基于组态技术的plc交通灯控制系统设计

基于组态技术的plc交通灯控制系统设计内容摘要：

系统硬件组成 本课题 在实际调研和系统需求分析的基础上， 利用可编程逻辑控制器 和触摸屏 设计 一个 交通灯南京晓庄学院 2020 届本科毕业设计 4 控制系统。 系统运行时 ，按照红、绿、黄三种灯的交替工作来控制各个方向的 左行、 直行 及右行 ，并且 根据 信号灯 工作时间 利用 数码管 进行 倒计时显示。 根据控制要求， 本 系统设计的硬件 组成 框图如图 2所示。 图 2 系统设计的硬件 组成框图 十字路口交通灯模型设计 根据现代城市十字路口交通灯的特点，本系统 十字路口交通灯模型 设计如图 3 所 示。 单行单行单 行单行NSEW树树树 树树树树 树 图 3 十字路口交通灯模型图 南京晓庄学院 2020 届本科毕业设计 5 3 系统 的 硬件设计 PLC 的 I/O 分配 为合理有效的控制交通，充分发挥道路的 交通效益，在设计时可根据实际情况，人为设置各个方向通行时间，以达到畅通和快捷有序的流通目的。 信号灯可由下位机 PLC 控制，它按照预先设计的程序交替亮灭，完成对交通车辆的有序指挥。 本课题根据控制要求，确定下位机 I/O 点数分配，具体如表 1 所示。 由表 1 可知，交通信号灯共需要 12 个输出，数码管共需要 28 个输出，显然实验室提供的 CPU224XPCN 仅有 10 个输出模块不能满足上述要求，故需要 2 个扩展模块 EM223。 表 1 PLC 的 I/O 点数分配 PLC 外部 硬件连 接 图 4 为 PLC控制系统的 核心模块及 扩 展模块的 外部硬件连接。 该 系统主要有一个 CPU224XPCN和 两 个扩展模块 EM223 组成 [4]。 南京晓庄学院 2020 届本科毕业设计 6 图 4 PLC 控制系统 外部 硬件连线图 触摸屏的选择 在自动化控制中，需要一种人机交互设备实现人与系统的数据和命令的交换。 人机界面取代传统控制面板功能，可节省 PLC 的 I/O 模块 ； 触摸屏界面中的按钮开关，指示灯显示等能随时显示 所需 重要讯息，以利于操作人员正确掌握机器状况和避免错误， 并且 利于维修。 在 本 交通灯控制系统中，选择触摸屏 作 为系统的人机交互设备，主要完成信息的输入、显示等功能。 系统运行时用户输入的 信号主要是启动整个控制系统，触摸屏需要将此信息通过串口将它们传送给 PLC， PLC 根据各种不同的输入、输出信号，对硬件电路各个设备发出合适的控制信号，使整个交通灯控制系统完成预设任务。 本 次设计中，所使用的触摸屏为 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司 研发的TPC7062KX[6]，其 外观 如图 5 中的 (a)、 (b) 正、反面 所示。 图 (a) 图 (b) 图 5 TPC7062KX 触摸屏 图 TPC7062KX 功能 介绍 及 技术 指标 TPC7062KX是一套以嵌入式低功耗 CPU为核心（ ARM CPU，主频 400MHz）的高性能嵌入式一南京晓庄学院 2020 届本科毕业设计 7 体化触摸屏。 它 采用了 7英寸高亮度 TFT液晶显示屏（分辨率 800480），四线电阻式触摸屏（分辨率 10241024）。 使用过程中利用通信线将触摸屏与 PLC相连之后， 用手指 或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统会根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入 ， 即可手动控制所建立的组态界面及外部硬件电路。 TPC7062KX的技术指标如图表 2所示。 表 2 TPC7062KX 的技术指标 TPC7062KX 技术 优势 （ 1）超前的技术优势 在硬件方面， TPC 主板应用的是最前沿的 ARM9 技术。 在软件方面，在触摸屏上使用了为嵌 式专门设计的系统，而且使用的是最先进的编程语言 EVC。 （ 2）超强的动画功能 mcgs 内嵌 MCGSE 嵌入版组态软件，上千种设备驱动，上千个动画图库，丰富的 3D 功能，如同使用 3D Max 一样逼真简单。 （ 3）超多的通讯接口 mcgsTpc 有多种接口，有 2 个独立串口，最多可具有 5 个串口，有标准以太网口，有两个 USB口，支持 RS485/RS422/RS232 通讯，支持 CAN 总线通讯，支持 MVB 总线通讯。 支持工业以太网与MODBUS_TCP 通讯等多种通讯方式。 （ 4）超快的运行速度 mcgsTpc 采用主频为 400MHZ，低功耗 ARM 结构 CPU 芯片，比传统触摸屏高 2 到 4 倍。 （ 5）超酷的视觉效果 在超高的分辨率的基础上。 对组态画面赋予不同的脚本，让组态图像进行大小、垂直、水平或南京晓庄学院 2020 届本科毕业设计 8 按照设定的轨迹进行移动。 给人 以 视觉上的直观认识。 （ 6）超大的存贮容量 mcgsTpc 内嵌 128M 内存芯片，可以存储上万条数据和报警信息。 方便用户随时查询和统计。 提供管理者更加有效的决策。 同时支持 U 盘导出。 （ 7）超高的可靠性 能 在硬件方面， mcgsTpc 采用的是 flash 存储方式。 这种方式，避免了以往由于工控环境造成的硬盘震动损坏，甚至硬盘潜在的坏道影响，对保存数据有着很高的可靠性。 在软件方面 mcgsTpc 采用的是 windows ce 系统，无法被常用的 windows 系统的病毒所侵袭。 所以在软件上，也可以避免传统的工控机遭受病毒打击的隐患。 （ 8）超低的功率损耗 mcgsTpc 采用的 ARM 技术本身就是低功耗技术。 在液晶屏方面，应用新的 LED 背光技术取代了传统的灯管技术，降低了功耗。 最终将产品的功耗控制在 6W 以下。 4 系统的软件 设计 PLC 程序设计 控制 时序 要求 本系统假设东西方向、南北方向均为主干道。 当按下启动按钮，首先东西方向左转绿灯亮，维持 10s，并且南北方向红灯亮，维持亮 30s。 10s 后，东西左转红灯亮 50s，同时东西直行绿灯亮 14s之后，绿灯闪烁 3s 后黄灯亮 3s。 黄灯熄灭之后红灯开始维持亮 30s，同时南北方向左转绿灯亮，维持 10s 后，南北左转红灯亮，维持 50s，同时南北直行绿灯开始亮 14s 后，绿灯闪烁 3s后黄灯亮 3s。 黄灯熄灭之后红灯开始维持亮 30s，同时东西方向左转绿灯又开始工作，如此循环。 其中每个 方向的右行均由每个方向的直行所决定，当直行允许时，相应方向的右行就允许通行。 由于每个方向一个周期工作时间均为 60s，故每个方向的倒计时均从 60 开始倒计时。 直至按下停止按钮，所有信号灯和数码管均停止工作 [5]。 根据控制要求，其控制 程序 流程图如图 6 所示。 南京晓庄学院 2020 届本科毕业设计 9 图 6 系统控制 程序 流程图 控制过程分析 (1) 信号指示灯运行 由 初始化程序后， 得电。 按下启动按钮 后，东西方向作为主干道先通行，南北方向作为次干道后通行。 、 、 均置 1， 复位， 置 1 后， T49 开始定时，定时时间为 30s； 置 1 后，输出继电器 得电，即东西方向左行绿灯亮。 并且 T37 开始定时，定时时间为 10s。 当 T37 定时时间到了 10s 以后， T37 的常开闭合， 、 均被置 1，而 被复位，则 失电。 得电之后，输出继电器 得电，即东西左转红灯亮，并且 T38 开始定时，定时时间为 50s； 置 1 之后，输出继电器 得电，即东西方向直行绿灯亮，并且 T39南京晓庄学院 2020 届本科毕业设计 10 开始定时，定时时间为 14s。 当 T39 定时时间达到 14s 之后， T39 的常开闭合，使得 置 1， 复位，此时 失电。 得电之后，不仅 T40 开始定时，定时时间为 3s；此时 T101 也开始定时，定时时间为。 由 T101 与 T102 构成 1s 的闪烁秒脉冲，则使得输出继电器 产生 3s 的闪烁效果。 T40 定时 3s 之后， T40 常开闭合使得 置 1， 复位，此时输出继电器 失电。 置 1 之后， 得电，即东西直行黄灯亮，并且 T41 开始定时，定时时间为 3s。 此时 T4T49 定时结束，二者常开均闭合，使得 、 置 1， 、 复位。 复位 之后使得输出继电器 失电； 复位之后使得 失电。 常开闭合之后，不仅输出继电器 得电，即东西方向直行红灯亮。 而且此时 T42 开始定时，定时时间为 30s。 当 T42 定时时间达到 30s之后，此时 T38 定时时间也达到了 50s,此时 T3 T42 常开均闭合，使得 置 1， 、 均复位。 、 的复位，从而使 、 失电。 再次置 1，会使得整个信号灯的控制过程实现循环。 置 1 的同时， 也置 1。 当 置 1 后， T43 开始定时，定时时间为 10s；并且此时输出继电器 开始得电，即南北方向左行绿灯亮。 当 T43 定时 10s 之后， T43 常开闭合，、 置 1， 复位。 当 复位之后， 将会失电。 常开闭合之后，不仅 T44开始定时，定时时间为 50s，此时输出继电器 得电，即南北左行红灯亮。 置 1 之后， T45开始定时，定时时间为 14s；同时 得电使得 得电，即南北直行绿灯亮。 当 T45 定时达到14s 之后， T45 常开闭合后， 置 1， 复位。 复位会使 失电。 置 1之后， 不仅 T46 开始定时，定时时间为 3s，此时 T101 也开始定时，定时时间为。 由 T101 与 T102 构成1s 的闪烁秒脉冲，此时使得输出继电器 产生 3s 的闪烁效果。 当 T46 定时达到 3s 之后， T46 的常开闭合， 置 1， 复位。 的复位会使 失电， 置 1 后不仅会使输出继电器 得电，即南北直行黄灯亮；还会使 T47 开始定时，定时时间为 3s。 当 T47 达到定时时间之后，T47 的常开闭合后， 置 1， 复位。 复位使 失电； 置 1 不仅使得输出继电器，即南北直行红灯亮；还使得 T48 开始定时，定时时间为 30s。 当 T48 达到定时时间以后，此时 T44 也达到定时时间， T4 T48 的常开均闭合，使得 置 1， 、 复位。 置 1是使南北方向信号灯循环工作， 复位后 失电， 复位后 失电。 在整个控制系统的运行过程中，当按下停止按钮 会停止所有的工作过程。 (2) 倒计时显示 南北向倒计时显示程序由输出继电器  和  示，东西向倒计时显示程序由输出继 电器  和  分别驱动个位和十位数码管的显示。 当 一闭合即南北方向直行红灯亮，继电器 闭合驱动字循环左移功能块工作，则输出继电器  闭合驱动数码管显示“ 0”字符，同时由 T101 提供秒脉冲信号 使 程序工作。 1s 后继电器 闭合一个扫描周期，将 中“ 1”状态移位至 中， 闭合输出继电器  及 闭合驱动数码管 显示 “ 9”字符，如此循环分别从“ 9”显示至“ 0”，当一个周期扫描完毕之后，移位寄存器会复位一次。 这样将每个需 要倒计时显示信号指示灯亮的时间的都分别单独用以一个秒脉冲程序和字循环左移指令就可方便实现交通灯的倒计时显示功能。 南京晓庄学院 2020 届本科毕业设计 11 当在两位数的显示时，根据控制要求每个方向的一个工作周期为 60s，则倒计时应从 60、 5 557…… 直至 01为止。 故当个位显示“ 0”时，十位应显示“ 6”， 1s 过后立即变为“ 5”，即给十位提供一个单独的秒脉冲，用 T101提供。 当 ， ， 1s 以后 ，即设定了中间继电器 触点， 分别接 通了 ，用来对十位显示的选择。 当个位一个扫描周期 移完之后，十位则会满足 10s 之后才进行移位一次。 个位运用的字节循环左移功能块，而十位运用字节左移功能块，所以在倒计数显示结束时，要分别将其移位信号进行复位。 系统 顺序控制 功能 图 图 7 为顺序控制 功能框 图 ， 根据该功能图可编写相应的 PLC 程序 ， 具体 梯形图程序 设计 见 本文附 录。 图 7 顺序控制 功能 图 系统组态设计 本 设计 的组态软件采用的是嵌入版 MCGS 版本。 组态软件提供了可视化监控画面 ，包括动画，实时趋势曲线，历史趋势曲线，实时数据报表，历史数据报表，实时报警 窗口 ，历史报警 窗口南京晓庄学院 2020 届本科毕业设计 12 等功能 ， 可方便地监视系统的运行。 并可在在线修改程序参数，有利于系统的性能发挥 [6]。 此次组态界面共有 4 幅，分别是：封面窗口、十字路口监控界面 、 交通灯定时参数修改界面 及数据显示窗口 ， 其中“数据显示”窗口用来显示实时数据，其他三种界面 可根据不同的需要进行界面切换， 四者结构 框 图 如图 8 所示。 图 8 组态界面结构图 封 面窗口设计 (1) 封 面设计 首先进入 MCGS 组态环境，单击“文件”新建工程，确定 TPC 类型及背景的大小之后即可，组态环境如图 9 所示。 单“击用户窗口”、“新建窗口”后，在新建窗口中新建一个“窗口 0”选中“窗口 0”，点击“窗口属性”按钮，进入窗口属性设置界面，如图 10。