基于组态技术的PLC交通灯控制系统设计.doc

南京晓庄学院2012届本科毕业设计分类号：学校代码：11460学 号：08409433南京晓庄学院本科生毕业论文基于组态技术的PLC交通灯控制系统设计Design of traffic lights controlling system based on PLC & configuration technology所在院(系)：物理与电子工程学院学生姓名： 王礼敏指导教师： 张 林研究起止日期：二一一年十一月至二一二年五月二一二年五月46学位论文独创性声明本人郑重声明：1坚持以“求实，创新”的科学精神从事研究工作。2本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。3本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。4本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。5其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了感谢。作者签名：王礼敏 日 期：2012.05.18摘要：随着城市交通的发展，人、车、路三者关系的协调管理已越来越引起人们的广泛关注。面对城市日益拥挤的交通状况，改善现有交通控制系统已成为当前人们需要考虑的重要问题之一。一个人性化的交通控制系统是现代社会随着物流、出行等交通发展而产生的一套独特的公共管理系统，它可以有效的疏导交通流量，提高道路通行能力，抑制交通事故发生，同时对降低环境污染有着不可低估的作用。要保证高效安全的交通秩序,除制定一系列的交通规则,还必须通过一定的科技手段来加以实现。随着社会经济的发展,某些传统基于数字电路的交通灯控制系统已不能满足日益增长的交通压力,因此必须寻求一种新的方法来取代这种复杂而工作不稳定的控制系统。现今，随着PLC技术的快速发展和广泛应用,可编程逻辑控制器的功能日益完善,小型化、价格低、可靠性高等特点在现代工业中的作用更加的突出，而在工业控制中，利用基于组态技术的人机界面控制，会使整个控制系统更加实用与便捷。基于上述考虑，本文根据城市交通灯控制原理，给出了基于组态技术的PLC交通灯控制系统的设计方案。在完成系统硬件、软件及组态设计的基础上，对控制系统进行了硬件连接，经整机调试达到了预期目标。该系统具有可靠性高、维护方便、通用性强等特点，验证了本系统设计方案的可行性和正确性。 关键字：交通灯； PLC； 组态技术 Abstract:With the development of urban transportation,people,vehicles and road relationship coordination management has attracted more and more peoples attention. Facing the increasingly heavy traffic in the city, improving existing traffic control system has become one of the important problems that people need to consider. A personal traffic control system is in the modern society with logistics, travel and other transportation development producing a unique set of public management system. It can be effective to relieve traffic flow, improve road traffic capacity, inhibition of traffic accidents, and at the same time to reduce the pollution of the environment plays an evaluation function. To ensure the efficiency and security traffic order, in addition to make a series of the traffic rules, still must pass a certain scientific means to realization. With the development of social economy, some traditional based on digital circuit of traffic light system has been not meet the increasing traffic pressure, so must seek a new method to replace the complex and work unstable control system. Nowadays, with the rapid development of the PLC technology and the widespread application,programmable logic controller function is increasingly perfect.Miniaturization, low price, high reliability characteristics is more outstanding in modern industry. While in industrial control, the use of configuration technology of man-machine interface control will make the whole control system more practical and convenient. Based on the above consideration, this essay provides a design of PLC traffic control system which is based on configuration technology. After achieving the hardware ,software and configuration design, on the basis of control system for connection,the debugging is expected to reach the goal. The system has high reliability, maintenance friendly, easy to use and high universality and the other characteristics.So validating the system design correctness and feasibility of the scheme.Keywords: The traffic lights; PLC; Configuration technology目 录1 绪论11.1 引言11.2 课题设计的背景11.3 MCGS组态软件11.3.1 组态软件的介绍11.3.2 MCGS组态软件的系统构成11.3.3 MCGS组态软件的组成21.3.4 MCGS组态软件的功能和特点21.4 本课题设计的主要工作32 系统控制方案论证与总体设计32.1 方案论证32.2 系统总体设计32.2.1 系统硬件组成32.2.2 十字路口交通灯模型设计43 系统的硬件设计53.1 PLC的I/O分配53.2 PLC外部硬件连接53.3 触摸屏的选择63.3.1 TPC7062KX功能介绍及技术指标63.3.2 TPC7062KX技术优势74 系统的软件设计84.1 PLC程序设计84.1.1 控制时序要求84.1.2 控制过程分析94.1.3 系统顺序控制功能图114.2 系统组态设计114.2.1 封面窗口设计124.2.2 十字路口主界面的建立134.2.3 交通灯定时参数修改界面建立184.2.4 数据报表的建立184.2.5 脚本程序的编写194.2.6 建立I/O数据连接215 系统的联机与调试225.1 PLC的硬件连接与调试225.2 基于MCGS组态软件的整体联机调试235.2.1 MCGS工程下载235.2.2触摸屏的运行与调试235.2.3 系统整机的硬件调试246 总结24参考文献25致谢26附录27PLC梯形图程序27指令表431 绪论1.1 引言当今，交通问题是经济发展的一大问题，交通是否便捷是衡量一个城市生活水平与投资环境的一个重要指标。因此，改善和提高现有交通系统的效率已成为当务之急，而提高交通控制系统的效果更是重中之重。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测，交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市面临着交通超负荷运行情况，城市交通拥挤问题已日趋严重。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，采用一种有效的方法控制交通灯是势在必行。1.2 课题设计的背景交通灯是城市交通有序运行的重要指挥信号，与人们日常生活密切相关。目前，城市中的车辆逐渐增多，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，为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）被广泛用于交通灯控制领域。PLC是系统智能控制的核心，它是集自动控制技术、传感器技术、计算机技术于一体的机电一体化产品，具有结构简单、编程方便、可靠性高、功能完善、实用性强、干扰能力强及硬件故障的自检查功能等优点；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现象也日益严重，为保证交通系统控制的可靠、稳定，选择能够恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC也是最佳选择。本系统中利用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司提供的MCGS软件，可以为用户提供良好的人机界面。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、 高性能、高可靠性、配置灵活、组态方便等突出特点。基于上述考虑，本课题根据交通灯工艺控制要求和特点，采用西门子PLC和MCGS 组态软件及触摸屏实现对交通灯系统的控制，具有较好的现实意义。1.3 MCGS组态软件1.3.1 组态软件的介绍MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，MCGS为用户提供了解决实际工程问题的 完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和 报表输出以及企业监控网络等功能。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。1.3.2 MCGS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”。1.3.3 MCGS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（ifthen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。1.3.4 MCGS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Microsoft Windows95/98/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3.1 PLC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1 PLC的I/O点数分配3.2 PLC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4 PLC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TPC7062KX6，其外观如图5 中的(a)、(b) 正、反面所示。 图(a) 图(b)图5 TPC7062KX触摸屏图3.3.1 TPC7062KX功能介绍及技术指标TPC7062KX是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（ARM CPU，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800480），四线电阻式触摸屏（分辨率10241024）。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2 TPC7062KX的技术指标3.3.2 TPC7062KX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3D Max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windows ce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4.1 PLC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Q2.2Q3.0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MCGS 7.2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) 输入信号的属性设置首先定义数据变量，根据控制要求，监控画面中对输入信号进行定义。对于输入信号“启动”和“停止”按钮的设置，在工具箱中拖出两个“标准按钮”，调整至合适的大小，双击该按钮即可对其属性进行基本属性和操作属性设置。在基本属性中，可在“文本”中输入对应启动、停止、退出按钮的名称，如图14(a)(b)(c)所示。 图(a) 图(b) 图(c)图14 基本属性设置图在操作属性设置中，对启动、停止按钮的按下功能进行设置，默认“按下功能”，选择“数据对象值操作”，选择“置1”，然后点击“？”进行变量选择。如图15(a) (b)所示。 图(a) 图 (b)图15 操作属性设置图在对输入信号变量选择时，应注意将将所有的I变量改为M变量，再进行变量选择。在“变量选择方式”中选择“根据采集信息生成”，根据相应的输入设置相对应的通道类型、数据类型、通道地址及读写类型即可。对于启动按钮“按下功能”时“置1”变量选择M寄存器，通道地址为10，数据类型为通道第00位。停止按钮“按下功能”时“置1”变量选择M寄存器，通道地址为10，数据类型为通道第01位。设置如图16所示。图16 输入变量选择设置图对于“退出”按钮，在操作属性设置时，过程同“封面”中的“进入按钮”。但应将打开用户窗口选择至封面，将关闭用户窗口选择至演示完毕的窗口即可。(2) 输出信号的属性设置 输出信号灯的属性设置根据I/O分配表，在监控画面中将信号灯的输出进行定义。在工具箱 “插入元件”中找出相应的交通灯，如图17所示。图17 对象元件库管理图选择好四个方向的信号灯之后，调整好适合大小与位置。根据I/O分配表再分别对其进行单元属性设置。双击选择好的三维圆球，进行动画连接设置，如图18所示。图18 动画连接设置图然后分别单击三个信号灯，单击“?”，选择“根据采集信息生成”，对其进行变量选择。设置相对应的通道类型、数据类型、通道地址及读写类型即可。如图19所示。图19 输出变量选择图 左行、右行、直行输出信号的属性设置在“插入元件”中没有相对应的左行、右行、直行输出，故可在监控画面中分别画出左行、右行、直行，分别选中后，单击工具箱中“保存元件”，将会保存所选图形至元件库中，再相应的对其进行改名。如图20所示。图20 保存元件管理图再重复上述信号灯属性设置的过程，对左行、右行及直行进行属性设置。应当注意在对直行进行属性设置时，由于直行方向分别有红、黄、绿灯三个输出，故直行方向应有三个直行箭头叠加在一起。分别对其属性和可见度进行，确保当其中一个输出工作时，另两个不可见。其中属性设置和可见度设置分别如图21、22所示。在对属性设置中，对不同颜色的输出箭头就将填充不同的颜色。 图21 输出属性设置图 图22 可见度设置图对左行进行属性设置时过程同于直行设置，但在右行设置时，应在“动画组态属性设置”中设置“填充颜色”。在“颜色连接”中将“0”设置为红色，“1”设置为绿色，表达式为相应的输出即可。(3) 七段数码管的属性设置在工具箱中的“插入元件”中没有七段数码管，则应用工具箱中的“标签A”画出七段数码管的每一段。然后双击每一段进行“标签动画组态属性设置”，对每一段进行可见度设置，然后再单击“?”，根据I/O分配表对每一段进行变量选择。4.2.3 交通灯定时参数修改界面建立在实际交通灯运行中，不同的时间段里会出现交通的高峰期与低峰期，为了保证各个时间段交通的畅通，可根据不同的时间段对红绿灯的定时时间进行修改。利用MCGS组态软件，在“用户窗口”中新建窗口，进行“动画组态”即可对南北方向与东西方向的红绿灯时间进行修改，其组态界面如图23所示。图23 交通灯定时参数修改界面若需要修改定时时间时，按下“十字路口监控界面”中的“切换”按钮，即可进入到修改界面。根据需要选择东西方向与南北方向的按钮，输入相应时间即可，再下一次的使用时应按下“CLR”将上次的时间清零后方可重新输入。4.2.4数据报表的建立（1）实时数据报表的建立在完成界面建立之后，在“实时数据库”中可以看到所有不同类型的设备变量，根据该数据库中的变量可以进行连接“实时数据报表”，“实时数据库”如图24所示。图24 实时数据库在实际工程应用中，大多数监控系统需要对数据采集设备采集的数据进行存盘、统计分析，并根据实际情况打印出数据报表，所谓数据报表就是根据实际需要以一定格式将统计分析后的数据记录显示并打印出来，以便对生产过程中系统监控对象的状态进行综合记录和规律总结。数据报表在工控系统中是必不可少的一部分，是整个工控系统的最终结果输出。在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在用户窗口中新建窗口“数据显示”窗口后，单击“动画组态”进入。从工具箱中单击“自由表格”工具按钮后拖动到适当位置与大小。并在方格内标注文字，标注的变量“连接”到实时数据库中相应的变量，如图25所示。图25 实时数据报表（2）历史数据报表实时数据报表是从历史数据库中提取数据记录，以一定的格式显示数据。实现历史报表有两种方式：一是用策略中存盘数据浏览构件，另一种是用历史表格构件。在本文中，选用的是第一种方法。其方法是首先在“运行策略”中，新建一个“用户策略”，并在其性设置中设置好参数。进入策略组态环境，新增一个策略行，并在工具箱中单击“存盘数据浏览”拖放在其上。某一历史数据报表窗口如图26所示。图26历史数据报表窗口4.2.5 脚本程序的编写为了直观的展现出画面中交通灯的作用，可适当的放些车辆在模拟的路面上，通过信号灯的亮灭来控制小车的行驶。(1) 小车行驶距离及速度的设置根据模拟画面中东西方向及南北方向的最大距离，可设定小车每秒移动的距离。即在“用户窗口属性设置”中的“循环脚本”，将循环时间设定为“100ms”。在“工具箱”中的“插入元件”，将四个方向对应车道都放上小车。对于北方向的小车，双击对应的小车，在“动画组态属性设置”中设置“垂直移动”。其中表达式为“向下走”，根据画面的大小，将“最大移动偏移量”及“表达式的值”均设置为500。设置如图27所示.图27 垂直移动设置对于南方向上的小车设置同北方向上小车的设置，其表达式为“向上走”，但应注意“最大移动偏移量”为-500。东西方向上的小车设置同南北方向小车的设置。(2) 脚本程序的编写在“用户窗口属性设置”中的“循环脚本”，单击“打开脚本程序编辑器”，即可根据VB语言编写所需要的脚本程序。如图28所示。图28脚本程序编辑4.2.6 建立I/O数据连接MCGS把实际外部设备分为独立的设备、父设备和子设备三类，独立的设备是指可独立工作、完成特定数据输入输出功能的设备，如用于模拟量输入输出、数字量输入输出的PC接口卡等；父设备是本身不直接处理数据输入输出的功能，但起到管理其他设备工作的设备，如串行口设备、IDCN-893的通讯卡等；子设备是本身具有处理数据输入输出的功能，但只有和对应的父设备一起才构成完整工作系统的设备。如PLC设备、带智能通讯功能的仪器仪表等7。在组态工作台界面中，用鼠标单击“设备窗口”选项，单击“设备组态”， 进入设备组态画面，点击工具条中的“工具箱” 打开“设备工具箱”，如图29所示。然后顺序双击“通用串口父设备”和“西门子S7200PPI”添加至组态画面窗口，如图30所示。 图29 设备窗口管理 图30 设备组态窗口最后提示是否使用西门子默认通讯参数设置父设备，选择“是”即可。这就将“通用串口父设备0-通用串口父设备”和“设备0-西门子S7-200PPI”添加进来。返回设备组态窗口，双击“设备0-西门子S7-200PPI”，进入属性设置窗口，可在该窗口看见监控画面中所有的输入输出设备，如图31所示。图31 设备编辑窗口图5 系统的联机与调试MCGS触摸屏和PLC编程软件可以同时运行。由于CPU224XP-CN上有两个通信端口，可用一根USB-RS485线连接计算机和PLC，再用两端均为RS-485的通信线连接PLC与触摸屏。即可实现MCGS触摸屏和PLC同时运行。5.1 PLC的硬件连接与调试在计算机上编写PLC的梯形图程序，编译无误后，然后将PLC上的输出与所制作的硬件电路中相对应端连接好，在S7-200编程软件的界面中单击“通信”，便可完成通信参数的设置8，如图32所示。图32 通信参数设置图将PLC程序下载到CPU 224 XP-CN下载时，应当注意将CPU 224 XP-CN的状态置“STOP”，待下载完毕后，再将其置于“RUN” 状态。PLC程序在线下载过程如图33所示。下载完成后，即可进行PLC的硬件调试，如图34所示。 图33 PLC程序在线下载 图34 硬件调试图5.2 基于MCGS组态软件的整体联机调试5.2.1 MCGS工程下载在上位机的MCGS监控界面中，先插入U盘，然后点击“下载工程并进入运行环境”，点击“制作U盘综合功能包”，待U盘综合功能包制作成功即可，如图35所示。将U盘综合功能包制作成功后，再单击“工程下载”，下载完毕即可。工程下载设置如图36所示。 图35 制作U盘综合功能包图 图36 工程下载图5.2.2触摸屏的运行与调试完成上述MCGS工程下载后，将制作好的U盘插在触摸屏反面的“USB”口上，开启电源。根据触摸屏的提示进行“用户工程更新”，再根据提示进行工程下载后，拔出U盘重启触摸屏，在触摸屏上便可以显示MCGS组态中所建立的系统主界面。按下主界面中的“进入”按钮便可进入到模拟的十字路口监控界面，在当前监控界面中按下“启动”按钮不仅可运行当前动态界面，而且也能通过PLC实现对PLC外部输出执行机构的同步运行和控制。基于触摸屏的十字路口交通模拟运行界面过程如图37所示。图37 触摸屏界面运行图5.2.3 系统整机的硬件调试当PLC程序成功下载到CPU 224XP-CN后，将CPU 224XP-CN的状态置“RUN”状态，将组态画面上的图形对象与硬件执行设备PLC建立一一对应关系，使通道连接正常，便可以通过触摸屏的操作实现对外部硬件设备进行实时操作和监控。本系统经联机调试，运行可靠，状态正确，可达到系统控制方案的要求。模拟的实际系统如图38所示。图38 系统整机调试图6 总结在经过本次基于组态技术的PLC交通灯控制系统设计后，学会了如何使用PLC去实现简单的系统控制、组态软件MCGS的基本使用、优点及触摸屏的使用等。PLC是工业自动控制装置，具有可靠性高、抗干扰能力强、造价低等特点。MCGS是工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有可视性好、维护性强等特点。在系统控制中，将二者与触摸屏一起使用，会使得系统的控制具有更加的实用性与便捷性。在本次设计过程中，在指导老师的指导下，设计内容分别为硬件设计、软件设计、组态设计、硬件电路的制作及系统的整机调试。在硬件设计中，首先要根据控制要求对输入输出点数进行设定，以确定对西门子CPU型号的选择，这样才能满足系统下位机的控制要求。在软件设计中，信号灯显示部分利用了PLC程序设计的顺序控制设计法。根据系统的控制要求，画出相对应的顺序功能图，然后利用西门子软件中置位、复位、