基于PLC和觸摸屏的多車道交通燈實(shí)訓(xùn)裝置研發(fā)

賀小艷

摘 要：目前實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的交通燈控制模型是采用LED發(fā)光二極管模擬實(shí)際的系統(tǒng)，真實(shí)感差，且只能實(shí)現(xiàn)單車道控制，與實(shí)際系統(tǒng)相差較遠(yuǎn)。文章研究出雙向六車道交通燈控制實(shí)訓(xùn)裝置。系統(tǒng)以PLC為控制核心，紅綠燈和數(shù)碼管為主要控制對(duì)象，觸摸屏為上位機(jī)。通過一年的實(shí)際教學(xué)應(yīng)用，獲得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)訓(xùn)裝置；多車道交通燈；PLC；觸摸屏；實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）06-0004-03

Abstract： At present， the existing traffic light control model of the training room is a system which uses LED to simulate the reality， has poor sense of reality， and can only realize single-lane control， which is far from the actual system. In this paper， a two-way six-lane traffic light control training device is developed. The system takes PLC as the control core， traffic light and digital tube as the main control object， and the touch screen as the host computer. Through one year's practical teaching and application， good teaching effect has been obtained.

Keywords： practical training device； multi-lane traffic light； PLC； touch screen； practical training project

1 意義

實(shí)訓(xùn)是職業(yè)教育的重要內(nèi)涵[1]。實(shí)訓(xùn)室建設(shè)是衡量職業(yè)院校發(fā)展水平的一個(gè)重要指標(biāo)，因此各所院校都非常重視實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)[2]。但實(shí)際上有的實(shí)訓(xùn)室面臨著實(shí)訓(xùn)設(shè)備陳舊，跟不上發(fā)展的需要（工科類尤其明顯），功能簡(jiǎn)單、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目單一，可操作性不強(qiáng)等問題，缺乏完善性和系統(tǒng)性[3]。所以對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行二次開發(fā)是有必要的。在實(shí)訓(xùn)設(shè)備原有的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和設(shè)備特點(diǎn)，從深度和廣度去拓展設(shè)備的功能，開發(fā)實(shí)訓(xùn)、生產(chǎn)和科研項(xiàng)目，使設(shè)備的潛能得以發(fā)揮和充分利用，以提高教學(xué)效率[4]。

2 相關(guān)實(shí)訓(xùn)設(shè)備現(xiàn)狀

交通燈控制系統(tǒng)是PLC控制在交通運(yùn)輸管理的一個(gè)最為重要的工作任務(wù)，也是一個(gè)典型的時(shí)序控制系統(tǒng)，因此交通燈控制是PLC課程教學(xué)中不可替代的一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。我國(guó)針對(duì)PLC課程開發(fā)出實(shí)訓(xùn)設(shè)備的生產(chǎn)廠家有很多，但這些實(shí)訓(xùn)設(shè)備都是采用LED發(fā)光二極管模擬實(shí)際的系統(tǒng)[5]，完全依據(jù)真實(shí)交通燈控制系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)訓(xùn)裝置目前市場(chǎng)是沒有的。

圖1是我們實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的交通燈控制模型，是采用LED發(fā)光二極管模擬實(shí)際的系統(tǒng)，也是目前天煌、三向等知名實(shí)訓(xùn)設(shè)備制造商采用的交通燈控制模型[6]。這種交通燈控制實(shí)現(xiàn)單車道的控制模式，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的、基本的功能，與現(xiàn)代城市多車道道路的實(shí)際不符。并且學(xué)生只能在實(shí)訓(xùn)臺(tái)上調(diào)試程序，通過觀察LED的輪流亮滅來(lái)判斷控制的正確與否，但由于LED燈多，四個(gè)方向共有12只，學(xué)生很難反應(yīng)過來(lái)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

交通燈控制由于貼近生活，易于實(shí)現(xiàn)，適合PLC初學(xué)者入門和提高是PLC課程教學(xué)中非常重要的一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是解決實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有交通燈控制模型真實(shí)感差的問題。如果重新配置一套PLC控制實(shí)訓(xùn)裝置則成本太高，并且不能完全符合我們的實(shí)際需求，因此本項(xiàng)目研制多車道交通燈控制實(shí)訓(xùn)裝置。該裝置配套我們實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有設(shè)備，要求能設(shè)計(jì)出多個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，完全滿足我們教學(xué)的實(shí)際需求，既豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的技能水平，又降低了教學(xué)成本。另外，由于裝置所涉及的產(chǎn)品和技術(shù)均代表了國(guó)內(nèi)行業(yè)的先進(jìn)水平，除了培育學(xué)生的創(chuàng)新能力外，非常適合于相關(guān)專業(yè)的教師和科研人員開展課題研究的仿真實(shí)驗(yàn)。

通過分析PLC的課程標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)我校學(xué)生的實(shí)際情況，要求設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)裝置配合實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的設(shè)備能完成9個(gè)相關(guān)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，如表1所示，這9個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目按照從易到難的順序安排，循序漸進(jìn)地提高學(xué)生的PLC編程能力。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)硬件以紅綠燈和數(shù)碼管為主要控制對(duì)象，觸摸屏為上位機(jī)，PLC為主要控制核心。要求系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)一些常規(guī)的控制功能，如十字路口東西方向和南北方向黃綠紅指示燈的循環(huán)啟動(dòng)；調(diào)整黃綠紅指示燈的亮暗時(shí)間；緊急情況下的優(yōu)先通過功能等。還要求系統(tǒng)能通過設(shè)計(jì)觸摸屏組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示和控制；并將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙向六車道四種控制模式，使之更貼近實(shí)際交通燈控制系統(tǒng)。多車道交通燈控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，操作者在顯示端觸摸屏上發(fā)出命令，PLC接收到命令后，運(yùn)行控制程序，發(fā)出控制命令給信號(hào)燈和顯示裝置，以按命令工作。系統(tǒng)硬件還設(shè)置有各種模式的手動(dòng)開關(guān)，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制的要求。

（2）硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，實(shí)訓(xùn)裝置需要設(shè)置的元器件有模式選擇開關(guān)3個(gè)、東西和南北方向紅綠黃指示燈24個(gè)、東西和南北方向車輛檢測(cè)傳感器4個(gè)、4個(gè)方向的聲音傳感器4個(gè)、用于顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間的數(shù)碼管東西和南北方向各1個(gè)、共4個(gè)。其中，為簡(jiǎn)化硬件，用聲控開關(guān)代替聲音傳感器，光電開關(guān)要求能檢測(cè)0.35m以內(nèi)的車輛。

PLC的選擇。首先考慮實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的PLC能否夠用，根據(jù)控制要求統(tǒng)計(jì)輸入輸出點(diǎn)如表2所示。

根據(jù)表2所示，系統(tǒng)總共需要12個(gè)輸入點(diǎn)和40個(gè)輸出點(diǎn)。實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的PLC是三菱FX3U-48M，再購(gòu)置輸出擴(kuò)展模塊，控制點(diǎn)數(shù)夠用，不需另外購(gòu)置PLC，節(jié)約了成本。

觸摸屏的選擇。觸摸屏又稱“人機(jī)界面”，是一種新型的終端顯示和操作器[7]，利用組態(tài)軟件編輯和顯示各種按鈕，取代機(jī)械按鈕，達(dá)到遠(yuǎn)程控制目的，常組合PLC使用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)行過程的可視化，對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控。本裝置中選用GX-1275觸摸屏，GX-1275觸摸屏有10.4寸彩色液晶顯示屏，支持觸摸屏輸入，支持多種通訊方式，具有良好的人機(jī)界面，便于編程等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[8]，同時(shí)資料多，學(xué)生入門容易。

整個(gè)裝置以金屬板為底板，其上按照真實(shí)道路繪制雙向六車道和人行橫道，如圖3所示。

實(shí)訓(xùn)裝置適合大專、本科學(xué)生學(xué)習(xí)PLC和觸摸屏技術(shù)。根據(jù)學(xué)習(xí)是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的規(guī)律，程序的控制由易到繁，要求實(shí)訓(xùn)裝置能根據(jù)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容搭建合適的控制系統(tǒng)，因此實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)各部分都可拆卸，給學(xué)生提供開放結(jié)構(gòu)，用于鍛煉學(xué)生的接線和編程能力。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分[9]。PLC控制程序主要完成多車道交通燈的控制、顯示功能。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要通過GX-1275觸摸屏配套的組態(tài)軟件編輯操作界面來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，。本裝置的軟件部分也可以作為實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的內(nèi)容由學(xué)生來(lái)設(shè)計(jì)完成。

PLC控制分為三種工作模式：白天工作模式、夜間工作模式和緊急工作模式。由PLC先判斷當(dāng)前時(shí)間是白天還是夜晚，再自動(dòng)進(jìn)入各自的工作模式運(yùn)行。當(dāng)有緊急車輛通過時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入緊急工作模式，同時(shí)開始倒計(jì)時(shí)20s，計(jì)時(shí)結(jié)束系統(tǒng)恢復(fù)到原先的工作模式繼續(xù)工作。點(diǎn)擊界面上的工作模式，再點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，對(duì)交通燈進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的處理。工作模式由系統(tǒng)根據(jù)PLC的系統(tǒng)時(shí)間自動(dòng)判斷，也可以通過工作模式選擇按鈕或觸摸屏的選擇界面來(lái)修改。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究開發(fā)了一種基于PLC和觸摸屏的多車道交通燈實(shí)訓(xùn)裝置，提供開放結(jié)構(gòu)，方便學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，以鍛煉學(xué)生的接線和編程能力。如果將裝置中的車輛檢測(cè)傳感器用紅外攝像頭或地感線圈代替，則該裝置完全可以應(yīng)用于現(xiàn)有的交通燈控制，實(shí)用性非常強(qiáng)。

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