基于车流的交通灯控制系统设计.doc

基于车流的交通灯控制系统设计 设计总说明 交通发展的状况是衡量一个国家现代化程度的重要标志之一 随着我国交 通事业的迅速发展 各种公交 运输汽车和汽车进入家庭的步伐加快使得城市 的汽车数量逐年增加 城市道路交通堵塞 拥挤问题显得越来越突出 交通问 题已经成为城市解决的必要问题 PLC编程简单 易维护 可以实现不同的功能 需求 本文利用西门子S7 300PLC来实现交通灯控制系统的设计 并以上位机 世纪星组态软件监控交通灯的运行 本文基于车流检测对交通灯的功能实现如下 在入路口的各个方向附近的 地下按要求埋设感应线圈 当汽车经过时就会产生涡流损耗 环状绝缘电线的 电感开始减少 即可检测出汽车的通过 并将这一信号转换为标准脉冲信号作 为可编程控制器的控制输入 并用PLC计数 首先 本文从CPU选型 PLC的选型 I O地址的分配以及硬件接线图介绍了 整个系统的硬件设计 从交通灯的流程图 梯形图和世纪星的监控画面来完成 系统的软件设计 其次 本文介绍了下位机PLC软件设计部分 实现了PLC控制系统对交通灯的 控制 分别对正常情况 东西堵车情况 南北堵车情况进行PLC编程 最后 介绍了上位机组态软件的设计 本文采用世纪星组态软件完成了控 制系统的监视软件设计 关键词 交通灯 PLC 十字路口 世纪星 A Transportation Light Controlling System Design Based on Traffic Flow Design Description Traffic development condition is one of important signs to measure a country s modernization degree With the rapid development of China s transportation business all kinds of transit transportation vehicles and vehicle access to the family make the car number increases year by year and the problems of traffic jams more and more serious Traffic problem has become the essential problem in the city PLC programming is simple and easy to maintain Demand for different functions can be realized In this paper Siemens S7 300PLC to achieve traffic light control system and more than slave Century Star Configuration sonftware to monitor the operation of traffic light According to the request we bury induction coils in the direction of the intersection of underground when the cars pass by eddy current loss will result insulated wire ring start to reduce the inductance can be detected by car and this signal is converted to the standard pulse signal as a programmable logic controller control input and counts with a PLC First of all this article introduces the system s hardware design from the CPU PLC s selection input and output address allocation and hardware wiring diagram Complete system design from Flow chart ladder and monitor screen of the century Secondly the article describes the design of PLC which is lower position software achieving a PLC control system to control traffic lights respectively in normal circumstances traffic jam situation in East and West North South traffic jam situation in PLC programming Finally the introduction of the PC configuration software design this paper uses century configuration software to complete of the control system monitoring software design Key words traffic lights PLC a crossroads Century Star 目录 1 绪论 1 1 1 概述 1 1 2 交通灯研究的背景和意义 2 1 3 交通灯的发展形势 现状及国内交通存在的问题 3 2 可编程控制器 PLC 4 2 1 PLC 简介 4 2 1 1 PLC 的发展 4 2 1 2 PLC 的定义 4 2 1 3 PLC 的组成 5 2 1 4 PLC 的工作原理 6 2 1 5 PLC 的主要性能指标 7 2 1 6 PLC 的优点 8 2 1 7PLC 的应用领域 9 2 2 S7 300 可编程控制器介绍 9 2 2 1 S7 300 可编程控制器的特点 9 2 2 2 S7 300 可编程控制器的基本指令 10 2 2 3 S7 300 的组成 10 2 2 4 S7 300 的功能 10 3 组态软件 世纪星 12 3 1 组态软件的发展 12 3 2 组态软件的简介 13 3 4 世纪星组态软件的特点 14 3 5 世纪星组态软件基本功能 14 4 交通灯控制系统设计 15 4 1 总体方案设计 15 4 1 1 传感器的位置 15 4 1 2 计数的方法 16 4 2 交通灯控制系统硬件的设计 16 4 2 1 PLC 选型 16 4 2 2 CPU 的选型 17 4 2 3 I O 地址的分配 17 4 2 4 硬件接线图 18 4 3 交通灯控制系统软件的设计 19 4 3 1 交通灯控制流程图 19 4 3 2 梯形图 19 4 3 3 世纪星监控画面 39 4 4 调试分析 41 5 总结 43 5 1 全文总结 43 5 2 展望 43 致谢 45 参考文献 46 1 绪论 1 1 概述 随着我国城市化建设的发展 人民的生活水平日渐提高 越来越多的汽 车进入了寻常老百姓的家庭 再加上政府大力发展公交车 出租车 使得道路 上车辆越来越多 许多大城市均出现了道路交通超负荷运行的情况 城市的交 通拥挤问题日趋严重 城市交通系统是一个具有随机性和不确定性的复杂系统 因此为了保障城市交通有序 安全 快速运行 提高城市路网的通行能力 实 现道路交通的科学化管理迫在眉睫 道路交通灯的正常运行成为交通畅通的重 要保证 由于以往交通灯控制存在着可靠性差 功能少 维护量大等缺点 特 别在大 中城市不断增加的车辆和有限的道路空间的矛盾日益加剧 十字路口 简单的双向红绿灯控制已不能满足现实生活的需要 越来越不适应城市交通高 速发展的要求 目前 我国的十字路口交通灯基本上都是固定配时的 不管是车流高峰还 是低谷 红绿灯的时间都是固定不变的 事先经过车辆流量的调查 将东西 南北两个方向红绿灯的延时预先设置好 然而 实际上车流量的变化往往是不 确定的 有的路口在不同时段甚至可能产生很大的差异 即使是经过长期运行 较适用的方案 控制起来还是不够灵活 还不能解决相对拥挤 混乱的交通次 序 仍然会发生这样的现象 绿灯方向几乎没有什么车辆 而红灯方向却排着 长队等候通过 然而 实际上车辆流量的变化往往是不确定的 这种车流量变 化的偶然性是无法建立准确模型的 统计的方法也已不能适应迅猛发展的交通 现状 更为现实的需要来设计一种能够根据车流量的变化情况控制交通灯 为了适应现代社会道路车流量越来越大的实际情况 一种以微电脑技术为 核心的自动控制装置的可编程逻辑控制器 PLC 被广泛应用于交通灯的控制 领域 国外也有许多文献也对交通灯控制系统进行了说明 例如 Michal TUR AN K TRAFFIC LIGHTS CONTROL USING RECURRENT NEURAL NETWORKS 11 Design of Traffic Light Control Systems UsingState charts 12 在本设计中我们在原有控制系统的基础上采用了新的控制方式 使得系统更 加具有实用性和便捷性 通过车流量的统计来判断是否堵车 然后根据具体要 求来控制红绿灯的时间 本设计就是应用西门子 S7 300 对十字路口交通灯控 制实现 PLC 控制 本文主要从以下几个部分进行论述 第 1 章 主要说明了交通灯研究的背景 意义 发展形势 现状及国内交 通存在的问题 第 2 章 首先介绍可编程控制器 PLC 的发展 定义 组成 工作原理 主 要性能指标 优点及应用领域 其次介绍了 S7 300 可编程控制器的特点 基 本指令 组成及功能 第 3 章 首先介绍了组态软件的发展和特点 其次对世纪星组态软件作以 简单的介绍 并阐述了世纪星组态软件的特点和基本功能 第 4 章 本章主要介绍了本次设计的主要内容即交通灯控制系统的设计 先对系统的总体设计进行了说明 然后是交通灯控制系统的硬件设计 包括 PLC 选型 CPU 的选型 I O 地址分配 最后是交通灯控制系统的软件设计 包括交通灯控制流程图 梯形图 世纪星监控画面 第 5 章 调试分析 第 6 章 对本文进行了总结以及对未来交通灯控制系统的展望 1 2 交通灯研究的背景和意义 从经济的发展形式看 我国的经济增长速度比主要工业发达国家年平均增 长速度都要高 随着我国现代化发展的进程 经济必将持续增长 其增长的速 度继续在世界处于领先地位 高速度的持续经济发展 造成现在交通的拥挤现 状 给人们的生活带来了很多不方便 道路交通控制是在确定的行政规定约束 下 采用合适的营运方法来确保公共和私人运输方式具有最佳的交通运行状态 在现代城市中 人口和汽车日益增长 市区交通也日益拥挤 人们的安全问题 也日益重要 因此 红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一 有了交通灯人们的安全出行就有了很大的保障 自从交通灯诞生以来 其内部 的电路控制系统就不断的被改进 设计方法也开始多种多样 从而使交通灯显 得更加智能化 尤其是近几年来 随着 PLC 控制的飞速发展 PLC 的分析和设 计方法有了很大的改进 PLC 设计自动化也已经成为现代控制系统中不可缺少 的工具和手段 这些为交通灯控制系统的设计提供了一定的技术基础 道路交 通控制的作用主要有以下几个方面 改善交通秩序 增加交通安全 减少交 通延误 提高经济效益 降低污染程度 保护生态环境 节省能源和土地消耗 随着计算机技术的发展 PLC 不仅能代替传统的继电器实现逻辑控制 而 且已发展成为集各种控制 运算 通信为一体的功能强大的控制器 由于其编 程简单 修改方便及工作可靠 在交通信号控制中它的应用也越来越广泛 为 了缓解交通的拥挤 减少交通事故 改善道路交通环境 节约交通能源 减轻 驾驶疲劳等功能 最终实现安全 舒适 快速 经济的交通环境是目前急需解 决的城市交通管理系统的关键技术之一 由于十字路口的交通灯控制是实时的 考虑到小型 PLC 的长处是控制而非 复杂的逻辑运算 为了简化逻辑运算 提高 PLC 的控制输出速度 本系统采用 规模分档 的绿灯时长智能控制原则 即 把东西方向或南北方向的车辆按 数量规模进行分档 相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规 律分档 这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长 达到最大限度的有车放 行 减少十字路口的车辆滞流 缓解交通拥挤 实现最优控制 从而提高了交 通控制系统的效率 1 3 交通灯的发展形势 现状及国内交通存在的问题 本文针对传统交通灯控制系统中存在的问题进行设计 比较传统的定时交 通灯控制与智能交通灯控制 可知后者的最大优点在于减缓滞流现象 也不会 出现空道占时的情形 提高了公路交通通行率 较全球定位系统而言成本更低 交通灯一般设在十字路门 在醒目位置用红 绿 黄三种颜色的指示灯 加上 一个倒计时的显示计时器来控制行车 出于便捷和效果的综合考虑 可以制作 传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长 在本次设计中主要加入计数器来对 车流量进行检测 在车流量超过某一数 堵车数量 时 可通过调节倒计时显 示计数器来调节红绿灯的延长时间 减少传统交通灯所存在的问题 目前大城 市交通面临主要问题有以下几点 道路容量不足 汽车增长速度过快 公共交 通发展缓慢 交通管理技术水平有待提高 缺乏整体的交通发展战略 从控制 系统设计上 应用可编程控制器 PLC 设计出智能交通灯控制系统以解决交通拥 堵 在十字路口相应的位置预埋传感线圈 对此路段上的车流量进行统计 并 根据车流量的变化 改变绿灯的控制时间 可以实时地对红绿灯时间的调节 交通灯的控制方案很多 有应用 CPLD 设计实现交通信号灯控制器方法 有 应用 PLC 实现对交通灯控制系统的设计 7 有应用单片机实现对交通信号灯设 计的方法 有基于 LED 的交通灯控制系统 有基于总线模式的交通灯控制系统 5 有自适应交通灯的控制系统 6 有交通灯的模糊控制系统 对于一般情况 下的安全行车 车辆分流尚能发挥作用 但根据实际行车过程中出现的情况 还存在以下缺点 1 两车道的车辆轮流放行时间相同 在十字路口 经常一 个车道为主干道 车辆较多 放行时间应该长些 另一车道为副干道 车辆较 少 放行时间应该短些 2 两条干道的红绿灯时间不能随车流量的变化而变 化 2 可编程控制器 PLC 2 1 PLC 简介 2 1 1 PLC 的发展 可编程控制器 Programmable Logic Controller PLC 产生于 20 世纪 60 年代末 它是在继电器 接触器控制系统的基础上开发出来的一种新型的工业 控制器 具有编程简单 使用方便 可靠性高 通用性强 体积小 易于维护 等优点 在目前控制领域中的应用非常广泛 1968 年 美国通用汽车 GM 公 司为了适应生产工艺不断更新的需求 公开招标研制一种新型 通用的工业控 制器 要求比继电器 接触器控制系统工作更可靠 功能更齐全 响应速度更 快 1969 年 美国数字设备 DEC 公司根据十大技术指标的要求研制出世界 上第一台可编程控制器 PDP 4 并在通用汽车的生产线上试用成功 取得了显 著的经济效益 从此之后 可编程控制器就逐渐发展起来 1971 年日本从美国 引进了这项新技术 很快研制出了日本第一台可编程控制器 DSC 8 1973 年西 欧国家也开始研制和生产可编程控制器 我国从 1974 年开始研制 1977 年开 始在工业上应用 到目前为止 世界各国一些著名的电器制造商几乎都在生产 PLC 装置 如德国的西门子 美国罗克韦尔自动化公司的 A B 日本的三菱和 OMRON 美国的 GE 等 1 可编程控制器从其产生到发展 尽管只有几十年的时间 但由于其编程简 单 可靠性高 通用性强 使用方便等优点 使其得到了飞速的发展 可编程 控制器的应用领域非常广泛 涉及冶金 化工 机械 纺织 建筑 运输 电 力等部门 已逐渐成为自动化领域的重要支柱之一 2 1 2 PLC 的定义 美国电器制造商协会 NEMA 于 1980 年将可编程控制器正式命名为 Programmable Controller 简称 PC 为区别于个人计算机的缩写 仍将可编程 控制器简称为 PLC NEMA 对 PLC 的定义如下 PLC 是一个数字式的电子装置 它使用了可编程序的记忆体来存储指令 用以执行诸如逻辑 顺序 定时 计数和运算等功能 并通过数字或模拟的输 入 输出接口 来控制各种机械的工作过程 一部数字电子计算机如是用来执 行 PLC 的功能 亦被视同为 PLC 但不包括鼓式或机械式顺序控制器 国际电工学会 IEC 曾于 1982 年 11 月颁布了可编程控制器标准草案第 一稿 1985 年 1 月又遍布了第二稿 1987 年 2 月遍布了第三稿 该草案中对 可编程控制器的定义如下 可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统 是专为在工业环境下应 用而设计的工业控制器 它采用了可编程序的存储器 用来在其内部存储执行 逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的指令 并通过数字式或 模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程序控制器及其 有关的外围设备 都按易于与工业控制系统联成一个整体 易于扩充其功能的 原则设计 定义强调了 PLC 是进行数字运算操作的电子系统 它是一种计算机 是专 为在工业环境下应用而设计的工业控制计算机 PLC 可以直接应用于工业环境 具有很强的抗干扰能力 以及广泛的适应能力 这是 PLC 区别于其他微型系统 的一个重要特性 PLC 采用面向用户的指令系统 所以编程方便 它能完成逻辑运算 顺序 控制 定时与计数以及算术运算等功能 还具有数字量或模拟量的输入 输出 控制功能 易于扩展和其他工业控制系统互联 2 1 3 PLC 的组成 可编程控制器实质上是一种工业控制计算机 其内部基本结构与微型计算 机类似 主要有中央处理单元 CPU 存储器 输入 输出接口和通讯接口等 几部分组成 如图 2 1 所示 电源 电源接口 中央处理器 电源接口 存储器 电源接口 外围设备接口 电源接口 编程器其他设备 电源接口 输 入 接 口 输 出 接 口 来自现 场及用 户设备 至现场 及用户 设备 中央处理器 电源接口 存储器 电源接口 图 2 1 PLC 的基本组成 2 1 4 PLC 的工作原理 可编程控制器是为克服继电器 接触器控制系统固有的缺陷而研制开发的 用 PLC 实现等效的电气控制逻辑非常方便 根据 PLC 的结构 可以简单的将 PLC 等效工作电路分成三个部分 即输入部分 内部程序执行部分 输出部分 PLC 的用户程序由若干条指令组成 依次存放在程序存储器中 PLC 工作时 总是从第一条指令开始 按照用户程序所固有的顺序逐条执行 直至用户程序 结束 然后再返回到第一条指令 开始新一轮的程序执行过程 程序的每一次 执行过程成为一次扫描过程 所用的时间成为扫描周期或工作周期 PLC 的工 作过程就是这样周而复始的顺序扫描过程 简称为扫描工作方式 而这种周期 性的顺序扫描是 PLC 特有的一种工作方式 9 在每个扫描周期内 PLC 除执行用户程序外 还要完成其他处理工作 如 输入采样 输出刷新 通信处理和系统自检等 PLC 的扫描工作流程如图 2 2 所示 电源ON 内部处理 输入处理 输入传送 远程I O 通信服务 外设 CPU 总线服务 更新时钟 特殊寄存器 CPU运行方式 执行程序 输出处理 执行自诊断 PLC 正常 存放自诊断错误结果 致命错误 CPU强制为STOP STOP RUN Y N N Y 图 2 2 PLC 的扫描工作流程 PLC 的扫描工作过程可分为如下 3 个部分 第一部分是上电处理 PLC 上电后将进行一系列初始化过程 如硬件系统 配置 I O 模块配置的检查 PLC 内部期间状态的自检等 第二部分是扫描过程 初始化过程完成后 PLC 上电处理后进入循环扫描 过程 先完成输入处理 其次完成与其他外设的通信处理 再次进行时钟 特 殊寄存器更新 当 CPU 处于 STOP 方式时 转入执行自诊断检查 当 CPU 处于 RUN 方式时 还要完成用户程序的执行和输出处理 在转入执行自诊断检查 第三部分是故障处理 PLC 每执行一次扫描过程后 均要执行一次自诊断 过程 以检查 PLC 自身状态是否正常 如 CPU 电池电压 程序存储器 I O 接口 通信等是否异常或出错 如检查出现异常时 CPU 面板上的 LED 及异常 继电器会接通 在特殊寄存器中会存入出错代码 当出现致命错误时 CPU 被 强制为 STOP 方式 所有的扫描停止 2 1 5 PLC 的主要性能指标 1 存储容量 是指用户程序存储器的容量 用户程序存储器的容量大 可以编制出复杂的程序 2 I O 点数 是指 PLC 可以接受的输入信号和输出信号的总和 是衡量 PLC 性能的重要指标 I O 点数越多 外部可接的输入设备和输出设备就越多 控制规模就越大 3 扫描速度 是指 PLC 执行用户程序的速度 是衡量 PLC 性能的重要指 标 一般以扫描 1K 字用户程序所需的时间来衡量扫描速度 通常以 ms K 字为 单位 4 指令的功能与数量 指令功能的强弱 数量的多少也是衡量 PLC 性能 的重要指标 编程指令的功能越强 数量越多 PLC 的处理能力和控制能力也 越强 用户编程也越简单和方便 越容易完成复杂的控制任务 5 内部元件的种类与数量 在编制 PLC 程序时 需要用到大量的内部元 件来存放变量 中间结果 保持数据 定时计数 模块设置和各种标志位等信 息 6 特殊功能单元 特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量 PLC 产 品的一个重要指标 近年来各 PLC 厂商非常重视特殊功能单元的开发 特殊功 能单元种类日益增多 功能越来越强 使 PLC 的控制功能日益扩大 7 可扩展能力 PLC 的可扩展能力包括 I O 点数的扩展 存储容量的扩展 联网功能的扩展 各种功能模块的扩展等 在选择 PLC 时 经常需要考虑 PLC 的可扩展能力 3 2 1 6 PLC 的优点 可编程控制器本质上是具有特殊体系结构的工业控制计算机 它与一般 的计算机相比具有更强的与工业过程相连的接口 同时具有更适应于控制要求 的程序设计语言 可以说 可编程控制器是将计算机技术与电气控制技术有机 的结合起来 PLC 主要应用于顺序控制中 是一种专门为在工业环境下应用而 设计的数字操作的电子控制装置 应该是一个较理想的控制器选择 在其内部 存储执行逻辑 利用电力线上网 最大的优点主要表现在以下几个方面 1 可靠性高 抗干扰能力强 工业生产一般是在恶劣环境中进行的高强度作业 这就要求其设备具有较 高的可靠性和抗干扰能力 PLC 的 I O 接口电路均采用光电隔离 使工业现场 的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离 各输入端均采用 R C 滤波器 各模 块均采用屏蔽措施 并具有良好的自诊断功能 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三个 CPU 构成表决系统 使可靠性更进一步提高 2 丰富的 I O 接口 在工业生产现场 存在各种不同的设备或变化的生产环境 为了在计算机 中进行计算及采取控制措施 PLC 配备丰富的 IO 模块 以便能够将现场的各种 信号转换成 PLC 中可识别的信号 一般可将信号分为两种 离散信号 模拟信 号 一些按钮 开关 电磁线圈和控制阀等器件通过传感器产生高低电平形成 离散信号 一些温度 压力 速度等传感器通过其测量值映射为模拟信号 只 要配备相应的采集装置 PLC 就可以通过 IO 模块与现场装置进行互动 3 编程简单 易学易用 PLC 作为通用工业控制计算机 接口简单易于配置 编程语言也易于工程 技术人员所接受 尤其梯形图语言的图形符号能够形象地表达各种逻辑结构 不需要使用人员具有专业的计算机知识便可完成编程工作 这就使得开发人员 能将更多的精力放在工控设计方面 进而提高工作效率 4 系统搭建容易 维护方便 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑即使用软逻辑代替硬逻辑 这一方面增加了 逻辑运算的灵活性 另一方面大大减少了控制设备外部的接线 使控制系统结 构更加简易实用 系统搭建周期大为缩短 系统维护也很简单 因为系统的硬 件相对较少 改变系统结构的工作量也就较少 如果无需改变硬件结构 则只 需要对系统重新进行软件组态即可 8 2 1 7PLC 的应用领域 PLC 的应用领域非常广泛 在钢铁 石油 化工 电力等各个行业都可以 看到 PLC 的应用 PLC 即可以进行开关量的逻辑控制又可以进行模拟量的逻辑 控制 只需要配备相应的 I O 模块和配套装置即可 PLC 主要的应用领域大致 有如下几类 1 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直 接用于开关量 I O 模块 连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运 动控制模块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界 上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机器人 电梯等场合 2 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计 算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是一般 闭环控制系统中用得较多的调节方法 大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小 型 PLC 也具有此功能模块 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序 过程控制 在冶金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 3 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以 利用通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理一般用于大 型控制系统 如无人控制的柔性制造系统 也可用于过程控制系统 如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 4 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信 随着计算机控 制的发展 工厂自动化网络发展得很快 各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功 能 纷纷推出各自的网络系统 新近生产的 PLC 都具有通信接口 通信非常方 便 2 2 S7 300 可编程控制器介绍 2 2 1 S7 300 可编程控制器的特点 S7 300 可编程控制器能适合自动化工程中的各种应用场合 尤其是在生 产制造工程中的应用 模块化 无排风扇结构 易于实现分布式的配置 以及 用户易于掌握等特点 使得 S7 300 在以下工业部门中实施各种控制任务时 成为一种既经济又切合实际的解决方案 生产制造工程 汽车工业 通用机械 制造 专用机械制造 各种类型的专用机床 OEM 塑料加工 包装工业 食品 和饮料工业 工艺过程工程 例如 供水 排水 建筑服务设施等 S7 300 具 有以下显著特点 循环周期短 处理速度高 指令集功能强大 可用于复杂功 能 产品设计紧凑 可用于空间有限的场合 模块化结构 适合密集安装有不同 档次的 CPU 各种各样的功能模块和 I O 模块可供选择 100 免维护 已检定合 格的 可在恶劣气候条件下露天使用的模块类型 S7 300 可以提供一个模拟 系统 在目前工业上应用比较广 而且性价比也很高 它是模块化小型 PLC 系 统 其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展 2 2 2 S7 300 可编程控制器的基本指令 S7 300 可编程控制器的基本指令主要有以下几种 位逻辑指令 时钟指令 读实时时钟和写实时时钟 通讯指令 比较指令 转换指令 计数器指令 定时器指令 比例 积分 微分 PID 回路控制指令 中断指令 逻辑操作指 令 传送指令 程序控制指令 移位和循环指令 字符串指令 2 2 2 3 S7 300 的组成 1 中央处理单元 CPU 各种 CPU 有不同的性能 例如 有的 CPU 上集成 有 PROFIBUS DP 通讯接口等 2 信号模块 SM 用于数字量和模拟量输入 输出 3 通讯处理器 CP 用于连接网络和点对点连接 4 功能模块 FM 用于高速计数 定位操作 开环或闭环定位 和闭环控制 5 负载电源模块 PS 用于将 SIMATICS7 300 连接到 120 230V 交流电 源 或 24 48 60 110V 直流电源 6 接口模块 1M 用于多机架配置时连接主机架 CR 和扩展机架 ER S7 300 通过分布式的主机架 CR 和 3 个扩展机架 ER 可以操作多达 32 个模 块 运行时无需风扇 7 SIMATICS7 300 适用于通用领域 高电磁兼容性和强抗振动 冲击性 使其具有最高的工业环境适应性 2 2 4 S7 300 的功能 1 高速的指令处理 0 1 0 6u s 的指令处理时间在中等到较低的性 能要求范围内开辟了全新的应用领域 2 浮点数运算 用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 3 方便用户的参数赋值 一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进 行参数赋值 4 人机界面 HMl 从 S7 300 中取得数据 S7 300 按用户指定的刷新速 度传送这些数据 S7 300 操作系统自动地处理数据的传送 5 诊断功能 CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常 记 录错误和特殊系统事件 6 口令保护 多级口令保护可以使用户高度 有效地保护其技术机密 防 止未经允许的复制和修改 7 操作方式选择开关 操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出 当钥匙 拔出时 就不能改变操作方式 8 SIMATICS7 300 具有多种不同的通讯接口 多种通讯处理器用来连接 AS I 接口和工业以太网总线系统 串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系 统 多点接口 MPl 集成在 CPU 中 用于同时连接编程器 PC 机 人机界面系统 及其他 SIMATICS7 M7 C7 等自动化控制系统 3 组态软件 世纪星 3 1 组态软件的发展 组态软件又称监控组态软件 译自英文SCADA 在组态软件出现之 前 工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI 应用 开发时间长 效率低 可靠性差 或者购买专用的工控系统 通常是封闭的系统 选择余 地小 往往不能满足需求 很难与外界进行数据交互 升级和增加功能都受 到严重的限制 组态软件的出现 把用户从这些困境中解脱出来 可以利用 组态软件的功能 构建一套最适合自己的应用系统 随着它的快速发展 实 时数据库 实时控制 SCADA 通讯及联网 开放数据接口 对I O 设 备的广泛支持已经成为它的主要内容 随着技术的发展 监控组态软件将会 不断被赋予新的内容 4 组态软件 Configuration Software 是一个使用户能快速建立自己 H MI Human Machine Interface 的软件开发工具 或开发环境 是模块化 功能的任意组合 组态软件 又称组态监控软件系统软件 其中 组态 Conf igure 的含义是 配置 设定 设置 等意思 是指用户通过类似 搭积木 的简单方式来完成自己所需要的软件功能 而不需要编写计算机 程序 也就是所谓的 组态 它有时候也称为 二次开发 组态软件就 称为 二次开发平台 监控 Supervisory Control 即 监视和控制 是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视 控制和管理 它是指 一些数据采集与过程控制的专用软件 组态软件是有专业性的 一种组态软件只能适合某种领域的应用 组态 的概念最早出现在工业计算机控制中 如DCS 集散控制系统 组态 PLC 可编程控制器 梯形图组态 人机界面生成软件就叫工控组态软件 不 同之处在于 工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的 从表面上看 组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务 组态软件的出现使用户可以 利用组态软件的功能 构建一套最适合自己的应用系统 目前组态软件有主要有以下几种 1 世纪星 由北京世纪长秋科技有限公司开发 产品自1999 年开始 销售 2 组态王 King View 由北京亚控科技发展有限公司开发 该公司成 立于 1997 年 目前在国产软件市场中占据着一定地位 3 MCGS 由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发 市场上主 要是搭配硬件销售 4 WinCC 是西门子公司发布的组态开发环境 Simens 提供类 语 言的脚本 包括一个调试环境 WinCC 内嵌 OPC 支持 并可对分布式系 统进行组态 但 WinCC 的结构较复杂 用户最好经过 Simens 的培训以掌 握 WinCC 的应用 3 2 组态软件的简介 世纪星组态软件 由开发系统 CSMaker 和运行系统 CSViewer 两部分组成 CSMaker 和 CSViewer 是各自独立的 Windows 32 位应用程 序 均可单独使用 两者又相互依存 在开发系统中设计开发的画面应用程 序必须在运行系统中才能运行 随着工业自动化水平的迅速提高 计算机在工业领域的广泛应用 人们 对工业自动化的要求越来越高 种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业 领域的应用 使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求 在开发 传统的工业控制软件时 当工业被控对象一旦有变动 就必须修改其控制系 统的源程序 导致其开发周期长 已开发成功的工控软件又由于每个控制项 目的不同而使其重复使用率很低 导致它的价格非常昂贵 在修改工控软件 的源程序时 倘若原来的编程人员因工作变动而离去时 则必须同其他人员 或新手进行源程序的修改 因而更是相当困难 通用工业自动化组态软件的 出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法 因为它能够很好地解 决传统工业控制软件存在的种种问题 使用户能根据自己的控制对象和控制 目的的任意组态 完成最终的自动化控制工程 组态 Configuration 为模块化任意组合 通用组态软件主要特点 1 延续性和可扩充性 用通用组态软件开发的应用程序 当现场 包 括硬件设备或系统结构 或用户需求发生改变时 不需作很多修改而方便地 完成软件的更新和升级 2 封装性 易学易用 通用组态软件所能完成的功能都用一种方便 用户使用的方法包装起来 对于用户 不需掌握太多的编程语言技术 甚至 不需要编程技术 就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能 3 通用性 每个用户根据工程实际情况 利用通用组态软件提供的底 层设备 PLC 智能仪表 智能模块 板卡 变频器等 的I O Driver 开放式的数据库和画面制作工具 就能完成一个具有动画效果 实时数据处 理 历史数据和曲线并存 具有多媒体功能和网络功能的工程 不受行业限 制 10 3 4 世纪星组态软件的特点 1 稳定性 世纪星组态软件 在十年中 有二万多套软件应用于各行各业 2 先进性 世纪星组态软件 采用了国际先进的组态理念 吸收了当前国内外先 进组态软件的优秀成果 世纪星组态软件 拥有的独特功能 特别是图形 设计 语音报警 组态报表及个性化功能在国内外组态行业中处于领先地位 3 方便性 世纪星组态软件 易学易用 操作方便 所有功能用一种方便用户使 用的方法包装起来 对于用户 不需掌握太多的编程语言技术 甚至不需 要编程技术 就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能 4 通用性 用 世纪星组态软件 开发的应用程序 当现场 包括硬件设备或系 统结构 或用户需求发生改变时 可以方便地完成软件的更新和升级 也就 是说 当用户开发出一个工程后 它的重复使用率是很高的 开发类似的工 程时只需稍加修改便可以使用 5 广泛性 世纪星组态软件 广泛用于电力 通讯 制冷 化工 石油 机械 制造 钢铁 煤炭 水泥 纺织 造纸 食品 水处理 建材 环保 智能 楼宇 实验室 交通等多种工程领域 无论应用场合如何 都可以使用 世纪星组态软件 构造有效的监控和数据采集系统 即 SCADA Super visory Control And Data Acquisition 3 5 世纪星组态软件基本功能 组态软件最基本的功能就是数据采集和监控 数据采集 组态软件通过高性能 高速I O 驱动程序直接与外设进 行通讯 实现数据采集 监控 组态软件对采集的数据处理后 以适当的形式如声音 图形 图象等方式显示给用户 达到监视的目的 根据系统控制的工艺要求 可以 接受操作人员的指示 将控制信号发送到下位机中 达到控制的目的 4 交通灯控制系统设计 4 1 总体方案设计 本次设计中 将交通灯 的循环周期设置为 130s 具体方案如下 系统 接通电源 按下启动按钮后 开始工作 先根据东西 南北的车流量来判 断是否堵车 如果没有堵车 则运行正常程序 即 南北方向 红灯亮 65s 后熄灭 接着绿灯亮 60s 后闪烁 2s 后熄灭 又接着黄灯亮 3s 后熄灭 东 西方向 绿灯亮 60s 然后闪烁 2s 后熄灭 接着黄灯亮 3s 后熄灭 又接着 红灯亮 65s 后熄灭 如果堵车 然后再判断是哪个方向堵车 若南北车流量 大于东西车流量 则运行南北强通子程序 即 南北方向 绿灯亮 90s 后闪烁 2s 后熄灭 黄灯亮 3s 后熄灭 红灯亮 35s 后熄灭 东西方向 红灯亮 95s 后熄灭 绿灯亮 30s 后闪烁 2s 黄灯亮 3s 后熄灭 使南北车流量放行 的多一些 以解决南北堵车的现象 若东西车流量大于南北车流量 则运行东 西强通子程序 即 东西方向 绿灯亮 90s 后闪烁 2s 后熄灭 黄灯亮 3s 后 熄灭 红灯亮 35s 后熄灭 南北方向 红灯亮 95s 后熄灭 绿灯亮 30s 后 闪烁 2s 黄灯亮 3s 后熄灭 以解决东西堵车的现象 然后进行下一轮的判 断 如此循环下去 4 1 1 传感器的位置 图 4 1 传感器的位置 4 1 2 计数的方法 传感器可以根据外界的实际情况来判断各个方向上车流量的大小 并转 换成电信号将信息发送给 PLC 这时 PLC 将根据收到的信息自动启动各个 子程序 来判断是采用正常程序控制还是异常程序控制 在十字路口的 4 个方向 E S W N 的近端 斑马线附近 和远端 距斑马线 100 米处 各设置一个传感器 假设每辆车长5m 则设在 100m 的范围内 20 辆车为堵车数量 然而分别统计通过该处的车辆数 近端的传感器 Pj 用于记录绿灯通过路口的车辆数 记为X 远端的 传感器 Pr 用于记录红灯期间进入路口排队等候的车辆数 记为Y 为了 简化运算 可以将两个相对的方向 N 与 S W 与 E 的 X Y 值合并为一 组 分别取两个方向之最大值 然后比较两个方向的最大值可利用强通开关 进行变换红绿灯的次序 解决道路拥挤的问题 4 2 交通灯控制系统硬件的设计 本次设计的 PLC 硬件配置如下表 4 1 所示 表 4 1PLC 硬件配置 4 2 1 PLC 选型 根据该控制系统所需 I O 点数选择合适型号的 PLC 使得 I O 点能被充分 利用 因此选择 PLC 为德国西门子公司生产的 S7 300 型 S7 300 可以提供一 个模拟系统 在目前工业上应用比较广 而且性价比也很高 它是模块化小型 PLC 系统 其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩 展 4 2 2 CPU 的选型 CPU 315 2DP 可外接 24 个 S7 300I O 模块 有 64K 字节 RAM 具有中到大 容量程序存储器和 PROFIBUS DP 主从接口 可用于大规模的 I O 配置 也可用 于建立分布式 I O 结构 计数范围 1 999 计时范围 10ms 9990s 因此 CPU 315 2DP 满足本设计要求 则选择 CPU315 2DP 的型号 4 2 3 I O 地址的分配 可编程控制器控制交通信号灯 I O 地址分配如表 4 2 所示 表 4 2 I O 地址分配表 输入地址功 能输出地址功 能 I0 0启动 停止开关 Q0 1南北红灯 I0 1正常运行开关Q0 2 东西绿灯 I0 2东西强通开关Q0 3东西黄灯 I0 3南北强通开关Q0 4东西红灯 Q0 5南北绿灯 Q0 6南北黄灯 4 2 4 硬件接线图 L H CPU315 2DP IM L I0 0 Q0 0 I0 1 Q0 1 I0 2 Q0 2 I0 3 Q0 3 I0 4 Q0 4 I0 5 Q0 5 I0 6 Q0 6 I0 7 Q0 7 启动 停 止 正常运行 东西强通 南北强通 南北红灯 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 南北绿灯 南北黄灯 V V 图 4 2 硬件接线图 4 3 交通灯控制系统软件的设计 4 3 1 交通灯控制流程图 开始 判断是否堵 车 NY 判断车流量东西 方向 南北方向 YN 初 始 化 调用正常运行子程序 调用东西强通子程序 调用南北强通子程序 图 4 3 交通灯控制流程图 4 3 2 梯形图 主程序梯形图 当启动 停止开关接通后 通过判断东西 南北车流量是否大于或等于 20 来判断是否堵车 如果东西 南北的车流量小于 20 那么我们认为没有堵 车 则运行正常程序 如果东西 南北的车流量不小于 20 那么我们认为堵车 然后再判断是哪个方向堵车 来运行该方向强通子程序 以解决交通堵塞的情 况 正常程序运行梯形图 如果东西 南北车流量都小于 20 则运行正常程序 当启动 停止开关接 通后 开始工作 东西方向 绿灯亮 60s 后闪烁 2s 后熄灭 黄灯亮 3s 后熄灭 红灯亮 65s 熄灭 南北方向 红灯亮 65s 后熄灭 绿灯亮 60s 后闪烁 2s 后熄 灭 黄灯亮 3s 后熄灭 然后进行下一轮的判断 其实现梯形图如下 南北强通子程序梯形图 当东西 南北车流量均不小于 20 且南北车流量大于东西车流量时 则运 行南北强通子程序 南北方向 绿灯亮 90s 后闪烁 2s 后熄灭 黄灯亮 3s 后熄 灭 红灯亮 35s 后熄灭 东西方向 红灯亮 95s 后熄灭 绿灯亮 30s 后闪烁 2s 黄灯亮 3s 后熄灭 使南北车流量放行的多一些 以解决南北堵车的现象 然后进行下一轮的判断 其实现梯形图如下 东西强通子程序梯形图 当东西 南北车流量均不小于 20 且东西车流量大于南北车流量时 则 运行东西强通子程序 东西方向 绿灯亮 90s 后闪烁 2s 后熄灭 黄灯亮 3s 后 熄灭 红灯亮 35s 后熄灭 南北方向 红灯亮 95s 后熄灭 绿灯亮 30s 后闪烁 2s 黄灯亮 3s 后熄灭 使东西车流量放行的多一些 以解决东西堵车的现象 然后进行下一轮的判断 其实现梯形图如下 4 3 3 世纪星监控画面 世纪星组态软件 由开发系统和运行系统两部分组成 开发系统和运 行系统是各自独立的 32 位应用程序 均可单独使用 两个系统又相互依 存 在开发系统中开发的应用程序必须在运行环境中才