plc控制的交通灯装置mcgs组态画面设计.docx
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plc控制的交通灯装置mcgs组态画面设计
目录
摘要1
第1章可编程控制器基础2
1.1PLC的定义2
1.2PLC的产生2
1.3PLC的特点3
1.4PLC的应用3
1.5PLC的分类4
1.6PLC的基本结构4
1.7PLC的工作原理5
1.8PLC的汇编语言5
第2章PLC交通灯系统控制要求7
2.1交通灯系统控制要求7
2.2交通灯路况模拟图7
第3章PLC交通灯系统控制设计8
3.1交通灯系统控制设计目的8
3.2交通灯系统控制设计要求8
3.3交通灯系统控制时序图8
3.4交通灯系统控制流程图8
3.5PLC控制系统I/O端口地址分配表9
3.6PLC外部接线示意图9
3.7PLC交通灯系统控制设计梯形图10
第4章MCGS组态软件控制11
4.1MCGS组态软件概述11
4.2PLC交通灯工程及动画设计11
4.2.1画面设计及动画连接11
4.3PLC交通灯控制系统运行结果17
4.3.1进入运行环境17
4.3.2启动18
结束语19
致谢20
参考文献21
附录1PLC交通灯系统控制设计梯形图22
摘要
可编程控制器（简称PLC）是在继电器控制基础上以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。
据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。
目前可编程控制器已基本代替了传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）的首位。
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。
同时，PLC本身还具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成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。
关键词：
可编程控制器（PLC）；MCGS组态；交通灯
第1章可编程控制器基础
1.1PLC的定义
在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作的指令并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。
PLC及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
1.2PLC的产生
早期工业生产中广泛使用的电器自动控制系统是继电器控制系统，但随着20世纪工业生产的迅速发展，现代社会制造工业竞争越来越激烈，工业产品更新换代越加的频繁，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，迫切需要一种新的更先进的“柔性”的控制系统来取代传统的继电器控制系统。
为了改变这一状况，1968年，美国通用汽车公司为了增强其产品在市场的竞争力，满足不断更新的汽车型号的需要，向制造商公开了招标，并提出生产线控制的10条要求，即:
1）编程方便，可在现场修改程序；
2）维护方便，最好是插件式结构；
3）可靠性高于继电器控制装置；
4）体积小于继电器控制系统；
5）成本可与继电器控制系统竞争；
6）数据可以直接输入管理计算机；
7）可以直接用交流115V输入；
8）通用性强，系统扩展方便，更动最少；
9）用户存储器容量大于4KB；
10）输出为交流115V，负载电流要求在2A以上，可直接驱动电磁阀和交流接触器等。
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程序控制器PDP-14，并在美国通用汽车公司的生产线上取得了成功，引起了世界各国的关注。
这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。
到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。
继日本、德国之后，我国于1974年开始研制可编程序控制器，在1977年开始应用工业。
1.3PLC的特点
PLC实质是一种面向用户的工业控制专用计算机，它的主要特点：
1）可靠性高，抗干扰能力强；
2）适应性好，具有柔性；
3）功能完善，接口多样；
4）易于操作，维护方便；
5）编程简单易学
6）体积小、重量轻、功耗低、寿命长。
1.4PLC的应用
目前，在国内外PLC已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性价比的不断提高，其应用领域不断扩大。
从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为如下几类：
1）开关量逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2）模拟量过程控制除了数字量之外，PLC还能控制连续变化的模拟量，如温度、压力、速度、流量、液位、电压和电流等模拟量。
通过各种传感器将相应的模拟量转化为电信号，然后通过A/D模块将它们转换为数字量送到PLC到CPU处理，处理后的数字量再经过D/A转化为模拟量进行输出控制，若使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控制。
3）运动控制大多数PLC都有拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。
这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。
4）现场数据采集处理目前PLC都具有数据处理指令、数据传送指令、算术与逻辑运算指令和循环移位与移位指令，所以由PLC构成的监控系统，可以方便地对生产现场数据进行采集、分析和加工处理。
数据处理通常用于如柔性制造系统、机器人和机械手的控制系统等大、中型控制系统中。
5）通信联网、多级控制PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间通信，要采用专用通信模块，并利用RS-232C或RS-422A接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将它们连成网络。
由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统，进行“集中管理，分散控制”，建立工厂的自动化网络。
PLC还可以连接阴极射线管（CRT）显示器或打印机，实现显示和打印。
1.5PLC的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。
对于PLC，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O（输入/输出）点数的多少等进行大致分类。
1）按PLC的结构形式分类：
①整体式；②模块式；
2）按PLC功能分类：
①抵挡型；②中挡型；③高档型；
3）按PLC的I/O点数分类：
①小型PLC——I/O点数小于256点；②中型PLC——I/O点数为256点～2048点；③大型PLC——I/O点数大于2048点。
1.6PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其基本结构与微型计算机相同，由硬件系统和软件系统两部分组成。
整体式PLC硬件系统主要由中央处理器CPU、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。
其中CPU是PLC的核心；输入单元与输出单元是连接现场I/O设备与CPU之间的接口电路；通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
对于模块式PLC，各部分独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。
无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。
PLC的基本结构框图如图1-1所示。
图1-1PLC的基本结构框图
1.7PLC的工作原理
PLC的CPU采用循环扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触头（包括其常开或常闭触头）不会立即动作，必须等扫描该触头时才会动作。
1）PLC的循环扫描技术PLC循环扫描的工作过程一般包括5个阶段：
内部处理与自诊断、通信处理、输入采样、程序执行及输出刷新。
当方式开关置于STOP位置时，只执行前两个阶段；当方式开关置于RUN位置时，将执行所有阶段。
2）PLC与传统继电器控制的异同PLC的扫描工作方式同继电器控制有着明显的不同，如表1.1所示。
表1.1PLC与传统继电器控制的比较
控制系统
控制方式
线圈通电
继电器
硬逻辑并行运行方式
所有常开∕常闭触头同时动作
PLC
循环扫描工作方式
CPU扫描到的触头才会动作
3）PLC扫描周期的计算一个完整的扫描周期包括自诊断时间、通信时间、扫描I/O时间和扫描用户程序时间。
4）PLC的I/O响应时间I/O响应时间指从PLC的输入信号变化开始到引起系统有关输出端信号的改变所需的时间。
1.8PLC的汇编语言
采用面向控制过程，面向问题，简单直观的PLC编写横语言，常用的有：
梯形图，语句表，功能图等。
1.梯形图：
由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但梯形图编程语言功能更强更方便。
主要特点：
1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。
每一逻辑行，起使左母线。
2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实物理继电器称为“软继电器”
3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。
4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。
2．语句表：
又叫指令表，类似计算机汇编语言形式，用指令的记助符编程。
例：
图1-2所示是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的PLC梯形图。
图1-2简单的PLC梯形图
它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。
第二组仅一个END指令，用于结束程序。
梯形图与助记符的对应关系：
助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。
一般讲，其顺序为：
先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。
有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。
图1-2的助记符程序如表1.2所示。
表1.2助记符程序表
地址
指令
变量
0000
LD
X000
0001
OR
Y000
0002
AND
X001
0003
OUT
Y000
0004
END
反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。
第2章PLC交通灯系统控制要求
2.1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：
1.信号灯系统由一个启动开关控制,当启动开关接通时,该信号灯系统开始工作,当启动开关断开时,所有信号灯都熄灭.。
2.南北绿灯和东西绿灯不能同时亮.如果同时亮应关闭信号灯系统,并立即报警。
3.南北红灯亮维持25S.在南北红灯塔亮的同时东西绿灯也亮,并维持20S.到20S时,东西绿灯亮,闪亮3S后熄灭,此时,东西黄灯亮,并维持2S时,东西黄灯熄灭,东西红灯亮.同时,南北红灯熄灭,南北绿灯亮。
4.东西红灯亮维持25S.南北绿灯亮维持20S,然后闪亮3S后熄灭.同时南北黄灯亮,维持2S后熄灭,这时南北红灯亮,东西绿灯亮。
以上南北,东西信号灯周而复始的交替工作状态,指挥着十字路口的交通。
2.2交通灯路况模拟图
实训室用的交通灯路况模拟面板如图2-1所示。
图2-1交通灯路况模拟图
该面板用发光二极管模拟指示灯点亮情况，直观性差。
第3章PLC交通灯系统控制设计
3.1交通灯系统控制设计目的
采用组态软件实现监控系统的设计，在组态软件中实时反映交通灯的运行状态，PLC控制系统和组态监控系统进行实时数据交换。
3.2交通灯系统控制设计要求
1.编制三菱PLC控制程序；
2.制作MCGS组态控制画面，画面上要有车的跑动,跑动与灯光控制一致；
3.在组态中能调用PLC程序的状态量,画面的控制与程序运行步调一致。
3.3交通灯系统控制时序图
交通灯控制系统工作时，对交通灯的控制要求按一定时序进行，如图3-1所示。
图3-1交通灯系统同控制时序图
3.4交通灯系统控制流程图
根据交通灯的实际控制情况，可得出其流程图如图3-2所示。
图3-2交通灯系统控制流程图
3.5PLC控制系统I/O端口地址分配表
根据对交通灯系统控制要求分析，系统采用自动控制方式，输入有系统开启与停止按钮信号；输出有东西方向、南北方向各两组指示信号。
因此可将I/O端口地址分配如表3.1所示。
表3.1I/O端口地址分配
序号
输入设备
端号
输出设备
端号
1
启动按钮
X0
东西红灯
Y022
2
停止按钮
X1
东西绿灯
Y020
3
东西黄灯
Y021
5
南北绿灯
Y023
6
南北黄灯
Y024
7
南北红灯
Y025
3.6PLC外部接线示意图
根据上述的I/O端口地址分配表可得出PLC接线示意图，如图3-3所示。
图3-3PLC外部接线示意图
3.7PLC交通灯系统控制设计梯形图
根据对交通灯的控制要求及PLC控制系统的I/O分配的定义，可对PLC进行控制程序的设计，其梯形图如附录1所示。
第4章MCGS组态软件控制
4.1MCGS组态软件概述
MCGS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。
包含“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”，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、曲线和报表输出、企业监控网络以及高性能、高可靠性、低成本的嵌入系统等功能。
MCGS组态软件功能强大，操作简单，易学易用；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。
4.2PLC交通灯工程及动画设计
4.2.1画面设计及动画连接
（1）建立新画面
在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，如图4-1所示。
图4-1新建用户窗口
选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将窗口名称改为“PLC交通灯”，将窗口标题改为“PLC交通灯”，将窗口背景颜色改为“绿色”，在窗口设置中选中“最大化显示”。
其它不变，单击“确认”，如图4-2所示。
图4-2设置用户窗口属性
选中刚创建的“PLC交通灯”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口，如图4-3所示。
图4-3动画制作窗口
（2）单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱，为了快速构图和和组态，MCGS系统内部提供了常用的图元、图符、动画构件对象，如图4-4所示。
图4-4绘图工具箱窗口及对象元件
（3）动画连接
MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中的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。
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，从而实现了图形的动画效果。
1）运行策略
单击工作台“运行策略”，双击“循环策略”，然后单击“策略工具箱”中的“脚本程序”，把鼠标移出“策略工具箱”，会出现一个小手，把小手放在
上，单击鼠标左键，则显示如图4-5所示。
图4-5脚本程序策
双击
进入脚本程序编辑环境，按如图4-6所示的程序输入。
如图4-6脚本程序编译窗口
2）设备窗口
单击“设备窗口”，在单击“设备组态”按钮进入设备组态。
从“工具条”中单击“工具箱”；弹出“设备工具箱”对话框；单击“设备管理”按钮，弹出“设备管理”对话框；从“可选设备”双击“通用设备”，找到“串口通讯父设备”双击，选中其下的“串口通讯父设备”双击或单击“增加”按钮，加到右面以选设备；再双击“PLC设备”，找到“三菱”双击“三菱_FX系列编程口”，选中“三菱_FX系列编程口”双击或单击“增加”按钮，加到右面已选设备。
如图4-7所示。
图4-7设备管理
双击“通用串口父设备0-【通用串口父设备0】”弹出“设备属性编辑”对话框，如图4-8按实际情况进行编辑。
图4-8通用串口设备属性编辑
双击“三菱_FX系列编程口”弹出“设备属性设置”对话框，如图4-9按实际情况进行设置。
图4-9设备属性设置
选中“内部属性”中“设置设备内部属性”，出现
图标，单击图标，弹出对话框如图4-10所示。
若设备通道比较多，可以在内部属性中添加通道。
图4-10设备内部属性
检查设备通道之后，简单地进行设备调试，看设备是否连接好。
若为0，表示连接好；若为1，表示有问题。
如图4-11所示。
a）设备通道b）设备调试
图4-11MCGS的连接与调试
3）实时数据库
单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，如图4-12所示。
如果要增加新的数据对象，单击右侧的“新增对象”按钮。
图4-12实时数据库窗口
选中该数据对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置”窗口。
将“对象名称”改为：
启动按钮；“对象初值”改为：
0；“对象类型”选择：
开关型。
如图4-13所示。
图4-13数据对象属性设置
4）指示灯设置
双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”对话框，单击“动画连接”选项卡，如图4-14所示。
单击“>”按钮，弹出“动画组态属性设置”对话框后，按实际情况进行设置，如图4-15所示。
如图4-14指示灯单元属性设置如图4-15动画组态属性设置
5）小车设置
双击小车，弹出“单元属性设置”对话框后，按实际情况进行设置，如图4-16所示。
图4-16小车的单元属性设置
（4）整体画面
最后生成的画面如图4-17所示。
图4-17整体画面
4.3PLC交通灯控制系统运行结果
4.3.1进入运行环境
进入运行环境，所有灯及系统处于静止状态。
如图4-12所示。
图4-12运行环境
4.3.2启动
按下启动按钮后，启动南北指示灯变绿，系统开始进入自动运行状态，同时东西红灯亮，开始倒计时。
如图4-13所示。
图4-13运行界面图
结束语
根据交通灯控制系统的控制要求，利用组态技术及PLC构成了简单可靠的交通灯控制系统。
通过数据线传输到PLC运行正常。
通过组态画面能够实时的反映交通信号灯的工作状态，利用MCGS组态软件实现PLC与上位机通信方法简单易行，MCGS工作为上位机软件给用户提供了良好的人机界面。
通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。
毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综和性作业，从老师的角度来说，指导做毕业设计是老师对学生所做的最后一次执手训练。
其次，毕业设计的指导是老师检验其教学效果，改进教学方法，提高教学质量的绝好机会。
毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声。
在不断的努力下我的毕业设计终于完成了。
在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是真的面对毕业设计时发现自己的想法基本是错误的。
毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。
自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。
通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。
最后终于做完了有种如释重负的感觉。
此外，还得出一个结论：
知识必须通过应用才能实现其价值！
有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
致谢
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向潘益玲老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。
本文能够顺利完成，要特别感谢我的导师潘益玲老师，感谢各位系的老师的关心和帮助。
最后向所有关心和帮助过我的人表示衷心的感谢。
参考文献
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【6】龚运新.工业组态软件实用技术【M】.北京：
清华大学出版社.2005
【7】匡宇国.MCGS组态软件技术在PLC教学中的交互应用研究【J】.教育探索.2007
附录1PLC交通灯系统控制设计梯形图
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