组态技术与PLC在交通灯控制上的应用 毕业论文.doc

毕 业 设 计 论 文题 目： 组态技术与plc在交通灯控制上的应用 系 别： 机 械 工 程 系 专 业： 机 电 一 体 化 技 术 学 制： 姓 名： 学 号： 指导教师： 二o1 零 年 四 月 十八 日摘要组态技术是当前工业中用于监控的一项新技术，它是计算机控制技术发展的结果。以交通灯控制系统为例，运用组态技术及结合相关的plc程序，通过软件仿真和交通灯指示灯的变化，实现交通灯控制系统的监控问题，且系统状况良好,的应用可以节省大量的人力和物资。关键词：plc指令 组态技术 控制系统 监控 仿真 交通灯 目录摘要i目录ii第1章 引言3第2章 概述42.1 plc的主要特点：42.2目前plc的应用领域42.3 plc未来的发展4第3章可编程控制器简介63.1 plc的定义63.2 plc的结构及各部分的作用63.2.1 主机63.2.2输入/输出（i/o）接口63.2.3电源73.2.4编程73.2.5输入/输出扩展单元73.2.6外部设备接口73.3 plc的基本工作原理73.4 plc的特点83.5梯形图设计规则8第4章 交通灯系统控制要求104.1 系统硬件104.2 软件系统114.2.1 plc控制程序设计114.2.2kingview组态实现12第5章plc与上位计算机组态王软件的通讯135.1 对画面运行系统调试13参考文献16致谢17第1章 引言当前，组态控制技术在工业自动化领域逐渐兴起，成为一种新型的软件开发技术。只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态、数据组态、画面组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作，可以实现远程监控、数据采集、数据分析、过程控制等功能。而当前很多自动控制系统中，常常选用可编程序控制器(plc)作为控制设备，用于数据采集、状态判别和输出控制。在plc与计算机通讯的基础上，通过组态软件可以对plc的当前工作状态进行全方位的监控，进一步通过组态软件可以对控制对象的工作过程进行全程模拟仿真，实现远程控制。因其充分利用了计算机和plc的特点，实现了优势互补而得到广泛应用。本文利用计算机作为上位机，利用(kingview7.0)组态软件作为程序开发平台，下位机采用三菱公司fx-2n系列可编程序控制器，组成一个简单实用的十字路口交通灯控制系统，以解决路口人行横道中行人闯红灯而引起的交通安全问题。第2章 概述plc的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，omron公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的plc，其编程语言都具有以下特点：2.1 plc的主要特点：1、图形式指令结构2、明确的变量常数3、替代中的技术问题4、简化应用软件生成过程5、强化调试手段2.2目前plc的应用领域目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：（1）开关量控制 如逻辑、定时、计数、顺序控制等。（2）模拟量控制 如温度、压力、流量、液位、速度、电流和电压等过程。（3）数据处理 造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（4）运动控制 广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（5）程控制 冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。2.3 plc未来的发展21世纪，plc会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统dcs（distributed control system）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1第3章可编程控制器简介3.1 plc的定义plc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来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的指令，并能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。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。3.2 plc的结构及各部分的作用3.2.1 主机主机部分包括中央处理器（cpu）、系统程序存储器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、作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。23.2.2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。3.2.3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。3.2.4编程编程是plc利用外部设备，用户用来输入、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，并利用专用的软件进行电脑编程和监控。 3.2.5输入/输出扩展单元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。3.2.6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有西门子s7-200系列的cpu224(ac/dc/relay)。输入点数为14，输出点数为10；cpu226(ac/dc/relay)，输入点数为26，输出点数为14。3.3 plc的基本工作原理plc采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1.1每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。1.2输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新 的状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。1.3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。1.4元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。1.5扫描周期的长短由三条决定。（1）cpu执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数1.6由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。33.4 plc的特点（1）体积小 （2）可靠性高（3）柔性好，可在线更改程序（4）对环境条件无要求（5）价格低廉具备招标要求的所有功能3.5梯形图设计规则（1）每一逻辑行总是起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于线圈或右母线（右母线可以不画出）。注意：左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间则不能有任何触点。（2）梯形图中的触点可以任意串联或并联，但继电器线圈只能并联而不能串联。（3）触点的使用次数不受限制。（4）一般情况下，在梯形图中同一线圈只能出现一次。如果在程序中，同一线圈使用了两次或多次，称为“双线圈输出”。对于“双线圈输出”，有些plc将其视为语法错误，绝对不允许；有些plc则将前面的输出视为无效，只有最后一次输出有效；而有些plc，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。（5）对于不可编程梯形图必须难过等效变换，变成可编程梯形图，例如图5-1所示。（6）有几个串联电路相并联时，应将串联触点多的回路放在上方，如图5-2a所示。在有几个并联电路相串联时，应将并联触点多的回路放在左方，如图5-2b所示。这样所编制的程序简洁明了，语句较少。第4章 交通灯系统控制要求交通灯对我们人类来说是个必不可少的交通信号工具，它关系着我们的人身安全。尤其在大城市里，绝容不得有半点失误。本文的控制要求如下：按启动按钮x0，交通灯开始工作，按停止按钮x1，交通灯停止工作。系统启动后，南北方向红灯亮25s，同时东西方向绿灯亮20s,到20s时东西方向绿灯开始闪亮3s后熄灭，然后过渡到东西方向黄灯亮2s后熄灭；之后东西方向红灯亮，南北方向红灯熄灭，南北方向绿灯亮。东西方向红灯亮30s，在此同时南北方向绿灯亮25s，到25s时南北方向绿灯开始闪亮，闪亮3s后熄灭，然后过渡到南北方向黄灯亮2s后熄灭；之后又回到南北方向红灯亮，东西方向红灯熄灭，东西方向绿灯亮的状态。两个方向的绿灯闪亮间歇时间均为0.5s。两个方向的信号灯，按上面的要求周而复始地进行工作。 图1 系统结构图4.1 系统硬件根据系统的控制要求所设计的硬件电路组成见图1。系统的硬件主要由计算机（pc机）、可编程序控制器（plc）及交通灯等构成。其中plc选用三菱公司fx2n一48mr系列可编程序控制器，其输出端可以直接驱动继电器、接触器等负载，构成一个自动化的交通控制系统。在系统成功完成后，只需安装相应的机电设备如红绿灯即可投入实际运行，其中用kingview组态软件设计的人机界面则成为系统的监控部分，具有较大的实用价值。图2 流程图图3 梯形图4.2 软件系统4.2.1 plc控制程序设计plc程序设计语言有很多种，它们是梯形图语言lad(1adder diagram)、语句表stl(statement list)、功能块图(fbd)、逻辑方程式等。其中，梯形图语言形象直观、容易掌握，是plc中用得比较多的一种编程语言。按照系统的控制要求，采用三菱公司的梯形图编程软件fxgp_win-c编写了系统的控制程序，给出交通灯控制系统的流程图和部分梯形图控制程序(如图2，图3)。4.2.2kingview组态实现启动kingview组态软件的组态环境以后，在组态王“画面”上创建十字路口红、黄、绿交通信号灯的控制示意图，建立启动和停止按钮，并将各个控制信号灯及启动和停止按钮与所建立相应变量关联，进行动画连接。接着在工程管理器中，选择数据库数据词典，双击新建图标，弹出变量属性对话框。定义fx2n-48mr plc相应寄存器,并建立数据库变量，实时数据库是工程的数据交换和数据处理中心，数据库中的基本单元就是数据变量，建立实时数据库的过程也是定义数据变量的过程。定义数据对象的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围等。建立的部分实时数据库见表1。由图形对象构成的图形画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。4ingview实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表现出来，或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现图形的动画效果。系统组态完成后，在确认没有错误的情况下即可进入kingview的运行环境方针。5表1 数据库变量表变量名称类型变量说明x0开关型启动x1开关型停止k开关型中间继电器m0东西绿灯y1开关型东西绿灯东西黄灯y2开关型东西黄灯东西红灯y3开关型东西红灯南北红灯y5开关型南北红灯南北黄灯y6开关型南北黄灯第5章plc与上位计算机组态王软件的通讯本文组态王kingview的控制系统向导如图4所示，先在上位机系统中需要安装组态王kingview7.0软件和三菱plc编程软件fxgp_win-c，下位机采用三菱公司生产的fx2n一48mr型plc。pc机(上位机)通过rs-232串行接口，利用通信电缆sc一09与plc连接。6pc机中通过plc编程软件把已编译的控制程序下载到下位机plc。接着实现设备驱动的具体方法是在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性。在kingview组态中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道，kingview组态把这样的物理通道称为设备通道。设备通道只是数据交换用的通路，而进行数据交换的对象，则必须由用户指定和配置。所有的设备通道都必须与实时数据库相连接。所谓通道连接，即是由用户指定设备通道与数据对象之间的对应关系，这是设备组态的一项重要工作。最后，在上位计算机已安装组态kingview环境下运行已开发的实验项目，同时使plc下位机进入运行状态，通过鼠标和键盘操作界面上的图形对象就可以进行控制系统的模拟仿真。7图4 设备配置向导图5.1 对画面运行系统调试启动kingview组态王运行系统touchview，运行交通灯组态界面的控制。将plc开关指向“run”状态，按下启动按钮，观察交通信号灯系统的控制结果。分别观察软件界面和交通灯控制实验板指示灯的变化，如下图5所示： 图5 软件