交通信号PLC 控制触摸屏动态显示系统

http://www.paper.edu.cn -1- 交通信号 PLC控制触摸屏动态显示系统1 刘广萍，翟润平 中国人民公安大学交通管理系，北京 (102623) E-mail：ldenca@vip.163.com 摘 要：本文基于可编程逻辑控制器（PLC）和触摸屏，设计了一个城市道路交通信号动态 显示系统。该系统的特点是组合应用了 PLC和触摸屏，采用 PLC对交通信号进行控制，同 时将交通信号的实时状态显示在触摸屏上，并具有在线修改信号配时参数的功能。该系统能 对不同相位的信号交叉口的信号进行控制，同时具有信号的协调控制功能。文章介绍了系统 的设计过程，论述了交通信号 PLC控制程序的设计步骤以及相应的触摸屏界面的制作， 并给出了典型的 PLC控制子程序。 关键词：交通工程；动态显示；PLC；触摸屏；系统 中图分类号：U491 1．引言 可编程逻辑控制器(Programmable logic controller --PLC)是以微处理器为基础，综合了计 算机技术、自动控制技术、网络技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制自动化装置， 由于其具有抗干扰能力强，可靠性高，且体积小、编程简单等特点，已成为工业控制的基础 设备之一[1]。采用 PLC 技术对交通信号进行控制,不仅提高交通控制系统的可靠性,减少故障 率,而且控制灵活。同时利用 PLC本身的通讯联网功能,便于进行交通信号的协调控制，实现 交通信号的网络实时控制管理。随着控制技术的不断发展，触摸屏与可编程逻辑控制器在工 业控制中的应用越来越广泛。触摸屏是一种新型的终端显示和操作器，其组态软件丰富，和 PLC组合使用不仅能取代机械按钮,实现远距离控制,还可以利用其强大的显示功能对系统的 各个环节进行监控,实现交通信号运行过程的可视化。 本文基于可编程逻辑控制器（PLC）和触摸屏，设计一个城市道路交通信号的动态显示 系统，采用 PLC 对交通信号进行控制，同时将交通信号的实时状态显示在触摸屏上，并具 有在线修改信号配时参数的功能。 下面，文章首先介绍系统的组成及其功能，然后论述系统功能的实现方法。 2. 系统组成 本文用松下 AFP-XC30R型 PLC和 GT32M触摸屏组建系统. AFP-XC30R型 PLC采用 AC通用电源（100~240VAC），DC输入 16点（24DC），继电器输出 14点（AC250V/2A）， 程序容量 32K步，可调电位器输入 2点，并配备 USB通信端口[2]。GT32M型触摸屏是 DC24V 供电，配备有 USB和通信接口。图 1是系统的接线示意图。图 1中触摸屏的电源由 PLC自 带的 DC24V输出提供。 1文章中程序的调试是在哈尔滨工业大学电工电子实验教学中心 PLC控制实验室完成的。 http://www.paper.edu.cn -2- FP-XC30 编程口 L N ~ 24V 0V SD RD SG 24V 0V RD SD SG GT32M 计算机 USB线 USB线 触摸屏 PLC 图 1 系统组成示意图 Fig1 Sketch map of system connection 3. 系统功能介绍 图 2是文章制作的系统触摸屏画面，下面首先以此画面来介绍系统的功能。 在图(a)中触摸显示画面，触摸屏的画面跳转为(b)。在(b)中，按“单点控制”按钮，触摸 屏的画面跳转为(c)。 在(c)中若按“两相位信号控制交叉口”按钮，触摸屏的画面跳转为(d)，在(d)中按“启动” 按钮，程序以默认参数开始运行，同时画面(d)中显示信号灯的实时状态。若想修改信号配 时参数，可在(d)中按“修改信号配时参数”按钮，出现画面(e)，在(e )中按相应的数据框，就 可以在线修改信号配时参数了，如画面(f)和(g)所示 。若在(e )中，按“显示信号状态监视画 面”，则画面返回到(d)。在(d)中，按“停止”按钮，程序就停止运行；按“返回”按钮，就返回 到画面(c)。 在(c)中若按“三相位信号控制交叉口”按钮或“四相位信号控制交叉口”按钮，系统就完成 相应的信号状态监视及在线修改信号配时参数的功能，如画面(h)~（k）所示。画面(l)是三 相位信号交叉口当第 I相位是绿灯，第 II、III相位是红灯时的信号状态监视画面。 在(b)中按“协调控制”按钮，触摸屏的画面跳转为(m)，在画面(m)中可以进行程序的启动、 停止、信号状态的监视及在线修改信号配时参数的功能，如画面(m)和 (n)所示。 (a) (b) http://www.paper.edu.cn -3- (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) http://www.paper.edu.cn -4- (k) (l) (m) (n) 图 2 系统触摸屏画面 Figure 2 Touch panel interface of system 4. 系统功能实现 完成所述系统功能需要进行两方面的设计，一方面是 PLC 控制程序的编制部分；另一 方面是触摸屏画面的制作部分。 4.1 PLC控制程序的设计方法 4.1.1 触点分配 在开始进行 PLC 控制程序设计时，需要统筹考虑所用继电器、数据寄存器及定时器等 触点的分配问题，使有规律性，便于以后程序的扩充。 在触摸屏上动态显示信号的实时状态，可使用 PLC 的内部继电器来实现。PLC 具有丰 富的内部继电器（R继电器）资源，R继电器在编程应用中十分有用，借助于内部 R继电器， 可以通过编程来改变 PLC 控制系统的控制规律，勿需改变硬件接线，就可实现控制功能的 改变。 本文用 PLC中的定时器来控制交通信号灯的显示时间。松下 FP—XC30型 PLC中定时 器资源非常丰富，可使用存储器区域的范围最大达 1024字。定时器采用减法运行模式，当 预置的数值减至零时，明定时的时间到了，这时其相应的触点就开始动作，进而控制其它 设备的状态来实现控制要求。本文采用以 0.1秒为定时单位的延时定时器 TMX[3]。 本系统设计用到的触点可分为四大类：一类是输出触点（对应于信号灯的状态指示用触 点）；一类是控制触点（包括各子程序中用作中间过渡触点以及各个功能的启动及停止用触 点）；一类是程序中数据寄存器；一类是定时器。因为整个系统涉及到的触点有很多，同时 实现系统全部功能的 PLC 控制程序也比较长，鉴于篇幅所限，本文以两相位信号交叉口为 http://www.paper.edu.cn -5- 例介绍系统功能的实现方法。二相位信号交叉口所用触点的分配见表 1~表 3所示。 表 1输出继电器分配表 Table 1 Allocation of output relay 第 I相位 第 II相位 绿灯显示 R2102 R2132 黄灯显示 R2112 R2142 红灯显示 R2122 R2152 表 2控制触点及数据寄存器的分配 Table 2 Allocation of control relay and data memory 第 I相位 第 II相位 中间过渡触点 R31、R32、R90 R41、R42、R91 数据寄存器 DT30、DT31 DT50、DT51 启动/停止程序触点 R72、R82 表 3定时器分配表 Table 3 Allocation of timer 第 I相位 第 II相位 绿灯持续亮时间 T511 T521 绿灯闪亮时间 T510 T520 黄灯时间 T512 T522 4.1.2 信号交叉口不同流向车流通行状态分析 为编制交通信号 PLC 控制程序，需要对信号交叉口不同流向车流通行状态进行分析。 图 2是信号交叉口及其相位示意图。 绿 R 21 32 黄 R 21 42 红 R 21 52 绿 R 2132 黄 R 2142 红 R 2152 图 2 两相位控制的信号交叉口 Fig2 Cross intersection with two phase signal controlled 在信号交叉口进口道处，不同流向的车流按照相序获得通行权，同时考虑到交通信号实 际控制时不同进口方向的信号灯同时显示的问题,画出不同流向车流的通行状态示意图，如 图 3所示。 http://www.paper.edu.cn -6- （a）图例说明 (a) Illustration of figure cases (b) 二相位信号交叉口不同流向车流的通行状态示意图 (b) Pass through states of antagonistic vehicle streams of two phase signalized intersection 图 3 信号交叉口不同流向车流的通行状态示意图 Fig 2 Pass through states of antagonistic vehicle streams at signalized intersection 由图 3(b)不难看出： R2102+R2112=R2152；R2132+R2142=R2122 （1） 式（1）是编写 PLC控制程序要遵守的关系式。 4.1.3 PLC控制程序 按照 4.1.1 部分的触点规定并根据 4.1.2 部分的分析，可编写出实现三色信号循环显示 的程序。考虑到实际交通信号控制中，信号灯显示时一般带有绿闪功能，即在某一相位的绿 灯显示结束之前，一般有 2秒到 3秒的闪烁，然后才是黄灯显示。据此，编制的红绿灯三色 信号循环显示的程序带有绿闪控制。另外，要实现系统中信号配时参数的在线修改的功能， 需要同时考虑到触摸屏中相应触点及存储器的设定，其设定原则是 PLC 程序和触摸屏中使 用的触点及存储器的编号要一致起来，以实现二者的关联。本文使用松下电工 FP系列可编 程控制器在Windows环境下的 PLC编程工具 FPWIN GR软件编写了实现系统功能中的二相 位信号控制交叉口的 PLC控制程序，如图 4所示。 图 4 所示程序的功能是：在一个相位的绿灯和黄灯点亮期间，另一相位的红灯是点亮 的状态，而且每一个相位中红绿黄三色信号在任意时间只有一种色灯处于点亮状态。 程序启动后，首先是第一相位的绿灯 R2102亮，R2102亮 T511秒再闪亮 T510 秒后， 熄灭。接着是黄灯 R2112亮 T512秒，然后熄灭；然后是第二相位的绿灯 R2132亮，R2132 亮 T521秒再闪亮 T520秒后，熄灭。接着是黄灯 R2142亮 T522秒，然后熄灭；以后如此循 环。程序中各色信号的显示时间由相应的定时器 TMX来控制，改变定时器的时间常数，定 时的时间就随之改变。 4.2 触摸屏画面的制作 利用 Terminal GTWIN进行触摸屏画面的制作。Terminal GTWIN是用于松下电工 GT系 列可编程智能操作面板的画面制作工具软件[4]。制作触摸屏画面时，根据系统功能的要求选 择相应的元件，本文主要用到了 Lamp型元件、SW型元件、FSW型元件、Data型元件以及 Keyboard Screen型以及 Keyboard part元件。画面中涉及到的元件，其编号及关联的设备应 与 PLC程序中的相对应。制作的系统触摸屏画面如图 2所示。 http://www.paper.edu.cn -7- 图 4 实现两相位信号交叉口三色信号循环显示的子程序 Fig 4 PLC control subprogram of realizing traffic signal control for two phase signal controlled intersection http://www.paper.edu.cn -8- 4.3 系统功能的实现 按图 1连接好设备并进行相关设置后，将编写好的控制程序及制作好的触摸屏界面由计 算机传输到 PLC及触摸屏上，程序运行后，在触摸屏上进行操作即可。 5．结语 本文基于 PLC 和触摸屏，设计了一个城市道路交通信号的动态显示系统，系统将交通 信号的实时状态显示在了触摸屏上。基于这样的设计思想，可在 PLC设备的数量或 Y触点 的点数受限的情况下设计出规模较大的动态显示系统，这具有很重要的现实意义。在设计 PLC 控制系统时，程序的调试可先在触摸屏上进行，待调试成功后再施于实际控制，这样 可在一定程度上进一步保证了设计人员及设备的安全。在设计这样的系统时，对程序中所用 的继电器、寄存器或定时器的触点的分配不但要统筹考虑，使有规律性，还需要了解所用型 号的 PLC 系统中设定的各继电器、寄存器或定时器的范围大小，以防它们的编号超出所规 定的范围。 参考文献 [1] 吴建强.可编程控制器原理及其应用[M]. 北京：高等教育出版社，2004. [2] FPX 用户 , http://www.naisplc.com [3] FPWIN使用手册, http://www.naisplc.com [4] GTWIN手册,, http://www.naisplc.com Traffic signal control system with PLC and dynamic display with touch panel Liu Guangping, Zhai Runping Department of Traffic Management Engineering of Chinese People’s Public Security University, Beijing , PRC ( 102623) Abstract Based programmable logic controller –PLC and touch panel, the paper has designed a dynamic display system for urban road traffic signal. The feature of the system are combining PLC with touch panel, adopting PLC to control traffic signal and displaying traffic signal live states on touch panel and changing signal timing parameters on line. The system can realize traffic signal control to signalized intersection with difference signal phase and coordinated control of traffic signals. The paper has introduced the design procedure of system, and has expounded the design steps of PLC control program and the making method of touch panel interface and then gives the typical subprogram. The system here has been running successfully and has used in self-designed traffic signal PLC control system. Keywords：Traffic Engineering；Dynamic Display；PLC；Touch Panel；System 作者简介： 刘广萍，女，1965 年生，博士，副教授，主要研究方向是交通管理与控制,可编程控制器的 应用。 翟润平，男，1963年生，硕士，教授，主要研究方向是交通控制、交通仿真。