基于定时器、中间继电器和PLC的交通灯控制系统

李 航

辽宁轨道交通职业学院 沈阳 110023

1 设计背景

科学技术的不断进步推动着诸多领域向前发展,尤其是汽车领域的发展更为明显。据不完全统计,截止至2017年,我国有近2.7亿辆汽车。可以说,汽车几乎已经进入城市的每个角落[1]。与此同时,汽车的迅速增多给城市的交通状况带来了极大的冲击和挑战,城市交通的合理有效运行急需一个工作稳定、可靠的交通灯控制系统作为保障。当今世界广泛使用的可编程序控制器(PLC)将多种先进技术结合于一体,具有编程简单、抗干扰能力强、运行稳定、易于维修等特点[2-4]。笔者设计了一个基于定时器、中间继电器和PLC的交通灯控制系统,以西门子S7-200系列PLC为核心,分析交通灯控制要求,分配输入输出地址,搭建硬件电路,设计时序图、功能顺序图及梯形图,最终通过运行调试,实现对交通灯进行自动控制,达到了预期效果。

2 控制要求

基于定时器、中间定时器和西门子S7-200 PLC设计十字路口交通灯控制系统。在一个十字路口,有东西、南北两个方向[5-6],每个方向各设有红灯、绿灯、黄灯。红灯、绿灯、黄灯的具体控制要求如下。

(1) 任意时刻按下系统启动按钮,交通灯控制系统开始工作;

(2) 东西方向绿灯亮25 s,绿灯闪烁3 s,黄灯亮2 s;然后南北方向绿灯亮25 s,绿灯闪烁3 s,黄灯亮2 s;

(3) 在东西方向绿灯亮、绿灯闪烁及黄灯亮的同时,南北方向红灯亮;

(4) 在南北方向绿灯亮、绿灯闪烁及黄灯亮的同时,东西方向红灯亮;

(5) 十字路口的交通信号灯按以上规律不断重复;

(6) 任意时刻按下系统停止按钮,交通灯控制系统停止工作。

3 输入输出地址分配

交通灯控制系统采用西门子S7-200 PLC,硬件资源完全满足系统开发的需要[7-8]。根据系统的控制要求,交通灯控制系统的输入输出地址分配见表1、表2。系统共有两个输入按钮,分别是启动按钮和停止按钮。启动按钮使系统开始正常运行,停止按钮使系统立刻停止运行。

表1 交通灯控制系统输入地址分配

表2 交通灯控制系统输出地址分配

将功能相同的东西两个方向红灯、绿灯、黄灯合并控制,将功能相同的南北两个方向红灯、绿灯、黄灯合并控制,进而将输出端口归并为六个,即东西方向的红灯、绿灯、黄灯和南北方向的红灯、绿灯、黄灯。如此设计,既可以节省输出点数资源,又满足控制要求。

4 硬件接线

交通灯控制系统硬件接线如图1所示。

S7-200 PLC的电源输入L1端和N端接单相交流220 V电,保证PLC的可靠工作[9]。使用两个常开按钮作为交通灯控制系统的启动按钮和停止按钮,将它们的一端分别接S7-200 PLC的输入端I0.0和I0.1,另一端接PLC的L+端,同时将PLC输入端的M和1M短接,这样保证输入端的I0.0和I0.1能够可靠供电[10-11]。

图1 交通灯控制系统硬件接线

使用Q0.0～Q0.5这六个端子分别接六个交通信号灯,同时还要向这六个交通信号灯提供直流电源。PLC输出端的1L和2L短接,这样保证输出端的可靠供电。

5 时序图

交通灯控制系统东西方向和南北方向的运行情况是一致的,系统在一个周期时间内完成两个方向交通信号灯的控制,东西方向为绿灯亮25 s,绿灯闪烁3 s,黄灯亮2 s,红灯亮30 s,南北方向为红灯亮30 s,绿灯亮25 s,绿灯闪烁3 s,黄灯亮2 s。其中,绿灯的闪烁频率都是亮0.5 s、灭0.5 s。交通灯控制系统时序图如图2所示。

图2 交通灯控制系统时序图

6 顺序功能图

交通灯控制系统中有六个时间段,因此需要使用PLC中的定时器来控制和处理时间。在输出端中需要处理东西、南北方向的绿灯亮和绿灯闪烁,不能直接使用输出继电器控制,否则会导致重复输出,因此,考虑使用中间继电器间接控制输出继电器。交通灯控制系统的顺序功能图如图3所示。

图3 交通灯控制系统顺序功能图

使用六个中间继电器M0.0、M0.1、M0.2、M0.3、M0.4、M0.5,分别与东西方向绿灯亮、绿灯闪烁、黄灯亮,以及南北方向绿灯亮、绿灯闪烁和黄灯亮的状态相对应,得电接通的时间依次为25 s、3 s、2 s、25 s、3 s、2 s。六个定时器T37、T38、T39、T40、T41、T42的定时时间依次为25 s、3 s、2 s、25 s、3 s、2 s。S7-200 PLC中的特殊继电器SM0.5可以提供周期为1 s的脉冲信号,用于实现东西和南北方向的绿灯闪烁,顺序功能图中未画出。

7 梯形图程序

交通灯控制系统的梯形图采用时间顺序控制方式设计。当按下启动按钮时,交通灯控制系统开始按控制要求工作。当按下停止按钮时,交通灯控制系统停止运行。

在实现东西方向绿灯亮25 s、绿灯闪烁3 s、黄灯亮2 s时,使用的是M0.0、M0.1和M0.2三个中间继电器,以及T37、T38和T39三个定时器,中间继电器和定时器控制梯形图程序如图4所示。系统启动按钮I0.0启动中间继电器M0.0并自锁保持,同时启动定时器T37工作。定时器T37工作25 s后,启动中间继电器M0.1并自锁,同时启动定时器T38工作,并且需要用M0.1的常闭触点使M0.0和T37停止工作。定时器T38工作3 s后,启动中间继电器M0.2并自锁,同时启动定时器T39工作,并且需要用M0.2的常闭触点使M0.1和T38停止工作。停止按钮I0.1可以停止所有中间继电器和定时器工作,定时器T42触点用于实现系统的循环控制。

图4 交通灯控制系统中间继电器和定时器控制梯形图程序

实现南北方向绿灯亮25 s、绿灯闪烁3 s、黄灯亮2 s与东西方向原理类似,只是使用另外的M0.3、M0.4和M0.5三个中间继电器,以及T40、T41和T42三个定时器。

实现东西方向绿灯、黄灯和红灯功能使用的是输出继电器Q0.0、Q0.1和Q0.5。绿灯需要亮25 s和闪烁3 s,因此Q0.0并联M0.0和M0.1两个支路。黄灯需要亮2 s,因此Q0.1用M0.2触点直接连接。红灯需要亮30 s,因此Q0.5并联M0.3、M0.4和M0.5三个支路。系统的输出控制梯形图程序如图5所示。

实现南北方向绿灯、黄灯和红灯功能与东西方向原理类似,只是使用另外三个输出继电器Q0.2、Q0.3和Q0.4。

图5 交通灯控制系统输出控制梯形图程序

8 梯形图程序优化

在交通灯控制系统运行调试过程中,发现一个问题。在按下启动按钮I0.0后,系统开始运行,任意时刻再次按下启动按钮I0.0,系统又开始运行,产生的现象是同一时间系统会有两盏以上的灯亮,系统出现错乱。导致这一问题的原因是系统的梯形图程序中没有区别第一次启动系统和其它次启动系统,进而引发系统中间继电器和定时器随启动按钮I0.0被按下而启动,系统出现混乱。因此,需要对梯形图程序进一步优化。对图5中的中间继电器M0.0梯形图程序进行修改优化,优化后系统梯形图程序如图6所示。

图6 优化后交通灯控制系统梯形图程序

当系统没有启动,即启动按钮I0.0没有按下时,中间继电器M0.0没有接通,整个系统不启动工作。当系统第一次启动,即启动按钮I0.0第一次按下时,在启动之前东西和南北方向的红灯都没有亮,因此串联输出继电器Q0.5和Q0.4的常闭触点来消除系统混乱的现象。因为只有在第一次启动前,东西和南北方向的红灯没有工作,而以后再次启动系统时都会有东西或南北方向的红灯亮,所以优化后能保证系统的稳定可靠运行。

9 结束语

笔者基于定时器、中间继电器和PLC设计了交通灯控制系统,采用西门子S7-200系列PLC为控制核心,在对十字路口交通灯控制要求进行分析的基础上,分配输入输出地址,搭建硬件电路,设计时序图和功能顺序图,进而设计梯形图程序。通过运行调试,优化了梯形图程序,实现了整个交通灯控制系统的功能。这一系统能够可靠稳定运行,具有一定的实用价值。