基于PLC交通灯设计

江苏信息职业技术学院 毕业设计论文1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、组态设计江苏信息职业技术学院 毕业设计论文2Abstract: Today, traffic lights installed on the crossing at all, to ease the traffic of vehicles has become the most common and most effective means. Social development, peoples consumption levels continue to increase, private vehicles is increasing. Of people, cars and more roads have less traffic status is obvious. Therefore, the adoption of effective methods to control traffic lights is imperative. PLC intelligent control principle is the core of the control system using PLC north-south direction to east-west direction or scale of the vehicle by the number of sub-file, the appropriate thing given the green light north-south direction and length of time is also sub-file according to certain rules. This scale can be achieved given the green light at traffic duration, to achieve maximum release a car to reduce the stagnation of vehicles crossing to ease traffic congestion, to achieve optimal control, thus improving the efficiency of traffic control system. PLC structure is simple, easy programming, high reliability, has been widely used for industrial process and location of the automatic control. The use of the PLC has the characteristics of environmental adaptability, while its internal timer resources are very rich, the current widespread use of the “progressive“ signal for precise control, particularly control of multi-fork can be easily achieved. Therefore, the PLC is now increasingly used in traffic lights system. PLC also has a communications networking capabilities, the same signal on the road to form a unified LAN management, and can shorten the waiting time for vehicle traffic, to achieve scientific management. In real-time detection and application of automatic control systems PLC, PLC is often used as a core component. 江苏信息职业技术学院 毕业设计论文3Key words: traffic lights, control systems, configuration design1 可编程控制系统介绍1.1 PLC 简介随着微处理器，计算机的和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制技术已经渗透到所有工业领域。当前用于工业控制的计算机可分为:可编程控制器,基于 PC 总线的工业控制计算机,基与单片机的测控装置,用于模拟量闭环控制的可编程调节器,集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。可编程控制器是应用广泛,功能强大,使用方便的通用工业控制装置,已成为当代工业自动化的重要支柱.近几年，在国内已得到迅速推广普及。可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容写入控制器的用户程序内，控制器和被控对象连接也很方便。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。可编程序控制器，英文称 Programmable Controller，简称 PC。但由于 PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用 PLC 作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别江苏信息职业技术学院 毕业设计论文4是 PLC 的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的 PLC 后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将 PLC 应用于生产实践。PLC 的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC 的硬件系统结构如下图所示：1-1 PLC 的硬件系统结构1.1.1 主机 主机部分包括中央处理器（CPU） 、系统程序存储器(ROM)和用户程序及数据存储器。CPU 是 PLC 的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC 的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。1.1.2 输入/输出（I/O）接口I/O 接口是 PLC 与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等） 。I/O 接江苏信息职业技术学院 毕业设计论文5口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O 点数即输入/输出端子数是 PLC 的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。1.1.3 输入/输出扩展接口I/O 扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。1.1.4 外部设备接口此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。实验装置提供的主机型号是西门子 S7-200 系列的 CPU224(AC/DC/RELAY)。输入点数为 14，输出点数为 10。1.1.5 编程编程是 PLC 利用外部设备，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示 PLC 的工作情况。通过专用的 PC/PPI 电缆线将 PLC 与电脑联接，并利用专用的编程软件进行电脑编程和监控。1.1.6 电源图中电源是指为 CPU、存储器、I/O 接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。1.2 PLC 的工作原理PLC 的 CPU 采用顺序逻辑扫描用户程序的方式进行工作，即在 PLC 运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 的 CPU 扫描一个周期必经输入采样、执行用户程序、处理通讯请求、CPU 自诊断和输出刷新三个阶段。输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即江苏信息职业技术学院 毕业设计论文6刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。执行用户程序阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。处理通讯请求阶段：CPU 处理从通讯接口和智能模块接收到的信息，如由编程器送来的程序、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。1.3 PLC 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 I I0.0I1.5 共 14 点 接受外部输入设备的信号输出寄存器 Q Q0.0Q1.1 共 10 点 输出程序执行结果并驱动外部设备位存储器 M M0.0M31.7 在程序内部使用，不能提供外部输出T0,T64 保持型通电延时 1msT1T4,T65 T68 保持型通电延时 10msT5T31,T69 T95 保持型通电延时 100ms定时器T(T0T255) T32,T96 ON/OFF 延时,1ms江苏信息职业技术学院 毕业设计论文7T33T36,T97 T100 ON/OFF 延时,10msT37T63,T101T255 ON/OFF 延时,100ms计数器 C C0C255 加法计数器，触点在程序内部使用高速计数器 HC HC0HC5 用来累计比 CPU 扫描速率更快的事件顺序控制继电器S S0.0S31.7 提供控制程序的逻辑分段变量存储器 V VB0.0VB5119.7 数据处理用的数值存储元件局部存储器 L LB0.0LB63.7 使用临时的寄存器，作为暂时存储器特殊存储器 SM SM0.0 SM549.7 CPU 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 AC AC0AC3 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：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。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。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。江苏信息职业技术学院 毕业设计论文8（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。2 MCGS 系统介绍2.1 MCGS 的定义MCGS (Monitor and Control Generated System，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。 2.2 MCGS 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。江苏信息职业技术学院 毕业设计论文92-1 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2.3 MCGS 组态软件的功能和特点与国内外同类产品相比，MCGS 6.2 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 Microsoft Windows95/98/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，使您能够快江苏信息职业技术学院 毕业设计论文10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，