解大琴

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)高職學(xué)院，上海 200437；2.上海市高級(jí)技工學(xué)校，上海 200437）

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公眾的生活質(zhì)量也日益提高，汽車成為家庭的必備品，城市人口和汽車數(shù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，使得交通擁堵問(wèn)題和交通事故的數(shù)量也急劇增長(zhǎng)，因此交通控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。

交通信號(hào)燈在城市道路交通中起到至關(guān)重要的指揮功能。因此，如何設(shè)計(jì)一個(gè)合理可靠、有著嚴(yán)謹(jǐn)時(shí)序邏輯的交通燈系統(tǒng)便成為十分重要的事。

本文以德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-300PLC 為核心，設(shè)計(jì)一套十字路口交通燈的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臅r(shí)序邏輯控制系統(tǒng)作為支撐。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，用正確的時(shí)序來(lái)控制紅黃綠燈有條不紊地發(fā)生變化，以此來(lái)保障十字路口的交通運(yùn)行安全。

1 項(xiàng)目概況

1.1 控制要求

雙干道交通信號(hào)燈設(shè)置四組信號(hào)燈。具體控制要求如下[1-2]：

一是信號(hào)燈的動(dòng)作受開(kāi)關(guān)總體控制，按一下啟動(dòng)按鈕（常開(kāi)按鈕），信號(hào)燈系統(tǒng)開(kāi)始工作，并周而復(fù)始地循環(huán)動(dòng)作；按一下停止按鈕（常開(kāi)按鈕），所有信號(hào)燈都熄滅。

二是東西向和南北向道路車流量不同，東西綠燈和南北綠燈點(diǎn)亮?xí)r長(zhǎng)不同。

三是南北紅燈亮?xí)r，東西綠燈亮；東西紅燈亮?xí)r，南北綠燈亮。

四是綠燈在變?yōu)辄S燈前，以1Hz 的頻率閃爍5 次，黃燈亮5s 后變?yōu)榧t燈。

1.2 交通燈控制系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)要求，定下該設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案。設(shè)計(jì)所考慮的方面包括簡(jiǎn)單可靠性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)十字路口交通信號(hào)燈的基本控制。

十字路口交通燈三種，分別是紅燈、黃燈和綠燈，控制相應(yīng)車道上的車的通行、等待和停止。在系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間中，南北方向和東西方向的信號(hào)燈各自按照給定的規(guī)律點(diǎn)亮、閃亮或者熄滅。

信號(hào)燈的工作流程：

首先南北向紅燈，東西向綠燈，綠燈持續(xù)25s 后，變?yōu)橐?Hz 頻率閃爍的綠燈，起到警示作用，閃爍持續(xù)5s 后，東西向綠燈熄滅，東西向黃燈點(diǎn)亮，黃燈持續(xù)5s 后熄滅，東西向紅燈、南北向綠燈同時(shí)點(diǎn)亮；南北向綠燈持續(xù)45s 后，變?yōu)橐?Hz 頻率閃爍的綠燈，起到警示作用，閃爍持續(xù)5s 后，南北向綠燈熄滅，南北向黃燈點(diǎn)亮，黃燈持續(xù)5s 后熄滅，南北向紅燈、東西向綠燈同時(shí)點(diǎn)亮；如此周而復(fù)始[3]。

2 交通燈控制硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)以PLC 為核心。PLC 的輸入信號(hào)來(lái)自兩個(gè)方面，控制系統(tǒng)啟停的啟動(dòng)按鈕和停止按鈕。PLC 的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)6 個(gè)接觸器，由接觸器控制六組信號(hào)燈的亮滅控制。

2.2 PLC 輸入輸出端口分配

交通燈控制系統(tǒng)的輸入設(shè)備包括啟停按鈕，輸出設(shè)備包括南北向紅燈、南北向黃燈、南北向綠燈、東西向紅燈、東西向黃燈、東西向綠燈，如表1所示。

表1 端口分配表

PLC 的I/O 端子分配及端子接線圖。其中，南北向紅燈（SN_R）、南北向綠燈（SN_G）、南北向黃燈（SN_Y）、東西向紅燈（EW_R）、東西向綠燈（EW_G）、東西向黃燈（EW_Y）的控制接觸器為輸出，連接輸出模塊SM32。啟動(dòng)按鈕（SB1）和停止按鈕（SB2）為輸入，連接輸入模塊SM321。

3 十字路口交通燈編程實(shí)現(xiàn)

交通信號(hào)燈控制程序比較復(fù)雜，所以在這里分為周期控制、定時(shí)時(shí)序設(shè)計(jì)、南北向信號(hào)燈的設(shè)計(jì)和東西向信號(hào)燈四個(gè)部分來(lái)設(shè)計(jì)和介紹。

3.1 周期控制程序

如圖1所示，周期控制信號(hào)在啟動(dòng)按鈕，按下的瞬間開(kāi)始生效，在停止按鈕，按下的瞬間變?yōu)闊o(wú)效，由M0.0 這個(gè)中間觸點(diǎn)來(lái)體現(xiàn)，由此可編寫(xiě)出周期控制程序。

3.2 定時(shí)時(shí)序設(shè)計(jì)

定時(shí)時(shí)序由控制周期信號(hào)M0.0 控制，由各定時(shí)器具體實(shí)現(xiàn)控制程序，如圖2所示。

3.3 南北向信號(hào)燈控制程序

根據(jù)圖3的時(shí)序關(guān)系可知，“南北紅燈”在兩種情況下需要點(diǎn)亮：一是進(jìn)入定時(shí)周期的前35s 即M0.0 為1 且T3 定時(shí)器到達(dá)之前；二是整個(gè)周期結(jié)束即T6 定時(shí)器到達(dá)之后?！澳媳本G燈”只有在進(jìn)入定時(shí)周期后T3 定時(shí)到達(dá)且T4 定時(shí)未到達(dá)時(shí)常亮，在T4 定時(shí)到達(dá)且T5 定時(shí)未到達(dá)時(shí)以1Hz 的頻率閃亮?！澳媳秉S燈”只有在進(jìn)入定時(shí)周期后T5 定時(shí)到達(dá)且T6 定時(shí)未到達(dá)時(shí)點(diǎn)亮[4]。

3.4 東西向信號(hào)燈控制程序

根據(jù)圖4的時(shí)序關(guān)系可知，“東西紅燈”只有在進(jìn)入定時(shí)周期后T3 定時(shí)到達(dá)且T6 定時(shí)未到達(dá)時(shí)點(diǎn)亮?！皷|西黃燈”只有在進(jìn)入定時(shí)周期后T2 定時(shí)到達(dá)且T3定時(shí)未到達(dá)時(shí)點(diǎn)亮。而“南北綠燈”在三種情況下需要點(diǎn)亮：一是進(jìn)入定時(shí)周期的前25s，即M0.0 為1 且T1 定時(shí)器到達(dá)之前常亮；二是在進(jìn)入定時(shí)周期后T1定時(shí)到達(dá)且T2 定時(shí)未到達(dá)時(shí)以1Hz 的頻率閃亮；三是整個(gè)周期結(jié)束，即T6 定時(shí)器到達(dá)之后常亮[5]。

4 十字路口交通燈的仿真實(shí)現(xiàn)

將硬件組態(tài)和軟件程序下載到仿真器中，在仿真器中將CPU 點(diǎn)擊為RUN，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，將其置為ON，摁下啟動(dòng)按鈕，I0.0 接通，M0.0 置位，Q0.1 接通，南北紅燈亮，Q0.5 接通，東西綠燈亮，全部計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。

摁下停止按鈕，I0.1 接通，M0.0 復(fù)位，所有信號(hào)燈熄滅，所有計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。

定時(shí)程序段用于控制各信號(hào)燈的亮滅順序與亮滅時(shí)長(zhǎng)。在T6 計(jì)時(shí)結(jié)束后，用T6 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)所有計(jì)時(shí)器，使其重置計(jì)時(shí)。

程序段3 中，Q0.1 輸出控制南北向紅燈，在按下啟動(dòng)按鈕使M0.0 置位后，Q0.1 置位，南北紅燈點(diǎn)亮。在計(jì)時(shí)器T3 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.1 復(fù)位，南北紅燈滅。在計(jì)時(shí)器T6 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.1 置位，南北紅燈點(diǎn)亮。

程序段4 中，Q0.2 輸出控制南北向綠燈，在計(jì)時(shí)器T3 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.2 置位，南北綠燈亮。當(dāng)計(jì)時(shí)器T4 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，由M100.5 發(fā)出頻率為1Hz 的脈沖信號(hào)，使Q0.2 閃爍，南北綠燈閃爍。當(dāng)計(jì)時(shí)器T5 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，停止閃爍。

程序段5 中，Q0.3 輸出控制南北向黃燈，在計(jì)時(shí)器T5 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.3 置位，南北向黃燈亮。在計(jì)時(shí)器T6 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.3 復(fù)位，南北向黃燈滅。

程序段6 中，Q0.4 輸出控制東西向紅燈，在計(jì)時(shí)器T3 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.4 置位，東西向紅燈亮。當(dāng)計(jì)時(shí)器T6 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.4 復(fù)位，東西向紅燈滅。

程序段7 中，Q0.5 輸出控制東西向綠燈，在按下啟動(dòng)按鈕使M0.0 置位后，Q0.5 置位，東西向綠燈點(diǎn)亮。當(dāng)計(jì)時(shí)器T1 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，由M100.5 發(fā)出頻率為1Hz 的脈沖信號(hào)，使Q0.5 閃爍，東西綠燈閃爍。當(dāng)計(jì)時(shí)器T2 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，停止閃爍并熄滅。當(dāng)計(jì)時(shí)器T6計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.5 置位，東西綠燈亮。

程序段8 中，Q0.6 輸出控制東西向黃燈，當(dāng)計(jì)時(shí)器T2 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.6 置位，東西黃燈亮。當(dāng)計(jì)時(shí)器T3 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，Q0.6 復(fù)位，東西黃燈滅[6-7]。

5 結(jié)語(yǔ)

此設(shè)計(jì)從基于PLC 的交通燈系統(tǒng)控制要求出發(fā)，做了系統(tǒng)硬件、軟件等部分的設(shè)計(jì)，運(yùn)用step7 軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明：利用PLC 對(duì)交通燈的控制是可行的，基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。但是，如果要投入實(shí)際應(yīng)用，還需要進(jìn)行一些改進(jìn)，如按照不同的車流量來(lái)改變不同路段的紅綠燈時(shí)長(zhǎng)；也可以增加轉(zhuǎn)向用的紅綠燈；在綠燈和紅燈即將結(jié)束時(shí)增加一個(gè)倒計(jì)時(shí)，使司機(jī)可以更加直觀地知道紅綠燈即將亮滅的時(shí)間。一個(gè)直觀且可靠的系統(tǒng)，可以使交通變得更加有序、更加安全，可以減少事故的發(fā)生。