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行的方式。系統(tǒng)的控制要求如下：要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行。按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始進(jìn)入周期性工作：在東西方向上，紅燈亮10 s，東西方向的車流停止，此時(shí)南北方向上為綠燈，車流可以前進(jìn)，5 s以后，綠燈開始閃爍，提醒司機(jī)綠燈即將結(jié)束，3 s計(jì)時(shí)結(jié)束以后，綠燈熄滅，黃燈亮2 s，未進(jìn)入路口的車輛停止，等待下一個(gè)綠燈。此時(shí)東西方向的紅燈結(jié)束，綠燈點(diǎn)亮5 s，車輛通行，5 s結(jié)束后綠燈開始閃爍，閃爍3 s，接著黃燈點(diǎn)亮，提醒未進(jìn)入路口的車輛停止，2 s以后東西向的紅燈點(diǎn)亮，車輛禁止通行，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。在遇到特殊情況時(shí)，可以打開手動(dòng)開關(guān)，進(jìn)入緊急狀態(tài)，所有信號(hào)燈熄滅，南北向和東西向的黃燈同時(shí)閃動(dòng)，周期為1 s。交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的東西向和南北向均為同步運(yùn)行，避免了因部分原件出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰的情況，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖1 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的動(dòng)作要求

圖2 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的工作流程

2 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 I/O點(diǎn)的估算

通過對(duì)PLC控制系統(tǒng)分析可知：共有3個(gè)輸入點(diǎn)，分別是：自動(dòng)位啟動(dòng)按鈕、手動(dòng)開關(guān)（帶自鎖型）與停止按鈕。有6個(gè)輸出點(diǎn)：東西向綠燈、東西向黃燈、東西向紅燈、南北向綠燈、南北向黃燈與南北向紅燈。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要具備的功能分析可以確定編程原件編號(hào)以及PLC的類型。

2.2 PLC的選擇

PLC的種類和型號(hào)有很多，選用一種合適的PLC對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)來說是非常重要的。FX2N系列的PLC是三菱FX系列中最為先進(jìn)的一種，其有極高的處理速度與強(qiáng)大的性能，能用于多種特殊的用途。除了輸入輸出16-25點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以擴(kuò)大控制點(diǎn)數(shù)，以適用于在多個(gè)基本組件間的連接、定位控制、模擬控制等特殊用途，是一套可滿足多樣化廣泛需求的PLC裝置[4]。

通過對(duì)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能要求的詳細(xì)分析以及I/O點(diǎn)的估算，本文選用三菱PLC FX2N-16MR型號(hào)，8個(gè)輸入點(diǎn)（X000-X007）和8個(gè)輸出點(diǎn)（Y000-Y007），滿足使用需求。

2.3 I/O分配表的設(shè)計(jì)

對(duì)于PLC系統(tǒng)外部接線圖的分析，能夠確定所需要編程元件的編號(hào)。交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的I/O分配如表1所示。

表1 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)分配表

2.4 外部接線圖設(shè)計(jì)

通過對(duì)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的功能以及技術(shù)要求的分析，PLC的外部接線如圖3所示。

圖3 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)外部接線圖

2.5 系統(tǒng)控制時(shí)序圖

通過對(duì)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行分析，PLC控制系統(tǒng)的時(shí)序圖如圖4所示。

2.6 SFC圖和梯形圖的設(shè)計(jì)

控制程序的設(shè)計(jì)程序基于三菱GX Developer軟件，采用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（SFC）編程的方式，系統(tǒng)的SFC設(shè)計(jì)如圖5所示。為了能使設(shè)計(jì)程序更加形象、直觀，本文也同時(shí)給出了相應(yīng)的梯形圖，如圖6所示。

圖4 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)時(shí)序圖

圖5 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)SFC圖

圖6 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)梯形圖

在按下自動(dòng)啟停按鈕X0后，南北向和東西向同時(shí)運(yùn)行，在南北方向上系統(tǒng)進(jìn)入S20狀態(tài)，南北向紅燈Y6通電點(diǎn)亮，同時(shí)計(jì)時(shí)器T0 K100開始計(jì)時(shí)10 s，10 s結(jié)束后輸入信號(hào)T0，狀態(tài)轉(zhuǎn)移為S21，紅燈Y6熄滅，綠燈Y4通電點(diǎn)亮，計(jì)時(shí)器T1 K50通電開始計(jì)時(shí)5 s，5 s后輸入信號(hào)T1，綠燈Y4熄滅，狀態(tài)轉(zhuǎn)移為S22，時(shí)間繼電器M8013通電產(chǎn)生周期性信號(hào)傳遞給綠燈Y4，開始進(jìn)行周期為1的閃爍，計(jì)時(shí)器T2 K30開始計(jì)時(shí)3 s，3 s后輸入信號(hào)T2，綠燈Y4斷電，狀態(tài)轉(zhuǎn)移為S23，黃燈通電點(diǎn)亮。在東西方向上，X0通電以后，進(jìn)入S24狀態(tài)，綠燈Y0通電點(diǎn)亮，定時(shí)器T3 K50通電開始計(jì)時(shí)5 s，5 s后輸入信號(hào)T3，進(jìn)入狀態(tài)S25，綠燈Y0熄滅，時(shí)間繼電器M8013通電開始產(chǎn)生周期性信號(hào)給綠燈Y0，綠燈Y0開始進(jìn)行周期為1 s的閃爍，同時(shí)計(jì)時(shí)器T4 K30通電開始計(jì)時(shí)3 s，3 s后輸入信號(hào)T4，綠燈Y0停止閃爍，進(jìn)入狀態(tài)S26，黃燈Y1通電點(diǎn)亮，計(jì)時(shí)器T5 K20通電開始計(jì)時(shí)2 s，2 s后輸入信號(hào)T5，進(jìn)入狀態(tài)S27，東西向紅燈Y2通電點(diǎn)亮，計(jì)時(shí)器T6 K100開始計(jì)時(shí)10 s，10 s結(jié)束后輸入信號(hào)T6，南北向黃燈Y5和東西向紅燈Y2熄滅，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。在需要關(guān)閉系統(tǒng)的時(shí)候，按下停止按鈕X2，初始脈沖常開觸電M8002得電，發(fā)出一個(gè)初始信號(hào)脈沖，各個(gè)方向的交通信號(hào)燈熄滅，如果需要進(jìn)入緊急情況狀態(tài)，按下自鎖型的手動(dòng)開關(guān)X1，區(qū)間復(fù)位指令通電使?fàn)顟B(tài)S20和S27復(fù)位，同時(shí)時(shí)間繼電器M8013通電，產(chǎn)生周期為1的信號(hào)傳輸給南北方向和東西方向的黃燈Y5和Y1，開始進(jìn)行周期性閃爍。

交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)南北向和東西向同時(shí)運(yùn)行，大大減小了系統(tǒng)的故障率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)和緊急狀態(tài)，可以靈活使用。

3 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)采用PLC控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)和緊急狀態(tài)兩種模式的自動(dòng)控制，方便快捷，且PLC控制程序修改方便、易于擴(kuò)充，控制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、可靠性高，保證了交通管理體系的工作效率，可以用于城市道路交通的現(xiàn)場(chǎng)。