基于PLC順序控制設(shè)計法的交通信號燈控制程序設(shè)計

摘 要：根據(jù)十字路口交通信號燈的控制時序，采用順序控制設(shè)計法設(shè)計控制程序。首先繪制順序功能圖，然后設(shè)計出PLC梯形圖程序，通過在HMI觸摸屏上組態(tài)監(jiān)控界面驗(yàn)證該程序，該程序滿足十字路口交通信號燈的控制要求。采用順序控制設(shè)計法設(shè)計的十字路口交通信號燈的PLC程序易于閱讀和修改。

關(guān)鍵詞：交通信號燈；順序功能圖；順序控制設(shè)計法；PLC

中圖分類號：TP311.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0042-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.009

0" " 引言

十字路口交通信號燈與日常出行息息相關(guān)，它起到規(guī)范交通參與者行為的重要作用，因此，對十字路口交通信號燈的合理控制，能有效減少交通事故的發(fā)生，也能緩解城市的交通擁堵壓力。本文利用PLC所具有的通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、編程簡單的特點(diǎn)[1]，根據(jù)順序控制設(shè)計法的步驟設(shè)計出一套控制十字路口交通信號燈的PLC梯形圖程序。實(shí)踐證明，對比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計法的不足[2]，順序控制設(shè)計法能顯著提高PLC梯形圖程序的設(shè)計效率，基于順序控制設(shè)計法設(shè)計出的交通信號燈的PLC控制程序在程序調(diào)試、參數(shù)修改以及程序閱讀方面十分簡便。

1" " 十字路口交通信號燈的控制要求

在自動控制模式下，南北向紅燈亮20 s，東西向綠燈亮10 s，到10 s時，東西向綠燈閃亮，閃亮8 s后熄滅，接著東西向黃燈亮2 s，到2 s時，東西向黃燈熄滅，東西向紅燈亮起的同時，南北向紅燈熄滅，南北向綠燈點(diǎn)亮，綠燈亮10 s后再閃亮8 s熄滅，接著，南北向黃燈點(diǎn)亮2 s，到2 s時，南北向黃燈熄滅，南北向紅燈點(diǎn)亮，東西向綠燈點(diǎn)亮，此后按照開頭的時間先后順序循環(huán)控制。按下停止鍵，東西向、南北向的信號燈全部熄滅。在手動控制模式下，東西向、南北向的黃燈同時閃爍。十字路口交通信號燈的控制可用時序圖表示，如圖1所示。

2" " 十字路口交通信號燈控制的PLC程序設(shè)計

2.1" " 十字路口交通信號燈控制的順序功能圖

根據(jù)上述十字路口交通信號燈的控制時序圖，可以繪制順序功能圖來描述交通信號燈的控制過程，繪制順序功能圖是順序控制設(shè)計PLC程序的第一步，如圖2所示。順序功能圖包含M4.0、M4.1、M4.2、M4.3、M5.0、M4.4、M4.5、M4.6、M4.7、M5.1、M6.0這11步，其中M4.0是初始步。步M4.1對應(yīng)的動作是M200.0（東西向綠燈常亮）、步M4.2對應(yīng)的動作是M200.0（東西向綠燈閃爍）、步M4.3對應(yīng)的動作是M200.1（東西向黃燈常亮）、步M4.4對應(yīng)的動作是M200.2（南北向紅燈常亮）、步M4.5對應(yīng)的動作是M200.3（南北向綠燈常亮）、步M4.6對應(yīng)的動作是M200.3（南北向綠燈閃爍）、步M4.7對應(yīng)的動作是M200.4（南北向黃燈常亮）?！癐EC_Timer_0_DB”.Q、“IEC_Timer_0_DB_1”.Q、“IEC_Timer_0_DB_2”.Q、“IEC_Timer_0_DB_3”.Q、“IEC_Timer_0_DB_4”.Q、“IEC_Timer_0_DB_5”.Q是步間的轉(zhuǎn)換條件。

2.2" " PLC程序

本文使用西門子S7-1200 1214C DC/DC/DC型PLC，采用TIA STEP 7 V13編程軟件設(shè)計梯形圖程序，根據(jù)順序功能圖，設(shè)計的PLC梯形圖程序如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)信號燈的閃爍，程序使用了PLC的“啟用時鐘存儲器字節(jié)”的功能，并選用M0.7[3]。

PLC每次通電運(yùn)行，在OB1程序塊中使用“僅在首次掃描時狀態(tài)為1”的M1.0[3]來使初始步M4.0置位，如圖3（a）所示。在HMI上按下“自動”按鈕，M200.6的常開觸點(diǎn)閉合，十字路口信號燈進(jìn)入自動控制模式，M4.1、M4.4同時置位，初始步M4.0復(fù)位，對應(yīng)的東西向綠燈常亮、南北向紅燈常亮，如圖3（b）所示。M4.1的常開觸點(diǎn)閉合，定時器開始定時，10 s定時時間到，“IEC_Timer_0_DB”.Q的常開觸點(diǎn)閉合，M4.2置位、M4.1復(fù)位，這時東西向綠燈開始閃爍，如圖3（c）所示。M4.2置位，M4.2的常開觸點(diǎn)閉合，定時器開始定時，到3 s時，“IEC_Timer_0_DB_1”.Q的常開觸點(diǎn)閉合，M4.3置位、M4.2復(fù)位，對應(yīng)的東西向黃燈常亮、東西向綠燈停止閃爍并且熄滅，如圖3（d）所示。M4.3置位，M4.3的常開觸點(diǎn)閉合，定時器開始定時，到2 s時，“IEC_Timer_0_DB_2”.Q的常開觸點(diǎn)閉合，M4.3復(fù)位、M5.0置位，對應(yīng)的東西向黃燈熄滅，如圖3（e）所示。這時，M5.0和M4.4的常開觸點(diǎn)都已經(jīng)閉合，M6.0置位、M4.5置位、M4.4復(fù)位、M5.0復(fù)位，對應(yīng)的東西向紅燈常亮、南北向綠燈常亮、南北向紅燈熄滅，如圖3（f）所示。M4.5置位，M4.5的常開觸點(diǎn)閉合，定時器開始定時，10 s定時時間到，“IEC_Timer_0_

DB_3”.Q的常開觸點(diǎn)閉合，M4.6置位、M4.5復(fù)位，對應(yīng)的南北向綠燈開始閃爍，如圖3（g）所示。M4.6置位，M4.6的常開觸點(diǎn)閉合，定時器開始定時，8 s定時時間到，“IEC_Timer_0_DB_4”.Q的常開觸點(diǎn)閉合，M4.7置位、M4.6復(fù)位，對應(yīng)的南北向黃燈常亮、南北向綠燈停止閃爍并且熄滅，如圖3（h）所示。M4.7置位，M4.7的常開觸點(diǎn)閉合，定時器開始定時，2 s定時時間到，“IEC_Timer_0_DB_5”.Q的常開觸點(diǎn)閉合，M5.1置位、M4.7復(fù)位，對應(yīng)的南北向黃燈熄滅，如圖3（i）所示。這時，M5.1、M6.0的常開觸點(diǎn)全部閉合，M4.1置位、M4.4置位、M5.1復(fù)位、M6.0復(fù)位，對應(yīng)的東西向綠燈常亮、南北向紅燈常亮、東西向紅燈熄滅，如圖3（j）所示，自動控制程序進(jìn)入下一個循環(huán)。

在HMI上常按“手動”按鈕，M200.7的常開觸點(diǎn)閉合，十字路口交通信號燈進(jìn)入手動控制模式，東西向黃燈、南北向黃燈同時開始閃爍，如圖3（k）、圖3（l）所示。在HMI上按下“停止”按鈕，M7.0的常開觸點(diǎn)閉合，M4.1復(fù)位、M4.2復(fù)位、M4.3復(fù)位、M4.4復(fù)位、M4.5復(fù)位、M4.6復(fù)位、M4.7復(fù)位、M6.0復(fù)位、M4.0置位，這時路口東西向、南北向的紅黃綠信號燈全部熄滅，程序回到初始步M4.0，如圖3（m）、圖3（n）所示。后期可根據(jù)十字路口的交通路況，在程序中修改相應(yīng)信號燈的常亮、閃爍時間。整個PLC程序的I/O信號如表1所示。

2.3" " 觸摸屏HMI遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

為了實(shí)現(xiàn)對十字路口交通信號燈運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控，本文在西門子KTP400 Basic PN型HMI觸摸屏上組態(tài)了十字路口交通信號燈的監(jiān)控界面，如圖4所示。界面左側(cè)包含三個按鍵，分別是“自動” “手動”“停止”；界面右側(cè)組態(tài)出東西向、南北向的紅黃綠燈。界面上“自動” “手動” “停止”三個按鈕分別與表1的PLC變量M200.6、M200.7、M7.0關(guān)聯(lián)。界面上東西向紅黃綠燈分別與變量M200.5、M200.1、M200.0關(guān)聯(lián)；界面上南北向紅黃綠燈分別與變量M200.2、M200.4、M200.3關(guān)聯(lián)。按下“自動”按鈕，界面上的東西向、南北向的紅綠燈按照圖1所示的時序圖交替變化；常按“手動”按鈕，界面上的東西向、南北向的黃燈以0.5 Hz的頻率閃爍；按下“停止”按鍵，界面上的東西向、南北向的紅黃綠燈全部熄滅。

3" " 結(jié)論

本文設(shè)計的PLC梯形圖程序滿足十字路口交通信號燈的控制要求，并且可以根據(jù)十字路口的交通路況在PLC程序中調(diào)整修改東西向綠燈、黃燈的點(diǎn)亮?xí)r間，南北向紅燈的點(diǎn)亮?xí)r間自動伴隨著東西向綠燈、黃燈的點(diǎn)亮?xí)r間的長短變化而變化，反之亦然。采用順序控制設(shè)計法來設(shè)計十字路口交通信號燈的PLC控制程序可讀性強(qiáng)。本文通過設(shè)計控制十字路口交通信號燈的PLC梯形圖程序，完整呈現(xiàn)了順序控制設(shè)計法的設(shè)計過程，可為大專院校自動化專業(yè)、機(jī)電一體化方向的學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)課程時提供參考。

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[1] 劉華波，馬艷，何文雪，等.西門子S7-1200 PLC 編程與應(yīng)用[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

[2] 陳芳芳.基于S7-1200 PLC的交通燈控制設(shè)計方法研究[J].電氣技術(shù)，2019，20（2）：89-91.

[3] 廖常初.S7-1200 PLC編程及應(yīng)用[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

收稿日期：2024-04-01

作者簡介：范?。?985—），男，福建仙游人，碩士，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)及其產(chǎn)品開發(fā)。