十字路口交通燈PLC控制程序設(shè)計與分析

王 權(quán)，周凱凱，楊 晨

0 引言

隨著城市化的進(jìn)程，道路車輛越來越多，交通燈起到了十分重要的安全控制作用[1-2]。十字路口交通燈是對十字路口上縱橫兩條路上的交通進(jìn)行控制的一種交通信號燈，它是一種典型的利用時間原則進(jìn)行控制的系統(tǒng)。PLC作為一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，能夠很好地完成時間順序控制，并且控制簡單、可靠性高[3-4]。三菱PLC編程方法簡單，受到很多編程者的喜愛。

1 控制要求

十字路口交通燈有紅燈、黃燈、綠燈三種，分別控制相應(yīng)車道的停止、等待與順利通行，并且在東西和南北方向分別設(shè)有兩組信號燈。運(yùn)行過程中，東西方向與南北方向的信號燈各自按照相應(yīng)的規(guī)律被點(diǎn)亮與熄滅，同時它們又相互聯(lián)系，當(dāng)某一組的信號燈為綠燈或黃燈時，另一組點(diǎn)亮綠燈或黃燈。交通燈的運(yùn)行情況是：南北方向紅燈亮30秒、綠燈亮25秒、綠燈以1Hz閃爍三次、黃燈亮2秒，同時東西方向綠燈亮25秒、綠燈以1Hz閃爍三次、黃燈亮2秒、紅燈亮30秒，并循環(huán)。

系統(tǒng)中有一個啟動信號，控制六個信號燈。系統(tǒng)的輸入、輸出（I/O）地址分配情況為，啟動信號為X0，東西方向綠燈、黃燈、紅燈分別為Y0、Y1、Y2，南北方向綠燈、黃燈、紅燈分別為Y3、Y4、Y5。

2 程序?qū)崿F(xiàn)

PLC是種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段[5-6]。輸入采樣階段用來感應(yīng)外部控制信號的狀態(tài)變化，將變化后的信號存儲于輸入數(shù)據(jù)暫存區(qū)。程序執(zhí)行階段根據(jù)輸入處理階段讀入的數(shù)據(jù)執(zhí)行程序，執(zhí)行的結(jié)果存儲在輸出狀態(tài)暫存區(qū)。輸出刷新階段實現(xiàn)輸出信號的信號變化。PLC采用梯形圖編程，編程方法簡單，按照使用的指令不同，三菱PLC編程可分為基本指令編程、步進(jìn)指令狀態(tài)編程和應(yīng)用指令編程三種。

2.1 基本指令編程實現(xiàn)

三菱PLC基本指令編程的基本思想是采用啟動、停止與保持這三種邏輯控制輸出繼電器Y的接通與斷開。分析十字路口交通燈的控制特點(diǎn)，程序中要控制六個輸出繼電器Y0～Y5。分別找出這六個輸出繼電器的啟停信號即可實現(xiàn)程序的控制。同時該系統(tǒng)是一個典型的時間控制原則，啟停信號都用定時器來控制。東西方向的三個交通燈在一分鐘內(nèi)完成一個周期循環(huán)，南北方向的三個交通燈也在一分鐘內(nèi)完成一個周期循環(huán)，八個定時器的定時時間與功能見表1。

表1 定時器功能表

表1分別列出了八個定時器的功能情況，在程序設(shè)計中要保持東西與南北方向的燈按照嚴(yán)格的順序點(diǎn)亮與熄滅，X0是T0和T10的啟動信號，同時借助一個輔助繼電器M0實現(xiàn)動作保持功能。為了試下交通燈的循環(huán)工作，可取T3與T13的下降沿信號作分別作為T0與T10的啟動信號，實現(xiàn)程序的循環(huán)工作。

2.2 步進(jìn)指令狀態(tài)編程

三菱PLC的狀態(tài)編程方法是采用PLC的狀態(tài)軟元件S實現(xiàn)程序的順序控制。其編程思想是把整個系統(tǒng)分成若干步進(jìn)行控制，每一步由一個狀態(tài)軟元件控制，相鄰兩步通過轉(zhuǎn)移條件相連接，完成順序控制要求[7]。步進(jìn)指令狀態(tài)編程又分為單流程、并行分支與選擇分支三種。單流程針對控制對象為嚴(yán)格的順序流程的控制系統(tǒng)，并行分支針對控制程序中出現(xiàn)兩條或多條并行工作線路的控制系統(tǒng)，選擇分支針對控制程序中出現(xiàn)兩條或多條工作線路的控制系統(tǒng)?？芍致房诮煌魧儆诓⑿蟹种到y(tǒng)，需要9個狀態(tài)軟元件，見表2。

表2 狀態(tài)軟元件功能表

其中T3是S24到S20的跳轉(zhuǎn)條件。其中T13是S34到S30的跳轉(zhuǎn)條件。S0為初始狀態(tài)，是狀態(tài)編程中不可缺少的，狀態(tài)編程的結(jié)束指令為RET。

2.3 應(yīng)用指令移位編程

三菱PLC的移位指令（SFT）也可以實現(xiàn)2.2中的順序控制[8]，且不需要有初始狀態(tài)。針對十字路口交通燈的控制特點(diǎn)，可以采用兩個位左移（SFTL）指令，一個（SFTL M0 M10 K4 K1）控制南北方向，一個（SFTL M0 M20 K4 K1）控制東西方向。M10～M13功能同2.2中S20～S23，M20～M23功能同2.2中S30～S33，指令的啟動信號為X0，每次移位的控制信號為表2中相應(yīng)的定時器的下降沿信號。

3 系統(tǒng)分析

在實際當(dāng)中，由于交通的流通情況會隨著時間或季節(jié)等的外界條件變化而變化，這時候要人為更改程序中定時器的定時時間就顯得過于麻煩，為了解決這種情況，可以把以上各個定時器的時間設(shè)定值K用數(shù)據(jù)寄存器D來表示，D的數(shù)值改變可以改變系統(tǒng)交通燈的點(diǎn)亮?xí)r間，進(jìn)而更加智能地調(diào)節(jié)交通，緩解交通擁堵情況擁堵。

增加PLC的輸入點(diǎn)，把感應(yīng)交通擁堵情況的傳感器加入PLC的輸入信號，以此改變程序中數(shù)據(jù)寄存器D的數(shù)值，從而把控制系統(tǒng)與被控對象的實時情況聯(lián)系起來，形成閉環(huán)控制，使控制系統(tǒng)更加人性化、智能化。

4 總結(jié)

根據(jù)十字路口交通燈的控制要求，提出了三種控制程序的編寫方法，都能滿足控制要求，且各有特點(diǎn)。同時聯(lián)系實際，分析交通燈在不同交通情況下定時時間改變的方法，符合當(dāng)下十字路口交通燈的控制要求，有良好的實用價值。