基于PLCMCGS的交通灯控制仿真系统设计.docx

1、基于PLCMCGS的交通灯控制仿真系统设计-学校LOGO-毕业论文(设计) 题 目 基于PLC_MCGS的交通灯控制仿真系统设计 学生姓名 XXXXX 学 号 XXXXXXXX 学 院 XXXXXXXXX 专 业 电气工程与自动化 指导教师 XXXXX二一三 年 五 月 二十 日基于PLC_MCGS的交通灯控制仿真系统设计孙飞南京信息工程大学滨江学院,南京，210044摘要：本文设计了一种以MCGS组态软件作为模拟仿真平台，同时与PLC可编程控制器相结合，设计了城市十字路口交通信号灯的模拟运行系统。PLC控制的交通信号灯优于单片机和传统继电器控制的交通信号灯,PLC梯形图编写方便简单，可以根据

2、十字路口汽车的真实通行情况进行PLC程序的编写。本文同时通过上位机MCGS组态软件模拟仿真红绿灯的预运行效果，进一步提高了红绿灯的真实操作性。该系统方案安全可靠，可用于十字路口交通信号灯的监控。关键词：PLC；MCGS；控制系统；交通信号灯第一章 PLC研究状1。1 基于PLC_MCGS的交通灯控制研究的背景交通信号灯是安置在各个交叉路口的用于提醒车辆有效行驶的一种自动设备，设计它的目的主要是为了维护交通秩序，让行人车辆安全行驶。随着小汽车的普及目，交通事故的不断发生，设置一个准确、有效、方便的信号交通灯的尤为重大。由于国内汽车产业起步比较晚，交通信号灯设计方面的专业知识薄弱，遇到一些基本的交

3、通事故，信号灯不能很好地做出相应的调整,近年来随着自动化技术的迅速发展，交通信号灯会朝着即快又准又经济的方向发展。1。2 PLC_MCGS交通灯特点基于PLC_MCGS的交通灯控制仿真系统设计目前应用于研究如何更好的协调好十字路口的交通运行.以往的交通信号灯大都采用继电器或是单片机来实现，存在着功能少,可靠性差,维护量大等缺点。而可编程逻辑控制器（PLC)具有以下鲜明的特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强（2)编程简单，使用方便（3采用模块化结构，组合灵活、使用方便（4）功能完善、通用性强（5）设计安装简单、维护方便（6）体积小、重量轻、低耗能。 所以本文设计了一种用PLC控制的城市十字路口交通

4、灯控制系统。第二章 PLC知识简介以及红绿灯控制2。1 PLC简介可编程控制器(Programmable Logic Controller, PLC）是随着科学技术的发展与生产方式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要,而生产、发展起来的一种新型工业控制装置。曾经有人将PLC技术与数控机床(CNC)技术、工业机器人技术、CAD/CAM技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱.2.1.1 PLC定义可编程控制器的标准及其定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令

5、，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或者生产过程。可编程控制器及其相关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。2.1.2 PLC的由来为解决继电-接触器控制系统存在的问题，人们开始考虑用计算机来替代继电接触器控制系统.20世纪60年代末，人们最终制定了十项要求，可利用简单语言编程,这十项要求具体如下：(1)编程方便,且可以在现场方便地编辑、修改控制程序；(2)价格便宜,性价比要高于继电器系统;（3)体积要明显小于继电器控制系统；(4）可靠性要明显高于继电器控制系统；(5）具有数据通信功能;(6)输入为AC 115V；（7)输出驱动能力在AC 11

6、5V/2A以上；（8）硬件维护方便，最好采用插接式结构；（9）只需要对原系统进行很小的改动便能进行扩展;(10）存储器容量至少可以扩展到4KB.在PLC的发展过程中,PLC则以其优良的性价比，称为当代工业自动控制技术的重要支柱产业之一6。2.2 PLC功能 2.2.1 基本功能逻辑控制功能是PLC的基本功能。从本质上说，这是一种以计算机二进制位运算为基础,按照程序的要求，通过对开关量信号（如按钮、行程开关、接触器触点等）的逻辑运算处理，控制执行元器件（如指示灯、电磁阀接触器线圈等）通/断的功能。目前已成为PLC的基本功能之一是：顺序控制所需要的定时、计数功能；另外,PLC常用的基本功能还有逻辑

7、控制、代码转换、数据比较与处理等5.2。2。2 特殊控制功能特殊控制功能是指除基本逻辑功能处理以外的其他功能，包括模/数(A/D）转换、数/模(D/A）转换、温度/流量/压力的调节与控制、速度/位置的控制等,这些特殊控制功能一般需要通过PLC的特殊功能模块来实现。A/D转换与D/A转换多用于过程控制与闭环调节系统.通过特殊功能模块与功能指令,PLC可以对过程控制中的温度、压力、流量、速度、位移、电压、电流灯连续变化的物理量进行数字化处理，并通过相应的运算(如PID)实现闭环自动调节.2.2.3 网络与通信功能早期的PLC通信很有局限性,它只能与一些简单的外部设备进行通行。而现代的PLC不仅可以

8、与简单的外部设备进行通信,PLC之间也可以进行通信，除此之外PLC还可以与上位机、工业控制设备，工业网络等进行通信。用PLC将数据总线与现场总线项连接，提高了工厂的自动化系统控制能力。PLC功能图如下图2。1所示。图2.1 PLC的功能图2。3控制系统要求红绿灯在十字路口的运行效果如下面的梯形图2。3.2所示.南北方向红灯亮时，东西方向直行绿灯亮30秒后闪三秒后黄灯亮2秒，东西方向左转绿灯亮20秒，20秒过后绿灯闪三秒熄灭，此时黄灯亮2秒，跳转变成东西方向直行和左转红灯亮，南北直行绿灯亮30秒后闪3秒熄灭，黄灯亮2秒,跳转变成南北左转绿灯亮20秒后闪3秒熄灭，黄灯亮2秒,继续跳转，重复运转小灯

9、：图2。3.2 系统红绿灯运行流程第三章 PLC控制系统设计3。1 PLC的发展PLC的发展经历了早期，中期和近期三个过程。早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。进入20世纪80年代中后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展使得各类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高.目前PLC正朝着两个完全不同的方向发展。一个方向使向大型化、复杂化高、功能化、分散型、多层分布式工厂自动网络化方向发展.PLC发展的另一个方向是简易型和超小型.这种类型的PLC多以单机型的形式出现,较多的用于实现机电一体化。由于成本低,操作使用简单,目前的市场还在不断地扩大。3。2 FX2N系列可编程控制器的结构和组成本文所

10、使用的就是简易型，超小型PLC.PLC设计原理来源于常规的继电器、开关控制电路，它的产生实现了工业电气控制，虽然PLC的控制欲计算机有着紧密的联系,但是仍可以把PLC看作由继电器和开关控制电路组成的一个复杂控制装置。FX2N系列PLC基本单元的外形，PLC与外部控制电路联系主要是通过输入端子和输出端子来实现的,与输入端子连接的是输入设备，如开关、按钮等；与输出端子连接的是输出设备，如信号灯、电动机、报警器等.一般的的电气都是通过导线连接来实现预期达到的功能,而PLC是通过程序将输入输出元件连接在一起的，所以不会出现应为线路问题而使电气设备不能正常工作等问题。普通电气元件接好后，如果要实现乞讨的

11、功能，还需要将接线拆开重新连接，这样既浪费劳动力，又浪费金钱，二运用PLC可编程控制器时,只需将PLC中的程序进行修改,既简单又方便。三菱FX_2N系列PLC可编程控制器右端有四个指示灯，从上向下分别为电源指示灯、运行指示灯、电池指示灯、出错指示灯。FX2N系列PLC是一种小型机，一般小型机多采用整体式，当输入输出不共用时可以通过扩展端口增加输入输出的扩展模块,通过扩展端口还可以连接各种特殊模块。本文所使用的就是简易型、超小型PLC。由于该系统只需要2个输入端12个输出端，针对交通灯控制系统要求，本文选择三菱FX2N型号的PLC.可以满足本控制系统2个输入,12个输出的要求,本系统的I/O点数

12、分配和各点代表的意义如图3。1所示表3.1 PLC的I/O分配输入输出（功能）X0(启动)Y0（南北直行红灯亮)X1（停止）Y1(南北直行黄灯亮）Y2（南北直行绿灯亮)Y3（南北左转红灯亮）Y4（南北左转黄灯亮）Y5（南北左转绿灯亮)Y6（东西直行红灯亮)Y7(东西直行黄灯亮)Y10（东西直行绿灯亮）Y11(东西左转红灯亮）Y12（东西左转黄灯亮）Y13(东西左转绿灯亮）本文硬件连接图如图3.2所示,一共有2个输入端,12个输出端，分别控制着输入和输出接口。 图3。2系统硬件接线原理图3。3 FX2N编程软件的使用3.3.1 红绿灯梯形图编写FX2N编程软件可以有三种编辑窗口：梯形图编辑窗口、

13、指令表编辑窗口和SFC编辑窗口。由于梯形图比较直观，所以一般使用梯形图编辑窗口进行编程。该编程软件使用比较简单。编程软件对计算机系统配置要求比较低，一般计算机都能安装,安装过程也比较方便.本文以梯形图为例，讨论实现该控制的编程方法.3.3.2 计数指令实现图3.3。1。1所示为梯形图程序中的计数指令。该程序采用计数器实现红绿灯的时间控制，PLC所提供的内部继电器，用于实现该任务中的时间控制,并且对黄绿灯闪烁次数进行计数。该程序同国内部继电器计时,简单易懂，便于操作8。图3。3。2计数指令控制梯形图3.3。3 定时指令实现定时器相当于通电延时型时间继电器，在梯形图中起到时间控制作用。定时器按时钟

14、脉冲分为1ms、10ms、100ms三档,当所计时间到达设定值时，输出触点动作。如图3。3。3所示，当梯形图运作时,当时间分别到达所设定的值时，继电器分别动作于梯形图中与之相对应的常开常闭开关，从而达到红绿灯所要控制的需求8.图3。3。3定时指令控制梯形图3.4 FX2N编程软件的基本操作首先打开编程软件，在编程软件的工程菜单中创建一个工程，以便于将所写的梯形图程序保存到工程里面.然后按照软件里面给的功能图图形符号进行梯形图的编写，当程序编写结束时点击工具栏中的变换按钮将梯形图中的程序由写入模式变成只读模式。梯形图变换之后点击保存，将所绘的梯形图保存到所建的工程里面。这样所建的工程里面就有控制

15、红绿灯的梯形图.点击建好的工程,打开编写好的梯形图,点击菜单栏中的工具菜单中的程序检测菜单,检测程是否有问题,如果程序有问题，继续点击菜单栏中编辑菜单里面的程序写入菜单对程序进行修改；如果梯形图的检测是正确的,那么点击菜单栏中的调试菜单,梯形图运行的效果如图3.4所示1图3。4梯形图运行3.5 编写梯形图的基本原则梯形图都是从左母线开始，右母线结束，但是通常情况下右母线可以省掉。每条线的左边都有很多接点，来达到所需要的控制效果,而PLC表示输出结果的内部继电器都连接到左母线上。线圈右边不能出现接点。绘制梯形图时应按照从左到右，从上到下的原则绘图，单独画出所有去路。串联并联块,梯形图左方应放接点

16、多的去路，并联串联块，梯形图上方应放接点多的并联去路,这样使程序简洁易懂，也减少了指令的扫描周期。3.6梯形图的基本工作原理本梯形图中特殊继电器的功能如下所示：T0 控制南北直行绿灯亮时间 延时30秒动作T1 控制南北直行绿灯闪烁时间 延时3秒动作T2 控制南北直行黄灯亮时间 延时2秒动作T3 控制南北左转绿灯亮时间 延时20秒动作T4 控制南北左转绿灯闪烁时间 延时3秒动作T5 控制南北左转黄灯亮时间 延时2秒动作T6 控制东西直行绿灯亮时间 延时30秒动作T7 控制东西直行绿灯闪烁时间 延时3秒动作T8 控制东西直行黄灯亮时间 延时2秒动作T9 控制东西左转绿灯亮时间 延时20秒动作T10

17、 控制东西左转绿灯闪烁时间 延时3秒动作T11控制东西左转黄灯亮时间 延时2秒动作本文介绍的小车南北方向的运行状态可分为七个阶段：（1）南北直行绿灯亮30秒，南北左转红灯亮30秒，东西直行和左转红灯亮30秒（2）南北直行绿灯闪烁3秒，左转红灯亮3秒,东西直行和左转红灯亮3秒（3）南北直行黄灯亮2秒，左转红灯亮2秒,东西直行和左转红灯亮2秒（4）南北左转绿灯亮20秒，南北直行红灯亮20秒,东西直行和左转红灯亮20秒（5）南北左转绿灯闪3秒，南北直行红灯亮3秒，东西直行和左转红灯亮20秒（6）南北左转黄灯亮2秒，南北直行红灯亮2秒，东西直行和左转红灯亮2秒（7）南北直行和左转的红灯都亮,东西方向小

18、车运行七个阶段梯形图工作原理2：梯形图进入工作状态,M0导通运行.阶段一：M0导通,由于T0是常闭接点，所以南北直绿亮，延时30秒。因为M0导通，T2接点是常闭接点，所以南北左红亮，同时由于M0导通接点，T5是常闭接点，所以东西直红导通亮，T8也是常闭接点，所以东西左红也导通。阶段二:30秒过后,时间继电器T0动作，T0的常开常闭接点各自动作.南北之旅通过M8013由亮变为闪亮，延时3秒，南北左转红灯和东西直行左转红灯继续亮.阶段三：3秒过后，T1继电器动作，T1的常闭接点变成常开接点,南北直绿熄灭。由于T1的常开接点变成常闭接点,则南北直黄导通亮，延时2秒，南北左转红灯和东西直行左转红灯继续

19、亮。阶段四：2秒过后,时间继电器T2动作，则T2继电器对应的常开常闭接点各自取反。T3是常闭接点,所以南北左绿亮，延时20秒，由于T2接点由常开变成常闭，同时T11是常闭接点,所以南北直红亮，东西直行左转，红灯继续亮。阶段五:20秒过后，时间继电器T3动作,继电器T3对应的接点各自取反，则南北左绿通过M8013由亮变成闪亮，延时3秒，南北直红、东西直红、东西左红继续亮。阶段六:3秒过后，时间继电器T4动作,T4对应的接点各自取反，则南北左绿熄灭，由于接点T5是常闭接点，所以南北左黄亮，延时2秒，同时南北直红、东西直红、东西左红继续亮。阶段七：南北左红、南北直红亮，东西方向的小车运行.东西方向的

20、小车运行过程和南北一样.下面所示的图为红绿灯与PLC以及电脑相连后红绿灯的闪亮效果图。其中最上面红黄绿三个灯控制南北左转；最左边红黄绿三个灯控制南北直行;中间的红黄绿三个灯控制东西直行；最右边的红黄绿三个灯控制东西左转。下图分别为红绿灯工作图。如图3。6。1所示，为东西直行时绿灯亮图。图3.6。1东西直行绿灯亮图3.6。2所示，为东西直行之后黄灯亮两秒的瞬间图。图3。6。2东西直行黄灯亮图图3。6.3所示，为东西左转绿灯亮图。图3.6。3东西左转绿灯亮图图3.6.4所示，为东西左转绿灯熄灭后黄灯亮图。图3.6。4 东西左转黄灯亮图如图3.6.5所示,为南北直行绿灯亮图。图3.6.5 南北直行绿

21、灯亮图如图3.6.6所示，为南北直行绿灯熄灭后，黄灯亮两秒的瞬间图。图3.6.6 南北直行黄灯亮图如图3.6。7所示,为南北左转绿灯亮图。图3.6。7南北左转绿灯亮图如图3。6.8所示，为南北左转绿灯熄灭后,黄灯亮两秒的瞬间图。图3。6。8 南北左转黄灯亮图第四章 MCGS组态软件4。1 MCGS组态软件MCGS是一套基于windows平台的、用于快速构成和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于 Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系统.4.2 MCGS软件的功能和特点MCGS嵌入式由组态环境、模拟运行环境和运行环境三部分组成8。组态环境和模拟运行环境构成了一

22、套一套完整的工具软件，与相应的PLC相接或者写入自己的语言可以运行.用户可根据自己的实际需要来进行MCGS组态软件的仿真。MCGS组态软件建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。MCGS的主要特点和基本功能如下:1)简单灵活地可视化操作界面2)实时性强、良好地并行处理性能3)丰富、生动的多媒体画面4)开放式结构,广泛地数据获取和强大的数据处理功能5)完善的安全机制6)强大的网络功能7)多样化的报警功能8)实时数据库为用户分步组态提供极大方便9)支持多种硬件设备，实现设备无关10)控制方便复杂的运行流程11)良好地可维护性和扩充性12)用数据库来管理数据存储，

23、系统可靠性高13)设立对象元件库，组态工作简单方便14)实现对工控系统的分步控制和管理4.3 MCGS嵌入版系统的构成和组成部分的功能综上所述，一个应用系统由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分组成.组态工作开始时，系统只为用户提供了丰富的动画部件与功能部件。MCGS嵌入式组态软件五个窗口的功能如下图4.3所示:图4。3 MCGS组态软件功能图4。4 MCGS用户窗口绘制要求本文模拟系统监控界面由斑马线、十字路口、四个方向指示交通灯、四辆卡车，起动和停止按钮组成。每个路口分别由三个交通指示灯组成，四个路口一共有36个交通指示灯，36个交通指示灯分别控制着十字路口的来回车辆

24、。如图4。4所示图4。4 模拟动画图4.5变量设计进行MCGS组态软件独立仿真时，需进行实时数据库窗口中变量值的设定。本文红绿灯系统中徐设定24个变量，变量设定以及相关类型如下：（1)启动按钮X0 开关型 启动系统（2）停止按钮X1 开关型 停止系统(3）南北直红Y0 开关型(4）南北直黄Y1 开关型（5）南北直绿Y2 开关型（6）南北左红Y3 开关型（7）南北左黄Y4 开关型（8）南北左绿Y5 开关型（9）东西直红Y6 开关型（10）东西直黄Y7 开关型（11）东西直绿Y10 开关型(12）东西左红Y11 开关型(13)东西左黄Y12 开关型（14）东西左绿Y13 开关型（15）东西时间 数

25、值型(16）东西移动 数值型（17）东西左移动 数值型(18）南北时间 数值型(19）南北移动 数值型（20)南北左移 数值型(21)向右转 开关型（22）SS 数值型（23）东西左转移动之南北 数值型(24)南北左转移动之南北 数值型然后进行数据变量设值.进入实时数据库窗口，增加22个变量，打开“数据对象属性设置”对话框，分别把其中15个变量名称设为X0，X1,Y0,Y1，Y2，Y3，Y4,Y5，Y6，Y7，Y10，Y11，Y12、Y13、向右转变量类型为开关型。把剩下的变量名称改为东西时间、东西移动、东西左移、南北时间、南北移动、南北左移、SS、东西左转移动直南北、南北左转移动直南北对象类

26、型都设置为数值型。然后将控制系统中的红、绿、黄交通灯和小车的用户窗口构建参数一次对应设计。4.5.1车的动画脚本程序监控画面中十字路口小车的运动时间要与十字路口绿灯时间一致，编制脚本程序，程序总的数值反应出来的是其移动的距离，脚本程序如下3：IF 开=1 AND 关=0 THEN右转=1ss=ss+1IF 东西直绿=1 THEN东西移动=东西移动+1南北左转移动之南北=0东西左转移动之南北=0ENDIFIF 南北直绿=1 THEN南北移动=南北移动+1东西左转移动=0南北左转移动=0ENDIFIF 东西左绿=1 THEN东西移动=0IF 东西左转移动6 THEN 东西左转移动=东西左转移动+1

27、ENDIFIF 东西左转移动=6 THEN 南北左转移动=南北左转移动+1ENDIFENDIFIF 南北左绿=1 THEN南北移动=0IF 南北左转移动之南北5 THEN 南北左转移动之南北=南北左转移动之南北+1ENDIFIF 南北左转移动之南北=5 THEN 东西左转移动之南北=东西左转移动之南北+1ENDIFENDIF4.6 MCGS组态软件模拟运行点击MCGS嵌入版组态环境软件菜单栏中的下载工程并运行环境菜单，此时桌面会弹出下载配置窗口，首先点击通讯测试进行通讯检测,通讯检测无误后点击工程下载菜单下载工程，工程下载完毕后点击启动工程菜单,此时MCGS模拟运行环境窗口弹出，点击启动按钮,

28、红绿灯可以正常运行，小车可以按照预先设定的移动要求进行移动，如图 4.6所示为小车南北直行时红灯的工作状态4：图4.6所示小车南北直行红绿灯运行图图4。7为小车由南北直行变成南北左转前黄灯工作两秒图:图4。7小车南北左转前黄灯亮图4.8为小车南北方向左转绿灯亮时小车的通行图:图4。8小车南北左转通行红绿灯图图4。9为小车由南北左转变成红灯前黄灯亮图:图4.9为小车由南北左转变成红灯前黄灯亮图4。10为小车东西方向的直行时红绿灯工作图:图4.10为小车东西方向的直行图图4。11为小车由东西直行变成东西左转前黄灯亮图:图4.11为小车由东西直行变成东西左转前黄灯亮图4.12为小车东西左转运行时交通

29、信号灯的工作图：图4.12所示小车东西左转红绿灯图图4。13为小车由东西左转变成红灯之前黄灯亮图：图4。13为小车东西左转变成红灯前黄灯亮第五章 系统整体运行5.1系统数据调节在组态工作台中，点击“设备窗口”选项，出现设备窗口图标，双击设备窗口图标进入设备窗口页面，点击菜单栏中的工具箱，此时页面中弹出设备工具箱通用串口父设备和三菱FX系列串口，分别双击通用串口父设备和三菱FX系列串口，将通用串口父设备和三菱FX系列串口连接到设备窗口，如图5。1.1所示图5。1。1 设备窗口连接图返回设备组态窗口，双击设备0三菱FX系列串口,此时页面弹出设备编辑窗口，窗口中含有增加设备通道，删除设备通道，删除全

30、部通道，通道处理粘贴，启动设备调试等按钮，通过对这些菜单的设定来完成交通灯实现的功能.如图5。1.2所示图5.2。1 交通灯功能设定回到界面，点击主控窗口，并且单击右面的系统属性按钮，弹出主控窗口属性设置菜单，点击内存属性按钮,在用户窗口列表中选择交通信号灯，按增加按钮，如图，则交通信号灯移入装入内存窗口,按确认键。单击主菜单进入运行环境按钮，进行适时监控。如图5.1.3所示图5.1.3 内存移入图上位机PC通过MCGS组态软件采集下位机PLC的信号，用来显示十字路口交通灯的实时信号，将PLC与MCGS软件通讯,设置通讯参数通讯波特率、数据位位数、停止位位数、奇偶校验位分别为9600、7、1和偶校验.5。2系统整体运行的PLC-MCGS虚拟控制如图5.2所示，下图是MCGS嵌入式组态软件与PLC连接图6：图5。2整体运行的PLC-MCGS虚拟控制框第六章 论文概述6结语本文首先介绍了用PLC_MCGS控制交通信号灯与单片机以及普通继电器控制交通信号灯相比有哪些优点。然后分别对PLC可编程控制器以及组态软件MCGS进行系统的介绍。首先介绍了PLC的定义以及PLC可编程控制器产生的背景，然后介绍了PLC的基本功能和特殊控制功能。第三章介绍了三菱FX_2N系列可编程控制器的机构和组成，以及FX_2N系列可编程控制器的使用方法,同时也介绍了三菱