任东鹏基于PLC的组态软件交通灯控制系统模型设计.docx

1、任东鹏基于PLC的组态软件交通灯控制系统模型设计目 录摘 要 2一、绪 论 31.1 PLC及组态王介绍 31.2 十字路口交通灯控制任务 51.3 研究目的和意义 51.4 方案比较 6二、交通信号控制系统实况 72.1十字路口交通灯控制实际情况描述 72.2 结合十字路口交通灯的路况画出模拟图 72.3交通灯控制流程图 8三、 可编程控制器程序设计 93.1可编程控制器I/O端口分配 93.2 PLC的外部接线图 93.3程序梯形图及指令语句表 10四、十字路口交通灯的组态控制过程 104.1 工程的建立和变量定义 104.2画面建立 124.2.1工程画面建立 124.3 动画连接 15

2、4.4 脚本编辑 16 4.5 组态运行 17总 结 21参 考 文 献 22附图1.23基于PLC的交通灯控制系统组态模型设计与实现任东鹏09技师11摘 要 当今社会，红绿灯安装在各个道口上，已经成为了疏导交通车辆最为常见和最有效的手段。随着社会的发展和人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的交通状况已经很明显了。所以采用有效的方法来控制交通灯是势在必行的。PLC 的智能控制是控制系统的核心，采用PLC把东西方向或是南北方向的车辆按照数量规模进行分档，相应给定的东西方向或南北方向的绿灯时长也按照一定的规律分档. 这样就可以实现了按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的

3、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，从而提高交通控制系统的效率.PLC具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程的自动控制中。由于PLC具有着对使用环境适应性强的特性，同时其内部的定时器资源十分丰富，可对目前较为普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制也可方便地实现。因此现在越来越多地把PLC应用于交通灯系统中。PLC还具有通讯联网功能，可将同一条道路上的信号灯连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PLC应用系统中，PLC大都是作为一个核心部件来设计使用的。关键字：PLC、交通灯、

4、控制系统、组态设计一、绪 论1.1 PLC及组态王介绍1.1.1 PLC简单概述（一）什么是PLC可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易与个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们习惯地用PLC来作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器作为核心的数字运算操作电子系统装置，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/计数以及算术运算等操作指令，并通过数字式以及模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械生产过程。可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程可分为三个阶段，即输

5、入采样、用户程序执行和输出三个阶段。PLC是微机技术与传统继电接触控制技术互相结合的产物，它克服了继电接触控制系统之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和维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不涉及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作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程序的编制工作，就可方便地将PLC应用于生产实践。（2）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

6、同，但结构与工作原理大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展接口和外部设备接口等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根据用户按照控制要求编制好并存储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按顺序执行用户程序，直至程序结束。然后再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采样以及对输出状态的刷新等工作。PLC的扫描一个周期经过输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。PLC输入采样

7、阶段：首先以扫描方式按顺序将暂存在输入锁存器中的输入端子通断状态或输入数据读入，并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程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序来扫描执行每条指令，执行的结果写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中的所有的内容也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，输出状态寄存器通断状态在输出刷新阶段传送至输出锁存器中，并通过相应的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。1.1.2 组态王6.5系统介绍（一）什么是组态王组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件

8、平台而构成的集成系统以取代传统的封闭式系统。（二）组态王6.5特点及工作原理1.它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测和控制，而且在自动控制系统中完成了上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统的要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为操作者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示来控制设备的状态，具有报警窗口、

9、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序以及灵活的组态方式、数据链接功能。2.使用组态王控制系统实验仿真的基本方法步骤： (1)图形界面的设计 (2)构造数据库 (3)建立动画连接 (4)运行和调试3.组态王软件开发几个特点: (1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可以完成自动控制系统课程的实验,从而减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后中系统的特性曲线,能很直观地显示系统的实时趋势曲线,这些交互能力使

10、其在自动控制系统中发挥理想的效果。 4.采用组态王开发系统编写应用程序过程中要考虑到的三个方面: (1)图形,是用抽象的图形画面模拟实际的工业现场和相对的工控设备。 (2)数据,即创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量数据描述工控对象的各种属性。 (3)连接,就是画面上的图素以动画来模拟现场设备的运行,以及让操作者输入控制设备的指令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，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

11、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用来对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的人身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再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，运用统计的方法将红绿灯的

12、延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能会产生很大的差异。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根本无法建立准确模型的，统计的方法已无法适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能一种能够根据流量变化而自适应控制的交通灯。目前，大部分城市中十字路口中交通灯控制都是采用固定转换时间间隔控制方法。由于十字路口不同时间段的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，经常造成道路的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

13、学模型模糊控制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的控制系统集成了自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术等于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分利用了分散式控制系统及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。另外随着高科技技术在日常生活中的普遍应用，城市空中各种电磁干扰的日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择能够在恶劣的电磁干扰的环境下正常工作的PLC也是必要的。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3-8线译码器74LS13

14、8。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:由控制器部分和数字显示部分、秒脉冲发生器等组成。显示控制部分是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（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:数字电路的信号是种不连续变化的数字信号，所以在数字电路中运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

15、。数字电路主要的研究对象是电路的输入和输出间的逻辑关系，因此在数字电路中不能采用模拟电路分析方法，例如，微变等效电路法等就不再适用了。这里主要的分析工具是逻辑代数，表达电路的功能主要以真值表，逻辑表达式及波形图等。其在任何时刻的输出，取决于电路此刻的输入状态，而与电路中过去的状态无关，它们不具有记忆功能。1.4.2 PLC设计采用计算机和FX2N系列PLC，在计算机上编译调试交通灯控制程序，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的特点：编程简单，维修方便；联机自动就地工

16、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传送设定配方参数来实现自动控制；自动启动、自动停机控制方式。采用PLC基于以下四个原因：PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障使用时间在30万小时以上；编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都可以方便地用软件来实现；抗干扰能力强，目前各种电磁干扰状况日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了在恶劣的电磁干扰环境下依然能够正常工作的PLC； 安装简单维修方便，PLC不需要专门的机房，能够在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC中相应的I/O端连接，系统便可投入运行。二、交通信号控制系统实况2.1十字路口交通灯控

17、制实际情况描述2.1.1 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十字路口交通灯路况模拟图2.3十字路口交

18、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：十字路口交通灯控制流程图三、 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SBX0输出南北红南北绿南北黄东西绿东西黄东西红甲乙Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y6 3.2 PLC的外部接线图 Y2东西红东西黄东西绿南北黄南北绿南北红COM0X0乙灯甲灯Y7Y6

19、Y5Y4Y3Y1Y0COM2COM1SB3.3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以及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，其梯形图见附图1。 下面对所设计的梯形图作几点说明： 当启动开关SB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

20、；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

21、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。四、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：“组态王交通灯交通灯”。(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

22、义 首先对系统中的各个变量进行定义。各变量定义如下：变量名变量类型初始值注释Y0开关量0解放南北路绿灯信号Y1开关量0解放南北路黄灯信号Y2开关量0解放南北路红灯信号Y3开关量0团结东西路绿灯信号Y4开关量0团结东西路黄灯信号Y5开关量0团结东西路红灯信号Y6开关量0外部输入南北通车信号Y7开关量0外部输入东西通车信号MOVEX1数值型0东西向1号车位置信号MOVEX2数值型0东西向2号车位置信号MOVEX3数值型0东西向3号车位置信号MOVEX4数值型0东西向4号车位置信号MOVEY1数值型0南北向1号车位置信号MOVEY2数值型0南北向2号车位置信号MOVEY3数值型0南北向3号车位置信号

23、MOVEY4数值型0南北向4号车位置信号4.1.3 设备与变量连接(1)在工作台“设备窗口”中，双击“设备窗口”图标进入。 (2)点击工具条中的“工具箱”图示，打开“设备工具箱”。 (3)单击“设备工具箱”中“设备管理”按钮，弹出设备管理窗口。 (4)在可选设备列表中，双击“串口通讯父设备”。 (5)双击“串口通讯父设备”，在下方出现串口的通讯父设备图标。 (6)双击串口通讯父设备图标，将“串口通讯父设备”添加到右侧的选定设备列表中。 (7)单击确认并保存。 (8)在工作台“设备窗口”双击“设备窗口”图标进入。设备被添加到设备组态窗口中。 (9)再用同样的方法将设备列表中的“PLC设备”下的“

24、三菱Fx-232”加入到“设备0-串口通讯父设备”目录下。(10)双击“设备0-串口通讯父设备”，进入串口通讯父设备属性设置窗口。设置内部的属性完成后单击确认，完成内部属性设置。(11)双击“设备1三菱Fx-232”，进入三菱Fx-232设备属性设置窗口。设置内部属性完成之后单击确认，完成内部属性设置。4.2画面建立4.2.1工程画面建立(1)在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”、“窗口1”。(2)选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。 (3)将窗口名称改为：交通灯01；窗口标题改为：控制窗口；窗口位置选中“最大化显示”、“固定边”，窗口背景色选为浅蓝色，

25、其他不变，单击“确定”。 (4)选中“窗口1”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。 (5)将窗口名称改为：调试系统；窗口标题改为：调试系统。窗口位置选中“顶部工具条”，窗口边界选择“固定边”，单击“确认”。 (6)在“用户窗口”中，选中“窗口属性”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载窗口。4.2.2动画组态图制作(1)选中“控制窗口”的窗口标题，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。(2)单击工具条中的“工具箱”按钮，打开绘图工具箱。选择“工具箱”内的“矩形”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口中拖拽鼠标，拉出一个272*167

26、的矩形。再绘制出同样大小的矩形3个 分别置于画面的左上方,右上方,左下方,右下方。将鼠标置于矩形上单击鼠标右键，选择“转换成位图”选项，再次单击鼠标右键，选择“载入位图”，选择从网上下载的图片载入矩形框中。载入后如下图：(3)选择“工具箱”内的“矩形”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口中拖拽鼠标，拉出一个987*163的矩形。和一个186*641的矩形。调整两个矩形位置使矩形在图像中间的位置相交。点击其中水平方向矩形进入属性设置窗口，将“填充颜色”选为灰色，“边线颜色”选择“无边线颜色”。点击“工具箱”中的“直线”，在主画面64*321位置绘制出一条长200单位的直线，点击直线的“属性”，选

27、择“边线线型”选择了从下向上的第3个线型，再在“属性”中选择“边线颜色”，选择黄色。将画好的黄色粗线复制1份，置于距原有线的上部5个单位的位置处。在位置637*319处绘制同样属性两条黄色粗线，过程同上。(4)选择“工具箱”，点击“插入元件”，在“对象元件库”中选择“指示灯7”，共插入4个指示灯，分别置于四个街角处。在“工具箱”中点击“标签”，将“标签”调整好大小，设置“标签”属性，在属性中点击“填充颜色”，选择“填充效果”在“颜色”中选择“双色”，颜色选择“白色”，颜色2选择“蓝色”，“底纹效果”选择“横向”。在标签中输入“团结东灯”。用同样的方法将“解放南灯”，“团结西灯”，“解放北灯”输

28、入标签中，并调整属性。(5)选择“工具箱”内的“矩形”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口中拖拽鼠标，拉出一个83*58矩形。共绘制同样大小的矩形8个。将矩形转换成“位图”，将下载的汽车图片载入位图。(6)选择“工具箱”内的“矩形”按钮，绘制一983*607的矩形，点击矩形的“属性”，选择“填充颜色”，将填充颜色选为“浅蓝”。点击“编辑条”，选择“置于最后”。最后制作完成效果如下：4.2.3调试系统组态制作（1）在“工具箱”中点击“标签”，将“标签”调整好大小，设置“标签”属性，在属性中点击“填充颜色”，选择“填充效果”在“颜色”中选择“双色”，颜色选择“白色”，颜色2选择“橙色”，“底纹效果

29、”选择“横向”。在标签中输入“团结东西黄灯”。用同样的方法将“解放南北黄灯”，“解放北红灯”，“团结东西绿灯”，“团结东西红灯”，“解放南北绿灯”“南北行车”，“东西行车”输入标签中，并调整属性。（2）选择“工具箱”，点击“插入元件”，在“对象元件库”中选择“指示灯2”，共插入8个指示灯。（3）选择“工具箱”内的“矩形”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口中拖拽鼠标，拉出一个矩形，点击矩形的“属性”，选择“填充颜色”，选择“填充效果”在“颜色”中选择“双色”，颜色选择“白色”，颜色2选择“蓝色”，“底纹效果”选择“横向”。点击“编辑条”，选择“置于最后”。（4）点击“工具箱”，选择“标签”，调

30、整好合适的位置在标签栏中输入“调试系统”，将“字体”选为黑体，“字号”选为“小四”，颜色选“红色”。4.3 动画连接4.3.1交通灯的动画连接（1）交通指示灯的动画连接(1)双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”窗口。 (2)单击“动画连接”选项卡，进入该页。 (3)单击“组合图符”，出现“？”、“”按钮。 (4)单击“”按钮，弹出“动画组态属性设置”窗口。单击“属性设置”选项卡，进入该页，选中“填充颜色”选项卡。 在“填充颜色”表达式中输入“y0”，在“填充颜色连接”项中点击“分段点”将值改为0.5，在“对应颜色”中选择灰色，再点击“增加”，将“分段点”将值改为1.5，在“对应颜色”中选择绿色。单击“确定”按钮。(5) 依次对其他的指示灯进行同样设置。（2）小车的动画连接（1）双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”窗口。（2）单击“动画连接”选项卡，进入该页。（3）单击“属性设置”选项卡，进入该页，选中“垂直移动”栏，进入“垂直移动”栏，在表达式中输入“MOVEX1”，在“最大移动偏移量”栏中输入“1500”，在“表达式的值”中输入“1500”。点击“确定”，一保存属性。（4）用同样的步骤对“MOVXE2”“MOVEY4”进行设定。4.3.2调试系统的动画连接(1)双击启动指示灯，弹出“单元属性设置”窗口。 (2)单击“动画连接”选项卡，进入该页。 (3)单击“组合图符”，出现“