基于PLC的交通灯控制系统设计及教学应用

基于PLC的交通灯控制系统设计及教学应用

作者：刘艳军 张春青 赵海贤

来源：《科技创新导报》2011年第20期

摘 要:应用PLC进行简单的控制系统设计是高职院校机电类学生需要掌握的一项专业技能。通过设计十字路口交通灯控制系統并应用于PLC教学做一体化实训课程中,让学生熟悉使用PLC进行控制系统设计的基本环节,掌握西门子S7-200PLC的基本应用。 关键词:交通灯控制PLC实训

中图分类号:G712 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(b)-0152-02 1 引言

随着人才培养模式的不断完善,高职教育越来越注重实践环节的教学。为适应新型教育和社会人才需求,越来越多的高职院校从理论教学逐步走向实践教学,实践教学已成为高职教育极其重要的环节[1]。为适应这一要求,本文设计了一套基于可编程序控制器,简称PLC)的交通灯控制系统,并且在《机床电气控制系统维护》工学结合课程中实施,加深了学生对PLC的认识与应用能力。

2 控制要求分析

在十字路口交通灯控制系统工作时,对信号灯的控制要遵循一定的时序要求。此控制系统设计了两种工作模式:其一是白天模式,要求交通灯按图1的时序工作[2]；其二是夜间模式,要求东西南北四个方向的黄灯以１s为周期不停的闪烁,红灯和绿灯全部熄灭。两种工作模式的切换受一启动按钮控制,当启动按钮接通(高电平状态)时处于白天模式,交通灯按图１的时序工作。当启动按钮断开(低电平状态)时处于夜间模式。

信号灯工作在白天模式情况下,当启动按钮接通时信号灯系统开始工作,首先东西红灯亮,南北绿灯亮。东西红灯亮维持25s,在东西红灯亮的同时南北绿灯也亮,并维持20s；到20s时,南北绿灯闪烁,闪烁3s后熄灭。在南北绿灯熄灭时,南北黄灯亮,并维持2s。到2s时,南北黄灯熄灭,南北红灯亮,同时,东西红灯熄灭,东西绿灯亮。南北红灯亮维持25s,东西绿灯亮20s然后闪烁3s后

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熄灭。东西绿灯熄灭的同时东西黄灯亮,维持2s后熄灭,这时东西红灯亮,南北绿灯亮,周而复始。

3 PLC选型及I/O地址定义

根据对两种工作模式的分析,系统采用自动工作方式。输入信号有白天模式启动信号和夜间模式启动信号,本系统采用钮子开关来切换两种工作模式。当钮子开关接通,对PLC输入点有输入信号时,交通灯工作在白天模式；当钮子开关断开,对PLC同一输入点无输入信号时,交通灯工作在夜间模式。输出信号有东西方向和南北方向的指示灯信号。由于同种颜色的指示灯同时工作,为节省输出点,采用并联输出方式。最终,系统所需的输入点数为1个,输出点数为6个,全部为开关量。

此系统属于小型单机控制系统。结合PLC实训室的实际情况,采用西门子公司的S7-200系列CPU224型PLC,其供电电源为交流220V,直流24V输入,继电器输出形式。S7-200是西门子公司推出的一种小型PLC,它具有结构紧凑、扩展性好、指令功能强大和价格低廉等优点,成为当代各种小型控制系统的首选控制器[3]。

根据PLC的I/O地址分配表,可对PLC外部的输入输出信号进行接线。其中,同一方向上的两组指示灯中同种颜色的指示灯并联,用PLC的同一个输出点驱动。PLC的接线如图2所示。钮子开关SD作为模式选择开关与I0.0连接,Q0.0与东西绿灯连接,Q0.1与东西黄灯连接,Q0.2与东西红灯连接,Q0.3与南北绿灯连接,Q0.4与南北黄灯连接,Q0.5与南北红灯连接。

为了便于学生实训,设计了十字路口交通灯控制电路板,如图3所示。此电路板中模式选择信号经钮子开关SD与PLC输入点I0.0连接。输出点Q0.0、Q0.1、Q0.2分别与电路板上东西灯的输入端G、Y、R连接。输出点Q0.3、Q0.4、Q0.5分别与电路板上南北灯的输入端G、Y、R相连。电路板上的V+和COM端分别接24V电源的正负极。

4 控制系统软件设计

依据对控制要求的分析和PLC控制系统I/O地址的分配,可进行控制程序的设计。由于此系统属于典型的顺序控制,故在程序设计中利用PLC内部的定时器实现顺序控制。控制程序如图4所示。

当白天模式接通,I0.0常开点接通,辅助继电器M0.0得电,输出线圈Q0.0得电东西红灯亮,Q0.3得电南北绿灯亮,同时定时器T37开始定时20s。

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延时20s后,T37常闭点断开,常开点接通,南北绿灯在特殊功能继电器SM0.5的作用下实现亮0.5s灭0.5s,同时定时器T38开始定时3s。

延时3秒后T38常闭点断开Q0.3失电南北绿灯灭,T38常开点接通Q0.4得电南北黄灯亮,同时定时器T39开始定时2s。

延时2s后T39常闭点断开Q0.0失电东西红灯灭,Q0.4失电南北黄灯灭。T39常开点接通Q0.5得电南北红灯亮,Q0.1得电东西绿灯亮,同时定时器T40开始定时20s。

延时20s后,T40常闭点断开,常开点接通,东西绿灯在特殊功能继电器SM0.5的作用下实现亮0.5s灭0.5s,同时定时器T41开始定时3s。

延时3s后T41常闭点断开Q0.1失电东西绿灯灭,T41常开点接通Q0.2得电东西黄灯亮,同时定时器T42开始定时2s。

延时2s后T42常闭点断开Q0.2失电东西黄灯灭,辅助继电器M0.0失电结束一个循环周期,将所用的全部定时器复位,同时T42的常闭点重新接通M0.0线圈又开始新的循环周期,如此周而复始的不停循环。当I0.0的常开点断开常闭点接通时转为夜间模式,只有网络8中的Q0.2和Q0.4得电东西黄灯和南北黄灯闪烁。 5 结语

本文分析了十字路口交通灯的控制问题,给出了控制系统的软硬件设计。实践证明,采用PLC实现对交通信号灯的控制是完全可行的。并可通过调整定时器的定时时间改变通行时间。将此控制系统应用于教学中,学生从控制对象分析、PLC的选型及I/O地址分配、系统软硬件设计等环节逐步强化了PLC的应用能力。 参考文献

[1] 刘瑞.基于PLC的温度控制系统的设计及其在实训教学中的应用[J].中国高新技术企业,2009(15).

[2] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M].北京:人民邮电出版社,2004. [3] 曹文.PLC(S7-200)在实训课中的应用[J].职业,2007(10).

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[4] S7-200可编程序控制器系统手册[M].北京:西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团,2007.