基于三菱FX2N型PLC的十字路口交通燈控制系統(tǒng)設計

代忠紅，孫曉丹，張慶豐，寧平華

（馬鞍山職業(yè)技術學院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031）

隨著現(xiàn)代化交通工具的逐漸增加，城鎮(zhèn)交通的壓力日趨明顯。特別是十字路口的交通問題迫切需要一個自動化的控制系統(tǒng)來解決。該文針對這種情況利用PLC設計了十字路口交通燈的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠按照交通流量對交通燈實施自動化控制，對于提高現(xiàn)代交通系統(tǒng)的流暢性具有非?，F(xiàn)實的意義和作用。該設計基于PLC的步進指令利用時序圖的設計方法來設計一個交通燈控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)要求概括如圖1所示。

圖1 十字路口交通燈示意圖

控制要求如下。

東西方向放行：當東西方向的放行（綠燈亮）5 s后，以1 Hz的頻率閃爍，閃爍時間為3 s（綠燈閃3 s），以提醒司機和行人注意。然后黃燈亮2 s。與此同時，南北方向的紅燈亮10 s。然后立即開始另一個方向的放行，即南北方向的放行：當南北方向放行（綠燈亮）5 s后，以1 Hz的頻率閃爍，閃爍時間為3 s（綠燈閃3 s），然后黃燈亮2 s。與此同時，東西方向紅燈亮10 s。同時要求：①如需運行自動循環(huán)，即系統(tǒng)交通信號燈按圖2所示要求進行運行，并自動進入循環(huán)工作。如需停止該系統(tǒng)信號燈熄滅時，則按停止按鈕即可。②如需手動運行工作時，要求所有黃燈都同時閃爍，周期為1 s，如圖2所示。

圖2 十字路口交通信號燈自動運行的動作要求

設計分析如下。

在該交通燈控制系統(tǒng)中，對系統(tǒng)要求分析可知：該系統(tǒng)的PLC輸出的信號狀態(tài)變化有一定規(guī)律，即按規(guī)定時間順序變化，因此，可考慮用時序圖的方法設計該控制程序。首先，畫出該系統(tǒng)各輸出信號的時序圖，其次，理清該系統(tǒng)各狀態(tài)轉換條件和轉換時間，最后，建立清晰的系統(tǒng)設計思路。在此基礎上，合理使用PLC內部相關資源（如定時器），從而達到系統(tǒng)控制的目的。該系統(tǒng)是典型的并行性流程的控制，為使編程簡潔，可采用步進指令進行編程。在篩選PLC時，可綜合考慮其功能、性價比和兼容性等方面來選擇。

1 PLC控制系統(tǒng)的硬件設計

1.1 PLC選型

目前，市場上PLC種類很多，應用較廣的是三菱和西門子系列?？紤]到三菱FX系列是目前國內使用最多的PLC產品，特別是近幾年推出的FX2N系列PLC，具有應用范圍廣、性價比高和功能強等優(yōu)點。結合本設計要求及綜合各方面因素考慮，所以該設計選用性價比較高的FX2N系列PLC。

PLC的技術性能指標包括技術指標和一般指標2種。其中，技術指標又可分為具體的性能規(guī)格和一般的性能規(guī)格；而一般指標主要是指PLC的功能和結構等情況，是用戶在選用PLC時需要首先了解的指標。FX系列PLC的基本性能指標、輸入技術指標及輸出技術指標見表1。

表1 FX系列PLC的基本性能指標

FX2N的PLC是當今三菱FX系列中速度較快、功能較強的微型PLC，該PLC主要有25個基本單元。其基本指令執(zhí)行時間每條指令可高達0.08 pus，內置的用戶存儲器可由8 kB擴展到16 kB，最大可擴展到256個I/O點。由多種特殊功能擴展板或功能模塊組成，該PLC的每個基本單元可擴展8個特殊的單元，同時可實現(xiàn)多軸定位的控制；該PLC機內裝有實時時鐘，其中的PID指令可實現(xiàn)模擬量的閉環(huán)控制。而且該PLC還有功能很強的數(shù)學指令集，如三角函數(shù)、開平方和浮點數(shù)運算等。通過特殊適配器或通信擴展模塊（板）可實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)和通信鏈接，如RS-232C、RS-422，CCLink，AS-i網絡和RS-485通信，N：N鏈接、計算機鏈接、并行鏈接和I/O鏈接。

綜合以上分析，結合系統(tǒng)控制要求，綜合考慮PLC的功能、性價比等兼容性因素，本設計硬件選用FX2N系列的FX2N-48MR-D機型的PLC。該類型PLC包含24個輸入點數(shù)，24個輸出點數(shù)，繼電器輸出，由24 V的直流電源供電。

1.2 PLC的I/O分配

該交通燈的I/O分配情況見表2。

表2 交通燈的I/O分配表

1.3 PLC的外部接線

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，其系統(tǒng)接線圖如圖3所示（PLC的輸出負載都用指示燈代替）。

圖3 交通燈的控制系統(tǒng)接線圖

2 PLC控制系統(tǒng)的軟件設計

2.1 程序設計方案

（1）控制時序，針對十字路口交通燈的控制要求，其自動運行設計的時序如圖4所示。

圖4 交通燈自動運行的時序圖

（2）基本邏輯指令的編程，根據(jù)控制時序圖，用8個定時器分別控制各信號轉換的時間；閃爍信號由特殊功能繼電器M8013產生的周期為1 s的脈沖來進行控制。

（3）步進順控指令的編程，可將南北方向和東西方向的信號燈動作過程看成2個獨立的順序控制過程，因此可考慮采用匯合和并行性分支的編程方法，如圖5所示為該狀態(tài)轉移圖。

圖5 交通燈的狀態(tài)轉移圖

基本邏輯指令編程時邏輯較為復雜。本設計采用步進順控指令編程。

2.2 程序設計

根據(jù)狀態(tài)轉移圖5，寫出指令清單，如圖6所示。

圖6 十字路口交通燈指令清單

2.3 根據(jù)指令表寫出程序

3 PLC控制系統(tǒng)的檢測與調試

調試可分為3個模塊來進行。

（1）輸入程序，利用GX軟件正確輸入程序（以狀態(tài)梯形圖的形式顯示）。

（2）靜態(tài)調試模塊，按圖3所示的接線圖正確連接好系統(tǒng)輸入設備，并進行PLC的模擬靜態(tài)調試，觀察各輸出指示燈的指示是否按要求工作，否則，進行檢查并修改程序，直至按要求工作。

具體操作步驟為：將選擇開關SA切換至手動狀態(tài)，觀察指示燈。如果此時南北和東西向的黃燈同時閃爍；將選擇開關SA切換至自動狀態(tài)，觀察指示燈。如果此時南北和東西向的黃燈都不閃爍。

（3）動態(tài)調試模塊，按圖3所示的系統(tǒng)接線圖正確連接好系統(tǒng)輸入設備，進行PLC系統(tǒng)的動態(tài)調試，觀察交通燈能否按控制要求工作，否則，檢查線路或者修改程序，直至交通燈按控制要求工作。

具體操作步驟為：將選擇開關SA切換至自動狀態(tài)，按下啟動按鈕SB1。南北和東西向的信號燈將以圖2所示的控制要求動作，并自動循環(huán)。按下停止按鈕SB2，所有信號燈熄滅。

4 結束語

近年來由于PLC具有控制規(guī)模大、抗干擾能力強、可靠性強、體積小、功耗低、安裝調試簡便和維修方便等優(yōu)點，廣泛應用于交通、化工、食品、輕工和建材等多個領域和行業(yè)。

本文基于三菱PLC設計的控制十字路口交通指示燈，可實現(xiàn)自動循環(huán)運行，自動運行時只要按下自動啟動按鈕即可。當需要維護維修及調整時，可旋轉手動開關，切換至手動檔，方便維護，并且可通過更改程序中的時間繼電器的時間常數(shù)來調整各燈的顯示時間。程序簡單，易于維護，自動、手動可隨時切換。在疏導交通，維護城鎮(zhèn)道路秩序發(fā)揮重要作用。