基于組態(tài)王與PLC的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王良成 李 碩

(三亞學(xué)院，海南 三亞 572000)

1 引言

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的，是針對(duì)車流量較大，容易發(fā)生沖突的交通路口進(jìn)行有效便捷地疏散、分配有效的通行權(quán)，保證車輛的正常行駛以及行人的安全，提高道路的利用率以及道路的容量。該設(shè)計(jì)給出了一種具有方向信號(hào)、顯示醒目的的交通控制燈系統(tǒng)，即紅綠燈控制系統(tǒng)。以及表示行人的可通行和不可通行(用箭頭表示)、車輛的前進(jìn)方向等帶有箭頭或符號(hào)的信號(hào)燈。該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：監(jiān)控中心設(shè)置上位機(jī)，安裝組態(tài)王監(jiān)控程序，用于實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)交通燈的工作情況。十字路口設(shè)置下位機(jī)，即現(xiàn)場(chǎng)PLC，用于現(xiàn)場(chǎng)紅綠燈的工作狀態(tài)控制?，F(xiàn)場(chǎng)紅綠燈為被控對(duì)象，上位機(jī)與下位機(jī)的通信采用RS242總線[1]。十字路口平面圖如圖1所示。

圖1 十字路口平面圖

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

日本三菱公司系列PLC是在美國(guó)公司產(chǎn)品基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其控制性能優(yōu)越，尤其是在中小型機(jī)上優(yōu)勢(shì)明顯?；谖覈?guó)的基本情況，它是較早進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的產(chǎn)品。本項(xiàng)目所采用的FX3U系列PLC是在FX2N基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的小型機(jī)，其控制功能穩(wěn)定，性能良好，得到了中小企業(yè)的廣泛認(rèn)可。每個(gè)PLC廠家都有其PLC的編程軟件，三菱的編程軟件GX Developer用于三菱PLC的編程，它可以編寫程序，對(duì)程序注釋，調(diào)試和設(shè)置PLC參數(shù)，它針對(duì)全系列的三菱PLC寫入程序簡(jiǎn)單，更能在線監(jiān)視。

2.1 需求分析

系統(tǒng)功能主要分為兩大功能：紅綠燈控制和潮汐車道控制，當(dāng)潮汐車道不參與道路通行控制時(shí)為直行狀態(tài)，當(dāng)左轉(zhuǎn)車流較大時(shí)可通過(guò)人工或者流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)潮汐控制。即，按下啟動(dòng)按鈕后，潮汐車道紅綠燈與直行紅綠燈同步控制，實(shí)現(xiàn)直行控制，否則與左轉(zhuǎn)車道紅綠燈控制相同，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)控制，各向右轉(zhuǎn)均為黃燈且亮。南北方的直走車道維持24秒后接著再以1秒閃一下的方式閃爍3次，然后直走車道黃點(diǎn)亮并維持3秒后變紅，東西方的斑馬線道與直走道同時(shí)綠且維持24秒后接著再以1秒閃一下的方式閃爍3次后變?yōu)榧t。30s后，南北左轉(zhuǎn)亮24s，24s后綠燈以1秒一次閃3次，然后黃燈亮3秒隨后變紅燈，人行道其余各路口所有燈為紅燈，隨后東西方的直走車道維持24秒后接著閃爍3次，然后直走道黃燈亮并維持3秒后變紅，東西向的斑馬線道與直走道同時(shí)綠燈亮且維持24秒后接著閃爍3次后變?yōu)榧t，維持95s。人行道22s后綠燈以1秒一次閃3s，后變?yōu)榧t燈，持續(xù)95s。依次循環(huán)下去。

2.2 PLC接線圖

X0、X1為啟動(dòng)和停止按鈕，選用能自復(fù)位的按鈕開關(guān)，X2到X6為控制東南西北四個(gè)方向的潮汐車道的輸入，使用按鍵開關(guān)，按一下后松手不復(fù)位，類似萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開關(guān)，但不同的是它只控制通和斷，即輸入1和0，1是潮汐車道為直行，0時(shí)潮汐車道為左轉(zhuǎn)。

由于相對(duì)車道間交通信號(hào)燈機(jī)制是一樣的，如南北兩邊，從南向北行駛，和從北向南行駛的信號(hào)燈是一致的，因此Y0到Y(jié)7、Y10到Y(jié)17對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈控制模式相同。而Y20輸出的是右轉(zhuǎn)車道燈，本設(shè)計(jì)的交叉路口都有專用的右車道，因此右轉(zhuǎn)道上的輸出則是每個(gè)方向的一個(gè)信號(hào)燈共需要并聯(lián)4個(gè)。Y20到Y(jié)27和Y30用于潮汐車道的控制，每個(gè)方向需要兩個(gè)信號(hào)燈，一共8個(gè)，4個(gè)為直行剩下的則為左轉(zhuǎn)，所以每個(gè)輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)單一的輸出信號(hào)。

輸入前端的COM為輸入公共端，用于連接各種開關(guān)、按鈕等用戶輸入設(shè)備，而輸出部分的輸出公共端則是接輸出設(shè)備的，根據(jù)輸出端來(lái)放置需要的負(fù)載電源，設(shè)計(jì)中的交通燈所需電源為220V交流電，PLC接線圖如圖2所示。

圖2 PLC接線圖

2.3 時(shí)序圖

由于交通燈的相應(yīng)變化與時(shí)間有關(guān)，在程序啟動(dòng)后，繪制出PLC輸出的各個(gè)口對(duì)應(yīng)的交通燈隨時(shí)間變化的輸出狀態(tài)圖，高電平即為有輸出，該端口指示燈及信號(hào)燈亮，反之低電平時(shí)，則該端口的信號(hào)燈滅。路口信號(hào)的控制時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 控制時(shí)序圖

3 組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件更加形象具體的稱呼應(yīng)該為人機(jī)界面HMI英文（全稱為Human Machine Interface）/監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集SCADA（英文全稱為Supervisory Control And Data Acquisition）的軟件，組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能特點(diǎn)是實(shí)時(shí)多任務(wù)，即能隨時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，使系統(tǒng)的應(yīng)用更加靈活。組態(tài)軟件能解決人機(jī)圖形界面和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制問(wèn)題，隨著計(jì)算機(jī)科技的不斷發(fā)展，用戶需求的增加，相應(yīng)的軟件功能也在增加，組態(tài)軟件也不例外，其提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)控制、SCADA、通信聯(lián)網(wǎng)、更加開放的數(shù)據(jù)接口等功能[2]。對(duì)不同I/O設(shè)備的廣泛支持和使用成為了現(xiàn)階段組態(tài)軟件的主要功能，隨著科技的不斷發(fā)展，相信組態(tài)軟件也能一步一步賦予新的內(nèi)涵。

“組態(tài)王”軟件是目前國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、市場(chǎng)占有率較高的組態(tài)軟件，可在Windows平臺(tái)上使用[3]。其使用范圍涵蓋了化工、制藥、冶金等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，以其直觀、實(shí)用、可操作強(qiáng)等特點(diǎn)而得到廣泛使用，是現(xiàn)代工業(yè)控制必不可少的工具。該軟件功能強(qiáng)大，涉及面較廣，軟件主要包含工程瀏覽器、工程管理器、畫面開發(fā)和運(yùn)行四個(gè)部分。工程管理器是用于項(xiàng)目開發(fā)，創(chuàng)建新的工程，包括工程名稱、工程信息、加密等等功能。工程瀏覽器可用于調(diào)試工程、配置項(xiàng)目的相關(guān)信息。畫面開發(fā)給用戶提供了一個(gè)開發(fā)和運(yùn)營(yíng)的圖像畫面工程管理窗口，將能夠看到的項(xiàng)目開發(fā)和畫面操作與生產(chǎn)系統(tǒng)和工程系統(tǒng)調(diào)用相聯(lián)系。其操作流程大致可以分為四個(gè)部分：首先是設(shè)計(jì)圖形界面，即通過(guò)其畫圖工具畫出你想要的圖形設(shè)計(jì)；接著為你的圖形創(chuàng)建需要的變量方式，也就是數(shù)組變量和命令語(yǔ)言，使用變量連接下位機(jī)程序端口；隨后就是建立和連接圖形動(dòng)畫與程序；最后是正常的運(yùn)行和調(diào)試。

3.1 組態(tài)王動(dòng)畫設(shè)計(jì)

通過(guò)組態(tài)王自帶的畫圖以及圖庫(kù)工具，按照十字路口狀況畫出簡(jiǎn)易的交通路口情況。要求：畫出各個(gè)路口的車道線以及黃線，標(biāo)明每個(gè)車道的指向（直行或者左轉(zhuǎn)以及潮汐道），直行也可左轉(zhuǎn)，還有相應(yīng)的人行道斑馬線，以及各個(gè)黃色禁止線。各個(gè)路口3個(gè)燈，右側(cè)由直行紅燈綠燈黃燈及黑燈疊加，中間的為潮汐車道燈，由直行紅燈綠燈黃燈和左轉(zhuǎn)紅燈綠燈黃燈以及黑燈疊加而成，左側(cè)由左轉(zhuǎn)紅燈綠燈黃燈以及黑燈疊加而成，右轉(zhuǎn)燈為各個(gè)路口一個(gè)由黃燈與黑燈疊加，人行燈由紅燈綠燈黑燈三個(gè)燈疊加而成，每個(gè)黑燈都應(yīng)為圖像的疊加層最下層。加入兩個(gè)按鈕將文本改為啟動(dòng)與停止。增加4個(gè)開關(guān)，分別表示潮汐車道的4個(gè)方向控制，動(dòng)畫設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

圖4 組態(tài)王動(dòng)畫

3.2 各變量的創(chuàng)建

在工程瀏覽點(diǎn)擊左邊的數(shù)據(jù)詞典，新建系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)變量，當(dāng)選擇I/O的類型時(shí)，下方可以選擇所連接的設(shè)備端口、類型以及讀寫的操作。在交通燈系統(tǒng)的控制中均為離散型變量，故選擇的是I/O離散型變量，它連接的設(shè)備則是硬件三菱的PLC，對(duì)應(yīng)的寄存器則是在GX Developer軟件中的程序輸出端口，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)型，讀寫屬性為讀寫，即既可讀取也可寫入，具體需求根據(jù)程序選擇。

3.3 命令語(yǔ)言的連接

在右側(cè)的事件命令語(yǔ)言中設(shè)置新建的命令，用作程序語(yǔ)言的相互連接，各類動(dòng)畫的開始結(jié)束，以及相應(yīng)的水平連接。小車在左轉(zhuǎn)車道的控制：左轉(zhuǎn)的第一步應(yīng)該在“事件描述”中選擇“東西左轉(zhuǎn)1”的變量，當(dāng)它等于1的時(shí)候即直行，發(fā)生時(shí)即為“東西方向左轉(zhuǎn)=1”成立，則相應(yīng)地在寫入程序時(shí)同時(shí)發(fā)生，即顯示=1，并且在顯示的同時(shí)讓小車開始移動(dòng)。存在時(shí)則是在事件描述中的條件表達(dá)式成立時(shí)，在表達(dá)式成立的時(shí)間內(nèi)，在語(yǔ)言框中寫入想要直行的動(dòng)作的條件，并且執(zhí)行的周期可以自由設(shè)置，初始為3000毫秒。消失時(shí)則是當(dāng)條件表達(dá)式不成立的瞬間，動(dòng)作停止。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目針對(duì)十字路口的交通控制需求設(shè)計(jì)了一款基于組態(tài)王與PLC的交通燈控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有潮汐車道控制功能。通過(guò)三菱PLC與組態(tài)王的聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)十字路口的車輛與人行的控制，使用組態(tài)王軟件可以提供監(jiān)控畫面，從而可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。最終實(shí)現(xiàn)了東、西、南、北四個(gè)方向帶有潮汐車道控制的十字路口的交通燈，潮汐車道在選擇直行或左轉(zhuǎn)后，其變化與相同道的直行或左轉(zhuǎn)相同，潮汐車道功能正常。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙鵬，荊紅莉．基于P L C的交通燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2016(3)：105-107．

[2]張?zhí)旌辏娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)C A T組態(tài)軟件技術(shù)研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，2009．