基于PLC的多路口交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬卜森

(黑龍江工商學(xué)院,哈爾濱 150000)

0 引言

紅綠燈在城市生活中起到了重要的作用,實(shí)現(xiàn)了車流和人流的有效管理,降低了道路事故的發(fā)生率。但是,如果不恰當(dāng)使用或安裝紅綠燈,就會(huì)對(duì)道路正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。紅色光意味著不能通過(guò),綠色光意味著允許,黃色光代表警告,可將道路信號(hào)燈分為機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、非機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、人行橫道信號(hào)燈、車道信號(hào)燈、方向信號(hào)燈、閃爍警示信號(hào)燈、道路與鐵路平面交叉口信號(hào)燈等。交通信號(hào)燈用于道路平面交叉路口,通過(guò)對(duì)車輛、行人發(fā)出前進(jìn)或停下的命令,最大限度地將來(lái)自不同方向的人、車交通流之間的干涉降到最低,以提升交叉口的通行容量,保證路口的順暢與平安[1-3]。本研究以汽車交通燈為例,對(duì)普通交叉口的紅綠燈位置進(jìn)行分析,采用 EDA技術(shù)對(duì)交叉口信號(hào)燈閃爍和車流進(jìn)行仿真,展示可編程邏輯控制器在信號(hào)燈控制中的應(yīng)用。

采用可編程邏輯控制器進(jìn)行控制,對(duì)多個(gè)交叉口的信號(hào)燈進(jìn)行解析及控制。選擇西門子S7-200可編程控制器作為 PLC的核心部件,指定輸入輸出點(diǎn)的名字、編碼和地址。程序編制按照程序要求對(duì) PLC的梯形圖、功能圖及表示法進(jìn)行編程。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行部分調(diào)整,再對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行調(diào)整,對(duì)多個(gè)交叉口的紅綠燈信號(hào)進(jìn)行編程。

監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。編寫腳本程序,完成設(shè)備連接、調(diào)試和運(yùn)行。通過(guò)PLC和MCGS軟件的通信設(shè)定及PLC內(nèi)存參數(shù)的設(shè)定,完成紅綠燈的配置程序設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括硬件結(jié)構(gòu)、輸入輸出分布、主電路及各個(gè)部件的控制線路。除了要進(jìn)行總統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì),內(nèi)部架構(gòu)也不可或缺。

1.1 控制要求

該裝置由切換來(lái)操作：起動(dòng)開關(guān)接通,系統(tǒng)工作;起動(dòng)開關(guān)斷開,系統(tǒng)停機(jī)。如果由于某原因?qū)е聳|西南北4個(gè)方向的綠燈都是相同的,那么該裝置就會(huì)發(fā)出警報(bào),把所有的紅燈和綠燈都關(guān)掉[4-5]。

1.2 控制對(duì)象

東西方向紅燈兩個(gè), 南北方向紅燈兩個(gè), 東西方向綠燈兩個(gè), 東西方向黃燈兩個(gè), 南北方向黃燈兩個(gè), 南北方向綠燈兩個(gè), 報(bào)警燈一個(gè)。

1.3 控制規(guī)律

在起動(dòng)按鍵時(shí),北邊和南邊的紅色指示燈點(diǎn)亮,保持25 s。在南、北交通燈都是紅色時(shí),東邊和西邊的交通燈都是綠色的,持續(xù)20 s之后,東邊和西邊的交通燈均是3 s之后消失,再之后是東邊和西邊的交通燈變?yōu)榧t色,而南邊和右邊的交通燈都是綠色。

東邊和西邊都是紅色的,保持30 s。在此過(guò)程中,東側(cè)和南側(cè)的交通信號(hào)燈同時(shí)變紅,持續(xù)25 s之后,南側(cè)和北側(cè)交通燈連續(xù)3 s后變暗,南側(cè)和北側(cè)的交通燈分別變成2 s,之后變成南側(cè)和北側(cè)的紅色交通燈,而東側(cè)和南側(cè)則變成綠色。按照上面的方法一次又一次的重復(fù)操作。如表1。

表1 交通燈亮閃

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用PLC作為核心處理單元,利用 PLC實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的主要控制功能,包括程序流程及梯形圖的編制。

2.1 主程序流程的設(shè)計(jì)

對(duì) PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì),分為硬件、軟件程序及系統(tǒng)調(diào)試。具體流程如圖1所示。

圖1 程序流程

2.2 十字路口交通燈的接線

根據(jù)十字路口交通燈的實(shí)際連線, 畫出如圖2所示的十字路口交通燈接線圖。

圖2 十字路口交通燈接線

圖3 十字路口交通燈的控制時(shí)序

圖4 MCGS組態(tài)環(huán)境

圖5 變量定義窗口

2.3 十字路口交通燈控制時(shí)序

本裝置的工作原理是利用電子元件進(jìn)行探測(cè),由對(duì)應(yīng)的電子感測(cè)器發(fā)出信號(hào),帶動(dòng)其他元件起動(dòng)。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 測(cè)試目的

20世紀(jì)40年代以來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了系統(tǒng)模擬。其通過(guò)建立真實(shí)的體系來(lái)建立真實(shí)的體系,并將其應(yīng)用于試驗(yàn)中。在模擬開發(fā)的早期,此方法大多用于航空航天和原子反應(yīng)等領(lǐng)域,因?yàn)槠渫顿Y高、風(fēng)險(xiǎn)大,很難進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),目前已被廣泛應(yīng)用于石油、電力、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域,隨著時(shí)間的推移,其使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,在一些非工程系統(tǒng)行業(yè)中也得到了廣泛使用。目前,綜合模擬系統(tǒng)已應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,效果顯著。對(duì)智能監(jiān)測(cè)進(jìn)行模擬,以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：通過(guò)電腦模擬降低變更模型參數(shù)及修正模型的費(fèi)用,便于使用。實(shí)驗(yàn)?zāi)M即利用模擬軟件對(duì)一個(gè)特定的系統(tǒng)進(jìn)行建模,根據(jù)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行解析,從而獲得有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)試原則

以使用者為起點(diǎn),通過(guò)建模模擬的方法展現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題,測(cè)試程序遵守的基本原理如下：所有與該系統(tǒng)有關(guān)的試驗(yàn)都必須符合使用者需求,盡量多地進(jìn)行可重復(fù)的體系試驗(yàn),兼顧合理的輸入和不合理的輸入數(shù)據(jù)。

3.3 繪制交通信號(hào)燈人機(jī)界面

將MCGS組態(tài)軟件安裝在計(jì)算機(jī)中,雙擊桌面組態(tài)環(huán)境圖標(biāo),進(jìn)入MCGS組態(tài)環(huán)境,如4圖所示。單擊用戶窗口,新建窗口后,在用戶窗口中新建一個(gè)窗口0,選中窗口0,點(diǎn)擊窗口屬性按鈕,進(jìn)入窗口屬性設(shè)置界面。將窗口名稱和窗口標(biāo)題選項(xiàng)中的內(nèi)容改為交通信號(hào)燈,按確認(rèn)按鈕確認(rèn)。按動(dòng)畫組態(tài)按鈕,進(jìn)入畫面編輯窗口,在此窗口中利用工具箱中的繪圖工具完成交通信號(hào)燈畫面設(shè)計(jì)。

3.4 交通信號(hào)燈畫面中構(gòu)件的屬性設(shè)置

紅綠燈屏幕上的部件比較簡(jiǎn)單,即紅色、綠色、黃色。定義數(shù)據(jù)變量,根據(jù)控制要求在監(jiān)控界面中對(duì)西方向和南北方向紅燈、綠燈及黃燈進(jìn)展定義,均進(jìn)行切換及色彩填充。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)選項(xiàng)卡中使用新增對(duì)象和對(duì)象屬性按鈕對(duì)數(shù)據(jù)變量進(jìn)行定義,如5圖所示。

圖6顯示了交通信號(hào)燈屏幕中部件的屬性設(shè)定,在此只對(duì)南方紅色燈光屬性設(shè)定進(jìn)行解釋,其他特性設(shè)定與南方紅色屬性設(shè)定之間的差異在于表述方式及填充色彩鏈接項(xiàng)目?jī)?nèi)容是不同的。

圖6 屬性設(shè)定

3.5 設(shè)備窗口屬性設(shè)置

在配置表中用滑鼠按一下裝置視窗按鈕,彈出裝置視窗圖示,再按一下即可進(jìn)入裝置配置視窗。在這個(gè)視窗中,通過(guò)裝置工具包來(lái)設(shè)定裝置配置。配置好設(shè)備后,單擊通用串口父代0,進(jìn)入通用串口父代屬性編輯接口,按照通信需求及連線狀況對(duì)該接口中的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,設(shè)定見圖7,點(diǎn)擊確定即可。

圖7 通用串口父設(shè)備屬性編輯窗口

返回設(shè)備組態(tài)窗口,雙擊設(shè)備0-[西門子S7-200PPI]進(jìn)入設(shè)備屬性設(shè)置窗口,在此窗口中有根本屬性、通道連接、設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)處理等選項(xiàng)卡。在自動(dòng)混合控制中不涉及數(shù)據(jù)處理。在設(shè)備調(diào)試窗口中,如果通信狀態(tài)標(biāo)志欄中顯示0,則表示通信正常,假設(shè)顯示-1,則表示通信不正常。通過(guò)設(shè)備調(diào)試使MCGS與PLC通信正常,即設(shè)備調(diào)試窗口中通信狀態(tài)標(biāo)志顯示為0,按確認(rèn)即可。

回到工作臺(tái)界面,選擇主控窗口并單擊界面右側(cè)的系統(tǒng)屬性按鈕,彈出主控窗口屬性設(shè)置對(duì)話框,在此窗口中選擇內(nèi)存屬性選項(xiàng)卡,在用戶窗口列表中選中交通信號(hào)燈,按增加按鈕,那么交通信號(hào)燈移入裝入內(nèi)存窗口,如圖8所示,按確認(rèn)鍵即可。單擊主菜單中的進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境按鈕即可進(jìn)入監(jiān)控運(yùn)行界面,實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作情況,如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行界面

在模擬的實(shí)踐運(yùn)行條件下對(duì)該方法進(jìn)行測(cè)試與分析,以確保該方法高效實(shí)施。對(duì)該系統(tǒng)的整體性能及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示效果很好,可應(yīng)用于實(shí)際開發(fā)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)編寫組態(tài)程序,使人們對(duì)PLC和MCGS的使用有了更深層次的了解。在MCGS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,最關(guān)鍵的是要做好完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),這是對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行采集、表達(dá)及控制的關(guān)鍵部件。MCGS系統(tǒng)主要完成了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各種工況信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控等功能,通過(guò)PLC開發(fā),令管理人員更好地利用PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行采集及控制,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、梯形圖設(shè)計(jì)到組態(tài)設(shè)計(jì),再到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,全面掌握PLC的設(shè)計(jì)流程,以結(jié)合具體的工程項(xiàng)目進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)及設(shè)計(jì)。