【正文】 一個(gè)輸入信號(hào)。對(duì)于南北方向上某一行車方向的信號(hào)燈輸出，本設(shè)計(jì)共設(shè)置了三組信號(hào)燈，其中兩組車輛信號(hào)燈，分為直行紅、黃、綠燈和左轉(zhuǎn)紅、黃、綠燈，另外一組是人行道上的紅綠燈。各個(gè)按鈕均占用 1 個(gè) PLC 輸入端口，當(dāng) PLC 正常運(yùn)行時(shí)，各個(gè)輸入按鈕均獨(dú)立工作。 本設(shè)計(jì)當(dāng)中的 6 個(gè)外部控制按鈕的具體 I/O 端口分配方式如表 所示。 22 圖 東西方向信號(hào)燈工作時(shí)序圖 可編程控制器 I/O 端口 分配 由于本設(shè)計(jì)所選用的 PLC 為 輸入點(diǎn) ： 64， 輸出點(diǎn)： 64， 晶體管輸出 。 對(duì)于東西左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的 3個(gè)燈以紅燈（ 100s） 綠燈 (15s) 黃燈（ 5s）依次循環(huán)。 21 圖 南北方向信號(hào)燈工作時(shí)序圖 2． 東西方向 東西方向的信號(hào)燈工作與南北方向呈對(duì)稱方式，行車與南北方向道路交替進(jìn)行，其工作時(shí)序如圖 。即對(duì)于某一車道，當(dāng)直行及左轉(zhuǎn)紅燈均亮?xí)r該側(cè)的人行道綠燈才亮，當(dāng)任一直行或左轉(zhuǎn)綠燈亮?xí)r該人行道都顯示為紅燈亮。 對(duì)于左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號(hào)燈的 3個(gè)燈以紅燈（ 40s） 綠燈（ 15s） 黃燈 (5s) 紅燈（ 60s）依次循環(huán)。本文采用的是以 120s為周期，其信號(hào)燈工作時(shí)序如圖 。 工作時(shí)序圖 1． 南北方向 對(duì)于該方向，信號(hào)燈配置為左轉(zhuǎn)紅黃綠燈和直行紅黃綠燈以及人行道紅綠燈各兩組。該課題中的十字路口信號(hào)燈包括南北方向左轉(zhuǎn)和直行紅黃綠燈和人行道紅綠燈各兩組，東西方向左轉(zhuǎn)紅黃綠燈以及人行道紅綠燈各兩組；東西、南北方向各有兩組七段數(shù)碼管顯示屏，由于同一方向控制時(shí)間相同，所以該方向兩組數(shù)碼管顯示時(shí)間完全相同。并且通過對(duì) PLC各個(gè)型號(hào)的對(duì)比以及從設(shè)計(jì)的實(shí)際要求出發(fā)選擇了 PLC的具體型號(hào)。 FX 系列之前的定位模塊。 FX3UWHSYADP 用于定 位。晶體管輸出型的基本單元內(nèi)置了 3 軸獨(dú)立最高 100kHz 的定位功能，并且增加了新的定位指令；帶 DOG 搜索的原點(diǎn)回歸（ DSZR ），中斷單速定位（ DVIT）和表格設(shè)定定位（ TBL），從而使得定位控制功能更加強(qiáng)大，使用更加地方便；內(nèi)置了 6 點(diǎn)同時(shí) 100kHz 的高速計(jì)數(shù)功能，雙相計(jì)數(shù)時(shí)可以進(jìn)行 4 倍頻計(jì)數(shù)，大大地提升了運(yùn)行速度。 從 PLC 功能來看，該型號(hào) PLC 的 CPU 處理速度達(dá)到了 并且內(nèi)置了高達(dá)64K 的大容量 RAM 存儲(chǔ)器。從 PLC 的 外部 電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到 了 數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障 率 也就 因此 大大降低。作為一種新型 PLC，具有自身一些獨(dú)有特點(diǎn)，下列是關(guān)于 FX2N128MT001的一些基本介紹： PLC 平均無故障時(shí)間 （ MTBF） 高達(dá) 30 萬小時(shí)。 本文采用的是三菱公司的 FX2N128MT001，其中 輸入點(diǎn) ： 64， 輸出點(diǎn)： 64， 晶體管輸出 。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 PLC 用 于 存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯 從而 大大減少控制設(shè)備外部的接線， 這 使 得 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短， 與此 同時(shí)維護(hù)也變得 更加 容易起來 。 近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)， 這 使 得 PLC 滲透到了溫度控制、位置控制 和CNC 等各種工業(yè)控制中。以超小型 PLC 為例，新 近出產(chǎn)的品種底部尺寸 幾乎 小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。可以用于各種規(guī)模的工業(yè) 監(jiān)測(cè)和 控制場(chǎng)合?？删幊踢壿嬁刂破骷坝嘘P(guān)設(shè)備應(yīng) 該 是 高度 集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照 其 易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則 來選用 型 號(hào)，而且 所選用可編程邏輯控制器應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有成熟可靠的系統(tǒng) 和 投運(yùn)業(yè)績(jī) 的各類產(chǎn)品 ， 與其 系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng) 該和 控制要求相適應(yīng)。 18 在可編程邏輯控制器系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng) 該 確定控制方案，下一步工作就是可編程邏輯控制器 的 設(shè)計(jì) 和 選型。 適應(yīng)發(fā)展的需要 由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷提高， 所以 設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng) 的 發(fā)展和完善的需要。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的 經(jīng)濟(jì) 效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的 造價(jià) 成本。例如：保證 PLC 程序不僅在正常條件下運(yùn)行，而且在各種 非正常情況下如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等，也能正常工作。 保證 PLC 控制系統(tǒng) 的 安全可靠 保證 PLC 控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期可靠、安全、穩(wěn)定 地 運(yùn)行， 這 是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。因此，在設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則： 最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求 如何 充分發(fā)揮 PLC 的功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求， 這 是設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)的首要 目標(biāo) ，這也是設(shè)計(jì)中最 為 重要的一條原則。在此期間， CPU按照 I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的 數(shù)據(jù)和狀態(tài)來 刷新所有的輸出鎖存電路， 和外接電路， 再經(jīng)輸出放大 電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè) 。在掃描一條梯形圖 的同 時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的控制線路，并按 照 先左后右、先上后 下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根 17 據(jù)邏輯運(yùn)算 得出 的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)中 所 對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者 是 刷新該輸出線圈在 I/O映象中 所 對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)； 又 或者 是 確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的 數(shù)據(jù)和狀態(tài) 也不會(huì) 因此而 改變。 PLC工作時(shí)主要是取指令及執(zhí)行指令 以完成一定的功能，其內(nèi)部工作過程大致可分為如下階段： (1)輸入采樣階段 在此階段中， PLC以掃描 的 方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。所有這些元素組合成為一個(gè)不可拆解的整體。 PLC接受了來自現(xiàn)場(chǎng)的控制信號(hào)后經(jīng)過中央處理元件處理后送入驅(qū)動(dòng)受控元件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)象的操作控制。 （ 2）東西方向 在該方向，先顯示紅燈接通時(shí)間 60s,然后是直行綠燈顯示 35s，其次是直行黃燈顯示 5s，后是左轉(zhuǎn)綠燈顯示 15s，最后是左轉(zhuǎn)黃燈顯示 5s，此次工作循環(huán)節(jié)束，進(jìn)入下一循環(huán)。 (1)南北方向 該方向上共有兩組共 6個(gè)信號(hào)燈，分別控制直行和左轉(zhuǎn)方向的行車。 開始 南北直行綠燈亮 35S 南北直行黃燈亮 5s 南北直行紅燈亮 80s 南北左轉(zhuǎn)紅燈亮 40s 南北左轉(zhuǎn)綠燈亮 15s 南北左轉(zhuǎn)黃燈亮 5s 東西直行紅燈亮 60s 東西直行綠燈亮 35s 東西直行紅燈亮 20s 東西左轉(zhuǎn)紅燈亮 100s 東西左轉(zhuǎn)綠燈亮 15s 東西左轉(zhuǎn)黃燈亮 5s 南北左轉(zhuǎn)紅燈亮 60s 東西直行黃燈亮 5s 15 圖 無線手動(dòng)強(qiáng)通控制的邏輯流程圖 3. 倒數(shù)計(jì)時(shí)功能的實(shí)現(xiàn) 在路中央四個(gè)方向均設(shè)置一組數(shù)碼管，每組 2個(gè)。 （ 3） 當(dāng)無線強(qiáng)通停止按鈕按下后，該信號(hào)將原先的強(qiáng)通電路關(guān)閉，同時(shí) PLC復(fù)位，各個(gè)通路以初始狀態(tài)為起始點(diǎn)開始循環(huán)運(yùn)行，進(jìn)入原先的運(yùn)行狀態(tài)之中，道路恢復(fù)通車。當(dāng)斷開強(qiáng)通開關(guān)時(shí)， PLC即復(fù)位，以正常時(shí)序時(shí)進(jìn)行控制。無急車時(shí)，按照正常循環(huán)時(shí)序控制。 14 圖 交通燈正常循環(huán)運(yùn)行流程圖 2. 無線手動(dòng)強(qiáng)通控制 無線手動(dòng)強(qiáng)通控制是為了適應(yīng)警車、救護(hù)車等急車所設(shè)計(jì)的，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一方向燈的開關(guān)控制，其邏輯流程圖如圖 。 （ 4） 南北向和東西向人行道均設(shè)有紅燈、黃燈、綠燈。 （ 2） 南北向主干道直行綠燈先亮 35s，再亮直行黃燈 5s，然后是直行紅燈亮 80s；同時(shí)南北向左轉(zhuǎn)紅燈先亮 40s，其次左轉(zhuǎn)綠燈亮 15s，然后是左轉(zhuǎn)黃燈亮 5s。 1. 正常循環(huán)運(yùn)行 交通信號(hào)燈的正常循環(huán)運(yùn)行邏輯流程圖如圖 ，具體控制要求如下： （ 1） 按下啟動(dòng)按鈕后，交通信號(hào)燈系統(tǒng)開始工作。 5. 無線控制器 可以實(shí)現(xiàn)人工對(duì)某一方向信號(hào)燈的強(qiáng)通控制。 3. 人行道 南北向人行道和東西向人行道各 2個(gè)，分別是紅燈和綠燈。 圖 交通燈分布 1. 南北主干道 南北主干道的交通燈有 6個(gè)，分別是左轉(zhuǎn)紅燈、左轉(zhuǎn)綠燈、左轉(zhuǎn)黃燈、直行紅燈、 13 直行綠燈和直行黃燈。 該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是對(duì)于緊急通過的車輛，可以進(jìn)行人性化管理，確保該車順利通過，最大限度地利用 PLC的現(xiàn)代控制優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮信號(hào)燈應(yīng)有的作用。 無線遙控系統(tǒng)就其組成來說，主要分為發(fā)射電路、接收電路及外圍控制電路等部分。急車強(qiáng)通控制只能響應(yīng)一條路上來的控制信號(hào)，基兩條交叉路均有信號(hào)到來，則先響應(yīng)先來的一方，再響應(yīng)另外一方。當(dāng)有急車來時(shí)，打開急車強(qiáng)通開關(guān)，不管原先信號(hào)狀態(tài)如何，一律強(qiáng)制讓急車來車方向的綠燈亮，直到急車通過為止。本設(shè)計(jì)在南北方向和東西方向車道上各配置了一個(gè)點(diǎn)動(dòng)按鍵式紅外遙控器，通過單片機(jī)的發(fā)射發(fā)出紅外信號(hào)并通過接收端接收后譯碼，并將信號(hào)送至 PLC輸入端，從而起到開關(guān)的作用。每組數(shù)碼管分別用來顯示直行、左轉(zhuǎn)燈當(dāng)中的綠、黃燈倒計(jì)時(shí)時(shí)間以及處于綠、黃燈間隔中的紅燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。 本設(shè)計(jì)中四個(gè)方向數(shù)碼管共設(shè)置了四組，分別是南北方向和東西方向，每一方向各設(shè)兩組，且每一方向的兩組數(shù)碼管顯示示內(nèi)容完全相同，所以其對(duì)應(yīng)的輸入端共用一個(gè)輸入信號(hào)。對(duì)于普通七段數(shù)碼管，其供電電壓為 24V 時(shí)即可正常工作，故 電源采用外部接入直流 24V 供電。即在某一方向?yàn)榫G燈時(shí)， 10 另一方向?yàn)榧t燈或黃燈。 （ 3） 人行道紅綠燈，各自以紅燈（ 35s） 綠燈（ 85s）依次循環(huán)，并且與直行方向與左轉(zhuǎn)方向綠燈狀態(tài)相反。南北向和東西向燈均以 120s 為一個(gè)循環(huán)周期，以南北向紅黃綠燈來說 （ 1） 直行紅黃綠燈， 該組信號(hào)燈的 3個(gè)燈以綠燈（ 35s） 黃燈 (5s) 紅燈（ 80s）依次循環(huán)。 PLC 系統(tǒng)的信號(hào)燈的設(shè)計(jì)主要是各個(gè)方向的紅、黃、綠燈信號(hào)。 課題研究的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要研究了基于 PLC 的十字路口交通信號(hào)燈控制。這是今后的交通信號(hào)燈的主要研究方向。近年來，隨著眾多研究控制理論的學(xué)者教授的參與，城市交通的自動(dòng)控制領(lǐng)域方面的研究出現(xiàn)了新的思路和方法，人工智能是新的研究方法之一。 城市的交通系統(tǒng)是一種時(shí)刻變化且非線性的系統(tǒng)。另外因?yàn)?PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，所以可以將同一條道路上的交通燈組成局域網(wǎng)進(jìn)行的統(tǒng)一調(diào)度管理，這樣就可以縮短車輛等候時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。 未來發(fā)展趨勢(shì) 和單片機(jī)控制的十字路口信號(hào)燈相比，用 PLC進(jìn)行控制主要是考慮 PLC具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源非常豐富，可對(duì)交通燈進(jìn)行精確控制。 我國(guó)在 “十五 ”規(guī)劃中 就 已明確提出了 “用信息化帶動(dòng)工業(yè)化 ”的發(fā)展計(jì)劃，大量傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化改造將為 PLC控制。本文要研究的由 PLC控制十字路口交通信號(hào)燈正是為了解決上述問題運(yùn)應(yīng)而生。合理的交通控制方法能有效的緩解交通擁擠、減少尾氣 排放及能源消耗、縮短出行延時(shí)，改善我國(guó)獨(dú)有的交通問題，所以對(duì)交通信號(hào)控制方法的研究具有重大意義。 對(duì)于交通燈這種技術(shù)要求不太高的控制，與 PLC有關(guān)的研究更是無人問津。 PLC在我國(guó)的應(yīng)用潛力遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 沒有得到充分發(fā)揮 ， PLC產(chǎn)品 還 有 著 很大的應(yīng)用空間。 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，國(guó)外的 PLC 己經(jīng)成為大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)，由于綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)， PLC 的發(fā)展更是日新月異，現(xiàn)在己經(jīng)很大程度地超過了其剛剛出現(xiàn)時(shí)的技術(shù)水平。究 其原因 ，主要是 一方面由于微處理器芯 8 片 有 關(guān) 的 元件價(jià)格大 為 下降， 這 使得 PLC 的成 本 迅速 下降；另一方面 PLC 的功能大大增強(qiáng)，也能 夠 解決復(fù)雜的計(jì)算 以及 通信問題。 PLC 的初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置，使得其 在 應(yīng)用 方面 受到 了 限制。如日本主要發(fā)展中小型 PLC，其小型 PLC 設(shè)計(jì) 先進(jìn)，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格便宜，在世界市場(chǎng)上占用重要地位 ,以 PLC 為基礎(chǔ)的紅綠燈在各大城市并不少見，各個(gè) PLC 生產(chǎn)公司也因此大獲其利。而且由于 PLC 具有高可靠性和超長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，平時(shí)并不需要人工維護(hù)，這在人力資源奇缺的西方發(fā)達(dá)國(guó)家來說，是節(jié)約勞動(dòng)力的最好方式。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 在交通信號(hào)燈的控制方面，國(guó)外尤其是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家， PLC 控制的交通信號(hào)燈在大中城市甚至是小城填也早己數(shù)見不鮮。該課題的提出和研究有利于填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外 PLC應(yīng)用領(lǐng)域的空白和不足，充分發(fā)揮 PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制中的優(yōu)越性。 并且 由于 PLC內(nèi)部均配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，因此通過 PLC控制可對(duì)交通燈實(shí)施全天候無人化管理?？煽啃愿撸δ芡晟?，抗干擾性好、具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門用于工業(yè)環(huán)境及過程控制的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。 7 和單片機(jī)控制的十字路口信號(hào)燈相比，用 PLC進(jìn)行控制主要是考慮 PLC具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)其內(nèi)部定時(shí)器資源非常豐富，可對(duì)交通燈進(jìn)行精確控制。而國(guó)內(nèi)外到目前為止尚無完善的解決方案，這就為 PLC的研發(fā)應(yīng)用提供了廣闊的空間。 目前我國(guó)的交通信號(hào)燈主要靠單片機(jī)甚至是更初級(jí)的控制方式。 這就說明了交