基于组态技术的plc交通灯控制系统设计Word文档格式.docx

基于组态技术的plc交通灯控制系统设计Word文档格式.docx

《基于组态技术的plc交通灯控制系统设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于组态技术的plc交通灯控制系统设计Word文档格式.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。

1.3.2MCGS组态软件的系统构成组态软件（以下简称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。

二者关系如图1所示。

图1组态环境与运行环境关系图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。

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”。

1.3.3MCGS组态软件的组成MCGS组态软件五大组成部分分别为：

主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略。

其中主控窗口是工程的主窗口或主框架。

在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。

主要的组态操作包括：

定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。

设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。

在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。

用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：

生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。

实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。

在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。

运行策略主要完成工程运行流程的控制。

包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：

数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等[1]。

1.3.4MCGS组态软件的功能和特点MCGS组态软件是全中文、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。

具有庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持，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，能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。

能够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Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统[2]。

1.4本课题设计的主要工作本论文工作主要体现在以下几个方面：

（1）根据课题设计要求查找相关文献与资料

（2）在系统需求的分析基础上，拟定技术路线，进行系统方案论证（3）开展系统的硬件和软件设计（4）系统上位机的组态设计（5）系统的整机组装与调试（6）对系统设计结果进行分析与总结2系统控制方案论证与总体设计2.1方案论证长期以来，交通灯控制的主要方式有：

基于数字电路控制、基于单片机系统的控制、基于可编程序控制器的控制。

方案一：

单片机系统控制单片机是程序存储控制，通常包括微处理器、存储器、输入输出口及其他功能部件。

它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来。

通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连目前普遍使用的是MCS-51系列单片机。

但在设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制、造较难。

方案二：

数字电路控制该电路由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等几部分组成。

秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器工作，交通灯几种工作状态的转换也是由控制器来控制。

由于电路设计中使用部件分别有二进制同步计数器、触发器、译码器等，集成芯片分布管脚较多，实际布线复杂、易出错，且不易维修与检查。

方案三：

基于可编程逻辑控制器系统设计PLC是一种专门为在工业环境下应而设计的数字运算操作的电子控制装置，应该是一个较理想的控制器选择。

PLC采用可编程存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作指令，并能通过数字量或模拟量的输入和输出，控制各种类型机械或生产过程。

PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、输入简易方便、适应性强、造价低等特点，选用PLC作为智能交通灯硬件控制部分，能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作[3]。

经过以上几种方案对比，可知方案3较为合理，本课题选择PLC作为交通灯硬件控制部分。

2.2系统总体设计2.2.1系统硬件组成本课题在实际调研和系统需求分析的基础上，利用可编程逻辑控制器和触摸屏设计一个交通灯控制系统。

系统运行时，按照红、绿、黄三种灯的交替工作来控制各个方向的左行、直行及右行，并且根据信号灯工作时间利用数码管进行倒计时显示。

根据控制要求，本系统设计的硬件组成框图如图2所示。

图2系统设计的硬件组成框图2.2.2十字路口交通灯模型设计根据现代城市十字路口交通灯的特点，本系统十字路口交通灯模型设计如图3所示。

图3十字路口交通灯模型图3系统的硬件设计3.1PLC的I/O分配为合理有效的控制交通，充分发挥道路的交通效益，在设计时可根据实际情况，人为设置各个方向通行时间，以达到畅通和快捷有序的流通目的。

信号灯可由下位机PLC控制，它按照预先设计的程序交替亮灭，完成对交通车辆的有序指挥。

本课题根据控制要求，确定下位机I/O点数分配，具体如表1所示。

由表1可知，交通信号灯共需要12个输出，数码管共需要28个输出，显然实验室提供的CPU224XP-CN仅有10个输出模块不能满足上述要求，故需要2个扩展模块EM223。

表1PLC的I/O点数分配3.2PLC外部硬件连接图4为PLC控制系统的核心模块及扩展模块的外部硬件连接。

该系统主要有一个CPU224XP-CN和两个扩展模块EM223组成[4]。

图4PLC控制系统外部硬件连线图3.3触摸屏的选择在自动化控制中，需要一种人机交互设备实现人与系统的数据和命令的交换。

人机界面取代传统控制面板功能，可节省PLC的I/O模块；

触摸屏界面中的按钮开关，指示灯显示等能随时显示所需重要讯息，以利于操作人员正确掌握机器状况和避免错误，并且利于维修。

在本交通灯控制系统中，选择触摸屏作为系统的人机交互设备，主要完成信息的输入、显示等功能。

系统运行时用户输入的信号主要是启动整个控制系统，触摸屏需要将此信息通过串口将它们传送给PLC，PLC根据各种不同的输入、输出信号，对硬件电路各个设备发出合适的控制信号，使整个交通灯控制系统完成预设任务。

本次设计中，所使用的触摸屏为北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的TPC7062KX[6]，其外观如图5中的（a）、（b）正、反面所示。

图（a）图（b）图5TPC7062KX触摸屏图3.3.1TPC7062KX功能介绍及技术指标TPC7062KX是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（ARMCPU，主频400MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。

它采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×

480），四线电阻式触摸屏（分辨率1024×

1024）。

使用过程中利用通信线将触摸屏与PLC相连之后，用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统会根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入，即可手动控制所建立的组态界面及外部硬件电路。

TPC7062KX的技术指标如图表2所示。

表2TPC7062KX的技术指标3.3.2TPC7062KX技术优势

（1）超前的技术优势在硬件方面，TPC主板应用的是最前沿的ARM9技术。

在软件方面，在触摸屏上使用了为嵌式专门设计的系统，而且使用的是最先进的编程语言EVC。

（2）超强的动画功能mcgs内嵌MCGSE嵌入版组态软件，上千种设备驱动，上千个动画图库，丰富的3D功能，如同使用3DMax一样逼真简单。

（3）超多的通讯接口mcgsTpc有多种接口，有2个独立串口，最多可具有5个串口，有标准以太网口，有两个USB口，支持RS485/RS422/RS232通讯，支持CAN总线通讯，支持MVB总线通讯。

支持工业以太网与MODBUS_TCP通讯等多种通讯方式。

（4）超快的运行速度mcgsTpc采用主频为400MHZ，低功耗ARM结构CPU芯片，比传统触摸屏高2到4倍。

（5）超酷的视觉效果在超高的分辨率的基础上。

对组态画面赋予不同的脚本，让组态图像进行大小、垂直、水平或按照设定的轨迹进行移动。

给人以视觉上的直观认识。

（6）超大的存贮容量mcgsTpc内嵌128M内存芯片，可以存储上万条数据和报警信息。

方便用户随时查询和统计。

提供管理者更加有效的决策。

同时支持U盘导出。

（7）超高的可靠性能在硬件方面，mcgsTpc采用的是flash存储方式。

这种方式，避免了以往由于工控环境造成的硬盘震动损坏，甚至硬盘潜在的坏道影响，对保存数据有着很高的可靠性。

在软件方面mcgsTpc采用的是windowsce系统，无法被常用的windows系统的病毒所侵袭。

所以在软件上，也可以避免传统的工控机遭受病毒打击的隐患。

（8）超低的功率损耗mcgsTpc采用的ARM技术本身就是低功耗技术。

在液晶屏方面，应用新的LED背光技术取代了传统的灯管技术，降低了功耗。

最终将产品的功耗控制在6W以下。

4系统的软件设计4.1PLC程序设计4.1.1控制时序要求本系统假设东西方向、南北方向均为主干道。

当按下启动按钮，首先东西方向左转绿灯亮，维持10s，并且南北方向红灯亮，维持亮30s。

10s后，东西左转红灯亮50s，同时东西直行绿灯亮14s之后，绿灯闪烁3s后黄灯亮3s。

黄灯熄灭之后红灯开始维持亮30s，同时南北方向左转绿灯亮，维持10s后，南北左转红灯亮，维持50s，同时南北直行绿灯开始亮14s后，绿灯闪烁3s后黄灯亮3s。

黄灯熄灭之后红灯开始维持亮30s，同时东西方向左转绿灯又开始工作，如此循环。

其中每个方向的右行均由每个方向的直行所决定，当直行允许时，相应方向的右行就允许通行。

由于每个方向一个周期工作时间均为60s，故每个方向的倒计时均从60开始倒计时。

直至按下停止按钮，所有信号灯和数码管均停止工作[5]。

根据控制要求，其控制程序流程图如图6所示。

图6系统控制程序流程图4.1.2控制过程分析

（1）信号指示灯运行由SM0.1初始化程序后，M0.0得电。

按下启动按钮I0.0后，东西方向作为主干道先通行，南北方向作为次干道后通行。

M0.1、M2.2、M4.0均置1，M0.0复位，M2.2置1后，T49开始定时，定时时间为30s；

M0.1置1后，输出继电器Q0.6得电，即东西方向左行绿灯亮。

并且T37开始定时，定时时间为10s。

当T37定时时间到了10s以后，T37的常开闭合，M0.2、M1.0均被置1，而M0.1被复位，则Q0.6失电。

M0.2得电之后，输出继电器Q1.0得电，即东西左转红灯亮，并且T38开始定时，定时时间为50s；

M1.0置1之后，输出继电器Q1.1得电，即东西方向直行绿灯亮，并且T39开始定时，定时时间为14s。

当T39定时时间达到14s之后，T39的常开闭合，使得M1.1置1，M1.0复位，此时Q1.1失电。

M1.1得电之后，不仅T40开始定时，定时时间为3s；

此时T101也开始定时，定时时间为0.5s。

由T101与T102构成1s的闪烁秒脉冲，则使得输出继电器Q1.1产生3s的闪烁效果。

T40定时3s之后，T40常开闭合使得M1.2置1，M1.1复位，此时输出继电器Q1.1失电。

M1.2置1之后，Q2.0得电，即东西直行黄灯亮，并且T41开始定时，定时时间为3s。

此时T41、T49定时结束，二者常开均闭合，使得M1.3、M2.0置1，M1.2、M2.2复位。

M1.2复位之后使得输出继电器Q2.0失电；

M2.2复位之后使得Q0.5失电。

M1.3常开闭合之后，不仅输出继电器Q2.1得电，即东西方向直行红灯亮。

而且此时T42开始定时，定时时间为30s。

当T42定时时间达到30s之后，此时T38定时时间也达到了50s,此时T38、T42常开均闭合，使得M0.1置1，M0.2、M1.3均复位。

M0.2、M1.3的复位，从而使Q1.0、Q2.1失电。

M0.1再次置1，会使得整个信号灯的控制过程实现循环。

M1.3置1的同时，M2.0也置1。

当M2.0置1后，T43开始定时，定时时间为10s；

并且此时输出继电器Q0.0开始得电，即南北方向左行绿灯亮。

当T43定时10s之后，T43常开闭合，M2.1、M3.0置1，M2.0复位。

当M2.0复位之后，Q0.0将会失电。

M2.1常开闭合之后，不仅T44开始定时，定时时间为50s，此时输出继电器Q0.2得电，即南北左行红灯亮。

M3.0置1之后，T45开始定时，定时时间为14s；

同时M3.0得电使得Q0.3得电，即南北直行绿灯亮。

当T45定时达到14s之后，T45常开闭合后，M3.1置1，M3.0复位。

M3.0复位会使Q0.3失电。

M3.1置1之后，不仅T46开始定时，定时时间为3s，此时T101也开始定时，定时时间为0.5s。

由T101与T102构成1s的闪烁秒脉冲，此时使得输出继电器Q0.3产生3s的闪烁效果。

当T46定时达到3s之后，T46的常开闭合，M3.2置1，M3.1复位。

M3.1的复位会使Q0.3失电，M3.2置1后不仅会使输出继电器Q0.4得电，即南北直行黄灯亮；

还会使T47开始定时，定时时间为3s。

当T47达到定时时间之后，T47的常开闭合后，M3.3置1，M3.2复位。

M3.2复位使Q0.4失电；

M3.3置1不仅使得输出继电器Q0.5得电，即南北直行红灯亮；

还使得T48开始定时，定时时间为30s。

当T48达到定时时间以后，此时T44也达到定时时间，T44、T48的常开均闭合，使得M2.0置1，M2.1、M3.3复位。

M2.0置1是使南北方向信号灯循环工作，M2.1复位后Q0.2失电，M3.3复位后Q0.5失电。

在整个控制系统的运行过程中，当按下停止按钮I0.1会停止所有的工作过程。

（2）倒计时显示南北向倒计时显示程序由输出继电器Q2.2~Q3.0和Q3.1~Q3.7分别驱动个位和十位数码管的显示，东西向倒计时显示程序由输出继电器Q4.0~Q4.6和Q5.0~Q5.6分别驱动个位和十位数码管的显示。

当M4.0一闭合即南北方向直行红灯亮，继电器M4.0闭合驱动字循环左移功能块工作，则输出继电器Q2.2~Q3.0闭合驱动数码管显示“0”字符，同时由T101提供秒脉冲信号使程序工作。

1s后继电器M4.0闭合一个扫描周期，将M4.0中“1”状态移位至M5.0中，M5.0闭合输出继电器Q2.2~Q2.5及Q3.0闭合驱动数码管显示“9”字符，如此循环分别从“9”显示至“0”，当一个周期扫描完毕之后，移位寄存器会复位一次。

这样将每个需要倒计时显示信号指示灯亮的时间的都分别单独用以一个秒脉冲程序和字循环左移指令就可方便实现交通灯的倒计时显示功能。

当在两位数的显示时，根据控制要求每个方向的一个工作周期为60s，则倒计时应从60、59、58、57……直至01为止。

故当个位显示“0”时，十位应显示“6”，1s过后立即变为“5”，即给十位提供一个单独的秒脉冲，用T101提供。

当M4.0得电以后，M5.0也得电，1s以后M5.1得电，即设定了中间继电器M5.0的常开和常闭触点，分别接通了M8.0和M8.1，用来对十位显示的选择。

当个位一个扫描周期移完之后，十位则会满足10s之后才进行移位一次。

个位运用的字节循环左移功能块，而十位运用字节左移功能块，所以在倒计数显示结束时，要分别将其移位信号进行复位。

4.1.3系统顺序控制功能图图7为顺序控制功能框图，根据该功能图可编写相应的PLC程序，具体梯形图程序设计见本文附录。

图7顺序控制功能图4.2系统组态设计本设计的组态软件采用的是嵌入版MCGS7.2版本。

组态软件提供了可视化监控画面，包括动画，实时趋势曲线，历史趋势曲线，实时数据报表，历史数据报表，实时报警窗口，历史报警窗口等功能，可方便地监视系统的运行。

并可在在线修改程序参数，有利于系统的性能发挥[6]。

此次组态界面共有4幅，分别是：

封面窗口、十字路口监控界面、交通灯定时参数修改界面及数据显示窗口，其中“数据显示”窗口用来显示实时数据，其他三种界面可根据不同的需要进行界面切换，四者结构框图如图8所示。

图8组态界面结构图4.2.1封面窗口设计

（1）封面设计首先进入MCGS组态环境，单击“文件”新建工程，确定TPC类型及背景的大小之后即可，组态环境如图9所示。

单“击用户窗口”、“新建窗口”后，在新建窗口中新建一个“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，如图10所示。

图9组态环境图图10窗口属性设置图将窗口名称和窗口标题选项中的内容改为“封面”按“确认”按钮确认。

（2）装载位图按“动画组态”按钮进入画面编辑窗口。

在此窗口中点击工具箱中的“位图”，在画面中画出一个位图，右击该位图，选择“装载位图”，可以自定义选择封面窗口的背景图案（所选图案应是“.bmp”格式）。

确定好窗口背景之后，再利用工具箱中的“标签”，完成封面设计，系统上位机封面如图11所示。

图11系统上位机封面（3）“进入”按钮的属性设置利用工具箱中的“标准按钮”在界面中画出标准按钮，调整好适合大小后，双击进入该按钮的属性设置。

如图12所示。

图12标准按钮的属性设置图在“操作属性”设置中，将打开用户窗口选择至所需演示的窗口，关闭用户窗口选择至返回封面即可。

4.2.2十字路口主界面的建立窗口的建立同上述“封面”窗口的建立。

在窗口属性设置中将窗口名称和窗口标题选项中的内容改为“路口画面”按“确认”按钮确认。

按“动画组态”按钮进入画面编辑窗口。

在此窗口中利用工具箱中的绘图工具，完成交通信号灯路口人机界面的设计，路口主界面如图13所示。

图13十字路口主界面图

（1）