基于PLC的交通信号灯控制系统创新实验平台的设计与实现.pdf

7 0 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 3年第 2期 基 于 P LC 的交通 信 号 灯控 制 系统 创 新实验 平 台的设计 与实现 师亚娟 ， 朱忠杰 1 ． 陕西工业职业技术学院 电气工程学院； 2 ． 陕西西微测控工程有限公司， 陕西 成阳7 1 2 0 0 0 摘要 针对高职院校相关专业的 P L C创新实验课程要求， 提出了一种基于西门子 s 7 2 0 0型 P L C 的交通信号灯控制系统 实验平台的设计方案。分别从控制 系统控制策略、 P L C选型、 端 口规划、 工作 流程、 梯形图实现以及整体程序综合调试等方面详尽介绍 了该创新实验平台的设计思路和实现方法。 学生通过基于该平台的模拟调试， 达到了培养学生创新能力和形成整体方案设计思路的目的。 关键词 P L C； 交通信号灯控制 系统 ； 系统设计 ； 创新实验 中图分类号 U 4 9 1 ． 5 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 3 0 2 0 0 7 0 0 3 De s i g n a nd r e a l i z a t i o n o f t he i n no v a t i v e e x pe r i me n t a l p l a t f o r m o f t r a ffi c l i g ht c o nt r o l s y s t e m b a s e d o n PLC S HI Y u a n ， Z H U Z h o n g j i e 。 1 ．E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t ， S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ； 2 ． C I WE C o ． ， L t d ．， S h a a n x i X i a n y a n g 7 1 2 0 0 0，C h i n a Abs t r a c t A d e s i g n o f t r a f f i c l i g h t s y s t e m i n n o v a t i v e e x p e r i me n t a l p l a t f o r m wh i c h b a s e d o n S i e me n s s 7 2 0 0 PLC wa s pr e s e n t e d i n t h i s pa p e r ．Th i s e x p e r i me n t a l p l a t f o rm i s u s e d i n P LC i n n o v a t i o n e x p e r i me n t c o u r s e i n c o l l e g e s a n d u n i v e r s i t i e s ． Th e d e s i g n i d e a a n d r e ali z a t i o n me t h o d we r e i n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y f r o m s e v e r a l a s pe c t s，d e s i gn s t r a t e g y o f t h e c o n t r o l s y s t e m ，PL C mo d e l s e l e c t i o n，p o r t p l a n n i n g，wo r k i n g p r o c e s s ， l a d d e r d i a g r a m d e s i gn a n d o v e r a l l p r o g r a m d e b u g n g ．B y u s i n g t h e e x p e r i m e n t p l a t f o rm ，t h e s t u d e n t s ’ i n n o v a t i o n a b i l i t y wa s c u l t i v a t e d a n d i t h e l p s t h e m t o f o r m t h e o v e r a l l s c h e me d e s i gn i d e a s ． Ke y wo r d s PL C；t r aff i c l i g h t c o n t r o l s y s t e m ；s y s t e m d e s i g n；i n n o v a t i v e e x pe r i me nt 0 引言 交通信号灯的出现 ， 使交通得 以有效管制 ， 对于 疏导交通流量 ， 提高道路通行能力 ， 减少交通事故具 有明显的效果 。P L C是以微处理器为基础 ， 综合 了 计算机技术、 自动控制技术和通信技术发展起来的 一 种通用的工业 自动控制装置 ， 它具有体积小 、 功能 强、 灵活通用、 维护方便等一系列优点， 尤其是其高 可靠性和较强的适应恶劣环境的能力而受到用户的 青睐， 在冶金、 化工、 交通、 电力等领域获得了广泛的 应用， 成为现代工业控制的三大支柱之一。将可编 程控制器应用于交通管理系统， 不但增强了交通管 理的先进性和科学化， 更能够简单经济地疏导交通， 收稿 日期 2 0 1 20 91 9 作者简介 师亚娟， 讲师， 2 0 0 2 年毕业于甘肃大学电气工程及自 动化专业， 主要研究方向为自动化生产线， 集散控制系统。 提高交通路口的通行能力。 该创新实验平台是以工程设计实例和实际生活 应用为背景 ， 分析了当前城市交通控制 与管理 问题 的现状 ， 结合城市交通 的实 际情况阐述 了十字路 口 交通灯控制系统的工作原理 ， 给 出了一种简单实用 的城市单个十字交叉路 口的交通灯控制系统 的 P L C 设计方案 。让学生 了解交通信号灯的工作原理和过 程， 引导学生设计系统的流程图和程序， 并进行模拟 仿真验证， 最后设计系统的硬件接线图。通过该实 验项目， 学生对 P L C系统设计有了全方位的认识， 提高了学生的学习水平和职业素养。 1 交通信号灯控制系统原理 1 ． 1 交通信号灯常规控制要求 图 1所示为实验平 台示意图 ， 某一 十字路 口东 西南北 4个方 向各设置红黄绿 3只交通信号灯 。控 2 0 1 3年第2期 工业仪表与自动化装置 7 l 制要求 按下启动按钮后， 东西方向的绿灯、 黄灯、 红 灯依次亮 4 s 闪 2 s 、 亮 2 s 、 亮 8 s ； 对应的南北红灯 、 绿灯 、 黄灯依次亮 8 S 、 亮 4 S闪 2 s 、 亮 2 S ； 如此循 环。按下停止按钮 ， 所有灯熄灭 ， 启动按钮再次接通 后 ， 重复上述过程。 图 1 实验平 台模拟交通灯不 意图 1 ． 2交通信号灯 系统工作时序图 正常模式下三色信号灯的工作顺序是 绿灯 黄灯一红灯一绿灯一黄灯一红灯。如此按照设定的 时序亮灭。图 2是 交通信号灯 系统工作一个周 期 4 0 s 的时序图， 其中高电平为亮灯， 低电平为灭 灯。按下启动开关 ， 交通灯系统按照此 时序工作一 个周期并循环 ， 按下停止开关交通信号灯系统停止 ， 所有灯均熄灭 。重新启动后则从头开始。 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 南北红灯 南北绿灯 南北黄灯 r ] r ] 3 s 3 s 图2 交通信号灯系统时序图 2 交通 信号灯控制 系统设计 与实现 2 ． 1 P L C的选型 在 P L C系统设计时， 首先应确定控制方案， 下 一 步工作就是 P L C工程设计选型。工艺流程的特 点和应用要求是设计选型的主要依据。工程设计选 型和估算时 ， 应详细分析工 艺过程 的特 点、 控制 要 求， 明确控制任务和范围， 确定所需的操作和动作， 然后根据控制要求， 估算输入输出点数， 所需存储器 容量， 确定 P L C的功能， 外部设备特性等， 最后选择 有较高性能价格比的P L C ， 设计相应的控制系统。 由于系统是为实验 目的而开发 ， 控制要求 比较 简单 ， 选型时以 I ／ 0点数为主要 依据。I ／ 0点数估 算时应考虑适 当的余量 ， 通常根据统计 的输入输 出 点数， 再增加 1 0 ％ ～ 2 0 ％的可扩展余量后， 作为输 入输 出点数估算数据。实 际订货时 ， 还需根据制造 厂商 P L C的产品特点， 对输入输出点数进行圆整。 根据系统控制要求 ， 选择西门子 s 72 0 0系列 P L C， C P U 2 2 4 ， 共 1 4路 D I ， 1 0路 D O ， 系统还有一定的余 量 ， 可扩展。 2 ． 2 I ／ o 分 配 分析系统控制要求可知 ， 需输入点数 2个 ， 输 出 点数 6个。规划 I ／ 0分配表如表 1 所示 。 表 1 交通信 号灯 I ／ O分配表 输入信号 输出信号 2 ． 3交通信号灯程序设计 交通信号灯的控制具有一定的规律。东西方向 和南北方向的信号灯控制具有严格的时间关系， 在 同一周期里 ， 东西方向的信号灯只有一个点亮 ， 南北 方向的信号灯也只有一个点亮。图3 为交通信号灯 控制流程 图。 、 ， ● ’ r 东西绿灯亮 1 5 s 南北红灯 2 0 S 闪 烁2 S J r 1 r 南北绿灯 1 5 s 东西黄灯 3 s 闪烁 2 s r ’ r 东西红灯 2 0 s 南北黄灯 3 s I 完 成 一 个 周 期J N ／ ＼ 图 3 交通信号灯系统控制流程图 7 2 工业仪表与自动化装置 2 0 1 3年第 2期 编写正交通信号灯梯形 图程序 的方法 多种多 样 ， 可以用若干个定时器完成 ， 可以用一个定时器和 若干条比较指令完成， 可以用数据传输指令完成， 还 可以用顺序控制指令完成 。图 4给 出用一个定时器 和若干条比较指令配合完成的交通信号灯控制系统 梯形图程序。 网络 1 网终摭 髓 Q O ． 1 H Q0 ．2 H 3 7 0 Q O ．4 H Q O ．5 H 图4 交通信号灯梯形图程序 2 ． 4 系统硬件连线设计 图5为十字路 口交通灯控制系统硬件连线图。 启动 S B1 ／ 1 0 ．O Q 0 0 ／ 1 0 ． 1 Q 0 1 _ _ 停止 S B 2 Q 0 ．2 C P U 2 2 4 Q o ．3 Ac／ Dc， RL Y OO．4 I 一 2 4VDC Qo ． 5 ～ L _一 一 2 4VDC Ll 2 2 0 N o 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 南北绿灯 南北黄灯 南北红灯 AC 图5 十字路口交通灯控制系统硬件连线 3 结束语 系统设计完成后 ， 将用 S T E P 7一M i c r o Wi n软件 编写的梯形 图程序下 载到 P L C中进行调试 。在实 际教学过程 中， 可不断增强控制要求 ， 比如分时段控 制 ， 增加人行横道控制 ， 增加时 间数字显示 功能 ， 增 加监控系统等等， 以提高学生系统设计的能力。该 交通信号灯控制方案是专为实验教学开发的， 经过 使用， 教学效果明显， 较好地提高了学生理论联系实 际的学习能力 ， 增强了学生 的动手能力 ， 对学生编程 思想的形成有一定作用。 参考文献 [ 1 ] 王永华． 现代电气控制及 P L C应用技术[ M] ． 北京 北 京航 空航天大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] 丁金婷， 吴国忠． 基于 P L C的交通十字路口模糊控制 [ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 6 2 3 1 9 2 71 9 3 0 ． 上接第 5 3页 参考文献 [ 1 ] J i a n j u n S u n ． T h e O n l i n e Mo n i t o r i n g S y s t e m o f T o o l We a r i n N u me r i c al C o n t r o l P l u n g e Mi l l i n g b a s e d o n P C1 0 4 B u s [ c ] ．P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Au t o ma t i o n a n d L o g i s t i c s A u g u s t ，2 0 0 7 1 6 7 91 6 8 3 ． [ 2 ] WA N G X i a o h o n g ． Mo t i o n C o n t r o l f o r R e s c u e R o b o t b a s e d o n P C 1 0 4 a n d C P L D[ C] ．2 0 0 9 I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n d u s t r i a l Me c h a t r o n i c s a n d Au t o ma t i o n， 2 0 0 9 3 1 7 3 2 0． [ 3 ] 刘乐善， 欧阳星明， 刘学清． 微型计算机接 口技术及应 用[ M] ． 武昌 华中科技大学出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] C h a o C h e n ． D a t a A c q u i s i t i o n S y s t e m o f U l t r a Wi d e B a n d L i f e D e t e c t i o n Ra d a r b a s e d o n P C1 0 4 a n d F P G A f C] ． 2 0 1 2 I n t e rna t i o n al C o nfe r e n c e o n S y s t e ms a n d I n f o r ma t ． i c s 。 2 01 2 3 8 0 3 8 4 ． [ 5 ] J u n h u i Y i n ． R e s e a r c h o f T e s t i n g T e c h n o l o g y f o r G u n ’ S I n i t i a l D i s t u r b a n c e b a s e d o n E mb e d d e d P C1 O 4 a n d P S D O p ． t i c a l L e v e r 『 C] ． Th e Ni n t h I n t e rna t i o n a l Co n f e r e n c e o n E． 1 e c t r o ni c Me a s u r e me n t ＆I ns t r ume nt s，2 o o91 ／ 92 3 一 l ／ 9 2 7 ． [ 6 ] 章超， 王新华 ， 郭淑琴． 基于 C P L D的 F P G A总线的实 现[ J ] ． 杭州电子科技大学学报， 2 0 1 2 8 l 1 41 1 7 ． [ 7 ]T o m S h a n l e y ， D o n A n d e r s o n ． I S A S y s t e m A r c h i t e c t u r e 『 M ] ．Th i r d Ed i t i o n ． 糊 聊 研 聊 蝴 ～ ～ ～ ～ ～ ～ 研 聊 - ． 聊 。 研 聊 ～ ] _ 钔 聊 。 一 网 一 网 一 一 网 一 网 一