基于自定义时钟脉冲的交通红绿灯控制设计

摘要：以三菱FX2N型PLC为控制核心元件，通过对交通十字路口红绿灯时序控制分析，设计开发了基于定时器的自定义时钟脉冲程序段，再以自定义时钟脉冲程序段作为程序基本单元开发设计出十字路口红绿灯的控制程序，程序结构简单、思路清晰，自定义时钟脉冲可以推广应用于解决各种有规律循环变化的时序控制问题。
关键词：FX2N；PLC；自定义时钟脉冲；红绿灯控制

    随着我国社会经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，城市规模也不断扩大，城市交通也日益繁忙，作为保障了城市交通安全、有序、快速运行的红绿灯的控制问题，是城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。交通红绿灯的控制既要安全可靠，其控制程序又要便于根据道路交通流量情况进行修改。以PLC定时器构成的自定义时钟脉冲程序段作为程序基本单元设计的交通红绿灯控制程序结构简单、思路清晰，在不改变程序结构的情况下，通过定时器设定值的调整快速获得新的红绿灯控制规律。下面就以三菱FX2N型PLC作为控制核心元件，阐明交通红绿灯的控制设计思路和控制方案。

1 工作任务与时序分析
1．1 工作任务
    如图1所示，十字路口分别在东西方向和南北方向装设两组红绿灯，控制要求如下：当按下启动按钮SB1时，信号灯开始工作，东西方向绿灯、南北方向红灯同时亮。各灯之间明灭配合规律(见图2)：0～30 s之间，南北红灯一直亮，东西绿灯亮25 s、闪烁3 s(每秒1次)，东西黄灯亮2 s；30～55 s之间，东西红灯一直亮，南北绿灯亮20 s、闪烁3 s(每秒1次)，南北黄灯亮2 s；其后又回到0～55 s之间的明灭规律，并一直循环下去，直到按下停止按钮SB2时结束运行为止。

1．2 时序分析
    分析图2所示的各个信号灯时序图表，可以总结出各个信号灯的明灭规律如下：
    (1)东西绿灯从第0 s时刻开始，亮25 s、闪烁3 s、灭27 s；再亮25 s、闪烁3 s、灭27 s；如此循环。
    (2)东西黄灯从第28 s开始．亮2 s、灭53 s；再亮2 s、灭53 s；如此循环。
    (3)东西红灯从第0 s时刻开始，灭30 s、亮25 s；再灭30 s、亮25 s；如此循环。
    (4)南北绿灯从第30 s时刻开始，亮20 s、闪烁3 s、灭32 s；再亮20 s、闪烁3 s、灭32 s；如此循环。
    (5)南北黄灯从第0 s时刻开始，灭53 s、亮2 s；再灭53 s、亮2 s；如此循环。
    (6)南北红灯从第0 s时刻开始，亮30 s、灭25 s；再亮30 s、灭25 s；如此循环。

2 PLC自定义时钟脉冲
2．1 PLC时钟脉冲
    PLC时钟脉冲是指通过输出继电器输出呈现周期性变化的方波信号。周期性是时钟脉冲信号的基本特点，描述PLC脉冲信号有周期丁和占空比D两个基本参数，及ON时段t1、OFF时段t2两个二级参数。ON时段t1与OFF时段t2之和为时钟脉冲的周期，即T=t1+t2。占空比是指ON时段t1在一个周期T内所占的时间比率，即占空比D=t1／T=t1／(t1+t2)。
    三菱FX2N型PLC的特殊辅助继电器M8011，M8012，M8013，M8014提供了周期为0．01 s，0．1 s，1．0 s，60 s四种时钟脉冲，占空比都为50％，输出都是先ON后OFF。这些PLC固有时钟脉冲显然无法满足本文交通红绿灯时序控制的这一类对输出ON／OFF先后有要求的、ON时段t1、OFF时段t2可任意设定的时序控制问题，这就需要开发设计出此类时序控制要求的自定义时钟脉冲程序。
2．2 PLC自定义时钟脉冲的概念和基本特点
    如图3所示，自定义时钟脉冲是指可定义周期T、占空比D(即定义了ON时段t1、OFF时段t2)、并对输出ON／OFF信号的先后可控的时钟脉冲。

    自定义时钟脉冲程序段应该具备两个基本特点：一是程序结构的固定性，能作为子程序灵活引用。二是程序参数修改的灵活性，能根据控制对象在不改变程序结构的情况下通过设定值的改变快速实现周期T、占空比D、及ON／OFF输出先后的设定。
2．3 PLC自定义时钟脉冲程序设计
    自定义时钟脉冲程序设计如图4所示，图4(a)所示为程序先输出ON信号，图4(b)所示为程序先输出OFF信号。对比图4(a)和图4(b)可以发现，与输出继电器Y000串联的定时器T0辅助触点状态将决定：

    (1)输出ON为先还是OFF为先。
    (2)定时器T0和T1控制ON时段t1和OFF时段t2的分工。如图4(a)所示，与输出继电器Y000串联T0动断触点时，则先输出ON信号，后输出OFF信号，T0控制ON时段t1，T1控制OFF时段t2。图4(b)所示图中，与输出继电器Y000串联T0动合触点时，则先输出OFF信号，后输出ON信号，T0控制OFF时段t2，T1控制ON时段t1。

3 基于自定义时钟脉冲的交通红绿灯控制设计
3．1 控制I／O接线图
    交通红绿灯PLC控制I／O接线如图5所示。

    采用三菱FX2N-16MR型PLC。输入继电器X0接启动按钮SB1、X1接停止按钮SB2。输出继电器Y0～Y5分别接6组信号灯，以实现对6组信号灯的时序控制。
3．2 控制程序设计
    根据1．2节时序分析，该交通红绿灯的时序控制可由自定义时钟脉冲轻松解决。东西、南北绿灯在ON结束后紧跟3 s闪烁。绿灯时序控制可由两组自定义时钟脉冲程序段组合控制。东西、南北红灯明灭情况刚好相反，可由一组自定义时钟脉冲程序段关联控制。这样6组信号灯可由紧密配合的7个自定义时钟脉冲完成时序控制。7个自定义时钟脉冲程序段的基本参数及配合关系详见表1。

    根据表1即可设计出交通红绿灯PLC控制程序如图6所示。

4 结语
    由于使用了自定义时钟脉冲程序段来实现交通信号灯的时序控制，使得控制程序结过简单，易于修改。如果需要改变东西、南北方向通行时间，不用改变图6所示的控制程序梯形图，只需修改梯形图中各个定时器的设定值即可实现。自定义时钟脉冲程序可以解决工业控制中需要循环输出固定ON时段t1、OFF时段t2的方波脉冲信号这一类问题，将其作为一个子程序应用于工业控制中，可使PLC控制程序设计结构化、简单化。