基于PLC控制器的智能交通信號燈設(shè)計

摘要：私人車輛數(shù)量的不斷增長加重了城市的交通壓力，如今交通燈已遍及大街小巷。然而傳統(tǒng)交通信號燈存在工序復(fù)雜、維修不方便、無法聯(lián)網(wǎng)或通信等問題。PLC控制器在實際應(yīng)用中具備較好的抗干擾性能，且其故障率低、功能較多，并在不斷地更新優(yōu)化。此外，PLC還具有聯(lián)網(wǎng)通信功能，多臺PLC連接后即可對城市交通進(jìn)行集體有序控制。由此，文章提出了一種基于PLC控制器的智能交通燈設(shè)計方案，利用s7-200PLC控制器進(jìn)行智能交通燈設(shè)計、MCGS組態(tài)控制畫面，形成了一套集數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)。仿真結(jié)果顯示該設(shè)計具有良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：PLC；自動化；智能交通燈；MCGS

中圖分類號：TP273 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

汽車的出現(xiàn)在帶來便利的同時也引發(fā)了頻繁的交通事故。1923年，上海交通運輸部門為解決該問題最早引入國外紅綠燈系統(tǒng)并投入使用。時至今日，交通信號燈在城市中隨處可見，其以不同時間內(nèi)呈現(xiàn)的不同顏色信號來指示車輛和行人是否通行，通常設(shè)置在街道的交叉路口，以提高車輛的通行能力，減少交通堵塞，避免交通事故。

近年來，基于交通指示燈控制系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展起來的城市智能交通控制系統(tǒng)可以集數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)于一體。該系統(tǒng)是現(xiàn)代城市建設(shè)和城市交通建設(shè)中的重要組成部分。傳統(tǒng)的交通信號燈控制管理系統(tǒng)使用時間繼電器接觸器控制，存在設(shè)計復(fù)雜、維修難、不支持聯(lián)網(wǎng)或通信等問題?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）以繼電器接觸器的控制原理圖為設(shè)計核心，以微處理器為控制芯片，所具備的性能已經(jīng)遠(yuǎn)超繼電器接觸器控制系統(tǒng)。其以梯形圖作為程序控制，不但極大地縮短了工作流程，而且維修方便，易于控制，不須要再變動其接線方式。PLC還具有聯(lián)網(wǎng)通信功能，多臺PLC可以連接在一起對城市交通進(jìn)行集體有序控制。

1 PLC的基本概念

1.1 PLC的定義

1987年，隨著可編程控制器的不斷發(fā)展，PLC有了新的定義，被表述為一種數(shù)字邏輯運算操作的電子設(shè)備。它通過存儲器來存儲程序，程序通常包括各種邏輯運算、計時和計數(shù)、計算等內(nèi)容；通過編制好的輸入程序進(jìn)行程序解析并完成運算，進(jìn)而輸出指令，實現(xiàn)工業(yè)機械設(shè)備的控制［1］。此外，可編程控制器還可以相互連接組網(wǎng)，構(gòu)成一個區(qū)域的工業(yè)控制系統(tǒng)。

PLC由CPU、存儲器、輸入輸出部件、電源部件等組成。CPU是PLC的內(nèi)部芯片，用以處理程序指令、執(zhí)行各種功能［2］。PLC的存儲器主要用來存儲控制程序或用戶的一些定義以及PLC在工作過程中獲取的一些數(shù)據(jù)。首先，輸入、輸出部件可將外部的信號輸入PLC內(nèi)部；然后，經(jīng)過程序運行完成相關(guān)控制計算；最后，通過輸出接口輸出相應(yīng)的控制指令，進(jìn)而控制機器或外部設(shè)備。PLC的電源部件可為PLC的運行、計算、控制、存儲供能。

1.2 PLC的優(yōu)勢

PLC具備如下難以替代的優(yōu)勢。

（1）程序框架簡單。軟件和硬件均采用簡明的梯形圖。

（2）功能強、性價比高。一個PLC可替代多個繼電器、接觸器、定時器和計數(shù)器。

（3）智能化與實時性。PLC可以與變頻器連接，實現(xiàn)精準(zhǔn)運動控制，與組態(tài)畫面連接實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時控制。

（4）PLC適用于工業(yè)生產(chǎn)。PLC的抗干擾能力強、運行穩(wěn)定、故障率低。

（5）PLC安裝和調(diào)試相對簡單。

1.3 PLC的工作原理

PLC的程序通常都是根據(jù)一定的邏輯進(jìn)行循環(huán)。在正常情況下，從第一條程序開始執(zhí)行，按順序依次執(zhí)行控制指令，直至程序結(jié)束，完成控制或者返回程序起點繼續(xù)新的循環(huán)。一個完整的工作周期包括以下3個階段。

（1）外部控制數(shù)據(jù)輸入階段。在這個階段，PLC通過I/O口讀取外部的輸入數(shù)據(jù)，獲取外部的指令或者外部的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且將其傳遞到內(nèi)部存儲器以及中央處理器中的運算器中，通過預(yù)先寫好的程序邏輯完成對輸入數(shù)據(jù)的解析和計算。在完成數(shù)據(jù)采樣輸入之后，PLC的控制程序便轉(zhuǎn)入下一個階段［3］。

（2）程序執(zhí)行階段。PLC根據(jù)預(yù)先定義的程序執(zhí)行順序，執(zhí)行用戶程序。此過程通過掃描用戶程序梯形圖的形式完成，在掃描過程中，需要對控制線路進(jìn)行掃描，這些控制線路是由多個觸點組建而成，控制線路的掃描順序一般為從左至右、從上到下，完成掃描之后開始進(jìn)行邏輯運算。完成運算之后，系統(tǒng)的RAM空間會更新控制輸出狀態(tài)，PLC會根據(jù)這些輸出狀態(tài)進(jìn)行下一步判斷，判斷是直接輸出控制指令還是輸出PLC的狀態(tài)數(shù)據(jù)或是執(zhí)行狀態(tài)數(shù)據(jù)所對應(yīng)的指令動作［4］。

（3）指令輸出和狀態(tài)刷新階段。在完成上述工作后，PLC會進(jìn)入輸出階段，中央處理器應(yīng)更新當(dāng)前I/O口的映射區(qū)數(shù)據(jù)，并存儲數(shù)據(jù)，將處理好的數(shù)據(jù)通過I/O口輸入外部設(shè)備［5］。

1.4 PLC的應(yīng)用

PLC技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，其應(yīng)用主要分為以下幾點。

（1）開關(guān)量的邏輯控制。利用一些簡單的控制邏輯來實現(xiàn)設(shè)備的啟動和運轉(zhuǎn)。

（2）PLC可以實現(xiàn)模擬量控制以加快工業(yè)生產(chǎn)。

（3）過程控制。PLC與傳感器配合使用可以達(dá)到過程控制。如行程限位開關(guān)可以使電機在給定的行程中工作。PLC還擁有PID模塊指令，可實現(xiàn)閉環(huán)控制以提高控制精度。

（4）通信及聯(lián)網(wǎng)。多臺PLC之間可以相互連接和通信，PLC也可以同外部設(shè)備進(jìn)行通信，將多臺PLC組合形成一套PLC集成控制系統(tǒng)，完成一個復(fù)雜龐大的控制任務(wù)［6］。

2 交通燈設(shè)計

2.1 設(shè)計及預(yù)期效果

交通燈電氣設(shè)計原理如圖1所示。KT1為東西紅燈定時器，定時23 s，KM2為東西紅燈；KT2為南北綠燈定時器，定時20 s，KM3為南北綠燈；KT3為南北黃燈定時器，定時3 s，KM4為南北黃燈；KT4為南北紅燈定時器，定時23 s，KM5為南北紅燈；KT5為東西綠燈定時器，定時20 s，KM6為東西綠燈；KT6為東西黃燈定時器，定時3 s，KM7為東西黃燈。SB1啟動按鈕按下，KM1自鎖，KT1、KT2定時器開始計時，此時，KM2（東西紅燈）、KM3（南北綠燈）工作；20 s后，KT2動作，KT2常閉觸點斷開，KM3停止工作，同時，KT3開始計時，KM4（南北黃燈）開始動作；3 s后，KT3動作，KM4失電，KT1動作，KT4、KT5開始計時，此時，KM5（南北紅燈）、KM6（東西綠燈）工作；20 s后，KM6失電，KT5動作，KT6開始計時，同時，KM7（東西黃燈）工作；3 s后，KT6動作，KT6常閉斷開，KT1，KT2失電，同時，KT5失電，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)。在交通燈的程序設(shè)計中，本研究共使用了5個延時接通定時器，到達(dá)約定時間后定時器通電，通過對定時器的合理設(shè)定完成了交通燈在不同時間上的工作設(shè)置。

本文所用的PLC如圖2所示，PLC接線如圖3所示。

2.2 交通燈系統(tǒng)的控制要求

整個交通系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是路口的通行時間和動作順序，本文設(shè)計的交通等控制系統(tǒng)基本工作流程如圖4所示。

（1）按下系統(tǒng)啟動后，東西方向的綠燈點亮20 s，同時南北方向的交通燈顯示為紅燈，紅燈亮23 s。

（2）20 s之后，東西方向的綠燈關(guān)閉，同時啟動?xùn)|西方向的黃燈，黃燈以閃爍的形式工作，閃爍時間為3 s。

（3）23 s之后，南北方向的紅燈關(guān)閉，同時東西方向紅燈開啟，開啟時間設(shè)置為23 s，南北方向的綠燈點亮，綠燈時間設(shè)置為20 s。

（4）43 s之后，南北方向的綠燈關(guān)閉，同時南北方向的黃燈啟動，啟動?xùn)|西方向的黃燈，黃燈以閃爍的形式工作，閃爍時間為3 s。

（5）46 s后，東西紅燈滅并循環(huán)。

3 組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計

本文使用MCGS 6.2進(jìn)行設(shè)計。MCGS（Monitor and Control Generated System）是一種組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要包含組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境模塊，如圖5所示。組態(tài)環(huán)境包含系統(tǒng)設(shè)計和生成系統(tǒng)，可根據(jù)用戶的自身需求設(shè)計滿足特定功能要求的應(yīng)用系統(tǒng)。運行環(huán)境是根據(jù)組態(tài)環(huán)境所建立的應(yīng)用系統(tǒng)，可完成相應(yīng)的輸出和指令執(zhí)行功能，進(jìn)而達(dá)到用戶的設(shè)計目的。

3.1 MCGS工作原理

MCGS通過設(shè)備內(nèi)部程序的執(zhí)行以及對I/O口的控制，實現(xiàn)對外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行功能。這種內(nèi)部程序通常由一些程序語言搭建的動態(tài)庫文件來實現(xiàn)。

MCGS生成動畫的基本原理如下：首先，定義多種不同的動畫形式，對每種動畫形式設(shè)置唯一的動畫屬性使之一一對應(yīng)；其次，通過程序設(shè)計將這些動畫形式進(jìn)行不同的組合；最后，用戶可以得到一個完整的動畫效果［7］。

MCGS實現(xiàn)多機聯(lián)合運行的基本原理如下：由于MCGS有多種通信協(xié)議，可通過各種有線或無線通信協(xié)議將多臺計算機或控制器組合起來，形成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而且在這個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不同個體之間可以相互進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞與共享［8］。

本文所采用的MCGS具有獨立的運行策略設(shè)置窗口，用戶可以自定義和選擇獨有的運行策略，控制系統(tǒng)可根據(jù)用戶自定義的策略進(jìn)行控制，實現(xiàn)對不同設(shè)備、不同窗口顯示、不同數(shù)據(jù)輸出等功能，整個運行策略的搭建直觀簡潔。

3.2 組態(tài)畫面總效果

在計算機系統(tǒng)中，對所提智能交通燈設(shè)計方案進(jìn)行模擬演練，組態(tài)畫面總效果如圖6所示。在模擬過程中，所提智能交通燈設(shè)計方案具備良好的實用性和可操作性。

4 結(jié)語

本文采用s7-200PLC控制器、MCGS組態(tài)控制畫面對智能交通燈系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。s7-200PLC是西門子PLC系列中的一種小型的PLC，具備體積小、功能多、編程簡單等優(yōu)點。MCGS組態(tài)軟件與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以更快速地開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理的控制設(shè)備。MCGS與PLC連接既可以更加明確被控對象的狀態(tài)，又可用于遠(yuǎn)程控制。本文將MCGS與PLC進(jìn)行連接，以精確地感知被控對象的狀態(tài)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程自動化控制。模擬結(jié)果證明了本文設(shè)計的實用性和有效性。未來，智能化交通燈系統(tǒng)的不斷發(fā)展可以為城市交通帶來極大的便利。

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（編輯 沈 強編輯）

Design of intelligent traffic signal lights based on PLC controller

GUO" Yunfei， ZHANG" Yongliang， HOU" Yanwen

（College of Coal Engineering，Shanxi Datong University， Datong 037000， China）

Abstract： The growing number of private vehicles has increased the traffic pressure on the city， and the traffic lights have spread throughout the streets. However， traditional traffic lights have problems such as complex process， inconvenient maintenance， and inability to network or communication. PLC controller has the advantages of low anti-interference ability， low failure rate and more functions and it is constantly updated. In addition， PLC also has the network communication function， multiple PLC can be connected to the collective orderly control of urban traffic. In this paper， an intelligent traffic light design scheme based on PLC controller is proposed. The s7-200 PLC is used as the controller to design intelligent traffic light and MCGS configuration as the control screen， forming a computer comprehensive management system integrating data monitoring， traffic light control and traffic grooming. The simulative results show that the proposed design has a good application effect.

Key words： PLC; automation; intelligent traffic light; MCGS