基于PLC的多路口交通灯控制系统的设计

马卜森

(黑龙江工商学院,哈尔滨 150000)

0 引言

红绿灯在城市生活中起到了重要的作用,实现了车流和人流的有效管理,降低了道路事故的发生率。但是,如果不恰当使用或安装红绿灯,就会对道路正常运行产生不利影响。红色光意味着不能通过,绿色光意味着允许,黄色光代表警告,可将道路信号灯分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向信号灯、闪烁警示信号灯、道路与铁路平面交叉口信号灯等。交通信号灯用于道路平面交叉路口,通过对车辆、行人发出前进或停下的命令,最大限度地将来自不同方向的人、车交通流之间的干涉降到最低,以提升交叉口的通行容量,保证路口的顺畅与平安[1-3]。本研究以汽车交通灯为例,对普通交叉口的红绿灯位置进行分析,采用 EDA技术对交叉口信号灯闪烁和车流进行仿真,展示可编程逻辑控制器在信号灯控制中的应用。

采用可编程逻辑控制器进行控制,对多个交叉口的信号灯进行解析及控制。选择西门子S7-200可编程控制器作为 PLC的核心部件,指定输入输出点的名字、编码和地址。程序编制按照程序要求对 PLC的梯形图、功能图及表示法进行编程。对整个系统进行部分调整,再对整个过程进行调整,对多个交叉口的红绿灯信号进行编程。

监控界面的设计。编写脚本程序,完成设备连接、调试和运行。通过PLC和MCGS软件的通信设定及PLC内存参数的设定,完成红绿灯的配置程序设计。

1 系统硬件设计

系统硬件设计包括硬件结构、输入输出分布、主电路及各个部件的控制线路。除了要进行总统架构设计,内部架构也不可或缺。

1.1 控制要求

该装置由切换来操作：起动开关接通,系统工作;起动开关断开,系统停机。如果由于某原因导致东西南北4个方向的绿灯都是相同的,那么该装置就会发出警报,把所有的红灯和绿灯都关掉[4-5]。

1.2 控制对象

东西方向红灯两个, 南北方向红灯两个, 东西方向绿灯两个, 东西方向黄灯两个, 南北方向黄灯两个, 南北方向绿灯两个, 报警灯一个。

1.3 控制规律

在起动按键时,北边和南边的红色指示灯点亮,保持25 s。在南、北交通灯都是红色时,东边和西边的交通灯都是绿色的,持续20 s之后,东边和西边的交通灯均是3 s之后消失,再之后是东边和西边的交通灯变为红色,而南边和右边的交通灯都是绿色。

东边和西边都是红色的,保持30 s。在此过程中,东侧和南侧的交通信号灯同时变红,持续25 s之后,南侧和北侧交通灯连续3 s后变暗,南侧和北侧的交通灯分别变成2 s,之后变成南侧和北侧的红色交通灯,而东侧和南侧则变成绿色。按照上面的方法一次又一次的重复操作。如表1。

表1 交通灯亮闪

2 系统软件设计

采用PLC作为核心处理单元,利用 PLC实现整个系统的主要控制功能,包括程序流程及梯形图的编制。

2.1 主程序流程的设计

对 PLC控制系统进行总体设计,分为硬件、软件程序及系统调试。具体流程如图1所示。

图1 程序流程

2.2 十字路口交通灯的接线

根据十字路口交通灯的实际连线, 画出如图2所示的十字路口交通灯接线图。

图2 十字路口交通灯接线

图3 十字路口交通灯的控制时序

图4 MCGS组态环境

图5 变量定义窗口

2.3 十字路口交通灯控制时序

本装置的工作原理是利用电子元件进行探测,由对应的电子感测器发出信号,带动其他元件起动。

3 系统功能实现

3.1 测试目的

20世纪40年代以来,随着科学技术的发展,出现了系统模拟。其通过建立真实的体系来建立真实的体系,并将其应用于试验中。在模拟开发的早期,此方法大多用于航空航天和原子反应等领域,因为其投资高、风险大,很难进行现场试验,目前已被广泛应用于石油、电力、机械制造等工业领域,随着时间的推移,其使用范围进一步扩大,在一些非工程系统行业中也得到了广泛使用。目前,综合模拟系统已应用于各个工业领域,效果显著。对智能监测进行模拟,以实现以下目标：通过电脑模拟降低变更模型参数及修正模型的费用,便于使用。实验模拟即利用模拟软件对一个特定的系统进行建模,根据试验获得的数据对其进行解析,从而获得有价值的数据。

3.2 测试原则

以使用者为起点,通过建模模拟的方法展现现实中的问题,测试程序遵守的基本原理如下：所有与该系统有关的试验都必须符合使用者需求,尽量多地进行可重复的体系试验,兼顾合理的输入和不合理的输入数据。

3.3 绘制交通信号灯人机界面

将MCGS组态软件安装在计算机中,双击桌面组态环境图标,进入MCGS组态环境,如4图所示。单击用户窗口,新建窗口后,在用户窗口中新建一个窗口0,选中窗口0,点击窗口属性按钮,进入窗口属性设置界面。将窗口名称和窗口标题选项中的内容改为交通信号灯,按确认按钮确认。按动画组态按钮,进入画面编辑窗口,在此窗口中利用工具箱中的绘图工具完成交通信号灯画面设计。

3.4 交通信号灯画面中构件的属性设置

红绿灯屏幕上的部件比较简单,即红色、绿色、黄色。定义数据变量,根据控制要求在监控界面中对西方向和南北方向红灯、绿灯及黄灯进展定义,均进行切换及色彩填充。在实时数据库选项卡中使用新增对象和对象属性按钮对数据变量进行定义,如5图所示。

图6显示了交通信号灯屏幕中部件的属性设定,在此只对南方红色灯光属性设定进行解释,其他特性设定与南方红色属性设定之间的差异在于表述方式及填充色彩链接项目内容是不同的。

图6 属性设定

3.5 设备窗口属性设置

在配置表中用滑鼠按一下装置视窗按钮,弹出装置视窗图示,再按一下即可进入装置配置视窗。在这个视窗中,通过装置工具包来设定装置配置。配置好设备后,单击通用串口父代0,进入通用串口父代属性编辑接口,按照通信需求及连线状况对该接口中的有关参数进行设定,设定见图7,点击确定即可。

图7 通用串口父设备属性编辑窗口

返回设备组态窗口,双击设备0-[西门子S7-200PPI]进入设备属性设置窗口,在此窗口中有根本属性、通道连接、设备调试、数据处理等选项卡。在自动混合控制中不涉及数据处理。在设备调试窗口中,如果通信状态标志栏中显示0,则表示通信正常,假设显示-1,则表示通信不正常。通过设备调试使MCGS与PLC通信正常,即设备调试窗口中通信状态标志显示为0,按确认即可。

回到工作台界面,选择主控窗口并单击界面右侧的系统属性按钮,弹出主控窗口属性设置对话框,在此窗口中选择内存属性选项卡,在用户窗口列表中选中交通信号灯,按增加按钮,那么交通信号灯移入装入内存窗口,如图8所示,按确认键即可。单击主菜单中的进入运行环境按钮即可进入监控运行界面,实时监控系统的工作情况,如图9所示。

图9 系统监控运行界面

在模拟的实践运行条件下对该方法进行测试与分析,以确保该方法高效实施。对该系统的整体性能及数据库设计进行试验,试验结果显示效果很好,可应用于实际开发中。

4 结束语

通过编写组态程序,使人们对PLC和MCGS的使用有了更深层次的了解。在MCGS系统设计中,最关键的是要做好完整的实时数据库,这是对各个变量进行采集、表达及控制的关键部件。MCGS系统主要完成了对生产过程中各种工况信息的实时监测、生产过程的监控等功能,通过PLC开发,令管理人员更好地利用PLC对现场信息进行采集及控制,从系统设计、梯形图设计到组态设计,再到现场测试,全面掌握PLC的设计流程,以结合具体的工程项目进行产品开发及设计。