基于PLC交通灯控制系统设计

西安航空职业技术学院毕业设计论文基于PLC和MCGS的交通灯系统设计【摘要】当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC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.PLC结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。由于PLC具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。PLC还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成同一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用。关键字：PLC、交通灯、控制系统、组态设计Abstract:Today,trafficlightsinstalledonthecrossingatall,toeasethetrafficofvehicleshasbecomethemostcommonandmosteffectivemeans.Socialdevelopment,people'sconsumptionlevelscontinuetoincrease,privatevehiclesisincreasing.Ofpeople,carsandmoreroadshavelesstrafficstatusisobvious.Therefore,theadoptionofeffectivemethodstocontroltrafficlightsisimperative.PLCintelligentcontrolprincipleisthecoreofthecontrolsystemusingPLCnorth-southdirectiontoeast-westdirectionorscaleofthevehiclebythenumberofsub-file,theappropriatethinggiventhegreenlightnorth-southdirectionandlengthoftimeisalsosub-fileaccordingtocertainrules.Thisscalecanbeachievedgiventhegreenlightattrafficduration,toachievemaximumreleaseacartoreducethestagnationofvehiclescrossingtoeasetrafficcongestion,toachieveoptimalcontrol,thusimprovingtheefficiencyoftrafficcontrolsystem.PLCstructureissimple,easyprogramming,highreliability,hasbeenwidelyusedforindustrialprocessandlocationoftheautomaticcontrol.TheuseofthePLChasthecharacteristicsofenvironmentaladaptability,whileitsinternaltimerresourcesareveryrich,thecurrentwidespreaduseofthe"progressive"signalforprecisecontrol,particularlycontrolofmulti-forkcanbeeasilyachieved.Therefore,thePLCisnowincreasinglyusedintrafficlightssystem.PLCalsohasacommunicationsnetworkingcapabilities,thesamesignalontheroadtoformaunifiedLANmanagement,andcanshortenthewaitingtimeforvehicletraffic,toachievescientificmanagement.Inreal-timedetectionandapplicationofautomaticcontrolsystemsPLC,PLCisoftenusedasacorecomponent.Keywords:trafficlights,controlsystems,configurationdesign程器送来的程序、命令和各种数据，并把要现实的状态、数据、出错信息等发送给编辑器进行显示。如果有计算机等通讯请求，也在这段时间完成数据和发送任务。CPU自诊断：自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。1.3PLC的程序编制 1.3.1软件编制PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合点和动断触点。编程元件是指输入映像寄存器、输出映像寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。PLC内部这些存储器的作用和继电器接触器控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器。S7-200CPU224、CPU226部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示原件名称代表字母编号范围功能说明输入寄存器II0.0～I1.5共14点接受外部输入设备的信号输出寄存器QQ0.0～Q1.1共10点输出程序执行结果并驱动外部设备位存储器MM0.0～M31.7在程序内部使用，不能提供外部输出定时器T(T0～T255)T0,T64保持型通电延时1msT1～T4,T65～T68保持型通电延时10msT5～T31,T69～T95保持型通电延时100msT32,T96ON/OFF延时,1msT33～T36,T97～T100ON/OFF延时,10msT37~T63,T101～T255ON/OFF延时,100ms计数器CC0～C255加法计数器，触点在程序内部使用高速计数器HCHC0～HC5用来累计比CPU扫描速率更快的事件顺序控制\继电器SS0.0～S31.7提供控制程序的逻辑分段变量存储器VVB0.0～VB5119.7数据处理用的数值存储元件局部存储器LLB0.0～LB63.7使用临时的寄存器，作为暂时存储器特殊存储器SMSM0.0～SM549.7CPU与用户之间交换信息特殊存储器SM(只读)SM0.0～SM29.7接受外部信号累加寄存器ACAC0～AC3用来存放计算的中间值 1-21.3.2编程语言所谓程序编制，就是用户根据控制对象的要求，利用PLC厂家提供的程序编制语言，将一个控制要求描述出来的过程。PLC最常用的编程语言是梯形图语言和指令语句表语言，且两者常常联合使用。(1)梯形图（语言）梯形图是一种从继电接触控制电路图演变而来的图形语言。它是借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈以及串、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，直观易懂。梯形图中常用用图形符号分别表示PLC编程元件的动断触电和动合触电，用（）表示它们的线圈。梯形图中编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数加以区别。触点和线圈等组成的独立电路称为网络，用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，允许以网络为单位给梯形图加注释。梯形图的设计应注意到以下三点： ①梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行（或称梯级）起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈。与能流的方向一致。②梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是用来形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。③输入寄存器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入寄存器的触点，而不出现其线圈。输出寄存器则输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出寄存器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出寄存器的触点也可供内部编程使用。（2）指令语句表指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言，它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言易懂易学，若干条指令组成的程序就是指令语句表。一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。MCGS系统介绍2.1MCGS的定义MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在工业控制领域有着广泛的应用。MCGS组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。2.2MCGS的构成MCGS系统包括组态环境和运行环境两个部分。用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，它相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。2-1系统组态环境、系统运行环境和实时数据库三者的关系MCGS由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。如图2-2所示：MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。 2-2组态环境和运行环境关系图2.3MCGS组态软件的功能和特点与国内外同类产品相比，MCGS6.2组态软件具有以下特点：全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。庞大的标准图形库、完备的绘图工具以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS6.2还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS6.2组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等等，并提供完善的用户权限控制。2.4MCGS组态软件的工作方式MCGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。MCGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络监控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。如何对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。硬件设计3.1设计目的和意义在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的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，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。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。3.2十字路口交通灯系统控制的任务及要求信号灯控制系统开始工作时需要一个启动按钮控制，停止工作时需要一个停止按钮控制。考虑到特殊情况，需要有强制东西方向通行和禁行控制，有强制南北方向通行和禁行控制。南北绿灯和东西红绿灯不能同时亮。如果同时亮则应关闭信号灯系统，并立即报警。南北红灯亮并维持30s。在南北红灯亮同时东西绿灯亮，并维持25s。东西绿灯闪亮，闪亮3s后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2s，。到2s时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。东西红灯亮维持35s。南北绿灯亮维持30s，然后闪亮3s，再熄灭。同时南北黄灯亮，维持2s后熄灭，这是南北红灯亮，东西绿灯亮。周而复始，循环往复。如遇特殊情况，根据需要对东西或南北的红灯或绿灯进行强制控制。3.3交通信号控制系统实况.3.1十字路口交通灯控制系统实验面板图3.4结合十字路口交通灯的路况画出模拟图北北南东西3-1交通指挥灯示意图绿黄红绿黄红红黄绿绿红黄3.5十字路口交通灯模拟控制时序图交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制要求按一定时序进行，如下图所示：启动/启动/停止南北红灯东西绿灯东西黄灯东西红灯南北绿灯南北黄灯3-2交通信号灯时序状态示意图3.6控制系统的I/O点及地址分配根据对交通指挥信号灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启、停止按钮信号及强制信号；输出有报警信号及东西方向、南北方向各两组指示信号。该系统所需的输入点数为7，输出点数为7，全部是开关量，则可将I/O分配用下表表示。输入地址编号及作用输出及作用地址编号作用地址编号作用I0.0启动系统运行Q0.0报警指示I0.1停止系统运行Q0.1南北红灯亮I0.2强制南北红灯亮Q0.2东西绿灯亮I0.3强制南北绿灯亮Q0.3东西黄灯亮I0.4强制东西红灯亮Q0.4东西红灯亮I0.5强制东西绿灯亮Q0.5南北绿灯亮I0.6正常/强制选择Q0.6南北黄灯亮3-3I/O分配3.7PLC系统选型通过对系统控制要求的分析可知，系统共有开关量输入点7点，开关量输出点7点，所以选用CPU224（14DI/10DO）可以满足要求。3.8控制系统原理图此控制系统主要以PLC为主控制器，附加简单的外围器件组成。控制原理如图所示:1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.6=NL11LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.6=NL11MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6=AC220VACCPU224AC/DC/RelayDC24V+3-4控制系统原理图AC4软件设计4.1系统控制程序设计本控制系统的控制程序按功能分为三部分，即主程序（包括报警），正常循环控制程序（子程序0），强制控制程序（子程序1）。系统程序如下图所示主程序(b)子程序0(c)子程序1报警指示。当东西和南北同时绿灯亮时，进入报警状态，同时断开东西和南北同时绿灯，报警指示时间设置为5s。4.2工作过程分析循环工作过程。按启动按钮I0.0接通，M0.0得电自锁同时进入子程序0，子程序0（自动循环控制）。I0.0接通，M1.0，M1.1得电自锁同时T37得电，M1.0控制南北红灯，M1.1控制东西绿灯，此时南北红灯和东西绿灯同时亮。T37延时25s后，东西绿灯闪3s后熄灭（通过SM0.5s脉冲发生器和C0配合完成），接着东西黄灯亮2s后熄灭（通过T38完成），南北红灯同时熄灭。T38触点启动M2.0和M2.1得电自锁同时T39得电，M2.0控制东西红灯熄灭（通过SM0.5s脉冲发生器和C1配合完成），同时南北黄灯亮2s后熄灭（通过T40完成），东西红灯同时熄灭。T40触点控制M2.4启动下一次循环，按停止按钮I0.1停止。强制工作过程。I0.6接通进入强制控制程序（子程序1）。I0.2接通，M0.3接通控制南北红灯。I0.3接通，M0.5接通控制南北绿灯。I0.4接通，M0.4接通控制东西红灯。I0.5接通，M0.6接通控制东西绿灯。十字路口交通灯的组态控制过程绘制交通信号灯人机界面MCGS组态软件安装在计算机中，双击桌面“组态环境”图标，进入MCGS组态环境，如5-1图所示。单击“用户窗口”，“新建窗口”后，在“用户窗口”中新建一个“窗口0”，选中窗口0，点击“窗口属性”按钮，进入窗口属性设置界面。将窗口名称和窗口标题选项中的内容改为“交通信号灯”，按“确认”按钮确认。按“动画组态”按钮，进入画面编辑窗口，如5-2图所示，在此窗口中利用工具箱中的绘图工具，完成交通信号灯画面设计，效果图如5-3图所示。图5-1MCGS组态环境5-25-25-35.2交通信号灯画面中构件的属性设置交通信号灯画面中构件比较简单，只有红灯，绿灯和黄灯。首先定义数据变量，根据控制要求，监控界面中对西方向和南北方向红灯，绿灯和黄灯进行定义，均为开关量和颜色填充。在“实时数据库”选项卡中，通过使用“新增对象”和“对象属性”按钮，对数据变量进行定义，如5-4图所示5-4变量定义窗口交通信号灯画面中构件的属性设置如图5-5所示，这里仅对南北红灯属性设置进行说明，其他等的属性设置与南北红灯属性设置的区别为表达式和填充颜色连接项的内容不同。5-55.3设备窗口属性设置在组态工作台界面中，用鼠标单击“设备窗口”选项，出现设备窗口图标并双击进入设备组态窗口；在此窗口中通过设备工具箱，完成设备组态，如图5-6所示。设备组态完成后，双击“通用串口父设备0”，进入通用串口父设备属性编辑界面，根据设备通讯要求和连接情况，完成通用串口父设备属性编辑界面中相关的参数设置，具体设置如5-7所示，按“确认”完成设置。5-6设备组态窗口5-7通用串口父设备属性编辑窗口返回设备组态窗口，双击“设备0-[西门子S7-200PPI]”进入设备属性设置窗口，在此窗口中有“基本属性”，“通道连接”，“设备调试”，“数据处理”选项卡。在液体自动混合控制中，不涉及“数据处理”。其余三项设置如图5-8~图5-10所示。在设备调试窗口中，如果“通讯状态标志”栏中，显示“0”则表示通讯正常，若显示“-1”则表示通讯不正常。通过设备调试，使MCGS与PLC通讯正常，即设备调试窗口中“通讯状态标志”显示为“0”，按确认即可。5-8设备属性编辑窗口5-9通道连接窗口5-10设备调