李 航

遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院 沈陽(yáng) 110023

1 設(shè)計(jì)背景

科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步推動(dòng)著諸多領(lǐng)域向前發(fā)展,尤其是汽車領(lǐng)域的發(fā)展更為明顯。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截止至2017年,我國(guó)有近2.7億輛汽車?？梢哉f,汽車幾乎已經(jīng)進(jìn)入城市的每個(gè)角落[1]。與此同時(shí),汽車的迅速增多給城市的交通狀況帶來(lái)了極大的沖擊和挑戰(zhàn),城市交通的合理有效運(yùn)行急需一個(gè)工作穩(wěn)定、可靠的交通燈控制系統(tǒng)作為保障。當(dāng)今世界廣泛使用的可編程序控制器(PLC)將多種先進(jìn)技術(shù)結(jié)合于一體,具有編程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、易于維修等特點(diǎn)[2-4]。筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于定時(shí)器、中間繼電器和PLC的交通燈控制系統(tǒng),以西門子S7-200系列PLC為核心,分析交通燈控制要求,分配輸入輸出地址,搭建硬件電路,設(shè)計(jì)時(shí)序圖、功能順序圖及梯形圖,最終通過運(yùn)行調(diào)試,實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈進(jìn)行自動(dòng)控制,達(dá)到了預(yù)期效果。

2 控制要求

基于定時(shí)器、中間定時(shí)器和西門子S7-200 PLC設(shè)計(jì)十字路口交通燈控制系統(tǒng)。在一個(gè)十字路口,有東西、南北兩個(gè)方向[5-6],每個(gè)方向各設(shè)有紅燈、綠燈、黃燈。紅燈、綠燈、黃燈的具體控制要求如下。

(1) 任意時(shí)刻按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕,交通燈控制系統(tǒng)開始工作;

(2) 東西方向綠燈亮25 s,綠燈閃爍3 s,黃燈亮2 s;然后南北方向綠燈亮25 s,綠燈閃爍3 s,黃燈亮2 s;

(3) 在東西方向綠燈亮、綠燈閃爍及黃燈亮的同時(shí),南北方向紅燈亮;

(4) 在南北方向綠燈亮、綠燈閃爍及黃燈亮的同時(shí),東西方向紅燈亮;

(5) 十字路口的交通信號(hào)燈按以上規(guī)律不斷重復(fù);

(6) 任意時(shí)刻按下系統(tǒng)停止按鈕,交通燈控制系統(tǒng)停止工作。

3 輸入輸出地址分配

交通燈控制系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC,硬件資源完全滿足系統(tǒng)開發(fā)的需要[7-8]。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,交通燈控制系統(tǒng)的輸入輸出地址分配見表1、表2。系統(tǒng)共有兩個(gè)輸入按鈕,分別是啟動(dòng)按鈕和停止按鈕。啟動(dòng)按鈕使系統(tǒng)開始正常運(yùn)行,停止按鈕使系統(tǒng)立刻停止運(yùn)行。

表1 交通燈控制系統(tǒng)輸入地址分配

表2 交通燈控制系統(tǒng)輸出地址分配

將功能相同的東西兩個(gè)方向紅燈、綠燈、黃燈合并控制,將功能相同的南北兩個(gè)方向紅燈、綠燈、黃燈合并控制,進(jìn)而將輸出端口歸并為六個(gè),即東西方向的紅燈、綠燈、黃燈和南北方向的紅燈、綠燈、黃燈。如此設(shè)計(jì),既可以節(jié)省輸出點(diǎn)數(shù)資源,又滿足控制要求。

4 硬件接線

交通燈控制系統(tǒng)硬件接線如圖1所示。

S7-200 PLC的電源輸入L1端和N端接單相交流220 V電,保證PLC的可靠工作[9]。使用兩個(gè)常開按鈕作為交通燈控制系統(tǒng)的啟動(dòng)按鈕和停止按鈕,將它們的一端分別接S7-200 PLC的輸入端I0.0和I0.1,另一端接PLC的L+端,同時(shí)將PLC輸入端的M和1M短接,這樣保證輸入端的I0.0和I0.1能夠可靠供電[10-11]。

圖1 交通燈控制系統(tǒng)硬件接線

使用Q0.0～Q0.5這六個(gè)端子分別接六個(gè)交通信號(hào)燈,同時(shí)還要向這六個(gè)交通信號(hào)燈提供直流電源。PLC輸出端的1L和2L短接,這樣保證輸出端的可靠供電。

5 時(shí)序圖

交通燈控制系統(tǒng)東西方向和南北方向的運(yùn)行情況是一致的,系統(tǒng)在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)完成兩個(gè)方向交通信號(hào)燈的控制,東西方向?yàn)榫G燈亮25 s,綠燈閃爍3 s,黃燈亮2 s,紅燈亮30 s,南北方向?yàn)榧t燈亮30 s,綠燈亮25 s,綠燈閃爍3 s,黃燈亮2 s。其中,綠燈的閃爍頻率都是亮0.5 s、滅0.5 s。交通燈控制系統(tǒng)時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 交通燈控制系統(tǒng)時(shí)序圖

6 順序功能圖

交通燈控制系統(tǒng)中有六個(gè)時(shí)間段,因此需要使用PLC中的定時(shí)器來(lái)控制和處理時(shí)間。在輸出端中需要處理東西、南北方向的綠燈亮和綠燈閃爍,不能直接使用輸出繼電器控制,否則會(huì)導(dǎo)致重復(fù)輸出,因此,考慮使用中間繼電器間接控制輸出繼電器。交通燈控制系統(tǒng)的順序功能圖如圖3所示。

圖3 交通燈控制系統(tǒng)順序功能圖

使用六個(gè)中間繼電器M0.0、M0.1、M0.2、M0.3、M0.4、M0.5,分別與東西方向綠燈亮、綠燈閃爍、黃燈亮,以及南北方向綠燈亮、綠燈閃爍和黃燈亮的狀態(tài)相對(duì)應(yīng),得電接通的時(shí)間依次為25 s、3 s、2 s、25 s、3 s、2 s。六個(gè)定時(shí)器T37、T38、T39、T40、T41、T42的定時(shí)時(shí)間依次為25 s、3 s、2 s、25 s、3 s、2 s。S7-200 PLC中的特殊繼電器SM0.5可以提供周期為1 s的脈沖信號(hào),用于實(shí)現(xiàn)東西和南北方向的綠燈閃爍,順序功能圖中未畫出。

7 梯形圖程序

交通燈控制系統(tǒng)的梯形圖采用時(shí)間順序控制方式設(shè)計(jì)。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí),交通燈控制系統(tǒng)開始按控制要求工作。當(dāng)按下停止按鈕時(shí),交通燈控制系統(tǒng)停止運(yùn)行。

在實(shí)現(xiàn)東西方向綠燈亮25 s、綠燈閃爍3 s、黃燈亮2 s時(shí),使用的是M0.0、M0.1和M0.2三個(gè)中間繼電器,以及T37、T38和T39三個(gè)定時(shí)器,中間繼電器和定時(shí)器控制梯形圖程序如圖4所示。系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕I0.0啟動(dòng)中間繼電器M0.0并自鎖保持,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T37工作。定時(shí)器T37工作25 s后,啟動(dòng)中間繼電器M0.1并自鎖,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T38工作,并且需要用M0.1的常閉觸點(diǎn)使M0.0和T37停止工作。定時(shí)器T38工作3 s后,啟動(dòng)中間繼電器M0.2并自鎖,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T39工作,并且需要用M0.2的常閉觸點(diǎn)使M0.1和T38停止工作。停止按鈕I0.1可以停止所有中間繼電器和定時(shí)器工作,定時(shí)器T42觸點(diǎn)用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)控制。

圖4 交通燈控制系統(tǒng)中間繼電器和定時(shí)器控制梯形圖程序

實(shí)現(xiàn)南北方向綠燈亮25 s、綠燈閃爍3 s、黃燈亮2 s與東西方向原理類似,只是使用另外的M0.3、M0.4和M0.5三個(gè)中間繼電器,以及T40、T41和T42三個(gè)定時(shí)器。

實(shí)現(xiàn)東西方向綠燈、黃燈和紅燈功能使用的是輸出繼電器Q0.0、Q0.1和Q0.5。綠燈需要亮25 s和閃爍3 s,因此Q0.0并聯(lián)M0.0和M0.1兩個(gè)支路。黃燈需要亮2 s,因此Q0.1用M0.2觸點(diǎn)直接連接。紅燈需要亮30 s,因此Q0.5并聯(lián)M0.3、M0.4和M0.5三個(gè)支路。系統(tǒng)的輸出控制梯形圖程序如圖5所示。

實(shí)現(xiàn)南北方向綠燈、黃燈和紅燈功能與東西方向原理類似,只是使用另外三個(gè)輸出繼電器Q0.2、Q0.3和Q0.4。

圖5 交通燈控制系統(tǒng)輸出控制梯形圖程序

8 梯形圖程序優(yōu)化

在交通燈控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題。在按下啟動(dòng)按鈕I0.0后,系統(tǒng)開始運(yùn)行,任意時(shí)刻再次按下啟動(dòng)按鈕I0.0,系統(tǒng)又開始運(yùn)行,產(chǎn)生的現(xiàn)象是同一時(shí)間系統(tǒng)會(huì)有兩盞以上的燈亮,系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)亂。導(dǎo)致這一問題的原因是系統(tǒng)的梯形圖程序中沒有區(qū)別第一次啟動(dòng)系統(tǒng)和其它次啟動(dòng)系統(tǒng),進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)中間繼電器和定時(shí)器隨啟動(dòng)按鈕I0.0被按下而啟動(dòng),系統(tǒng)出現(xiàn)混亂。因此,需要對(duì)梯形圖程序進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)圖5中的中間繼電器M0.0梯形圖程序進(jìn)行修改優(yōu)化,優(yōu)化后系統(tǒng)梯形圖程序如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后交通燈控制系統(tǒng)梯形圖程序

當(dāng)系統(tǒng)沒有啟動(dòng),即啟動(dòng)按鈕I0.0沒有按下時(shí),中間繼電器M0.0沒有接通,整個(gè)系統(tǒng)不啟動(dòng)工作。當(dāng)系統(tǒng)第一次啟動(dòng),即啟動(dòng)按鈕I0.0第一次按下時(shí),在啟動(dòng)之前東西和南北方向的紅燈都沒有亮,因此串聯(lián)輸出繼電器Q0.5和Q0.4的常閉觸點(diǎn)來(lái)消除系統(tǒng)混亂的現(xiàn)象。因?yàn)橹挥性诘谝淮螁?dòng)前,東西和南北方向的紅燈沒有工作,而以后再次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)都會(huì)有東西或南北方向的紅燈亮,所以優(yōu)化后能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

9 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于定時(shí)器、中間繼電器和PLC設(shè)計(jì)了交通燈控制系統(tǒng),采用西門子S7-200系列PLC為控制核心,在對(duì)十字路口交通燈控制要求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,分配輸入輸出地址,搭建硬件電路,設(shè)計(jì)時(shí)序圖和功能順序圖,進(jìn)而設(shè)計(jì)梯形圖程序。通過運(yùn)行調(diào)試,優(yōu)化了梯形圖程序,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)交通燈控制系統(tǒng)的功能。這一系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行,具有一定的實(shí)用價(jià)值。