基于組態王與PLC的交通燈控制系統設計

王良成 李 碩

(三亞學院，海南 三亞 572000)

1 引言

該系統的設計目的，是針對車流量較大，容易發生沖突的交通路口進行有效便捷地疏散、分配有效的通行權，保證車輛的正常行駛以及行人的安全，提高道路的利用率以及道路的容量。該設計給出了一種具有方向信號、顯示醒目的的交通控制燈系統，即紅綠燈控制系統。以及表示行人的可通行和不可通行(用箭頭表示)、車輛的前進方向等帶有箭頭或符號的信號燈。該系統主要由三個部分組成：監控中心設置上位機，安裝組態王監控程序，用于實時顯示現場交通燈的工作情況。十字路口設置下位機，即現場PLC，用于現場紅綠燈的工作狀態控制。現場紅綠燈為被控對象，上位機與下位機的通信采用RS242總線[1]。十字路口平面圖如圖1所示。

圖1 十字路口平面圖

2 PLC控制系統設計

日本三菱公司系列PLC是在美國公司產品基礎上發展起來的，其控制性能優越，尤其是在中小型機上優勢明顯?；谖覈幕厩闆r，它是較早進入中國市場的產品。本項目所采用的FX3U系列PLC是在FX2N基礎上發展起來的小型機，其控制功能穩定，性能良好，得到了中小企業的廣泛認可。每個PLC廠家都有其PLC的編程軟件，三菱的編程軟件GX Developer用于三菱PLC的編程，它可以編寫程序，對程序注釋，調試和設置PLC參數，它針對全系列的三菱PLC寫入程序簡單，更能在線監視。

2.1 需求分析

系統功能主要分為兩大功能：紅綠燈控制和潮汐車道控制，當潮汐車道不參與道路通行控制時為直行狀態，當左轉車流較大時可通過人工或者流量監測系統啟動潮汐控制。即，按下啟動按鈕后，潮汐車道紅綠燈與直行紅綠燈同步控制，實現直行控制，否則與左轉車道紅綠燈控制相同，實現左轉控制，各向右轉均為黃燈且亮。南北方的直走車道維持24秒后接著再以1秒閃一下的方式閃爍3次，然后直走車道黃點亮并維持3秒后變紅，東西方的斑馬線道與直走道同時綠且維持24秒后接著再以1秒閃一下的方式閃爍3次后變為紅。30s后，南北左轉亮24s，24s后綠燈以1秒一次閃3次，然后黃燈亮3秒隨后變紅燈，人行道其余各路口所有燈為紅燈，隨后東西方的直走車道維持24秒后接著閃爍3次，然后直走道黃燈亮并維持3秒后變紅，東西向的斑馬線道與直走道同時綠燈亮且維持24秒后接著閃爍3次后變為紅，維持95s。人行道22s后綠燈以1秒一次閃3s，后變為紅燈，持續95s。依次循環下去。

2.2 PLC接線圖

X0、X1為啟動和停止按鈕，選用能自復位的按鈕開關，X2到X6為控制東南西北四個方向的潮汐車道的輸入，使用按鍵開關，按一下后松手不復位，類似萬能轉換開關，但不同的是它只控制通和斷，即輸入1和0，1是潮汐車道為直行，0時潮汐車道為左轉。

由于相對車道間交通信號燈機制是一樣的，如南北兩邊，從南向北行駛，和從北向南行駛的信號燈是一致的，因此Y0到Y7、Y10到Y17對應的信號燈控制模式相同。而Y20輸出的是右轉車道燈，本設計的交叉路口都有專用的右車道，因此右轉道上的輸出則是每個方向的一個信號燈共需要并聯4個。Y20到Y27和Y30用于潮汐車道的控制，每個方向需要兩個信號燈，一共8個，4個為直行剩下的則為左轉，所以每個輸出對應一個單一的輸出信號。

輸入前端的COM為輸入公共端，用于連接各種開關、按鈕等用戶輸入設備，而輸出部分的輸出公共端則是接輸出設備的，根據輸出端來放置需要的負載電源，設計中的交通燈所需電源為220V交流電，PLC接線圖如圖2所示。

圖2 PLC接線圖

2.3 時序圖

由于交通燈的相應變化與時間有關，在程序啟動后，繪制出PLC輸出的各個口對應的交通燈隨時間變化的輸出狀態圖，高電平即為有輸出，該端口指示燈及信號燈亮，反之低電平時，則該端口的信號燈滅。路口信號的控制時序圖如圖3所示。

圖3 控制時序圖

3 組態監控系統設計

組態軟件更加形象具體的稱呼應該為人機界面HMI英文（全稱為Human Machine Interface）/監控與數據采集SCADA（英文全稱為Supervisory Control And Data Acquisition）的軟件，組態軟件實現的主要功能特點是實時多任務，即能隨時執行多個任務，使系統的應用更加靈活。組態軟件能解決人機圖形界面和計算機數字控制問題，隨著計算機科技的不斷發展，用戶需求的增加，相應的軟件功能也在增加，組態軟件也不例外，其提供了實時數據庫控制、SCADA、通信聯網、更加開放的數據接口等功能[2]。對不同I/O設備的廣泛支持和使用成為了現階段組態軟件的主要功能，隨著科技的不斷發展，相信組態軟件也能一步一步賦予新的內涵。

“組態王”軟件是目前國內具有自主知識產權、市場占有率較高的組態軟件，可在Windows平臺上使用[3]。其使用范圍涵蓋了化工、制藥、冶金等多個工業領域，以其直觀、實用、可操作強等特點而得到廣泛使用，是現代工業控制必不可少的工具。該軟件功能強大，涉及面較廣，軟件主要包含工程瀏覽器、工程管理器、畫面開發和運行四個部分。工程管理器是用于項目開發，創建新的工程，包括工程名稱、工程信息、加密等等功能。工程瀏覽器可用于調試工程、配置項目的相關信息。畫面開發給用戶提供了一個開發和運營的圖像畫面工程管理窗口，將能夠看到的項目開發和畫面操作與生產系統和工程系統調用相聯系。其操作流程大致可以分為四個部分：首先是設計圖形界面，即通過其畫圖工具畫出你想要的圖形設計；接著為你的圖形創建需要的變量方式，也就是數組變量和命令語言，使用變量連接下位機程序端口；隨后就是建立和連接圖形動畫與程序；最后是正常的運行和調試。

3.1 組態王動畫設計

通過組態王自帶的畫圖以及圖庫工具，按照十字路口狀況畫出簡易的交通路口情況。要求：畫出各個路口的車道線以及黃線，標明每個車道的指向（直行或者左轉以及潮汐道），直行也可左轉，還有相應的人行道斑馬線，以及各個黃色禁止線。各個路口3個燈，右側由直行紅燈綠燈黃燈及黑燈疊加，中間的為潮汐車道燈，由直行紅燈綠燈黃燈和左轉紅燈綠燈黃燈以及黑燈疊加而成，左側由左轉紅燈綠燈黃燈以及黑燈疊加而成，右轉燈為各個路口一個由黃燈與黑燈疊加，人行燈由紅燈綠燈黑燈三個燈疊加而成，每個黑燈都應為圖像的疊加層最下層。加入兩個按鈕將文本改為啟動與停止。增加4個開關，分別表示潮汐車道的4個方向控制，動畫設計界面如圖4所示。

圖4 組態王動畫

3.2 各變量的創建

在工程瀏覽點擊左邊的數據詞典，新建系統內相關變量，當選擇I/O的類型時，下方可以選擇所連接的設備端口、類型以及讀寫的操作。在交通燈系統的控制中均為離散型變量，故選擇的是I/O離散型變量，它連接的設備則是硬件三菱的PLC，對應的寄存器則是在GX Developer軟件中的程序輸出端口，數據類型為字節型，讀寫屬性為讀寫，即既可讀取也可寫入，具體需求根據程序選擇。

3.3 命令語言的連接

在右側的事件命令語言中設置新建的命令，用作程序語言的相互連接，各類動畫的開始結束，以及相應的水平連接。小車在左轉車道的控制：左轉的第一步應該在“事件描述”中選擇“東西左轉1”的變量，當它等于1的時候即直行，發生時即為“東西方向左轉=1”成立，則相應地在寫入程序時同時發生，即顯示=1，并且在顯示的同時讓小車開始移動。存在時則是在事件描述中的條件表達式成立時，在表達式成立的時間內，在語言框中寫入想要直行的動作的條件，并且執行的周期可以自由設置，初始為3000毫秒。消失時則是當條件表達式不成立的瞬間，動作停止。

4 結論

該項目針對十字路口的交通控制需求設計了一款基于組態王與PLC的交通燈控制系統，系統具有潮汐車道控制功能。通過三菱PLC與組態王的聯合仿真，實現了對十字路口的車輛與人行的控制，使用組態王軟件可以提供監控畫面，從而可以進行實時在線監控。最終實現了東、西、南、北四個方向帶有潮汐車道控制的十字路口的交通燈，潮汐車道在選擇直行或左轉后，其變化與相同道的直行或左轉相同，潮汐車道功能正常。

參考文獻：

[1]趙鵬，荊紅莉．基于P L C的交通燈監控系統設計[J].電氣自動化，2016(3)：105-107．

[2]張天宏．航空發動機C A T組態軟件技術研究[D]．南京：南京航空航天大學，2009．