基于plc与组态王的交通灯控制系统设计论文正文文档格式.docx
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本论文详细介绍交通灯的正常运行情况，采用具有通用性强特点的型号为CPU224的S7—200系列PLC实现控制，给出相应的硬件接线和梯形图，将组态王与PLC相结合实现对十字路口交通灯实时控制，具有直观、控制程序可变、易于掌握的特点。
组态王软件是由北京亚控科技发展有限公司开发的工业级软件,也是首个应用于我国航空、航天领域的国产组态软件,具有开发简单、扩展性好、可靠性高等优点。
，因此运用组态王软件制作十字路口交通灯控制系统动态监控画面，并将其与PLC实现串行通信，进而实现对十字路口交通灯实时控制。
本课题主要是组态画面与实验室中实验台上的十字交通灯相对应而设计的，实现了组态王与PLC在实验中的连接。
关键词：
组态王;
PLC;
交通灯;
控制系统
TrafficLightControlSystemDesignBasedonPLCandKingView
ABSTRACT
Withthecontinuousimprovementofpeople'
sconsumptionlevel,privatevehiclescontinuestoincrease,manypeople,cars,roadsandlessroadtrafficsituationhasbeenveryclear,atthesametimeeachintersectionisthecityroadnetworkchokepoints,sotheintersectionsignalcontrolmoreisimportant.Weusuallyneedtheentiresystemforcentralizedmonitoringandmanagement,sotheuseofeffectivemethodstocontroltrafficlightsisimperative.Thispaperdetailsthenormaloperationoftrafficlights,theuseofmodelswithversatilefeaturesforCPU224oftheS7-200seriesPLCforcontrol,giventheappropriatehardwarewiringandladder,theconfigurationbycombiningthekingandPLCreal-timecontroloftrafficlightsonthecrossroads,withanintuitivecontrolprogramvariable,easytolearn.
KingviewsoftwareisbyBeijingasiacontrolTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.developedindustriallevelsoftware,isthefirstapplicationinChinainthefieldsofaviationandaerospacedomesticconfigurationsoftware,hasthedevelopmentofsimple,good,hastheadvantagesofhigherreliabilitygrowth.ApplicationofKingviewsoftware,sothecontrolofdynamicmonitoringsystemoftrafficlightsatthecrossroads,andwiththePLCtoachieveserialcommunication,soastorealizethereal-timecontrolofthetrafficlightsatthecrossroads.[1]
Themaintopicistheconfigurationscreenandthelaboratoryexperimentplatformofsingleintersectiontrafficlightsandthecorrespondingdesign,realizestheKingviewandPLCintheexperimentoftheconnection.
Keywords:
Kingview;
TrafficLights;
ControlSystems
1绪论
1.1本设计的目的及意义
近年来，我国许多城市的交通压力都伴随着流动人口的急剧增加而增加。
经济的快速发展，一些红绿灯路口不合理的工作时间，交通违章记录不准确，因此，为了提高工作效率，改善现有的交通系统，加强对路口信号控制是非常重要的。
在此背景下，结合城市道路交通国内的实际情况来看，开发真正适合我们自己的智能控制系统，已成为一项重要任务。
设计一个十字路口的交通灯控制电路，设计红色，黄色，绿色交通信号灯，其中红色光，表示该道路禁止通行;
黄灯表示车辆等待，绿灯表示道路允许通行。
该电路自动控制两个红色，黄色和绿色交通灯的状态转换。
红绿灯十字路口易于使用相应的系统配置简单的编程与友好的用户界面接入设备的设计要求，应用程序库，以加速编程和调试的速度。
在另一方面，这个时候学会了设计PLC控制扩展I/O接口的方法，学习使用软件组态王，并进一步学习编程PLC-200，以及学习实施模拟交通灯的控制。
在日常生活中，利用交通信号灯可以有效清晰的管理道路交通，提高道路通行能力，对减少交通事故有着显著的效果。
交通灯控制系统由PLC控制，监控仿真组态王两部分组成，继而实现交通灯的基本功能，使交通实现有效控制。
为了保障通过路口的行人安全，以及车辆交通秩序化，规范化，有必要使设计的红绿灯更人性化，更标准化，保障行人和车辆的安全通行。
通过设计红绿灯电路程序，掌握PLC编程软件和仿真软件组态王的应用，并达到基本电路可以自行设计的目的。
1.2国内外发展研究现状
1.2.1国外发展现状
早在19世纪，英国就诞生了第一个交通信号灯，由于其使用的是煤气交通信号灯，并在随后的使用中发生爆炸，造成交通信号灯几乎近半个世纪消失。
直到20世纪初，美国的克利夫兰市才再次出现了交通灯，但此时已经改成了电力信号灯。
1926年英国出现了使用自动化的控制器来控制的交通灯，这是城市交通自动控制的开始。
20世纪初，美国首先使用车辆感应式信号控制器，车辆传感器控制器的特征是，它可以根据交通流量来调整绿灯时间的长度，使得绿灯时间更有效地利用，减少车辆在路口的等待时间，比定时控制具有更大的灵活性。
目前城市道路交通信号控制系统最具代表性的有英国的TRANSYT和SCOOTS交通控制系统以及澳大利亚的SCATS系统。
信号灯在发展过程中，自适应理论备受各研究机构欢迎。
比如上面提到的SCOOTS和SCATS系统。
近年来，国外依旧偏向于用自适应理论研究交通控制系统，特别是美国的十几所大学和研究机构正在开发自适应交通信号控制系统的理论，例如美国亚利桑那大学研发的RHODES。
1.2.2国内发展现状
我国在交通灯的研发领域起步较晚，由于我国人口众多，随着社会的发展，交通问题越发严重，这使得我国对交通的需求急剧增加。
城市交通是一个高度集成和复杂的问题，必须在依据城市道路实际情况下进而多方面的去解决。
由于中国经济和社会的快速发展使得对道路交通效率而安全的要求越发严格。
当前国内的交通灯设计呈现多元化，有单片机控制交通灯的控制系统；
有应用CPLD设计的交通灯控制系统；
有应用PLC设计的交通灯控制系统。
国内交通信号灯基本位于车辆相对密集的十字路口，并设置红，绿，黄三种颜色的指示灯指示，再加上一个倒数计时器来控制车辆的行驶。
这样的设计对于大多数的道路交通都能起到很好的车辆分流作用，但由于实际中出现各种突发事件，与各种外在因素的存在，这种设计仍然存在着很大的弊端，例如不能根据道路的车流量来及时的改变放行时间，进而影响了交通效率。
1.3本设计的主要内容
在生产控制系统自动化领域中PLC具有可靠、稳定、抗干扰能力强的特性，如今PLC的应用也更加广泛。
在PLC控制器设计主要是利用内部定时器和外围电路相结合，来实现控制十字路口红绿灯。
通过主电路，控制电路，梯形图设计，仿真和在线监控组态王实现了系统的硬件和软件的设计和人机交互。
摸拟的十字路口交通灯组态图，用一个开关控制交通灯的运行与停止，当开关为开时，信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯控制系统开始工作，且先南北绿灯亮，东西红灯亮。
南北绿灯亮12秒，同时东西红灯亮12秒，则南北方向的车辆运行，东西方向的车辆停止运行，之后南北方向绿灯闪烁3秒，此时东西方向仍然红灯；
然后南北方向黄灯亮3秒，之后东西绿灯亮12秒，同时南北红灯亮12秒，则东西方向的车辆运行，南北方向的车辆停止运行，之后东西方向绿灯闪烁3秒，此时南北方向仍然红灯；
然后东西黄灯亮3秒，再回到南北绿灯、东西红灯的状态，循环下去。
另外，此设计中在遇到特殊情况时加上了东西延时和南北延时，各延时15秒，即当东西延时或南北延时按钮时，东西方向或南北方向各自多延时15秒。
当启动信号断开时，所有的信号灯都保持原有状态。
1.4本章小结
本章主要介绍了十字路口交通灯的发展历史、发展趋势及本设计的内容、目的。
加深了对PLC的应用、发展方向及前景的了解，明确了本设计的重点及难点，有利于作好设计、研究准备，同时也使自己对十字路口交通灯有了更多的了解，为完成本设计打下了坚实的基础。
2系统方案设计
2.1系统性能分析
为了设计思路清晰与便利，采用了顺序控制法。
顺序控制就是指系统或生产设备在各输入信号的作用下，内部元件状态按照生产工艺预先规定的时间顺序变化，使得各执行机构在生产过程中自动有序地进行操作。
PLC顺序控制设计法最基本的设计思路是将控制系统的一个完整的工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，然后用转换条件控制代表各步的内部编程元件，使其状态安装一丁点时间顺序变化，最终输出控制相应执行机构的动作步是根据输入量状态的变化来划分的。
在任何一步之内各输出量的状态不变，但相邻两步输出量总的状态是不同的。
步的这种划分方法代表各步编程元件的状态与各输出量状态之间有着极为简单的逻辑关系。
结合本设计要求，可以采用单流程编程法，也可以采用双流程法，应用并联分支结构，把东西和南北方向信号灯的动作分为两个流程同时启动，分别运作各自的时序运作，相互之间的配合由统一的时钟进行有机的配合，不会出现偏差，简洁明了，思路清晰。
2.2控制方案分析
方案一：
采用单片机编程控制的方式。
随着大规模集成电路技术的发展，微型计算机也在不断的进步，而其中就包含单片机技术。
单片机主要应用于控制领域，用以实现各种测试和控制功能。
单片机具有控制系统在线作用、软硬件结合、应用现场环境恶劣、应用的广泛性等特点。
但是单片机的引入使控制系统大大“软化”，相比其他计算机应用问题，单片机控制应用中的硬件内容较多，设计比较麻烦。
方案二：
采用可编程控制器控制的方式。
可编程控制器又称PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。
它采用可编程的存储器，存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的面向用户的指令，并能通过数字或模拟输入输出模块，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
但是PLC的价格过于昂贵，不易拓展和升级，无法实现大众化。
综上所述：
单片机具有成本低廉，专用性可能会更强的优点，但是可靠性差、抗干扰性能差、处理能力会弱于PLC、通讯不如PLC方便。
比如要把整个城市的交通灯系统接入交通控制指挥中心，单片机做底层单个交通灯控制没有什么问题，但接着同样需要PLC做信号采集到远端中控室服务器，这样算起来的话，底层还不如用小型PLC来控制更好，且小PLC也不贵，控制一个路口交通灯足够，所以本设计采用PLC控制。
2.3PLC选型分析
模块化的PLC，包括CPU模块，I/O模块，内存，电源模块，背板或机架，这些模块可以按照一定的规则进行组合配置。
本设计CPU选择的是CPU224。
CPU224装配有：
1.集成式24V编码器/负载电源:
用于直接连接传感器和编码器。
具有280mA输出电流，它也可用作负载电源。
2.2种型号：
带多种电源和控制电压。
3.内置数字量输入/输出：
14个输入（I0.0～I0.7、I1.0～I1.5）和10个输出（Q0.0～Q0.7，Q1.0～Q1.1），在编写端子代码时采用八进制，没有0.8和0.9。
4.1个通讯接口:
作为PPI接口或用户可编程接口（FreePort）。
本设计定时器选择的是TON。
xx（37）：
为选定的定时器号；
PT（+10）：
是定时器的设定值，用4
位十进制数表示，定时单位为0.1秒，所以最低位是十分位。
定时范围是0.1～3276.7秒。
功能：
定时时间到接通定时器接点。
1.
接通延时定时器用于单一时间间隔的定时。
2.
上电周期或首次扫描时，定时器位为OFF，当前值为0。
3.
输入端接通时，定时器位为OFF，当前值从0开始计时，当前值达到设定值时，定时器位为ON，当前值仍连续计数到32
767。
4.
输入端断开，定时器自动复位，即定时器位为OFF，当前值为0。
。
定时器相当于时间继电器。
在电源掉电时，定时器复位。
本设计选用的指令符是S、SCR
相当于锁存器，当其置位（ON）后，将一直保持，直至复位为止。
置位（S）或复位（R）指令将从Bit指定的地址开始的N个点置位或复位。
你可以一次置位或复位1-255个点。
如果复位指令指定的是定时器或者计数器，指令不但复位定时器位或计数器位，而且清除定时器或者计数器的当前值。
S状态一般用来编写步进阶梯指令，配合SCR指令完成步进阶梯指令控制程序的逻辑分段。
在不使用SCR指令时，S指令和普通的M指令一样。
3硬件设计
3.1PLC简介
可编程控制器简称PC（英文全称：
ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：
ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。
为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。
PLC已成为现代工业控制（PLC，CAD/CAM，ROBOT）的三大支柱，它的可靠性，逻辑功能，体积小的，控制程序可以在线修改，与远程通讯网络功能，易于计算机接口，能够模拟控制，具有优异的性能和位置控制等告诉算上高性能的模块，通过大量的中间继电器，时间继电器逐渐取代，算上传统的继电器的继电器和其他部件-接触控制系统机械，化工，石油，冶金，电力，轻工，电子，纺织，食品，交通运输等行业得到广泛应用。
深度和PLC广度的应用已成为全国工业先进水平的重要标志之一。
PLC是一种计算机技术与传统的继电器-接触器控制理念相结合的产物，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程逻辑控制器，把通用汽车公司（GM），比生产线控制在创造一个新的时代可编程控制器。
现代PLC的发展有两个主要趋势：
一是大型网络，高可靠性，良好的兼容性和通用性的发展;
二是发展的更微观容量，速度和更方便，功能更强大，价格更低等方面。
随着微电子技术，计算机技术，通信技术的飞速发展，数字化控制技术，可编程控制器，型号，品种不同寻常的速度数目。
目前，许多产品的型号，规格无数的可编程控制器制造商。
美国，欧洲和日本都分为三大块，在中国市场，代表欧洲的西门子，日本三菱，欧姆龙，代表美国的是AB和GE，各大企业都在中国推出了自己从微观到大系列产品，遗憾的是没有在国内PLC发展没有突破始终占据一个很小的市场份额。
3.1.1PLC定义及硬件结构
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
是计算机技术的产物，与中继常规的控制技术，新的控制器被顺序控制器的基础上发展和计算机控制器是微处理器核心的专用计算机的数字控制。
PLC已成为现代工业控制（PLC，CAD/CAM，ROBOT）它的可靠性，逻辑功能，体积小的三大支柱，控制程序可以在线修改，与电信网络功能，方便电脑接口，能够模拟的控制，具有优异的性能和位置控制模块会告诉你算的性能，通过大量的中间继电器，时间继电器逐渐取代继电器等组成的传统的继电器计数-触点控制系统的机械，化工，石油，冶金，电力，轻工工业，电子，纺织，食品，交通运输等行业得到广泛应用。
深度和应用PLC的广度已经成为全国工业先进水平的重要标志。
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定的PLC包括CPU板，I/O板，显示面板，内存块，电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的作为一个整体。
PLC的硬件系统结构如图3-1所示：
图3-1PLC的硬件系统结构图
3.1.2PLC的主要功能及特点
PLC是一个非常广泛的应用，非常迅速的工业自动化设备的发展，工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）中占有重要的地位。
PLC系统主要有以下功能：
（1）多样系统控制功能；
（2）数据采集功能、存储系统功能和处理运行功能；
（3）通信联接网络功能；
（4）输入端口调理功能、输出端口调理功能；
（5）人机界面交互功能；
（6）编程和调试功能。
PLC的重量，体积，功耗和硬件的价格已经降低，虽然软件的总价格的比例有所上升，但厂家以更低的价格相应地竞争。
另外，采用PLC还可以缩短设计，编程和生产周期，所以总价格进一步降低。
PLC现场总线产品面临发展，创新将再次满足工业和民用控制的更高的要求。
PLC是面向技术人员的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。
1、抗干扰能力强，可靠性高
限制故障的发生是以失败快速检测故障点和故障局部的事件。
现代集成的PLC与微电子元件的程度非常高，原来开关动作是由非接触式开关的半导体集成电路完成，可靠度是利用机械自锁继电器的所不能比拟的。
各PC厂商已在硬件和软件方面的采取各种措施，做到及时发现PC的错误信息，停止等待维修，还使PC具有很强的抗干扰能力。
2、通用性强，控制程序可变
PLC的各种硬件设备，以满足在控制系统的各种要求，因此，设计者没必要自己设计和制造的硬件设备。
PLC的控制功能由存储在存储器中的程序来实现，如果需要改变控制功能，则仅需要修改方案，并且改动极少量的接线。
此外，也可以用同样的可编程控制器不同的控制对象，只是改变软件可以实现不同的控制要求。
因此，PLC除了应用于单机控制，在工厂自动化中采用也很广泛。
3、功能强，适应面广
PLC有逻辑运算，计数，顺序控制等功能，以及数字和模拟输入和输出，通信，交互性，自检，记录显示等功能。
可以控制生产机械、一条生产线，同时也控制生产过程。
4、编程简单，容易掌握
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
继承传统的控制线的明确特点，也考虑到电气技术人员编程方法的水平和读图习惯，这将有助于接受和掌握。
PLC编程梯形图程序的执行，首先把它翻译成汇编语言，然后执行。
用汇编语言编写，梯形图程序的相比，长并且被设计成直接写入程序的执行的执行时间，大部分的机械和电气控制设备的，不会受到影响，并完全控制的要求我满足。
5、减少了控制系统的设计及施工的工作量
当你这样做的大大降低控制面板的设计和布线的工作量，中间继电器，时间继电器安装，使用软件命令来替换柜等设备，PLC等的大量继电器控制系统..另一方面，PLC设计调试程序，则可以模拟在实验室，另外，减少工作量现场调试环境。
此外，强大的监控功能和其他故障率低PLC，模块化，并且由于作为建设变得非常容易维修。
6、体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是微电子技术在工业设备产品使用时，由于使用的半导体集成电路的PLC。
因此，具有体积小，重量轻，功耗低。
由于较强的抗干扰能力，PLC，便于设备内部安装的，并且是实现机电一体化的理想控制设备。
程序可以模拟在实验室调试，同时也减少了工作量，现场调试。
此外，由于低故障率和强大的PLC监控，模块化等，所以维修也很方便。
3.1.3PLC编程语言
1、顺序功能图（SFC）
SFC位于的其他编程语言用来制备顺序控制程序的图形化编程语言顶部。
顺序功能图，提供了一种方式来组织图形编程，它可以嵌套在其他编程语言顺序功能图。
加强三大转型和顺序功能图的行动的一部分。
顺序功能图是用于表达的分合控制系统的功能，他可以很容易地控制的阶梯程序。
2、梯形图（LD）
PLC阶梯是最常见的图形编程语言。
梯形PLC和继电器控制系统电路几乎是同样的，它是容易掌握的电源设计用于开关逻辑控制。
西门子S7-200系列PLC有三种编程语言来表达同样的逻辑。
梯形图编程语言是第一款采用PLC采用的编程语言，是最广泛使用的PLC编程语言。
LD编程语言是基本的基础继电器控制系统原理图上发展而来的。
基于原则的想法PLC梯形图梯和继电器控制系统是一样的，但在使用符号表达方式、指令有不同差异。
3、功能块图（FBD）
这是一个类似的数字逻辑门的编程语言，基本的数字电路，这是很容易掌握。
逻辑操作之间的关系，所述左输入变量的逻辑运算，右边是一个逻辑运算输出变量，输入和其他类似的门或门块的编程语言输出来表示一个小圆圈表示“无效”的操作，所述框是“电线”连接在一起，信号检测从左至右。
一些微PLC的使用功能性的框图语言，另外，国际上很少有技术人员使用功能块图语言。
4、指令表（IL）
指令的可编程逻辑控制器是类似于由称为表程序指令程序构成的微型计算机汇编语言指令表达。
列表程序是更难以阅读，这是不好的逻辑来证明，这种设计语言在梯形常用。
如果您使用的是手持编程器应该转换成一个梯形指令表，在设计的程序存储器中，指令按序号顺序排列。
5、结构文本（ST）
文本的结构为IEC61131-3标准创建的，是一个专门的高级编程语言。
与阶梯相比，
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