基于PLC和触摸屏的多车道交通灯实训装置研发

贺小艳

摘 要：目前实训室现有的交通灯控制模型是采用LED发光二极管模拟实际的系统，真实感差，且只能实现单车道控制，与实际系统相差较远。文章研究出双向六车道交通灯控制实训装置。系统以PLC为控制核心，红绿灯和数码管为主要控制对象，触摸屏为上位机。通过一年的实际教学应用，获得了良好的教学效果。

关键词：实训装置；多车道交通灯；PLC；触摸屏；实训项目

中图分类号：TP23 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）06-0004-03

Abstract： At present， the existing traffic light control model of the training room is a system which uses LED to simulate the reality， has poor sense of reality， and can only realize single-lane control， which is far from the actual system. In this paper， a two-way six-lane traffic light control training device is developed. The system takes PLC as the control core， traffic light and digital tube as the main control object， and the touch screen as the host computer. Through one year's practical teaching and application， good teaching effect has been obtained.

Keywords： practical training device； multi-lane traffic light； PLC； touch screen； practical training project

1 意義

实训是职业教育的重要内涵[1]。实训室建设是衡量职业院校发展水平的一个重要指标，因此各所院校都非常重视实训室的建设[2]。但实际上有的实训室面临着实训设备陈旧，跟不上发展的需要（工科类尤其明显），功能简单、实训项目单一，可操作性不强等问题，缺乏完善性和系统性[3]。所以对实训设备进行二次开发是有必要的。在实训设备原有的基础上，充分结合教学内容和设备特点，从深度和广度去拓展设备的功能，开发实训、生产和科研项目，使设备的潜能得以发挥和充分利用，以提高教学效率[4]。

2 相关实训设备现状

交通灯控制系统是PLC控制在交通运输管理的一个最为重要的工作任务，也是一个典型的时序控制系统，因此交通灯控制是PLC课程教学中不可替代的一个实训项目。我国针对PLC课程开发出实训设备的生产厂家有很多，但这些实训设备都是采用LED发光二极管模拟实际的系统[5]，完全依据真实交通灯控制系统开发的实训装置目前市场是没有的。

图1是我们实训室现有的交通灯控制模型，是采用LED发光二极管模拟实际的系统，也是目前天煌、三向等知名实训设备制造商采用的交通灯控制模型[6]。这种交通灯控制实现单车道的控制模式，只能实现简单的、基本的功能，与现代城市多车道道路的实际不符。并且学生只能在实训台上调试程序，通过观察LED的轮流亮灭来判断控制的正确与否，但由于LED灯多，四个方向共有12只，学生很难反应过来。

3 系统设计

3.1 系统设计目标

交通灯控制由于贴近生活，易于实现，适合PLC初学者入门和提高是PLC课程教学中非常重要的一个实训项目。本设计的设计目标是解决实训室现有交通灯控制模型真实感差的问题。如果重新配置一套PLC控制实训装置则成本太高，并且不能完全符合我们的实际需求，因此本项目研制多车道交通灯控制实训装置。该装置配套我们实训室现有设备，要求能设计出多个实训项目，完全满足我们教学的实际需求，既丰富了教学内容，提高了学生的技能水平，又降低了教学成本。另外，由于装置所涉及的产品和技术均代表了国内行业的先进水平，除了培育学生的创新能力外，非常适合于相关专业的教师和科研人员开展课题研究的仿真实验。

通过分析PLC的课程标准，根据我校学生的实际情况，要求设计的实训装置配合实训室现有的设备能完成9个相关的实训项目，如表1所示，这9个实训项目按照从易到难的顺序安排，循序渐进地提高学生的PLC编程能力。

3.2 硬件设计

（1）系统设计思路

系统硬件以红绿灯和数码管为主要控制对象，触摸屏为上位机，PLC为主要控制核心。要求系统能实现一些常规的控制功能，如十字路口东西方向和南北方向黄绿红指示灯的循环启动；调整黄绿红指示灯的亮暗时间；紧急情况下的优先通过功能等。还要求系统能通过设计触摸屏组态软件，实现远程显示和控制；并将系统设计为双向六车道四种控制模式，使之更贴近实际交通灯控制系统。多车道交通灯控制实训系统结构如图2所示，操作者在显示端触摸屏上发出命令，PLC接收到命令后，运行控制程序，发出控制命令给信号灯和显示装置，以按命令工作。系统硬件还设置有各种模式的手动开关，以达到实现现场控制的要求。

（2）硬件设计

根据系统的控制要求，实训装置需要设置的元器件有模式选择开关3个、东西和南北方向红绿黄指示灯24个、东西和南北方向车辆检测传感器4个、4个方向的声音传感器4个、用于显示倒计时时间的数码管东西和南北方向各1个、共4个。其中，为简化硬件，用声控开关代替声音传感器，光电开关要求能检测0.35m以内的车辆。

PLC的选择。首先考虑实训室现有的PLC能否够用，根据控制要求统计输入输出点如表2所示。

根据表2所示，系统总共需要12个输入点和40个输出点。实训室现有的PLC是三菱FX3U-48M，再购置输出扩展模块，控制点数够用，不需另外购置PLC，节约了成本。

触摸屏的选择。触摸屏又称“人机界面”，是一种新型的终端显示和操作器[7]，利用组态软件编辑和显示各种按钮，取代机械按钮，达到远程控制目的，常组合PLC使用，实现整个运行过程的可视化，对系统各环节进行监控。本装置中选用GX-1275触摸屏，GX-1275触摸屏有10.4寸彩色液晶显示屏，支持触摸屏输入，支持多种通讯方式，具有良好的人机界面，便于编程等优点，在工业控制领域应用广泛[8]，同时资料多，学生入门容易。

整个装置以金属板为底板，其上按照真实道路绘制双向六车道和人行横道，如图3所示。

实训装置适合大专、本科学生学习PLC和触摸屏技术。根据学习是由简单到复杂的规律，程序的控制由易到繁，要求实训装置能根据实训内容搭建合适的控制系统，因此实训系统各部分都可拆卸，给学生提供开放结构，用于锻炼学生的接线和编程能力。

3.3 软件设计

系统软件设计包括PLC程序设计和上位机软件设计两部分[9]。PLC控制程序主要完成多车道交通灯的控制、显示功能。上位机软件设计主要通过GX-1275触摸屏配套的组态软件编辑操作界面来实现人机交互功能，。本装置的软件部分也可以作为实训项目的内容由学生来设计完成。

PLC控制分为三种工作模式：白天工作模式、夜间工作模式和紧急工作模式。由PLC先判断当前时间是白天还是夜晚，再自动进入各自的工作模式运行。当有紧急车辆通过时，系统进入紧急工作模式，同时开始倒计时20s，计时结束系统恢复到原先的工作模式继续工作。点击界面上的工作模式，再点击启动按钮，系统处于工作状态，对交通灯进行相对应的处理。工作模式由系统根据PLC的系统时间自动判断，也可以通过工作模式选择按钮或触摸屏的选择界面来修改。

4 结束语

研究开发了一种基于PLC和触摸屏的多车道交通灯实训装置，提供开放结构，方便学生自己设计实训项目，以锻炼学生的接线和编程能力。如果将装置中的车辆检测传感器用红外摄像头或地感线圈代替，则该装置完全可以应用于现有的交通灯控制，实用性非常强。

参考文献：

[1]高婕.高职院校電气实训设备开发途径的探索[J].课程教育研究，2015（6）：235.

[2]刘艳军，张春青，赵海贤.基于PLC的交通灯控制系统设计及教学应用[J].科技创新导报，2011（7）：152-153.

[3]方贵盛，王云凤，陈剑兰.智能交通灯PLC控制实验装置研制[J].实验室研究与探索，2012，11（31）：204-208+220.

[4]许其清，等.多路口联控智能交通灯的设计与实现[J].控制工程，2009，16（11）：34-38.

[5]谢智英.十字路口交通灯在PLC实训中的应用[J].科技信息.2013（8）：208-209.

[6]顾曙敏，王洪福.基于PLC的无交汇交通信号灯系统[J].科技通报，2013，29（12）：230-232.

[7]殷佳琳，李晶，王静.基于一个定时器的PLC交通灯控制系统研究[J].科技通报，2013，29（8）：63-65.

[8]陈海生，郑萍.全虚拟PLC远程试验系统的研究与实现[J].自动化仪表，2013（3）：28-30.

[9]杨轶霞.基于HMI和PLC的多功能交通信号灯自动控制系统

[J].自动化与仪器仪表，2016（1）：15-16.