完整版 基于PLC和MCGS交通灯系统设计.docx
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完整版基于PLC和MCGS交通灯系统设计
基于PLC和MCGS的交通灯系统设计
【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同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:
trafficlights,controlsystems,configurationdesign
1可编程控制系统介绍
1.1PLC简介
随着微处理器，计算机的和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制技术已经渗透到所有工业领域。
当前用于工业控制的计算机可分为:
可编程控制器,基于PC总线的工业控制计算机,基与单片机的测控装置,用于模拟量闭环控制的可编程调节器,集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等。
可编程控制器是应用广泛,功能强大,使用方便的通用工业控制装置,已成为当代工业自动化的重要支柱.近几年，在国内已得到迅速推广普及。
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制内容写入控制器的用户程序内，控制器和被控对象连接也很方便。
可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。
另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的要求专门设计控制器，适合批量生产。
由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。
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。
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：
1-1PLC的硬件系统结构
1.1.1主机
主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器（ROM）和用户程序及数据存储器。
CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
1.1.2输入/输出（I/O）接口
I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。
输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。
输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。
I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。
I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。
1.1.3输入/输出扩展接口
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
1.1.4外部设备接口
此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
实验装置提供的主机型号是西门子S7-200系列的CPU224（AC/DC/RELAY）。
输入点数为14，输出点数为10。
1.1.5编程
编程是PLC利用外部设备，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。
通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的编程软件进行电脑编程和监控。
1.1.6电源
图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。
1.2PLC的工作原理
PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的方式进行工作，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CPU扫描一个周期必经输入采样、执行用户程序、处理通讯请求、CPU自诊断和输出刷新三个阶段。
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。
执行用户程序阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其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。
处理通讯请求阶段：
CPU处理从通讯接口和智能模块接收到的信息，如由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要现实的状态、数据、出错信息等发送给编辑器进行显示。
如果有计算机等通讯请求，也在这段时间完成数据和发送任务。
CPU自诊断：
自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位。
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。
1.3PLC的程序编制
1.3.1软件编制
PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。
编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合点和动断触点。
编程元件是指输入映像寄存器、输出映像寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。
PLC内部这些存储器的作用和继电器接触器控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。
当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。
所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器。
S7-200CPU224、CPU226部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示
原件名称
代表字母
编号范围
功能说明
输入寄存器
I
I0.0～I1.5共14点
接受外部输入设备的信号
输出寄存器
Q
Q0.0～Q1.1共10点
输出程序执行结果并驱动外部设备
位存储器
M
M0.0～M31.7
在程序内部使用，不能提供外部输出
定时器
T
（T0～T255）
T0,T64
保持型通电延时1ms
T1～T4,T65～T68
保持型通电延时10ms
T5～T31,T69～T95
保持型通电延时100ms
T32,T96
ON/OFF延时,1ms
T33～T36,T97～T100
ON/OFF延时,10ms
T37~T63,T101～T255
ON/OFF延时,100ms
计数器
C
C0～C255
加法计数器，触点在程序内部使用
高速计数器
HC
HC0～HC5
用来累计比CPU扫描速率更快的事件
顺序控制\继电器
S
S0.0～S31.7
提供控制程序的逻辑分段
变量存储器
V
VB0.0～VB5119.7
数据处理用的数值存储元件
局部存储器
L
LB0.0～LB63.7
使用临时的寄存器，作为暂时存储器
特殊存储器
SM
SM0.0～SM549.7
CPU与用户之间交换信息
特殊存储器
SM（只读）
SM0.0～SM29.7
接受外部信号
累加寄存器
AC
AC0～AC3
用来存放计算的中间值
1-2
1.3.2编程语言
所谓程序编制，就是用户根据控制对象的要求，利用PLC厂家提供的程序编制语言，将一个控制要求描述出来的过程。
PLC最常用的编程语言是梯形图语言和指令语句表语言，且两者常常联合使用。
（1）梯形图（语言）
梯形图是一种从继电接触控制电路图演变而来的图形语言。
它是借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈以及串、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，直观易懂。
梯形图中常用用图形符号分别表示PLC编程元件的动断触电和动合触电，用（）表示它们的线圈。
梯形图中编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数加以区别。
触点和线圈等组成的独立电路称为网络，用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，允许以网络为单位给梯形图加注释。
梯形图的设计应注意到以下三点：
①梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。
每一逻辑行（或称梯级）起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈。
与能流的方向一致。
②梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。
这个“概念电流”只是用来形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。
③输入寄存器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。
因此，梯形图中只出现输入寄存器的触点，而不出现其线圈。
输出寄存器则输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出寄存器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。
输出寄存器的触点也可供内部编程使用。
（2）指令语句表
指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言，它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言易懂易学，若干条指令组成的程序就是指令语句表。
一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。
2MCGS系统介绍
2.1MCGS的定义
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。
2.2MCGS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。
2-1系统组态环境、系统运行环境和实时数据库三者的关系
MCGS由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关。
如图2-2所示：
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。
MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
在运行环境中完成对工程的控制工作。
2-2组态环境和运行环境关系图
2.3MCGS组态软件的功能和特点
与国内外同类产品相比，MCGS6.2组态软件具有以下特点：
全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。
庞大的标准图形库、完备的绘图工具以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。
全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。
支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。
简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。
强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。
方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。
完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。
此外，MCGS6.2还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。
强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。
良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS6.2组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。
提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。
在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等等，并提供完善的用户权限控制。
2.4MCGS组态软件的工作方式
MCGS如何与设备进行通讯：
MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。
包括数据采集和发送设备指令。
MCGS如何产生动画效果：
MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：
一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。
MCGS如何实施远程多机监控：
MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。
同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。
分布式网络监控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。
MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。
如何对工程运行流程实施有效控制：
MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。
MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。
所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。
3硬件设计
3.1设计目的和意义
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。
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