基于自定義時(shí)鐘脈沖的交通紅綠燈控制設(shè)計(jì)

摘要：以三菱FX2N型PLC為控制核心元件，通過對(duì)交通十字路口紅綠燈時(shí)序控制分析，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于定時(shí)器的自定義時(shí)鐘脈沖程序段，再以自定義時(shí)鐘脈沖程序段作為程序基本單元開發(fā)設(shè)計(jì)出十字路口紅綠燈的控制程序，程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、思路清晰，自定義時(shí)鐘脈沖可以推廣應(yīng)用于解決各種有規(guī)律循環(huán)變化的時(shí)序控制問題。
關(guān)鍵詞：FX2N；PLC；自定義時(shí)鐘脈沖；紅綠燈控制

    隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，城市規(guī)模也不斷擴(kuò)大，城市交通也日益繁忙，作為保障了城市交通安全、有序、快速運(yùn)行的紅綠燈的控制問題，是城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。交通紅綠燈的控制既要安全可靠，其控制程序又要便于根據(jù)道路交通流量情況進(jìn)行修改。以PLC定時(shí)器構(gòu)成的自定義時(shí)鐘脈沖程序段作為程序基本單元設(shè)計(jì)的交通紅綠燈控制程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、思路清晰，在不改變程序結(jié)構(gòu)的情況下，通過定時(shí)器設(shè)定值的調(diào)整快速獲得新的紅綠燈控制規(guī)律。下面就以三菱FX2N型PLC作為控制核心元件，闡明交通紅綠燈的控制設(shè)計(jì)思路和控制方案。

1 工作任務(wù)與時(shí)序分析
1．1 工作任務(wù)
    如圖1所示，十字路口分別在東西方向和南北方向裝設(shè)兩組紅綠燈，控制要求如下：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕SB1時(shí)，信號(hào)燈開始工作，東西方向綠燈、南北方向紅燈同時(shí)亮。各燈之間明滅配合規(guī)律(見圖2)：0～30 s之間，南北紅燈一直亮，東西綠燈亮25 s、閃爍3 s(每秒1次)，東西黃燈亮2 s；30～55 s之間，東西紅燈一直亮，南北綠燈亮20 s、閃爍3 s(每秒1次)，南北黃燈亮2 s；其后又回到0～55 s之間的明滅規(guī)律，并一直循環(huán)下去，直到按下停止按鈕SB2時(shí)結(jié)束運(yùn)行為止。

1．2 時(shí)序分析
    分析圖2所示的各個(gè)信號(hào)燈時(shí)序圖表，可以總結(jié)出各個(gè)信號(hào)燈的明滅規(guī)律如下：
    (1)東西綠燈從第0 s時(shí)刻開始，亮25 s、閃爍3 s、滅27 s；再亮25 s、閃爍3 s、滅27 s；如此循環(huán)。
    (2)東西黃燈從第28 s開始．亮2 s、滅53 s；再亮2 s、滅53 s；如此循環(huán)。
    (3)東西紅燈從第0 s時(shí)刻開始，滅30 s、亮25 s；再滅30 s、亮25 s；如此循環(huán)。
    (4)南北綠燈從第30 s時(shí)刻開始，亮20 s、閃爍3 s、滅32 s；再亮20 s、閃爍3 s、滅32 s；如此循環(huán)。
    (5)南北黃燈從第0 s時(shí)刻開始，滅53 s、亮2 s；再滅53 s、亮2 s；如此循環(huán)。
    (6)南北紅燈從第0 s時(shí)刻開始，亮30 s、滅25 s；再亮30 s、滅25 s；如此循環(huán)。

2 PLC自定義時(shí)鐘脈沖
2．1 PLC時(shí)鐘脈沖
    PLC時(shí)鐘脈沖是指通過輸出繼電器輸出呈現(xiàn)周期性變化的方波信號(hào)。周期性是時(shí)鐘脈沖信號(hào)的基本特點(diǎn)，描述PLC脈沖信號(hào)有周期丁和占空比D兩個(gè)基本參數(shù)，及ON時(shí)段t1、OFF時(shí)段t2兩個(gè)二級(jí)參數(shù)。ON時(shí)段t1與OFF時(shí)段t2之和為時(shí)鐘脈沖的周期，即T=t1+t2。占空比是指ON時(shí)段t1在一個(gè)周期T內(nèi)所占的時(shí)間比率，即占空比D=t1／T=t1／(t1+t2)。
    三菱FX2N型PLC的特殊輔助繼電器M8011，M8012，M8013，M8014提供了周期為0．01 s，0．1 s，1．0 s，60 s四種時(shí)鐘脈沖，占空比都為50％，輸出都是先ON后OFF。這些PLC固有時(shí)鐘脈沖顯然無法滿足本文交通紅綠燈時(shí)序控制的這一類對(duì)輸出ON／OFF先后有要求的、ON時(shí)段t1、OFF時(shí)段t2可任意設(shè)定的時(shí)序控制問題，這就需要開發(fā)設(shè)計(jì)出此類時(shí)序控制要求的自定義時(shí)鐘脈沖程序。
2．2 PLC自定義時(shí)鐘脈沖的概念和基本特點(diǎn)
    如圖3所示，自定義時(shí)鐘脈沖是指可定義周期T、占空比D(即定義了ON時(shí)段t1、OFF時(shí)段t2)、并對(duì)輸出ON／OFF信號(hào)的先后可控的時(shí)鐘脈沖。

    自定義時(shí)鐘脈沖程序段應(yīng)該具備兩個(gè)基本特點(diǎn)：一是程序結(jié)構(gòu)的固定性，能作為子程序靈活引用。二是程序參數(shù)修改的靈活性，能根據(jù)控制對(duì)象在不改變程序結(jié)構(gòu)的情況下通過設(shè)定值的改變快速實(shí)現(xiàn)周期T、占空比D、及ON／OFF輸出先后的設(shè)定。
2．3 PLC自定義時(shí)鐘脈沖程序設(shè)計(jì)
    自定義時(shí)鐘脈沖程序設(shè)計(jì)如圖4所示，圖4(a)所示為程序先輸出ON信號(hào)，圖4(b)所示為程序先輸出OFF信號(hào)。對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，與輸出繼電器Y000串聯(lián)的定時(shí)器T0輔助觸點(diǎn)狀態(tài)將決定：

    (1)輸出ON為先還是OFF為先。
    (2)定時(shí)器T0和T1控制ON時(shí)段t1和OFF時(shí)段t2的分工。如圖4(a)所示，與輸出繼電器Y000串聯(lián)T0動(dòng)斷觸點(diǎn)時(shí)，則先輸出ON信號(hào)，后輸出OFF信號(hào)，T0控制ON時(shí)段t1，T1控制OFF時(shí)段t2。圖4(b)所示圖中，與輸出繼電器Y000串聯(lián)T0動(dòng)合觸點(diǎn)時(shí)，則先輸出OFF信號(hào)，后輸出ON信號(hào)，T0控制OFF時(shí)段t2，T1控制ON時(shí)段t1。

3 基于自定義時(shí)鐘脈沖的交通紅綠燈控制設(shè)計(jì)
3．1 控制I／O接線圖
    交通紅綠燈PLC控制I／O接線如圖5所示。

    采用三菱FX2N-16MR型PLC。輸入繼電器X0接啟動(dòng)按鈕SB1、X1接停止按鈕SB2。輸出繼電器Y0～Y5分別接6組信號(hào)燈，以實(shí)現(xiàn)對(duì)6組信號(hào)燈的時(shí)序控制。
3．2 控制程序設(shè)計(jì)
    根據(jù)1．2節(jié)時(shí)序分析，該交通紅綠燈的時(shí)序控制可由自定義時(shí)鐘脈沖輕松解決。東西、南北綠燈在ON結(jié)束后緊跟3 s閃爍。綠燈時(shí)序控制可由兩組自定義時(shí)鐘脈沖程序段組合控制。東西、南北紅燈明滅情況剛好相反，可由一組自定義時(shí)鐘脈沖程序段關(guān)聯(lián)控制。這樣6組信號(hào)燈可由緊密配合的7個(gè)自定義時(shí)鐘脈沖完成時(shí)序控制。7個(gè)自定義時(shí)鐘脈沖程序段的基本參數(shù)及配合關(guān)系詳見表1。

    根據(jù)表1即可設(shè)計(jì)出交通紅綠燈PLC控制程序如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    由于使用了自定義時(shí)鐘脈沖程序段來實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈的時(shí)序控制，使得控制程序結(jié)過簡(jiǎn)單，易于修改。如果需要改變東西、南北方向通行時(shí)間，不用改變圖6所示的控制程序梯形圖，只需修改梯形圖中各個(gè)定時(shí)器的設(shè)定值即可實(shí)現(xiàn)。自定義時(shí)鐘脈沖程序可以解決工業(yè)控制中需要循環(huán)輸出固定ON時(shí)段t1、OFF時(shí)段t2的方波脈沖信號(hào)這一類問題，將其作為一個(gè)子程序應(yīng)用于工業(yè)控制中，可使PLC控制程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化、簡(jiǎn)單化。