基于PLC和觸摸屏的多車道交通燈實訓裝置研發

賀小艷

摘 要：目前實訓室現有的交通燈控制模型是采用LED發光二極管模擬實際的系統，真實感差，且只能實現單車道控制，與實際系統相差較遠。文章研究出雙向六車道交通燈控制實訓裝置。系統以PLC為控制核心，紅綠燈和數碼管為主要控制對象，觸摸屏為上位機。通過一年的實際教學應用，獲得了良好的教學效果。

關鍵詞：實訓裝置；多車道交通燈；PLC；觸摸屏；實訓項目

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0004-03

Abstract： At present， the existing traffic light control model of the training room is a system which uses LED to simulate the reality， has poor sense of reality， and can only realize single-lane control， which is far from the actual system. In this paper， a two-way six-lane traffic light control training device is developed. The system takes PLC as the control core， traffic light and digital tube as the main control object， and the touch screen as the host computer. Through one year's practical teaching and application， good teaching effect has been obtained.

Keywords： practical training device； multi-lane traffic light； PLC； touch screen； practical training project

1 意義

實訓是職業教育的重要內涵[1]。實訓室建設是衡量職業院校發展水平的一個重要指標，因此各所院校都非常重視實訓室的建設[2]。但實際上有的實訓室面臨著實訓設備陳舊，跟不上發展的需要（工科類尤其明顯），功能簡單、實訓項目單一，可操作性不強等問題，缺乏完善性和系統性[3]。所以對實訓設備進行二次開發是有必要的。在實訓設備原有的基礎上，充分結合教學內容和設備特點，從深度和廣度去拓展設備的功能，開發實訓、生產和科研項目，使設備的潛能得以發揮和充分利用，以提高教學效率[4]。

2 相關實訓設備現狀

交通燈控制系統是PLC控制在交通運輸管理的一個最為重要的工作任務，也是一個典型的時序控制系統，因此交通燈控制是PLC課程教學中不可替代的一個實訓項目。我國針對PLC課程開發出實訓設備的生產廠家有很多，但這些實訓設備都是采用LED發光二極管模擬實際的系統[5]，完全依據真實交通燈控制系統開發的實訓裝置目前市場是沒有的。

圖1是我們實訓室現有的交通燈控制模型，是采用LED發光二極管模擬實際的系統，也是目前天煌、三向等知名實訓設備制造商采用的交通燈控制模型[6]。這種交通燈控制實現單車道的控制模式，只能實現簡單的、基本的功能，與現代城市多車道道路的實際不符。并且學生只能在實訓臺上調試程序，通過觀察LED的輪流亮滅來判斷控制的正確與否，但由于LED燈多，四個方向共有12只，學生很難反應過來。

3 系統設計

3.1 系統設計目標

交通燈控制由于貼近生活，易于實現，適合PLC初學者入門和提高是PLC課程教學中非常重要的一個實訓項目。本設計的設計目標是解決實訓室現有交通燈控制模型真實感差的問題。如果重新配置一套PLC控制實訓裝置則成本太高，并且不能完全符合我們的實際需求，因此本項目研制多車道交通燈控制實訓裝置。該裝置配套我們實訓室現有設備，要求能設計出多個實訓項目，完全滿足我們教學的實際需求，既豐富了教學內容，提高了學生的技能水平，又降低了教學成本。另外，由于裝置所涉及的產品和技術均代表了國內行業的先進水平，除了培育學生的創新能力外，非常適合于相關專業的教師和科研人員開展課題研究的仿真實驗。

通過分析PLC的課程標準，根據我校學生的實際情況，要求設計的實訓裝置配合實訓室現有的設備能完成9個相關的實訓項目，如表1所示，這9個實訓項目按照從易到難的順序安排，循序漸進地提高學生的PLC編程能力。

3.2 硬件設計

（1）系統設計思路

系統硬件以紅綠燈和數碼管為主要控制對象，觸摸屏為上位機，PLC為主要控制核心。要求系統能實現一些常規的控制功能，如十字路口東西方向和南北方向黃綠紅指示燈的循環啟動；調整黃綠紅指示燈的亮暗時間；緊急情況下的優先通過功能等。還要求系統能通過設計觸摸屏組態軟件，實現遠程顯示和控制；并將系統設計為雙向六車道四種控制模式，使之更貼近實際交通燈控制系統。多車道交通燈控制實訓系統結構如圖2所示，操作者在顯示端觸摸屏上發出命令，PLC接收到命令后，運行控制程序，發出控制命令給信號燈和顯示裝置，以按命令工作。系統硬件還設置有各種模式的手動開關，以達到實現現場控制的要求。

（2）硬件設計

根據系統的控制要求，實訓裝置需要設置的元器件有模式選擇開關3個、東西和南北方向紅綠黃指示燈24個、東西和南北方向車輛檢測傳感器4個、4個方向的聲音傳感器4個、用于顯示倒計時時間的數碼管東西和南北方向各1個、共4個。其中，為簡化硬件，用聲控開關代替聲音傳感器，光電開關要求能檢測0.35m以內的車輛。

PLC的選擇。首先考慮實訓室現有的PLC能否夠用，根據控制要求統計輸入輸出點如表2所示。

根據表2所示，系統總共需要12個輸入點和40個輸出點。實訓室現有的PLC是三菱FX3U-48M，再購置輸出擴展模塊，控制點數夠用，不需另外購置PLC，節約了成本。

觸摸屏的選擇。觸摸屏又稱“人機界面”，是一種新型的終端顯示和操作器[7]，利用組態軟件編輯和顯示各種按鈕，取代機械按鈕，達到遠程控制目的，常組合PLC使用，實現整個運行過程的可視化，對系統各環節進行監控。本裝置中選用GX-1275觸摸屏，GX-1275觸摸屏有10.4寸彩色液晶顯示屏，支持觸摸屏輸入，支持多種通訊方式，具有良好的人機界面，便于編程等優點，在工業控制領域應用廣泛[8]，同時資料多，學生入門容易。

整個裝置以金屬板為底板，其上按照真實道路繪制雙向六車道和人行橫道，如圖3所示。

實訓裝置適合大專、本科學生學習PLC和觸摸屏技術。根據學習是由簡單到復雜的規律，程序的控制由易到繁，要求實訓裝置能根據實訓內容搭建合適的控制系統，因此實訓系統各部分都可拆卸，給學生提供開放結構，用于鍛煉學生的接線和編程能力。

3.3 軟件設計

系統軟件設計包括PLC程序設計和上位機軟件設計兩部分[9]。PLC控制程序主要完成多車道交通燈的控制、顯示功能。上位機軟件設計主要通過GX-1275觸摸屏配套的組態軟件編輯操作界面來實現人機交互功能，。本裝置的軟件部分也可以作為實訓項目的內容由學生來設計完成。

PLC控制分為三種工作模式：白天工作模式、夜間工作模式和緊急工作模式。由PLC先判斷當前時間是白天還是夜晚，再自動進入各自的工作模式運行。當有緊急車輛通過時，系統進入緊急工作模式，同時開始倒計時20s，計時結束系統恢復到原先的工作模式繼續工作。點擊界面上的工作模式，再點擊啟動按鈕，系統處于工作狀態，對交通燈進行相對應的處理。工作模式由系統根據PLC的系統時間自動判斷，也可以通過工作模式選擇按鈕或觸摸屏的選擇界面來修改。

4 結束語

研究開發了一種基于PLC和觸摸屏的多車道交通燈實訓裝置，提供開放結構，方便學生自己設計實訓項目，以鍛煉學生的接線和編程能力。如果將裝置中的車輛檢測傳感器用紅外攝像頭或地感線圈代替，則該裝置完全可以應用于現有的交通燈控制，實用性非常強。

參考文獻：

[1]高婕.高職院校電氣實訓設備開發途徑的探索[J].課程教育研究，2015（6）：235.

[2]劉艷軍，張春青，趙海賢.基于PLC的交通燈控制系統設計及教學應用[J].科技創新導報，2011（7）：152-153.

[3]方貴盛，王云鳳，陳劍蘭.智能交通燈PLC控制實驗裝置研制[J].實驗室研究與探索，2012，11（31）：204-208+220.

[4]許其清，等.多路口聯控智能交通燈的設計與實現[J].控制工程，2009，16（11）：34-38.

[5]謝智英.十字路口交通燈在PLC實訓中的應用[J].科技信息.2013（8）：208-209.

[6]顧曙敏，王洪福.基于PLC的無交匯交通信號燈系統[J].科技通報，2013，29（12）：230-232.

[7]殷佳琳，李晶，王靜.基于一個定時器的PLC交通燈控制系統研究[J].科技通報，2013，29（8）：63-65.

[8]陳海生，鄭萍.全虛擬PLC遠程試驗系統的研究與實現[J].自動化儀表，2013（3）：28-30.

[9]楊軼霞.基于HMI和PLC的多功能交通信號燈自動控制系統

[J].自動化與儀器儀表，2016（1）：15-16.