【基于PLC交通信号灯控制系统设计14000字（论文）】

[3]。MCGS组态软件生成的项目由主控制窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和操作策略五个部分组成。MCGS软件系统由配置环境和用户界面两部分组成，如图5-1所示。

图5-1MCGS软件系统构成5.2MCGS设计过程5.2.1创建工程1.鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，在新建工程设置中选择“TPC1061TD”，分辨率为1024×600，自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCE”。2.选择文件菜单中的的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口，在文件名一栏内输入“交通信号灯系统”，点击“保存”按键，工程创建完毕。如图5-2、5-3所示。图5-2新建工程图5-3新建工程设置5.2.2制作工程画面5.2.2.1建立画面1.在“用户窗口”中单击“新建窗口”按键，建立“窗口0”。2.选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，修改窗口名称为“交通信号灯”。3.将该窗口设置为启动窗口。如图5-4、5-5所示。图5-4建立窗口图5-5修改窗口名称5.2.2.2编辑画面1.选中“交通信号灯”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。如图5-6所示。图5-6动画组态2.单击工具条中的“工具箱”按键，打开绘图工具箱。如图5-7所示。图5-7绘图工具箱选择“工具箱”内的“标签”按键，在适当的位置插入文本框，输入“交通信号灯系统”。选中文字框，右击属性作图中设置。点击工具条中的“字符字体”按键，设置文字字体为：宋体、常规、小四。如图5-8、5-9所示。图5-8文字框属性设置图5-9标签属性设置5.2.2.3插入元件1.点击绘图工具箱中的（插入元件）图标，从“指示灯”类中选取指示灯19，作为交通信号灯，并设置颜色为红黄绿三个颜色。如图5-11所示。图5-11插入指示灯在设置指示灯的属性时，除了填充颜色为红黄绿灯以外，根据设计要求，绿灯要设置“闪烁效果”，同时每个灯要设置对应的表达式，例如南北绿灯、南北红灯、南北黄灯等等，同时设置当输入为“0”时为黑色，输出为“1”时显示颜色。如图7-12所示。图5-12指示灯属性的设置3.插入标签，设置初始数字为“00”，填充颜色为黑色，字符颜色为红色，显示输出，设置属性表达式，输出值类型为“数值量输出”，输出格式为“十进制”。如图5-13所示。图5-13倒计时显示设置插入小车的图片，在动画组态属性设置时，默认为自西向东运动为正方向，自上而下运动为负方向，设置东西方向的最大移动偏量为1100，南北方向的最大移动偏量为550，则自西向东运动的车辆设置最大移动偏量为1000，自东向西运动的车辆设置最大移动偏量为-1000，南北车辆的设置同理。如图5-14所示。图5-14插入动画组态图5-15车辆移动的设置插入“复位”、“停止”、“启动”三个按钮，设置文本、文本颜色、边线色，设置水平对齐、垂直对齐、文字效果和按钮类型。输入脚本程序，“启动=1，停止=0”。如图7-16所示。图5-16按钮设置画面设计如图5-17所示。图5-17画面设计5.2.2.4定义数据对象1.单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口。2.单击“新增对象”按键，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对象。如图5-18所示。图5-18数据库设置5.2.3运行策略5.2.3.1复位运行当“复位=1”时，系统循环运行，此时南北车辆、东西车辆都回到原点，东西时间从18开始进行倒数，南北时间从12开始进行倒数。脚本程序如图5-19所示。图5-19复位运行脚本5.2.3.2启动运行当输入为“1”时，启动运行，此时东西时间计时和南北时间计时进行一秒一秒地倒数，脚本程序如图5-20所示。图5-20启动运行脚本5.2.3.3亮灯与车辆的控制以步骤10为例。当运行步骤10时，为南北绿灯亮12秒，东西亮红灯，“=1”为灯亮，“=0”为灯不亮。根据画面中动画组态的坐标距离差距，当东西车辆移动到200的位置时，车辆移动到人行道前，即停止运动，南北车辆亦是如此，当南北车辆移动到坐标为520时，停止运动。当南北的倒计时结束，即数字小于0时，跳到步骤20即下一个步骤为南北绿灯闪烁3秒，东西红灯亮，此时南北的计时变为从3开始的倒数。脚本程序如下图。图5-21控制脚本程序5.3系统MCGS画面运行运行仿真结果如图5-22所示。图5-22MCGS运行画面6控制系统软件设计6.1PLC时序控制图交通信号灯时序控制图如图6-1所示。按启动按钮，交通灯开始工作，按停止按钮，交通灯停止工作。系统启动后，南北方向绿灯亮15s,同时东西方向红灯亮18s,在12S时南北方向绿灯开始闪亮3S后熄灭，之后南北方向黄灯亮3s，东西方向红灯熄灭，东西方向绿灯亮。南北方向红灯亮18S,在此同时东西方向绿灯亮15s，在12s时东西方向绿灯开始闪亮，闪亮3s后熄灭,然后过渡到东西方向黄灯亮3s后熄灭;之后又回到东西方向红灯亮,东西方向红灯熄灭南北方向红灯亮的状态。两个方向的信号灯，按上面的要求周而复始地进行工作。图6-1交通信号灯时序控制图6.2主程序的设计当按下启动按钮，通过定时器定时先实现南北绿灯亮12秒，则南北方向的车辆通行，东西方向的车辆禁止运行，之后通过定时器定时实现南北方向绿灯闪烁3秒，然后定时实现南北方向黄灯亮3秒，在此期间东西方向始终亮红灯，时间为18秒，之后定时器定时实现东西绿灯亮12秒，同时南北红灯亮12秒，则东西方向的车辆允许通行，南北方向的车辆停止通行，之后定时器定时实现东西方向绿灯闪烁3秒，此时南北方向仍然红灯亮3秒；然后西黄灯亮3秒，再回到南北绿灯、东西红灯的状态，循环下去。整个系统实现东西方向红灯时，南北方向为绿灯到绿灯闪烁到黄灯再到南北方向为红灯时，东西方向为绿灯到绿灯闪烁再到红灯的状态，循环变化。当启动信号断开时，所有的信号灯都保持原有状态。整个系统的总体流程图如下图6-2所示。图6-2系统总体流程图6.3子程序的设计6.3.1启动与停止按下启动按钮I0.0，将M0.0置位为1，系统开始运行。按下停止按钮I0.1，所有信号灯全灭。6.3.2循环运行当MO.O置位为“1”时，启动启动运行，通过一个上升沿之后，接一个辅助继电器M0.6，通过M0.6可以控制南北方向的红灯，在时间继电器T42运行后也通电M0.6，保证系统的循环运行，即在东西方向黄灯运行结束后，南北方向重新运行。6.3.2南北方向的控制1.辅助继电器M0.6闭合后，接通线圈M0.1，南北绿灯开始工作，当定时器T38计时结束后，南北绿灯停止工作，控制系统启动的线圈M0.0通电，控制南北绿灯的线圈M0.1通电，绿灯又亮起。线圈M0.1通电控制南北绿灯启动，当定时器T37计时结束后，线圈M0.1断电，绿灯南北绿灯停止工作，此时，控制灯闪烁的继电器M0.2接通，输出继电器Q0.0开始工作，南北绿灯亮，呈闪烁状态。继电器M0.1控制南北绿灯的启动，通过定时器控制时间，定时器单位为100ms，设置120个单位即12s，定时器T37后定时器T38，设置30个单位，即3s。在计时器T37后接通SM0.5，提供一个周期为1秒钟的时钟脉冲，0.5秒为1，0.5秒为0，以此来实现灯的闪烁状态。在定时器T38的工作之后接入继电器M0.0,后接输出继电器Q0.1，以此来实现黄灯的亮起。黄灯的时间控制接入定时器T39，时间为3秒，当定时间时间结束后，黄灯也停止工作。6.3.3东西方向的控制1.输出继电器Q0.4控制东西方向的黄灯，辅助继电器M0.3控制绿灯的启动，在东西方向亮黄灯或者绿灯的时候，一直接通控制南北方向红灯的输出继电器Q0.2，即南北方向一直亮红灯。控制南北黄灯定时的T39接通后，通电辅助继电器M0.3，通过定时器T41控制绿灯的启动与停止。2.线圈M0.3通电控制东西绿灯启动，当定时器T40计时结束后，线圈M0.4断电，绿灯南北绿灯停止工作，此时，控制灯闪烁的继电器M0.4接通，输出继电器Q0.3开始工作，东西绿灯亮，呈闪烁状态。继电器M0.3控制东西绿灯的启动，通过定时器控制时间，定时器单位为100ms，设置120个单位即12s，定时器T40后定时器T41，设置30个单位，即3s，实现绿灯亮12秒后，闪烁3秒。5.在计时器T40后接通SM0.5，提供一个周期为1秒钟的时钟脉冲，0.5秒为1，0.5秒为0，以此来实现灯的闪烁状态。在定时器T41的工作之后接入继电器M0.0,后接输出继电器Q0.4，以此来实现东西黄灯的亮起。在控制黄灯亮起的输出继电器后接入控制南北绿灯的辅助触点M0.4，使得东西黄灯在定时器T42的定时3秒期间，南北亮绿灯，在3秒时间结束后，东西黄灯灭，南北绿灯也停止工作。6.当控制南北绿灯启动的线圈M0.1和控制南北黄灯的输出继电器Q0.1工作时，通电控制东西红灯的输出继电器Q0.5，保证在南北亮红灯和南北亮黄灯时，东西亮红灯。7梯形图的仿真7.1仿真软件概述本设计采用的仿真软件是西门子plc仿真软件（s7-200），这是一款需要西门子plc编程软件。该软件唯一的功能就是将西门子plc编程软件编好的程序直接在电脑中进行虚拟运行，以此来测试该程序是否准确，如果无法进行仿真，则说明该程序出现错误，这个时候就需要我们去修改程序直到仿真软件能够正常运行该程序。S7-200仿真软件西门子s7-200仿真软件不需要安装，执行其中的“s7-200仿真.EXE”文件，就可以打开。点击屏幕中间出现的画面，输入密码按回车键，开始仿真。软件自动打开是老型号的CPU214，应执行菜单命令“配置”-“CPU型号”，用打开的对话框设置CPU的型号。仿真软件界面如图7-1所示。图7-1s7-200仿真软件界面7.2程序调试在仿真软件载入程序之前要进行程序的调试，在调试完程序之后才能够导出程序。首先需要运行程序，在编程软件STEPT7中选择“调试”-“RUN（运行）模式下程序编辑”见图5-2。若运行无误可以导出程序文件（.awl），若运行有误则需改程序。导出程序文件步骤是：选择“文件”-“导出”-命名存储。图7-2程序运行7.3程序仿真1.打开s7-200仿真软件，首先需输入访问密码“6596”，界面如图7-3。图7-3访问界面2.其次，要进行CPU选型，软件默认的CPU型号是214，选型改为224。步骤为选择“配置”-“CPU型号”-“CPU224”-“确定”，即完成选型，见图7-4。图7-4CPU的选型3.接着，载入之前导出的程序，步骤为：选择“程序”-“载入程序”-“装入CPU”，如图7-5。图7-5载入程序7.4仿真效果本次设计通过仿真效果来检查信号灯的亮灭是否满足设计的要求。按下I0.0按钮，系统启动。如图7-6所示，1.系统启动后，输出接触器I0.0和I0.5亮，即南北绿灯和东西红灯亮，满足设计要求。图7-6南北绿灯和东西红灯2.12秒后，输入接口I0.0闪烁，I0.5常亮，满足南北绿灯闪烁，东西亮红灯的设计要求。如图7-7所示。图7-7南北绿灯闪烁东西亮红灯随后输出接口I0.1和I0.5亮，即南北亮黄灯，东西亮红灯，满足设计要求。如图7-8所示。图7-8南北亮黄灯东西亮红灯输出接口I0.2和I0.3亮，即东西亮红灯，南北亮绿灯，满足设计要求，如图7-9所示。图7-9东西亮红灯南北亮绿灯12秒后，输入接口I0.2闪烁，I0.3常亮，满足东西绿灯闪烁，南北亮红灯的设计要求。如图7-10所示。图7-10东西绿灯闪烁南北亮红灯最后输出接口I0.2和I0.4亮，即东西亮黄灯，南北亮红灯，满足设计要求。如图7-11所示，并且系统循环运行。图7-11东西亮黄灯南北亮红灯8系统测评8.1成本计算1.PLC：根据系统的设计要求和输入输出端口的分配，本次设计选用S7-200系列的PLC，并且选用CPU224型号（14个输入，10个输出），所以在购买硬件设备时，我们选用6ES7214-1BD23-0XB0CPU224型号的一个西门子设备。2.信号灯：在选择交通信号灯时，我们应当注意以下几点：（1）符合GB14887-2011《道路交通信号灯》标准；（2）适用于LED光源、结构人性化、外形美观、工艺精细，便于组合安装；（3）表面采用倾斜面设计，不易积灰；（4）外壳采用铝合金材料或者聚碳酸酯（PC）材料，具有防尘、防水、阻燃、抗老化的特点，使用寿命长；因此，在综合多家公司产品后，选择性价比较高的江苏顺泰交通公司的交通灯产品，灯体外壳颜色为黑色或黄色，底壳、前门盖、透光片及密封圈表面平滑，无缺料、开裂、银丝、变形和毛刺等缺陷，表面具有牢固的防锈、壳体为铝压铸外壳或工程塑料外壳，出光面直径有300mm和400mm，光源采用进口超高亮度LED，具有寿命长、功耗低、外观新颖灯特点。防腐蚀层。前门盖和底壳采用卡扣式连接方式，方便徒手开启和关闭。产品通过公安部交通安全产品质量监督检验中心检测，符合中华人民共和国国家标准GB14887-2011。其技术特性为：工作电压:AC220V±20%工作频率:50Hz±2Hz启动瞬间电流:<1A启动响应时间:<25ms关闭响应时间:<55ms绝缘电阻:≥500MΩ介电强度:耐压1440VAC泄露电流:≤0.1mA接地电阻:≤0.05Ω工作温度:-40℃~+80℃湿热性能:温度为40℃时，空气相对湿度≤95%±2%断路器：本系统选用断路器实现开关的控制，断路器能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置具有过载、短路和欠电压保护功能，有保护线路和电源的能力。由于信号灯的总功率较小，所以我们选用具有两个接口的2P10A规格的断路器即可。控制系统设计成本的计算如表8-1所示。表8-1成本计算NO名称品牌型号数量单价总价1PLC西门子6ES7214-1BD23-0XB0CPU2241250025002信号灯江苏顺泰JD400-3-L03国标交通信号灯1230036003断路器施耐德EA9RN2C6330CAR1200200合计63008.2经济性能相比于传统的白炽灯、卤素灯相比，LED交通信号灯运用的寿命长，一般可达到十年，即使考虑到户外室内恶劣环境的影响，在无需维护的状态下，LED交通灯的寿命一般在6-7年左右，这每年需要替换3-4次并且需要定期修理的白炽灯和卤素灯相比，节省了人力财力和物力。例如白炽灯的功率通常为100-150W，耗电量较大，所以在一个十字路口安排四组机动车信号灯，如果采用100W的白炽灯，以每组灯每天点亮24h来算的话，全天的耗电量为9.6KW，按照工业或商业的电费1元/千瓦时来计算，每天的电费为9.6元，，每年的电费为3504元，按照一个中等城市的一百个路口来计算，一年仅仅交通信号灯的电费就高达35万元。所以使用PLC控制的交通信号灯相对于传统信号灯而言性价比是较高的。8.3系统评价在系统的使用方面，设计本系统时，我们只是简易地基于PLC对十字路口的机动车信号灯进行了设计，然而，当系统实际运用到生活中时，我们发现在高峰时期，我们应该考虑该灵活地设计灯亮的时间，才能更好地避免交通的堵塞，要根据车流量实时地进行路灯的控制，另外，在后续改进设计的时候，我们应当设计应急车道来面对突发情况。在经济性能方面，目前有许多的城市正在初步运用太阳能交通信号灯，太阳能是一种取之不尽用之不竭的天然能源并且又是一种可再生的清洁能源，所以太阳能LED交通灯的使用将是我国交通灯未来发展的趋势。另外，在新的安全国标信号灯中，正在逐步取消“绿灯闪烁”状态，实行绿灯倒计时，以避免有车辆在绿灯闪烁时加速通过，造成交通事故。结论本设计是基于PLC的交通信号灯控制系统的设计。由于是基于可编程控制器设计，所以相对于传统的交通信号灯来说，设计易于控制，性价比也更高。该设计主要完成了四个方面的控制，分别是：南北红灯、南北绿灯、南北绿灯闪烁、东西红灯、东西绿灯和东西绿灯闪烁。先设计出整体的方案，然后用MCGS组态软件模拟交通灯路口。在整个梯形图中，利用定时器实现交通信号灯亮灯时间的控制，利用时钟脉冲实现灯的闪烁。程序简单易懂，控制便于操作。该设计在实际应用中可以广泛地使用在城市的十字路口，可以节约电能，会受到越来越多人的欢迎。在使用可编程控制器进行设计时，主要采用我们学过的s7-200，出于s7-200与组态不兼容，所以进行调试仿真时采用的是与s7-200编译器相匹配的s7-200仿真器进行仿真。设计采用的CPU