基于PLC的交通燈控制系統設計及教學應用

摘 要:應用PLC進行簡單的控制系統設計是高職院校機電類學生需要掌握的一項專業技能。通過設計十字路口交通燈控制系統并應用于PLC教學做一體化實訓課程中，讓學生熟悉使用PLC進行控制系統設計的基本環節，掌握西門子S7-200PLC的基本應用。

關鍵詞:交通燈控制PLC實訓

中圖分類號:G712文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(b)-0152-02

1 引言

隨著人才培養模式的不斷完善，高職教育越來越注重實踐環節的教學。為適應新型教育和社會人才需求，越來越多的高職院校從理論教學逐步走向實踐教學，實踐教學已成為高職教育極其重要的環節[1]。為適應這一要求，本文設計了一套基于可編程序控制器，簡稱PLC)的交通燈控制系統，并且在《機床電氣控制系統維護》工學結合課程中實施，加深了學生對PLC的認識與應用能力。

2 控制要求分析

在十字路口交通燈控制系統工作時，對信號燈的控制要遵循一定的時序要求。此控制系統設計了兩種工作模式:其一是白天模式，要求交通燈按圖1的時序工作[2]；其二是夜間模式，要求東西南北四個方向的黃燈以１s為周期不停的閃爍，紅燈和綠燈全部熄滅。兩種工作模式的切換受一啟動按鈕控制，當啟動按鈕接通(高電平狀態)時處于白天模式，交通燈按圖１的時序工作。當啟動按鈕斷開(低電平狀態)時處于夜間模式。

信號燈工作在白天模式情況下，當啟動按鈕接通時信號燈系統開始工作，首先東西紅燈亮，南北綠燈亮。東西紅燈亮維持25s，在東西紅燈亮的同時南北綠燈也亮，并維持20s；到20s時，南北綠燈閃爍，閃爍3s后熄滅。在南北綠燈熄滅時，南北黃燈亮，并維持2s。到2s時，南北黃燈熄滅，南北紅燈亮，同時，東西紅燈熄滅，東西綠燈亮。南北紅燈亮維持25s，東西綠燈亮20s然后閃爍3s后熄滅。東西綠燈熄滅的同時東西黃燈亮，維持2s后熄滅，這時東西紅燈亮，南北綠燈亮，周而復始。

3 PLC選型及I/O地址定義

根據對兩種工作模式的分析，系統采用自動工作方式。輸入信號有白天模式啟動信號和夜間模式啟動信號，本系統采用鈕子開關來切換兩種工作模式。當鈕子開關接通，對PLC輸入點有輸入信號時，交通燈工作在白天模式；當鈕子開關斷開，對PLC同一輸入點無輸入信號時，交通燈工作在夜間模式。輸出信號有東西方向和南北方向的指示燈信號。由于同種顏色的指示燈同時工作，為節省輸出點，采用并聯輸出方式。最終，系統所需的輸入點數為1個，輸出點數為6個，全部為開關量。

此系統屬于小型單機控制系統。結合PLC實訓室的實際情況，采用西門子公司的S7-200系列CPU224型PLC，其供電電源為交流220V，直流24V輸入，繼電器輸出形式。S7-200是西門子公司推出的一種小型PLC，它具有結構緊湊、擴展性好、指令功能強大和價格低廉等優點，成為當代各種小型控制系統的首選控制器[3]。

根據PLC的I/O地址分配表，可對PLC外部的輸入輸出信號進行接線。其中，同一方向上的兩組指示燈中同種顏色的指示燈并聯，用PLC的同一個輸出點驅動。PLC的接線如圖2所示。鈕子開關SD作為模式選擇開關與I0.0連接，Q0.0與東西綠燈連接，Q0.1與東西黃燈連接，Q0.2與東西紅燈連接，Q0.3與南北綠燈連接，Q0.4與南北黃燈連接，Q0.5與南北紅燈連接。

為了便于學生實訓，設計了十字路口交通燈控制電路板，如圖3所示。此電路板中模式選擇信號經鈕子開關SD與PLC輸入點I0.0連接。輸出點Q0.0、Q0.1、Q0.2分別與電路板上東西燈的輸入端G、Y、R連接。輸出點Q0.3、Q0.4、Q0.5分別與電路板上南北燈的輸入端G、Y、R相連。電路板上的V+和COM端分別接24V電源的正負極。

4 控制系統軟件設計

依據對控制要求的分析和PLC控制系統I/O地址的分配，可進行控制程序的設計。由于此系統屬于典型的順序控制，故在程序設計中利用PLC內部的定時器實現順序控制。控制程序如圖4所示。

當白天模式接通，I0.0常開點接通，輔助繼電器M0.0得電，輸出線圈Q0.0得電東西紅燈亮，Q0.3得電南北綠燈亮，同時定時器T37開始定時20s。

延時20s后，T37常閉點斷開，常開點接通，南北綠燈在特殊功能繼電器SM0.5的作用下實現亮0.5s滅0.5s，同時定時器T38開始定時3s。

延時3秒后T38常閉點斷開Q0.3失電南北綠燈滅，T38常開點接通Q0.4得電南北黃燈亮，同時定時器T39開始定時2s。

延時2s后T39常閉點斷開Q0.0失電東西紅燈滅，Q0.4失電南北黃燈滅。T39常開點接通Q0.5得電南北紅燈亮，Q0.1得電東西綠燈亮，同時定時器T40開始定時20s。

延時20s后，T40常閉點斷開，常開點接通，東西綠燈在特殊功能繼電器SM0.5的作用下實現亮0.5s滅0.5s，同時定時器T41開始定時3s。

延時3s后T41常閉點斷開Q0.1失電東西綠燈滅，T41常開點接通Q0.2得電東西黃燈亮，同時定時器T42開始定時2s。

延時2s后T42常閉點斷開Q0.2失電東西黃燈滅，輔助繼電器M0.0失電結束一個循環周期，將所用的全部定時器復位，同時T42的常閉點重新接通M0.0線圈又開始新的循環周期，如此周而復始的不停循環。當I0.0的常開點斷開常閉點接通時轉為夜間模式，只有網絡8中的Q0.2和Q0.4得電東西黃燈和南北黃燈閃爍。

5 結語

本文分析了十字路口交通燈的控制問題，給出了控制系統的軟硬件設計。實踐證明，采用PLC實現對交通信號燈的控制是完全可行的。并可通過調整定時器的定時時間改變通行時間。將此控制系統應用于教學中，學生從控制對象分析、PLC的選型及I/O地址分配、系統軟硬件設計等環節逐步強化了PLC的應用能力。

參考文獻

[1]劉瑞.基于PLC的溫度控制系統的設計及其在實訓教學中的應用[J].中國高新技術企業，2009(15).

[2]高欽和.可編程控制器應用技術與設計實例[M].北京:人民郵電出版社，2004.

[3]曹文.PLC(S7-200)在實訓課中的應用[J].職業，2007(10).

[4]S7-200可編程序控制器系統手冊[M].北京:西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團，2007.