基于PLC的交通灯控制系统组态模型设计与实现.docx
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基于PLC的交通灯控制系统组态模型设计与实现
基于PLC的交通灯控制系统组态模型设计与实现
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
Abstract
Today,trafficlightsinstalledonthecrossingatall,toeasethetrafficofvehicleshasbecomethemostcommonandmosteffectivemeans.Socialdevelopment,people'sconsumptionlevelscontinuetoincrease,privatevehiclesisincreasing.Ofpeople,carsandmoreroadshavelesstrafficstatusisobvious.Therefore,theadoptionofeffectivemethodstocontroltrafficlightsisimperative.PLCintelligentcontrolprincipleisthecoreofthecontrolsystemusingPLCnorth-southdirectiontoeast-westdirectionorscaleofthevehiclebythenumberofsub-file,theappropriatethinggiventhegreenlightnorth-southdirectionandlengthoftimeisalsosub-fileaccordingtocertainrules.Thisscalecanbeachievedgiventhegreenlightattrafficduration,toachievemaximumreleaseacartoreducethestagnationofvehiclescrossingtoeasetrafficcongestion,toachieveoptimalcontrol,thusimprovingtheefficiencyoftrafficcontrolsystem.
PLCstructureissimple,easyprogramming,highreliability,hasbeenwidelyusedforindustrialprocessandlocationoftheautomaticcontrol.TheuseofthePLChasthecharacteristicsofenvironmentaladaptability,whileitsinternaltimerresourcesareveryrich,thecurrentwidespreaduseofthe"progressive"signalforprecisecontrol,particularlycontrolofmulti-forkcanbeeasilyachieved.Therefore,thePLCisnowincreasinglyusedintrafficlightssystem.
PLCalsohasacommunicationsnetworkingcapabilities,thesamesignalontheroadtoformaunifiedLANmanagement,andcanshortenthewaitingtimeforvehicletraffic,toachievescientificmanagement.Inreal-timedetectionandapplicationofautomaticcontrolsystemsPLC,PLCisoftenusedasacorecomponent.
Keywords:
PLC,trafficlights,controlsystems,configurationdesign
第一章绪论
1.1PLC及MCGS介绍
1.1.1PLC简单概述
（一）什么是PLC
可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）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。
（二）PLC的结构及各部分
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、编程器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：
（三）PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
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的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
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，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的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。
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。
1.1.2MCGS系统介绍
（一）什么是MCGS
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，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。
（二）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。
支持软件不仅编制PLC程序需要，监控PLC运行，特别是监视PLC所控制的系统的工作状况也需要。
所以，多数支持编程的软件，也具有监视PLC工作的功能。
此外，也有专用于监控PLC工作的软件，它多与PLC的监视终端连用。
1.2十字路口交通灯控制任务
信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。
当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。
到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。
在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。
到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。
东西红灯亮维持30秒。
南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。
同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。
1.3研究目的和意义
在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。
但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。
如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。
传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：
事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。
然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。
即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：
绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。
这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。
目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。
由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。
为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。
可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。
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日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。
1.4方案比较
1.4.1采用数字逻辑电路设计
工作原理:
选用十六进制计数器74161和3线-8线译码器74LS138。
经过译码后，输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。
其中黄灯信号必须满足间歇闪耀；在夜间时黄灯一直闪耀，而绿、红灯灭。
基本组成:
主要由控制器部分和数字显示部分,秒脉冲发生器等组成。
显示控制部分实际上是一个定时控制电路。
当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”停止。
译码显示可用74LS47驱动BCD码七段译码器，计数器采用可预制加、减计数器，如74LS168、74LS190、74LS193等数字电路的特点:
数字电路的信号是不连续变化的数字信号，所以在数字电路中工作的器件多数工作在开关状态，即工作在饱和区和截止区，而放大区只是过渡状态。
数字电路的主要研究对象是电路的输入和输出之间的逻辑关系，因而在数字电路中就不能采用模拟电路的分析方法，例如，微变等效电路法等就不适用了。
这里的主要分析工具是逻辑代数，表达电路的功能主要用真值表，逻辑表达式及波形图等。
其在任何时刻的输出，仅取决于电路此刻的输入状态，而与电路过去的状态无关，它们不具有记忆功能。
或者在任何时候的输出，不仅取决于电路此刻的输入状态，而且与电路过去的状态有关，它们具有记忆功能。
1.4.2PLC设计
采用计算机和FX2N-48M2系列PLC，在计算机上编译调试好交通灯控制程序，启动PLC写入程序，经过运行后，输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。
其中黄灯信号必须满足间歇闪耀；在夜间时黄灯一直闪耀，而绿、红灯灭。
可编程控制器交通灯控制系统的特点：
编程简单，维修方便；联机自动就地工作；上机控制的单周期运行方式；由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；自动启动、自动停机控制方式。
近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。
本系统采用PLC是基于以下四个原因：
①PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；
②编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；
③抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
④安装简单维修方便，PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需要将现场的各种设备与PLC相应的I/O端连接，系统便可投入运行。
第二章交通信号控制系统实况
2.1十字路口交通灯控制实际情况描述
2.1.1十字路口交通灯控制实验面板图：
实验面板图中，甲模拟东西向车辆行驶状况；乙模拟南北向车辆行驶状况。
东西南北四组红绿黄三色发光二极管模拟十字路口的交通灯
2.1.2控制任务要求
信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。
当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。
到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。
在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。
到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。
东西红灯亮维持30秒。
南北绿灯亮维持20秒，然后闪亮3秒后熄灭。
同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。
2.2结合十字路口交通灯的路况画出模拟图
2.3十字路口交通灯模拟控制时序图
交通指挥信号灯控制系统工作时，对指挥灯的控制要求按一定时序进行，如图6-18所示。
2.4交通灯控制流程图
根据交通灯的实际控制情况，可得出其流程图如下：
第三章可编程控制器程序设计
3.1可编程控制器I/O端口分配
根据对交通指挥信号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。
甲模拟东西向车辆行驶状况；乙模拟南北向车辆行驶状况由此可知，该系统所需的输入点数为1，输出点数为8，全部是开关量，则可将I//O分配用下表表示。
输入元件
输入地址
输出元件
输出地址
开启/停止按钮SB
0.00
南北绿灯Y0
10.00
南北黄灯Y1
10.01
南北红灯Y2
10.02
东西绿灯Y3
10.03
东西黄灯Y4
10.04
东西红灯Y5
10.05
甲Y6
10.06
乙Y7
10.07
交通指挥灯的I/O分配表
3.2PLC的外部接线图
3.2.1输入/输出接线列表
输入
接线
SD
X0
输出
接线
南北G
南北Y
南北R
东西G
东西Y
东西R
甲
乙
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y7
Y6
3.2.2PLC外部接线原理图
根据上述I/O表可知，I/O所需点数只有9点，故选用FX2N-48MR微型PLC即可。
则PLC外部输入输出的信号接线如图所示。
南北G
COM0
X0
乙灯
甲灯
东西R
东西Y
东西G
南北R
Y7
Y6
Y5
Y4
Y3
Y2
Y1
Y0
COM2@
COM1
南北Y
SB
PLC外部接线原理图
3.3程序梯形图及指令语句表
3.3.1梯形图程序
根据对交通信号灯的控制要求及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，其梯形图如图所示。
下面对所设计的梯形图作几点说明：
当启动开关SD合上时，X000触点接通，Y002得电，南北红灯亮；同时Y002的动合触点闭合，Y003线圈得电，东西绿灯亮。
1秒后，T12的动合触点闭合，Y007线圈得电，模拟东西向行驶车的灯亮。
维持到20秒，T6的动合触点接通，与该触点串联的T22动合触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使东西绿灯闪烁。
又过3秒，T7的动断触点断开，Y003线圈失电，东西绿灯灭；此时T7的动合触点闭合、T10的动断触点断开，Y004线圈得电，东西黄灯亮，Y007线圈失电，模拟东西向行驶车的灯灭。
再过2秒后，T5的动断触点断开，Y004线圈失电，东西黄灯灭；此时起动累计时间达25秒，T0的动断触点断开，Y002线圈失电，南北红灯灭，T0的动合触点闭合，Y005线圈得电，东西红灯亮，Y005的动合触点闭合，Y000线圈得电，南北绿灯亮。
1秒后，T13的动合触点闭合，Y006线圈得电，模拟南北向行驶车的灯亮。
又经过25秒，即起动累计时间为50秒时，T1动合触点闭合，与该触点串联的T22的触点每隔0.5秒导通0.5秒，从而使南北绿灯闪烁；闪烁3秒，T2动断触点断开，Y000线圈失电，南北绿灯灭；此时T2的动合触点闭合、T11的动断触点断开，Y001线圈得电，南北黄灯亮，Y006线圈失电，模拟南北向行驶车的灯灭。
维持2秒后，T3动断触点断开，Y001线圈失电，南北黄灯灭。
这时起动累计时间达5秒钟，T4的动断触点断开，T0复位，Y003线圈失电，即维持了30秒的东西红灯灭。
上述是一个工作过程，然后再周而复始地进行。
3.3.2梯形图所对应的语句表
步序
指令
器件号
说明
步序
指令
器件号
说明
0
LD
X000
启动
22
LD
T1
1
ANI
T4
23
OUT
T11
南北向车27秒
2
OUT
T0
南北红灯25秒
24
K270
3
K250
25
OUT
T2
南北绿灯闪烁
4
LD
T0
26
K30
5
OUT
T4
东西红灯30秒
27
LD
T2
6
K300
28
OUT
T3
南北黄灯2秒
7
LD
X000
29
K20
8
ANI
T0
30
LDI
T0
9
OUT
T6
东西绿灯20秒
31
AND
X000
10
K200
32
OUT
Y002
南北红灯工作
11
LD
T6
33
LD
T0
12
OUT
T10
东西向车22秒
34
OUT
Y005
东西红灯工作
13
K220
35
LD
Y002
14
OUT
T7
东西绿灯闪烁
36
ANI
T6
15
K30
37
LD
T6
16
LD
T7
38
ANI
T7
17
OUT
T5
东西黄灯2秒
39
AND
T22
18
K20
40
ORB
19
LD
T0
41
OUT
Y003
东西绿灯工作
20
OUT
T1
南北绿灯25秒
42
LD
Y002
21
K250
43
ANI
T6
步序
指令
器件号
说明
步序
指令
器件号
说明
44
LD
T6
64
LD
T1
45
ANI
T7
65
ANI
T2
46
ORB
66
ORB
47
OUT
T12
延时1秒
67
OUT
T13
延时1秒
48
K10
68
K10
49
LD
T12
69
LD
T13
50
ANI
T10
70
ANI
T11
51
OUT
Y007
东西向车行驶
71
OUT
Y006
南北向车行驶
52
LD
T7
72
LD
T2
53
ANI
T5
73
ANI
T3
54
OUT
Y004
东西黄灯工作
74
OUT
Y001
南北黄灯工作
55
LD
Y005
75
LD
X000
56
ANI
T1
76
ANI
T23
57
LD
T1
77
OUT
T22
产生1秒脉冲
58
ANI
T2
78
K5
59
AND
T22
79
LD
T22
60
ORB
80
OUT
T23
61
OUT
Y000
南北绿灯工作
81
K5
62
LD
Y005
82
END
程序结束
63
ANI
T1
第四章十字路口交通灯的组态控制过程
4.1工程的建立和变量定义
4.1.1工程的建立
（1）单击文件菜单中“新建工程”选项，自动生成新建工程，将默认的工程名改为：
“交通灯.MCG”。
（2）点击”保存”按钮,将文件保存,工程创建完成。
4.1.2变量的定义
首先对系统的各个变量进行定义。
各变量定义如下：
变量名
变量类
升级会员 