十字路口交通燈PLC控制程序設(shè)計與分析

王 權(quán)，周凱凱，楊 晨

0 引言

隨著城市化的進程，道路車輛越來越多，交通燈起到了十分重要的安全控制作用[1-2]。十字路口交通燈是對十字路口上縱橫兩條路上的交通進行控制的一種交通信號燈，它是一種典型的利用時間原則進行控制的系統(tǒng)。PLC作為一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置，能夠很好地完成時間順序控制，并且控制簡單、可靠性高[3-4]。三菱PLC編程方法簡單，受到很多編程者的喜愛。

1 控制要求

十字路口交通燈有紅燈、黃燈、綠燈三種，分別控制相應車道的停止、等待與順利通行，并且在東西和南北方向分別設(shè)有兩組信號燈。運行過程中，東西方向與南北方向的信號燈各自按照相應的規(guī)律被點亮與熄滅，同時它們又相互聯(lián)系，當某一組的信號燈為綠燈或黃燈時，另一組點亮綠燈或黃燈。交通燈的運行情況是：南北方向紅燈亮30秒、綠燈亮25秒、綠燈以1Hz閃爍三次、黃燈亮2秒，同時東西方向綠燈亮25秒、綠燈以1Hz閃爍三次、黃燈亮2秒、紅燈亮30秒，并循環(huán)。

系統(tǒng)中有一個啟動信號，控制六個信號燈。系統(tǒng)的輸入、輸出（I/O）地址分配情況為，啟動信號為X0，東西方向綠燈、黃燈、紅燈分別為Y0、Y1、Y2，南北方向綠燈、黃燈、紅燈分別為Y3、Y4、Y5。

2 程序?qū)崿F(xiàn)

PLC是種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段[5-6]。輸入采樣階段用來感應外部控制信號的狀態(tài)變化，將變化后的信號存儲于輸入數(shù)據(jù)暫存區(qū)。程序執(zhí)行階段根據(jù)輸入處理階段讀入的數(shù)據(jù)執(zhí)行程序，執(zhí)行的結(jié)果存儲在輸出狀態(tài)暫存區(qū)。輸出刷新階段實現(xiàn)輸出信號的信號變化。PLC采用梯形圖編程，編程方法簡單，按照使用的指令不同，三菱PLC編程可分為基本指令編程、步進指令狀態(tài)編程和應用指令編程三種。

2.1 基本指令編程實現(xiàn)

三菱PLC基本指令編程的基本思想是采用啟動、停止與保持這三種邏輯控制輸出繼電器Y的接通與斷開。分析十字路口交通燈的控制特點，程序中要控制六個輸出繼電器Y0～Y5。分別找出這六個輸出繼電器的啟停信號即可實現(xiàn)程序的控制。同時該系統(tǒng)是一個典型的時間控制原則，啟停信號都用定時器來控制。東西方向的三個交通燈在一分鐘內(nèi)完成一個周期循環(huán)，南北方向的三個交通燈也在一分鐘內(nèi)完成一個周期循環(huán)，八個定時器的定時時間與功能見表1。

表1 定時器功能表

表1分別列出了八個定時器的功能情況，在程序設(shè)計中要保持東西與南北方向的燈按照嚴格的順序點亮與熄滅，X0是T0和T10的啟動信號，同時借助一個輔助繼電器M0實現(xiàn)動作保持功能。為了試下交通燈的循環(huán)工作，可取T3與T13的下降沿信號作分別作為T0與T10的啟動信號，實現(xiàn)程序的循環(huán)工作。

2.2 步進指令狀態(tài)編程

三菱PLC的狀態(tài)編程方法是采用PLC的狀態(tài)軟元件S實現(xiàn)程序的順序控制。其編程思想是把整個系統(tǒng)分成若干步進行控制，每一步由一個狀態(tài)軟元件控制，相鄰兩步通過轉(zhuǎn)移條件相連接，完成順序控制要求[7]。步進指令狀態(tài)編程又分為單流程、并行分支與選擇分支三種。單流程針對控制對象為嚴格的順序流程的控制系統(tǒng)，并行分支針對控制程序中出現(xiàn)兩條或多條并行工作線路的控制系統(tǒng)，選擇分支針對控制程序中出現(xiàn)兩條或多條工作線路的控制系統(tǒng)。可知十字路口交通燈屬于并行分支系統(tǒng)，需要9個狀態(tài)軟元件，見表2。

表2 狀態(tài)軟元件功能表

其中T3是S24到S20的跳轉(zhuǎn)條件。其中T13是S34到S30的跳轉(zhuǎn)條件。S0為初始狀態(tài)，是狀態(tài)編程中不可缺少的，狀態(tài)編程的結(jié)束指令為RET。

2.3 應用指令移位編程

三菱PLC的移位指令（SFT）也可以實現(xiàn)2.2中的順序控制[8]，且不需要有初始狀態(tài)。針對十字路口交通燈的控制特點，可以采用兩個位左移（SFTL）指令，一個（SFTL M0 M10 K4 K1）控制南北方向，一個（SFTL M0 M20 K4 K1）控制東西方向。M10～M13功能同2.2中S20～S23，M20～M23功能同2.2中S30～S33，指令的啟動信號為X0，每次移位的控制信號為表2中相應的定時器的下降沿信號。

3 系統(tǒng)分析

在實際當中，由于交通的流通情況會隨著時間或季節(jié)等的外界條件變化而變化，這時候要人為更改程序中定時器的定時時間就顯得過于麻煩，為了解決這種情況，可以把以上各個定時器的時間設(shè)定值K用數(shù)據(jù)寄存器D來表示，D的數(shù)值改變可以改變系統(tǒng)交通燈的點亮時間，進而更加智能地調(diào)節(jié)交通，緩解交通擁堵情況擁堵。

增加PLC的輸入點，把感應交通擁堵情況的傳感器加入PLC的輸入信號，以此改變程序中數(shù)據(jù)寄存器D的數(shù)值，從而把控制系統(tǒng)與被控對象的實時情況聯(lián)系起來，形成閉環(huán)控制，使控制系統(tǒng)更加人性化、智能化。

4 總結(jié)

根據(jù)十字路口交通燈的控制要求，提出了三種控制程序的編寫方法，都能滿足控制要求，且各有特點。同時聯(lián)系實際，分析交通燈在不同交通情況下定時時間改變的方法，符合當下十字路口交通燈的控制要求，有良好的實用價值。