基于PLC的交通灯组态画面设计Word格式.docx
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摘要
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以方便地实现。
因此本设计以欧姆龙CP1H系列PLC为控制核心，根据预定的控制规律准备设计了一套简单实用的城市交通灯控制系统的PLC控制方案，包括直行、左转、右转红绿灯的控制。
并用上位机组态软件实现交通灯的实时监控，监控画面包括交通灯信号的实时显示以及倒计时显示。
关键词：
PLC，交通灯，控制系统，组态设计
ABSTRACT
Socialdevelopment,people'
sconsumptionlevelscontinuetoincrease,privatevehiclesisincreasing.Ofpeople,carsandmoreroadshavelesstrafficstatusisobvious.Therefore,theadoptionofeffectivemethodstocontroltrafficlightsisimperative.
PLCstructureissimple,easyprogramming,highreliability,hasbeenwidelyusedforindustrialprocessandlocationoftheautomaticcontrol.TheuseofthePLChasthecharacteristicsofenvironmentaladaptability,whileitsinternaltimerresourcesareveryrich,thecurrentwidespreaduseofthe"
progressive"
signalforprecisecontrol,particularlycontrolofmulti-forkcanbeeasilyachieved.Therefore,thePLCisnowincreasinglyusedintrafficlightssystem.PLCalsohasacommunicationsnetworkingcapabilities,thesamesignalontheroadtoformaunifiedLANmanagement,andcanshortenthewaitingtimeforvehicletraffic,toachievescientificmanagement.Therefore
thedesignofthe
OMRONCP1Hseries
PLCascontrolcore,
todesignasetof
simpleandpractical
city
trafficlightcontrolsystem
PLCcontrolscheme
basedonthe
controlof
scheduledrules,
includingthecontrolofstraight,
turnleft,
turnright
thetrafficlights.
Realtimemonitoring
and
PCconfigurationsoftware
implementationoftrafficlights,
including
realtimemonitoringpicture
display
trafficsignallights
thecountdowndisplay.
Keywords:
PLC,trafficlights,controlsystems,configurationdesign
第一章绪论
1.1选题的背景与意义
交通信号灯已有100多年的历史了。
过去的信号灯是由人工控制的，现在发展到自动控制，并由各个路口的各自为班发展到一条线或一个区域的联动，这样，车辆经过的路口都可能会一路绿灯，大大提高了道路的交通效率。
交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色，又叫红绿灯。
红灯表示停止或禁止通行，绿灯表示通行，黄灯表示马上要出现红灯。
车辆不能越过停车线，如果车辆已十分接近停车线而不能安全停车时，可以进入交叉路口。
随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，城市交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
交通问题不仅在发展中国家，就在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。
众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。
但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。
因此，不可能通过无限制地修建道路难满足日益增长的交通需求。
与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。
事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
1.2城市交通灯的现况
在大、中城市，十字道口的红绿灯是交通法规的无声命令，是司机和行人的行为准则。
十字道口的交通红绿灯控制是保证交通安全和道路畅通的关键。
当前，国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯，它具有固定的“红灯—绿灯”转换间隔，并自动切换。
它们一般由“通行与禁止时间控制显示、红黄绿三色信号灯和方向指示灯”三部分组成。
在交通灯的通行与禁止时间控制显示中，通常要么东西、南北两方向各50秒；
要么根据交通规律，东西方向60秒，南北方向40秒，时间控制都是固定的。
交通灯的时间控制显示，以固定时间值预先“固化”在单片机中，每次只是以一定周期交替变化。
但是，实际上不同时刻的车辆流通状况是十分复杂的，是高度非线性的、随机的，还经常受认为因素的影响。
采用定时控制经常造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压。
其最大的缺陷就在于当路况发生变化时，不能满足司机与路人的实际需要，轻者造成时间上的浪费，重者直接导致交通堵塞。
1.3本论文的主要工作
1.系统硬件设计
认识了解欧姆龙PLC，并绘制出系统的组成框图。
2.系统程序设计
选择CX-Programmer作为编程软件，根据交通灯的工作原理，绘制出流程图，编写梯形图，并做I/0分配。
3.组态画面的设计
使用组态王6.53，根据梯形图，设计组态画面，并定义外部设备和数据变量，进行动态连接，最后美观静态画面。
4.系统调试
调试动态画面，使组态画面正常运行。
第二章系统硬件设计
2.1系统的组成框图
控制系统结构图如图2-1所示。
图2-1交通灯控制系统
本系统主要是由欧姆龙PLC、组态王软件构成的，用组态王设置好静态画面，并与欧姆龙PLC链接编译成功，通过组态软件的“启动”、“停止”按钮来控制交通灯的运转与停止，并且交通灯的亮灭情况反映在组态软件上。
2.2硬件选择
本系统使用的可编程控制器欧姆龙CP1H是用于实现高速处理和高功能的程序一体化型PLC，以及若干发光二极管、电阻，导线。
目前，CP1H是日本欧姆龙新推出的整体式小型机，是一款性价比高、功能完备的通用控制器。
其特点是结构紧凑，集成了开关量控制、模拟量控制、高速计数、4轴高速脉冲输出、串行通信等功能于一身，CP1H指令丰富，采用任务编程方式，并支持功能块编程方法使编程更加清楚、简便。
CP1H取消了手持编程器配置，没有通常的外设接口，取而代之的是USB端口。
2.3可编程控制器简介
2.3.1PLC的基本概念
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高、成为现代工业控制的三大支柱（机器人技术、CAD/CAM技术和PC技术）之一。
PLC装置已成为自动化系统的基本装置。
2.3.2PLC的基本结构
可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
1.电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
2.中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
3.存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
4.输入输出接口电路
（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
5.功能模块
如：
计数、定位等功能模块。
6.通信模块
2.3.3PLC的功能特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点：
1.使用方便，编程简单
2.功能强，性能价格比高
3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
4.可靠性高，抗干扰能力强
2.3.4PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图2-2所示。
图2-2PLC循环扫描工作方式
这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。
在通信操作服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停（STOP）状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。
在PLC处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
1.输入处理
输入处理也叫输入采样。
在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。
在此输入映像寄存器被刷新接着进入程序执行阶段。
在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。
2.程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。
3.程序处理
程序执行完以后，将输出映像寄存器，即器件映像寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
2.3.5PLC的I/O响应时间
1.响应时间是设计PLC控制系统时应了解的一个重要参数
（1）输入电路滤波时间，它由RC滤波电路和时间常数决定。
改变时间常数可可调整输入延迟时间；
（2）输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关；
（3）PLC循环扫描的工作方式；
（4）PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式；
（5）用户程序中语句的安排。
2.短响应时间
如果在一个扫描周期刚刚结束之前收到一个输入信号，在下一个扫描周期进入输入采样阶段，这个输入信号就被采样，使输入更新，这时响应时间最短。
最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间
3.长响应时间
如果收到的一个输入信号经输入延迟后，刚好错过I/O刷新时间，在该扫描周期内这个输入信号无效，要到下一个扫描周期输入采样阶段才被读入，使输入更新，这时响应时间最长。
最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间
以上是一般的PLC的工作原理，但在现代出现的比较先进的PLC中，输入映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了PLC的执行效率。
在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编写出质量好、效率高的工艺程序。
第三章系统程序设计
3.1软件选择
本系统的设计使用了CX-Programmer软件，此软件适用于C、CV、CS1等系列PLC。
它可完成用户程序的建立、编辑、检查、调试及监控，同时还具有完善的维护等功能，使得程序的开发机系统的维护更为简单、快捷，同时，使用Windows环境下的各种工具可同时在不同程序之间剪切或粘贴程序语句或其他数据。
易于使用的windows工具将毫不费力地开始设计和开发工作。
此软件可用梯形图、指令表、顺序功能图等来创建PLC的程序，并可将程序储存为文件，用打印机打印出来。
同时，CX-Programmer可给编程元件、程序块建立注释，方便用户对程序的理解，还可设置寄存器数据。
通过串行接口，用户可将编好的程序与PLC进行通讯、文件传送，实现监控功能，从而进行各种测试调试工作。
3.2交通灯的控制过程
信号灯受开始及停止按钮的控制，当按下开始按钮后，信号灯系统开始工作，模拟现实交通灯的运转规律，不同颜色的信号灯按照一定的控制要求进行亮灭转换，并周而复始地循环工作。
当按下停止按钮时，系统将停止在初始状态，所有信号灯都熄灭。
控制要求：
启动按钮I0.02，接通时，南北直行绿灯亮10秒，黄灯亮2秒，红灯亮；
南北左行绿灯亮10秒，黄灯亮2秒，红灯亮；
东西直行灯亮10秒，黄灯亮2秒，红灯亮，；
东西左行灯亮10秒，黄灯亮2秒，红灯亮。
周而复始。
信号灯的工作示意图如图3-1所示，在东西南北方向均安装信号灯，分为红，黄，绿三种颜色。
图3-1交通灯的控制规律
3.3输入点和输出点的I/O分配
根据本设计的控制要求，本设计使用了2个输入点和14个输出点，具体输入、输出分配如表3-1所示。
表3-1输入输出分配表
输入/输出点分配
输入信号
输出信号
名称
输入点编号
输出点编号
启动按钮
I0.02
南北左红
100.05
停止按钮
I0.03
东西直绿
100.06
东西直黄
100.07
输出信号
东西直红
101.00
东西左绿
101.01
南北直绿
100.00
东西左黄
101.02
南北直黄
100.01
东西左红
101.03
南北直红
100.02
南北右绿
101.06
南北左绿
100.03
东西右绿
101.07
南北左黄
100.04
3.4梯形图的解释说明
系统的启动和停止按钮分别为I0.02，I0.03，当启动按钮接通后，P_First_Cycle第一次循环标志来接通W10.00，根据交通灯要求，按照流程图编写，进入下一步，系统正常运行。
如图3-2所示。
图3-2停止启动梯形图
这是交通灯复位置位功能，当W0.02，TOOO1开通时，SETW1.01置位1，南北直行红灯亮，RSETW1.02复位0，南北左行红灯灭。
于此同时，W0.03也接通，在南北直行红灯亮的同时，南北左行红灯灭，南北左行绿灯亮。
如图3-3所示。
图3-3复位置位梯形图
这里是停止功能图，我使用的语言指令是RSTA100&
0&
8,RSTA101&
8该指令的作用功能是：
当停止I0.03输入点接通时，把100.00输出点开始，后八位复位0，同理，101.00输出点后八位也复位0，所有灯灭。
如图3-4所示。
图3-4停止梯形图
第四章组态画面的设计
4.1组态王软件的概述
组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。
它基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。
采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。
它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。
组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。
工程管理器：
工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有的工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。
工程浏览器：
工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。
运行系统：
工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。
通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几个步骤：
第一步：
创建新工程
为工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件。
第二步：
定义硬件设备并添加工程变量
添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和I/O变量。
第三步：
制作图形画面并定义动画连接
按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。
第四步：
编写命令语言
通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。
第五步：
进行运行系统配置
对运行系统、报警、历史数据记录、网络、用户等进行设置，是系统完成用于现场前的必备工作。
第六步：
保存工程并运行
4.2组态王与I/O设备
组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、职能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如：
西门子PLC、莫迪康PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC、研华模块等等）通过常规通讯接口（如串口方式、USB接口方式、以太网、总线、GPRS等）进行数据通讯。
组态王软件与IO设备进行通讯一般是通过调用*.dll动态库来实现的，不同的设备、协议对应的不同的动态库。
工程开发人员无需关心复杂的动态库代码及设备通讯协议，只须使用组态王提供的设备定义向导，即可定义工程中使用的I/O设备，并通过变量的定义实现与I/O设备的关联，对用户来说既简单又方便。
4.3交通灯的组态画面设计过程
4.3.1创建工程
双击“组态王6.53”图标，进入“组态王工程管理器”界面，点击工程管理器上的“新建”图标，弹出“新建工程向导之一”，点击“下一步”执行下一步操作，弹出“新建工程向导之二”，选择要保存工程文件的路径，点击“下一步”进入“新建工程向导之三”，在“工程名称”处写上“交通灯”（组态王中的工程名称是唯一的，不能重名），点击“完成”按钮，这时会提示“是否将新建的工程设为组态王当前工程”，选择是，则该工程就被作为当前工程使用，双击当前的工程，进入工程浏览器点击工具栏中的“开发”图标。
如图4-1所示。
图4-1新建工程命名
4.3.2定义外部设备
组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都作为外部设备使用。
外部硬件设备通常包括PLC
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