基于PLC顺序控制设计法的交通信号灯控制程序设计

0引言

十字路口交通信号灯与日常出行息息相关,它起到规范交通参与者行为的重要作用,因此,对十字路口交通信号灯的合理控制,能有效减少交通事故的发生,也能缓解城市的交通拥堵压力。本文利用PLC所具有的通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、编程简单的特点^[1],根据顺序控制设计法的步骤设计出一套控制十字路口交通信号灯的PLC梯形图程序。实践证明,对比经验设计法的不足^[2],顺序控制设计法能显著提高PLC梯形图程序的设计效率,基于顺序控制设计法设计出的交通信号灯的PLC控制程序在程序调试、参数修改以及程序阅读方面十分简便。

1十字路口交通信号灯的控制要求

在自动控制模式下,南北向红灯亮20 s,东西向绿灯亮10 s,到10 s时,东西向绿灯闪亮,闪亮8 s后熄灭,接着东西向黄灯亮2s,到2s时,东西向黄灯熄灭,东西向红灯亮起的同时,南北向红灯熄灭,南北向绿灯点亮,绿灯亮10 s后再闪亮8 s熄灭,接着,南北向黄灯点亮2 s,到2 s时,南北向黄灯熄灭,南北向红灯点亮,东西向绿灯点亮,此后按照开头的时间先后顺序循环控制。按下停止键,东西向、南北向的信号灯全部熄灭。在手动控制模式下,东西向、南北向的黄灯同时闪烁。十字路口交通信号灯的控制可用时序图表示,如图1所示。

2十字路口交通信号灯控制的PLC程序设计

2.1十字路口交通信号灯控制的顺序功能图

根据上述十字路口交通信号灯的控制时序图,可以绘制顺序功能图来描述交通信号灯的控制过程,绘制顺序功能图是顺序控制设计PLC程序的第一步,如图2所示。顺序功能图包含M4.0、M4.1、M4.2、M4.3、M5.0、M4.4、M4.5、M4.6、M4.7、M5.1、M6.0这11步,其中M4.0是初始步。步M4.1对应的动作是M200.0(东西向绿灯常亮)、步M4.2对应的动作是M200.0(东西向绿灯闪烁)、步M4.3对应的动作是M200.1 (东西向黄灯常亮)、步M4.4对应的动作是M200.2(南北向红灯常亮)、步M4.5对应的动作是M200.3 (南北向绿灯常亮)、步M4.6对应的动作是M200.3 (南北向绿灯闪烁)、步M4.7对应的动作是M200.4(南北向黄灯常亮)。“IEC_Timer_0_DB”.Q、“IEC_Timer0_DB_1”.Q、“IEC_Timer0_DB_2”.Q、“IEC_Timer0_DB_3”.Q、“IEC_Timer0_DB_4”.Q、“IEC_Timer0_DB_5".Q是步间的转换条件。

2.2 PLC程序

本文使用西门子S7—12001214CDC/DC/DC型 PLC,采用TIA STEP7 V13编程软件设计梯形图程序,根据顺序功能图,设计的PLC梯形图程序如图3所示。为了实现信号灯的闪烁,程序使用了PLC的“启用时钟存储器字节"的功能,并选用M0.7^[3]。

PLC每次通电运行,在OB1程序块中使用“仅在首次扫描时状态为1"的M1.0^[3]来使初始步M4.0置位,如图3 (a)所示。在HMI上按下“自动"按钮,M200.6的常开触点闭合,十字路口信号灯进入自动控制模式,M4.1、M4.4同时置位,初始步M4.0复位,对应的东西向绿灯常亮、南北向红灯常亮,如图3(b)所示。M4.1的常开触点闭合,定时器开始定时,10 s定时时间到,“IEC_Timer0_DB".Q的常开触点闭合,M4.2置位、M4.1复位,这时东西向绿灯开始闪烁,如图3(C)所示。M4.2置位,M4.2的常开触点闭合,定时器开始定时,到3s时,“IEC_Timer0_DB_1".Q的常开触点闭合,M4.3置位、M4.2复位,对应的东西向黄灯常亮、东西向绿灯停止闪烁并且熄灭,如图3(d)所示。M4.3置位,M4.3的常开触点闭合,定时器开始定时,到2s时,“IEC_Timer0_DB_2".Q的常开触点闭合,M4.3复位、M5.0置位,对应的东西向黄灯熄灭,如图3(e)所示。这时,M5.0和M4.4的常开触点都已经闭合,M6.0置位、M4.5置位、M4.4复位、M5.0复位,对应的东西向红灯常亮、南北向绿灯常亮、南北向红灯熄灭,如图3(f)所示。M4.5置位,M4.5的常开触点闭合,定时器开始定时,10s定时时间到,“IEC_Timer0_DB_3”.Q的常开触点闭合,M4.6置位、M4.5复位,对应的南北向绿灯开始闪烁,如图3(g)所示。M4.6置位,M4.6的常开触点闭合,定时器开始定时,8 s定时时间到,“IEC_Timer0_DB_4”.Q的常开触点闭合,M4.7置位、M4.6复位,对应的南北向黄灯常亮、南北向绿灯停止闪烁并且熄灭,如图3(h)所示。M4.7置位,M4.7的常开触点闭合,定时器开始定时,2 s定时时间到,“IEC_Timer0_DB_5”.Q的常开触点闭合,M5.1置位、M4.7复位,对应的南北向黄灯熄灭,如图3(i)所示。这时,M5.1、M6.0的常开触点全部闭合,M4.1置位、M4.4置位、M5.1复位、M6.0复位,对应的东西向绿灯常亮、南北向红灯常亮、东西向红灯熄灭,如图3(j)所示,自动控制程序进入下一个循环。

在HMI上常按“手动”按钮,M200.7的常开触点闭合,十字路口交通信号灯进入手动控制模式,东西向黄灯、南北向黄灯同时开始闪烁,如图3(k)、图3(l)所示。在HMI上按下“停止”按钮,M7.0的常开触点闭合,M4.1复位、M4.2复位、M4.3复位、M4.4复位、M4.5复位、M4.6复位、M4.7复位、M6.0复位、M4.0置位,这时路口东西向、南北向的红黄绿信号灯全部熄灭,程序回到初始步M4.0,如图3(m)、图3(n)所示。后期可根据十字路口的交通路况,在程序中修改相应信号灯的常亮、闪烁时间。整个PLC程序的I/O信号如表1所示。

2.3 触摸屏HMI远程监控界面

为了实现对十字路口交通信号灯运行的远程监控,本文在西门子KTP400 BasicPN型HMI触摸屏上组态了十字路口交通信号灯的监控界面,如图4所示。界面左侧包含三个按键,分别是“自动”“手动”“停止”;界面右侧组态出东西向、南北向的红黄绿灯。界面上“自动”“手动”“停止”三个按钮分别与表1的PLC变量M200.6、M200.7、M7.0关联。界面上东西向红黄绿灯分别与变量M200.5、M200.1、M200.0关联;界面上南北向红黄绿灯分别与变量M200.2、M200.4、M200.3关联。按下“自动”按钮,界面上的东西向、南北向的红绿灯按照图1所示的时序图交替变化;常按“手动”按钮,界面上的东西向、南北向的黄灯以0.5Hz的频率闪烁;按下“停止”按键,界面上的东西向、南北向的红黄绿灯全部熄灭。

3 结论

本文设计的PLC梯形图程序满足十字路口交通信号灯的控制要求,并且可以根据十字路口的交通路况在PLC程序中调整修改东西向绿灯、黄灯的点亮时间,南北向红灯的点亮时间自动伴随着东西向绿灯、黄灯的点亮时间的长短变化而变化,反之亦然。采用顺序控制设计法来设计十字路口交通信号灯的PLC控制程序可读性强。本文通过设计控制十字路口交通信号灯的PLC梯形图程序,完整呈现了顺序控制设计法的设计过程,可为大专院校自动化专业、机电一体化方向的学生在学习相关课程时提供参考。

[参考文献]

[1]刘华波,马艳,何文雪,等.西门子S7—1200PLC 编程与应用[M].2版.北京:机械工业出版社,2020.

[2] 陈芳芳.基于S7—1200 PLC的交通灯控制设计方法研究[J].电气技术,2019,20(2):89—91.

[3] 廖常初.S7—1200 PLC编程及应用[M].3版.北京:机械工业出版社,2017.

2024年第14期第9篇