AP0404214基于组态技术的PLC实现交通灯控制系统毕业设计1

五邑大学本科毕业设计AP0404214基于组态技术的PLC实现交通灯控制系统摘要交通信号控制系统是城市交通监控指挥系统的重要组成部分，交通信号的可靠运行是道路交通畅通的重要保证。可编程控制器（PLC）具有抗干扰能力强、可靠性高、体积小、编程简单等特点，在自动控制系统中有着广泛的应用。本文研究的是基于欧姆龙CQM1型PLC对交通灯进行控制，充分利用了PLC的定时/计数、顺序控制、逻辑运算等功能，介绍实现交通信号PLC控制系统的控制程序设计方法，并在组态王中对交通灯控制系统实现仿真。在设计过程中，重点研究了可编程控制器和组态王的基本原理及应用。研究使用PLC的梯形图编写交通灯控制程序和组态王中提供的可视化监控画面仿真交通灯。关键词 PLC；组态王；交通灯10AbstractTraffic Signal Control System is an important part of the urban traffic control command system. The reliable operation of the traffic signals is an important guarantee for the fluency of traffic flow. Programmable logic Controller (PLC) with strong anti-interference capability, high reliability, small size, simple programming and other features，it has the widespread application in the automatic control system. This paper is based on the CQM1-Omron PLC to control the traffic lights, and take full advantage of the timing / counting, control the order, logical operators, and other functions. This paper also introduces the control procedures design method for the realization of PLC control system in traffic signal, as well as its imitation in King View. Between the designs, focused study basic principles and application of the PLC and King View. To research use the traffic light control procedure with the PLC trapezoidal chart and in King View provides visualization monitoring picture simulation traffic light.Key words Programmable logic Controller King View Traffic light目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 交通控制系统的历史、现状与前景展望11.2.1 交通控制系统的形成11.2.2 传统的交通控制方法11.2.3 基于人工智能的交通控制方法21.3 基于组态技术的PLC实现交通灯控制系统的目的意义21.3.1 PLC用于交通灯控制的目的21.3.2 PLC仿真的意义3第2章 可编程控制器的基础知识42.1 PLC概述42.1.1 PLC的定义42.1.2 PLC的特点42.2 可编程控制器的应用领域和发展趋势52.2.1 PLC的应用领域52.2.2 PLC的发展阶段及发展趋势52.3 PLC的基本构成及工作原理72.3.1 PLC的基本构成72.3.2 PLC的工作原理72.4可编程控制器的编程语言82.5 本章小节10第3章 PLC在交通信号灯控制系统中应用113.1 控制要求113.2 I/O地址分配123.3 硬件接线图133.4 编制梯形图程序133.5 本章小节16第4章 基于组态技术的PLC实现交通灯控制系统174.1 组态软件系统概述174.2 组态软件的特点和功能184.2.1组态软件的特点184.2.2 组态软件的功能194.3 组态王仿真交通灯控制系统194.3.1 创建仿真显示画面194.3.2 定义I/O设备204.3.3 建立数据库214.3.4 制作动画连接224.3.5 运行和调试234.4 基于组态技术的PLC与计算机的通讯234.4.1 设备连接244.4.2 设备配置244.4.3 系统运行264.5 本章小节26结论27参考文献28致谢29第1章 绪论1.1 课题研究的背景交通是城市经济活动的命脉，对城市经济的发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。然而，随着机动车辆的迅速增加，城市道路通行能力与使用者需求之间的矛盾日益突出，城市交通问题严重地困扰着世界各国的大中城市。我国在今后的几十年内，将是城市化发展的最快时期，城市无论是在总体数量上还是在个体规模上都将成倍增长，致使城市交通运输系统面临着更加严峻的问题。这主要表现在两个方面：一是交通需求与供给的矛盾更加突出；二是由于城市的郊区化发展和旧城区城市用地结构剧烈变动，使得路网交通状态更加复杂和不稳定。这些问题都是交通运输系统规划和交通管理及控制所要解决的难题。并且，随着城市的不断发展还会有许多新的问题出现。1.2 交通控制系统的历史、现状与前景展望1.2.1 交通控制系统的形成在平面交叉口，为了把可能发生冲突的车流从时空上分离，必须通过交通信号对交通流进行有效的引导和调度。1868年，英国伦敦安装了世界上第一组交通信号灯。1914年以及稍晚一些时间，美国的一些城市也出现了交通信号灯。1963年，加拿大多伦多市建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，这标志着交通信号控制技术进入了一个新的发展时期。该系统第一次把计算机技术用于交通控制，大大提高了控制系统的性能和水平。在此之后，美国、英国、澳大利亚、法国、日本等国家相继建成以计算机为核心的区域交通控制系统。由于交通控制系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性，而且具有多信息来源、多传感器的特点，对交通控制方法的研究也就自然成为该领域的热点。1.2.2 传统的交通控制方法传统的交通控制方法主要包括定时控制、多时段控制、感应或半感应控制、绿波带控制和区域静态控制。定时控制的基础实际上是韦伯斯特(Webster)车辆延误公式，由此公式可得到最佳周期的近似值。多时段控制实际上是一种分段定时控制。通常，城市居民的出行呈现明显的规律性，例如交通流量的高峰往往发生在一天的早晨7：00-8：00、中午11：00-12：00和傍晚5：30-6：30，因此，可以为每一个时段选择一个最优配时方案，实施多时段控制。为了避免绿灯的浪费，人们提出了感应控制的思想即：某相位在绿时期间，只要检测到车辆到达就给出一个单位绿延时，否则转到下一个相位。可以说，感应控制比定时控制要优越，它能实时响应交通流的变化。然而，感应控制方法仍然存在缺陷：感应控制只能检测是否有车辆到达而不关心有多少辆车到达，因此，它无法真正响应各相位的交通需求，也就不能使车辆的总延误最小。最早的感应控制系统是在1928年由美国完成的。绿波带控制基于这样一个朴素的思想：对干线上一批相邻交叉路口的交通信号进行协调配时，使得进入干线的车队按某一车速行驶时，能不遇或少遇红灯，从而使干线上的车辆延误最小。早在1917年美国盐湖城就建成了世界上第一个绿波带控制系统。1.2.3 基于人工智能的交通控制方法作为一个理想的城市区域自适应交通信号控制系统，人们希望它具有如下功能：(1)对交通条件的变化如偶发性拥挤、事件、事故及交通需求的增加等具有自适应性，也就是说系统能够在线优化配时方案并进行实时控制；(2)能够利用动态交通分配进行信号控制；(3)能够实现特定线路上的公交或特种车辆优先控制。1.3 基于组态技术的PLC实现交通灯控制系统的目的意义1.3.1 PLC用于交通灯控制的目的将PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其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的实现。目前大多品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成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1。计算机技术的迅猛发展，使小型PLC可编程控制器的指令功能日趋强大。用PLC控制城市交通信号灯，不仅可以完全满足现实需要，而且投资少，周期短，人机对话界面良好，控制方案更简单，适合于各种情况。1.3.2 PLC仿真的意义PLC仿真可看作为软PLC技术的核心内容，其意义主要表现在以下几方面：1为PLC控制系统的开发提供了一种有效的辅助手段，具有经济、灵活、高效等优点。在传统的开发方式下，用户先要根据控制要求选择PLC机型，购买后再进行程序的设计与调试，当然，程序设计可以在购机之前进行，但程序调试必须在实际的PLC上进行。有了PLC仿真软件，即使手头上没有PLC硬件，照样可以进行程序的设计与调试。用编程软件把程序输入到计算机中，在仿真软件中选择相应的PLC机型，确定了一个虚拟的PLC，然后在与实际PLC完全等价的虚拟的PLC上，运行程序，完成调试。使用PLC仿真软件后，用户程序的设计与调试在购买PLC之前就可完成。对用户来说，如果对PLC选型没有把握的话，通过仿真考察一下PLC机型及配置是否与控制要求相匹配，如果不合理，及时调整或更改，非常灵活，这样做，可以避免因为PLC机型选择不当而产生经济损失。另外，用户面对实际工程，在没有PLC的情况下，使用仿真软件可以提前介入，及早完成程序设计与调试，这样，缩短了开发时间，加快工程进度。2为PLC程序调试提供强有力的手段和工具，其调试功能远胜于编程器和编程软件。仿真软件提供了一些极为有效的调试手段和工具，例如，可以单步运行、块运行、单周期运行，可在程序中设置断点。3为调试、校验PLC控制系统提供了完美的虚拟环境。能通过操作该仿真系统来检验系统设计的合理性和PLC程序设计的正确性、可靠性。将大大缩短PLC控制系统的设计、调试周期，而成本将大为降低。当PLC控制系统运行过程中出现问题时，可使用仿真软件模拟现场的情况，仔细分析，找出原因。4为PLC教学提供一种全新的方法和手段，用户使用它学习PLC既经济又方便。仿真软件用于教育和训练是其应用的一个重要方向。一般来讲，学习PLC要有硬件配置，要上机操作。PLC仿真软件可以仿多种型号的PLC，提供一个低成本的虚拟环境。有了它，相当于手头有了各种型号的PLC，用户利用它可学习PLC指令系统，熟悉PLC内部器件的设置，像在实际PLC上一样做各种各样的实验，达到同样的学习效果。第2章 可编程控制器的基础知识2.1 PLC概述2.1.1 PLC的定义可编程控制器，英文全称Programmable logic Controller，简称PLC。它是一个以微处理器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，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2。2.1.2 PLC的特点1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2配套齐全，功能完善，适用性强，易学易用PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。3系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。4体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.2 可编程控制器的应用领域和发展趋势2.2.1 PLC的应用领域PLC是以微控制器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在国内外PLC被广泛应用到冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大3。从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：（1）开关量逻辑控制和动力控制PLC具有强大的逻辑运算功能，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。（3）模拟量控制PLC中配置有A/D和D/A转换模块。其中A/D模块能将现场的温度、压力、流量、速度等这些模拟量经过A/D转换变为数字量，再经PLC中的微处理器进行处理（微处理器处理的数字量）去进行控制或者经D/A模块转换后，变成模拟量去控制被控对象，这样就可以实现PLC对模拟量的控制。（4）通信联网现代PLC一般都有通信功能，PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。2.2.2 PLC的发展阶段及发展趋势一、PLC的发展阶段（1）早期的PLC(60年代末70年代中期)早期的PLC，一般称为可编程逻辑控制器，这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制定时等，它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进，以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器；另外还采取了一些措施以提高其抗干扰的能力；在软件编程上采用广大电工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图4。（2）中期的PLC(70年代中期80年代中后期)在70年代微处理器的出现，使PLC发生了巨大的变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)，这样使PLC 的功能大大增强，在软件方面除了保持其原有的逻辑运算计时、计数等功能以外，还增加了算术运算数据处理和传送通讯自诊断等功能；在硬件方面除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块，各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC 的应用范围得以扩大。（3）近期的PLC(80年代中后期至今)进入80年代中后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片，这样使得PLC 软硬件功能发生了巨大变化。二、PLC的发展趋势（1）向高速度、大容量和超大型、超小型两个方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。（2）PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力为满足各种自动化控制系统的要求，近年不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。（3）增强外部故障的检测与处理能力，编程语言多样化根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。2.3 PLC的基本构成及工作原理2.3.1 PLC的基本构成图2-1 PLC基本组成框图整个PLC的基本组成原理框图如图2-1所示。PLC的基本组成可分为两大部分：硬件系统和软件系统。硬件系统是指组成PLC的所有具体电子电路，其中主要有中央处理器CPU、存储器、输入/输出接口、通信接口、编程器和电源等部分，此外还有扩展设备、EPROM的读写器和打印机等选配的设备。软件系统是指管理、控制、使用PLC，并确保PLC正常工作的一整套程序。这些程序有来自PLC生产厂家的，也有来自用户的，一般称前者为系统程序，后者为用户程序。2.3.2 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根据用户按控制要求编制好并存放于用户程序存储器中的程序，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的扫描工作方式示意图如图2-2所示。图2-2 PLC的扫描工作方式示意图2.4 可编程控制器的编程语言PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；二是采用图形符号表达方式编程语言，如梯形图等5。下面主要介绍最常见的PLC编程语言：梯形图语言梯形图是PLC中最典型的、最基本的一种编程方式。梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言6。如图2-3所示是传统的电器控制线路图和PLC梯形图。图2-3 电气控制线路图与梯形从图中可看出，两种图表示思想基本是一致的，具体表达方式有一定区别。PLC的梯形图使用的是内部继电器，定时/计数器等，都是由软件来实现的，使用方便，修改灵活，是原电器控制线路硬接线无法比拟的。梯形图程序所表达的控制逻辑关系是和继电器线路基本一致的，梯形图中的符号 ， ， 分别代表控制线路中的常开触点（或常开按钮），常闭触点（或常闭按钮）和继电器线圈，每一个触点和线圈均给出一个对应的编号。不同产品型号的PLC机，其编号规定不同，但表达的含意是相同的。梯形图虽与继电器线路很相似，但梯形图在实际应用中仍有其严格的规定，具体规定可有如下几点：（1）梯形图按自上而下，从左到右的顺序进行排列。以一个继电器线圈为一个控制逻辑行（即为一阶梯层）。每一条逻辑行都起始于左母线，终止于继电器线圈，右母线通常可以省略不画。（2）梯形图中母线的意义类似于继电器线路中的电源线，但它不产生实际的物理电流。而只是假想在梯形图中有“电流”流动，我们称之为“概念电流”。概念电流在梯形图中只能作从左向右的单向流动，改变层次也只能先上后下。（3）梯形图由若干“梯层”组成。每个梯层由若干条并联支路组成。每条支路又有若干个编程符号串联组成。支路或符号的最大串联，并联数都是有一定限制的，具体PLC产品有不同规定。（4）梯形图中的继电器线圈不是继电控制电路中的物理继电器，而是与内存映像区中的某一位相对应的，因此称之为“软继电器”。如果梯形图中某继电器的线圈“通电”或触点“闭合”，则映像区中对应存储器的状态为高电平“1”；反之，则为低电平“0”。梯形图中的继电器又分为输出继电器和内部继电器。输出继电器所对应的映像存储器中的信号状态（“1”或“0”），可以通过I/O接口去驱动外部负载。内部继电器包括辅助继电器、定时器、计数器、寄存器等，它们所对应的映像存储器中信号状态（“1”或“0”），只可在编程中供梯形图内部使用，不能用作输出控制。（5）输入继电器仅供PLC接受外部的输入信号，而不能用内部其它继电器的触点来驱动或输入信号。所以，梯形图中只出现输入继电器的触点，不会出现输入继电器的线圈。梯形图中输入继电器的触点闭合表示信号输入。（6）在梯形图程序中，继电器线圈一般情况下只能出现一次。而继电器触点在编程时则可无限次引用，且既可以是常开触点，也可以是常闭触电。（7）PLC运行时是按照梯形图符号排列顺序自上而下，从左向右执行程序的，即PLC是按照扫描方式顺序执行梯形图程序的。因此不会出现几条并列支路同时动作的情况，使得梯形图设计大为简化。2.5 本章小节本章介绍了可编程控制器的特点、基本构成及其工作原理，重点研究了它的梯形图编程语言和I/O地址，为可编程控制器在交通灯控制系统中的应用做好准备。第3章 PLC在交通信号灯控制系统中应用3.1 控制要求1信号灯系统由一个启动开关控制，当启动开关接通时，该信号灯系统开始工作，当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。 2南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮应关闭信号灯系统，并立即报警。3南北红灯亮维持25S。在南北红灯塔亮的同时东西绿灯也亮，并维持20S。到20S时，东西绿灯亮，闪亮3S后熄灭，此时，东西黄灯亮，并维持2S时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。4东西红灯亮维持30S。南北绿灯亮维持25S，然后闪亮3S后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2S后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。以上南北，东西信号灯周而复始的交替工作状态，指挥着十字路口的交通。交通灯流程图如图3-1所示图3-1 交通灯流程图3.2 I/O地址分配表3-1 PLC控制交通灯的I/O地址分配表输入部分输出部分输入器件PLC输入地址编号输出器件PLC输出地址编号停止按钮SB00.00东西红灯100.01运行启动按钮SB10.01东西黄灯100.02东西绿灯100.03南北红灯100.04南北黄灯100.05南北绿灯100.06根据上述项目分析可知在该系统中输入设备仅有程序运行启动开关，而输出设备则有东西红灯、东西黄灯、东西绿灯及南北红灯、南北黄灯、南北绿灯共6路被控对象。根据上述所列输入/输出设备绘制出用PLC控制该系统的I/O分配表，如表3-1所示。同时，为了能够完整地完成上述控制任务，在编制程序时还必须引入部分中间继电器和定时器，其清单如表3-2所示。表3-2 PLC控制交通灯系统所用中间继电器及定时器分配表中间继电器部分定时器部分功用PLC中间继电器地址编号功用PLC定时器编号及定时值启动自锁用20000控制东西绿灯亮20S后闪烁3STIM 001 #230控制东西绿灯亮、闪烁总时间20001TIM 005 #200控制东西绿灯亮时间20002控制东西黄灯亮2STIM 002 #20控制东西绿灯闪烁时间20003控制南北绿灯亮25S后闪烁3STIM 003 #280控制南北绿灯亮、闪烁总时间20004TIM 006 #250控制南北绿灯亮时间20005控制南北黄灯亮2STIM 004 #20控制南北绿灯闪烁时间20006控制东西、南北绿灯闪烁255023.3 硬件接线图根据系统控制要求及I/O分配表，绘制出用PLC控制交通灯系统的PLC硬件接线图，如图3-2所示。图3-2 交通灯控制系统的PLC硬件接线图3.4 编制梯形图程序根据系统控制要求及上述分配给该控制系统的软硬件资源，编制该控制系统的梯形图程序，如图3-3所示。 图3-3 梯形图图3-4 交通灯时序图程序的执行过程可用图3-4所示的时序波形图形象地表达，由图3-4不难看出：东西方向的绿、黄灯的点亮时间时刻和南北方向的红灯点亮的时间时刻是完全相同的；同样，东西方向的红灯点亮的时间时刻也是和南北方向的绿、黄灯点亮的时间时刻是完全相同的。另外，东西方向和南北方向的绿灯闪烁时间为3S，在这3S时间内可以看到出现了三次低电平和三次高电平，从而达到了使东西和南北方向的绿灯闪烁3次（灭3次亮3次）的效果，这个功能是由PLC内部的特殊继电器时钟脉冲继电器来配合完成的。在该梯形图中使用了振荡周期为1S的时钟脉冲继电器255.02，它是按照在一个周期里接通0.5S、分断0.5S的规律周期性地动作的。整个梯形图程序用了6个定时器指令TIM001TIM006，TIM001的计时周期为23S，用于控制东西方向的绿灯点亮和闪烁的总时间；TIM002的计时周期为2S，用于控制东西方向的黄灯点亮时间；TIM003的计时周期为28S，用于控制南北方向的绿灯的点亮和闪烁总时间；TIM004的计时周期为2S，用于控制南北方向黄灯的点亮时间。整个运行循环的周期是55S，当TIM001计时完毕之后由其常开触点闭合，启动TIM002开始计时；同样TIM002计时完毕之后由其常开触点闭合，启动TIM003开始计时；待TIM003计时完毕之后由其常开触点闭合，启动TIM004开始计时；最后当TIM004计时完毕正好是第55S时刻由TIM004的常闭触点断开一个扫描周期，以重启TIM001定时器开始第二轮计时，如此周而复始不断循环。而TIM005与TIM001及1S周期的时钟脉冲继电器255.02配合，使东西方向的绿灯在前20S点亮，后5S闪烁；TIM006则与TIM003及1S周期的时钟脉冲继电器255.02配合，使南北方向的绿灯在25S内点亮，5S之内闪烁。3.5 本章小节本章详细介绍了可编程控制器在交通灯控制系统中的应用，从交通灯控制系统的控制要求，分析可编程控制器的I/O地址分配，研究它的硬件接线，并编制控制交通灯的梯形图控制程序。29第4章 基于组态技术的PLC实现交通灯控制系统4.1 组态软件系统概述（1）组态软件产生的背景“组态”的概念是伴随着集散型控制系统 (Distributed Control System，简称DCS)的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。组态软件作为一种应用软件，是随着PC的兴起而不断发展的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC(包括工控机)相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已趋成熟，由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本，PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强，基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位7。组态软件是面向监控与数据采集(Supervisor Control and Data Acquisition，SCADA)的软件平台工具，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境中，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预先设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和1/0设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI(人机接口软件，Human Machine Interface)的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长、效率低、可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互、升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、数据监控与采集、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持己经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。（2）组态软件的概念人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，使用人机界于可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的成本，同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境，甚至可以用于日常生活之中，应用非常广泛，比如：大坝水位的监控、工业现场温度的控制、自动化停车设备、电梯升降控制、生产线监控等。组态软件甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整等。随着科技的飞速发展，越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面，PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而又操作简便的人机界面的出现，触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化领域里的一个巨大的革新。使用触摸屏作为PLC与操作人员之间的人机界面变得越来越广泛。对于那些专门面向PLC应用的触摸屏，必须有用来配置他们元件的综合设计软件，称为组态软件。组态的概念最早来自英文Configuration，其含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。组态软件图形界面是一个进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统。生成的图形目标应用系统可在图形运行环境中运行。4.2 组态软件的特点和功能4.2.1组态软件的特点组态软件最突出的特点是实时多任务。例如数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储器、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行8。组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件包的主要目的是使使用者在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时应充分了解自动化工程设计人员的基本需求，并加以总结提炼，重点集中解决公共性问题，下面是组态软件主要解决的问题。1、如何与采集控制设备间进行数据交换；2、使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来；3、处理数据报警及系统报警；4、存储历史数据并支持历史数据的查询；5、各类报表的生成和打印输出；6、未使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求；7、最终生成的应用系统运行稳定可靠；8、具有与第三方程序的接口，方便数据共享。自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填入一些事先设计的表格，利用图形功能把被控对象，如反应罐温度计， 锅炉趋势曲线、报表等形象地画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象连接的I/O设备数据发生变化直接带动被控对象的属性变化。若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。从以上可以看出，组态软件具有实时多任务，接口开放，使用灵活，功能多样，运行可靠的特点。4.2.2 组态软件的功能（1）工业生产过程的动态可视化控制；（2）生产过程中生产数据的采集和管理；（3）生产过程监控报警；（4）报表功能；（5）基于网络数据的上传和相应控制。4.3 组态王仿真交通灯控制系统4.3.1 创建仿真显示画面在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。画面的内容是显示仿真对象即交通灯控制的图形结构及控制过程，图形的变化或运动反映了PLC程序的运行结果，所以设计的图形画面要生动逼真，尽量符合实际，画面可以由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成，也可以自行创建新的图形9。交通灯控制系统如图4-1所示。图4-1 交通控制系统4.3.2 定义I/O设备建立PLC内的点与数据库中变量的连接。组态王的设备管理结构列出已配置的与组态王通讯的各种I/O设备名，每个设备名实际上是具体设备的逻辑名称，每一个逻辑设备名对应一个相应的驱动程序，以此与实验设备相对应。只要按照配置向导的提示进行相应的参数设置，选择I/O设备的生产厂家(如欧姆龙公司)、设备名称(PLC)、通讯方式(串行接口)，指定设备的逻辑名称和通讯地址(COM1)，则组态王自动完成驱动程序的启动和通信，不再需要人工进行。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。如图4-2所示。图4-2 定义I/O设备4.3.3 建立数据库数据库是“组态王”软件的核心部分，实验项目要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送实验PLC上，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在组态软件中建立一个“交通灯控制系统”工程，在导航器的实时数据库中根据交通灯控制系统输入输出信号的数量建立相应的变量，并为每个变量定义一个名称，确定变量的类型，如图4-3所示。只要把I/O变量连结到前面定义的外部设备上，就可以和组态软件开发的仿真系统交换数据了。图4-3 建立数据库4.3.4 制作动画连接在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来，或者通过图形对象改变数据变量的值。一个图形对象可以同时定义多个连接，组合成复杂的效果，以便满足实际中任意的动画显示需要。如图4-4所示。图4-4 制作动画连接4.3.5 运行和调试“交通灯控制系统”工程初步建立起来后，进入到运行和调试阶段。在组态软件开发系统中选择“文件切换到View”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面打开”命令，从“打开画面”窗口选择“交通灯控制系统”画面。显示出组态软件运行系统画面，即可看到交通灯倒计时和车辆在动态变化。4.4 基于组态技术的PLC与计算机的通讯PLC与上位计算机的通讯可以利用高级语言编程来实现，但是用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通讯协议，严格的按照通讯协议规定为计算机编写通讯程序，其对用户要求较高，而采用工控组态软件实现PLC与上位计算机之间的通讯，则相对简单，因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序，例如欧姆龙C系列PLC与工控组态软件组态王之间可进行连接实现PLC与上位计算机之间的通讯10。如图4-5所示。图4-5 PLC仿真系统流程图4.4.1 设备连接利用PLC与计算机专用的RS-232电缆，将PLC通过编程口与上位计算机串口（COM口）连接，进行串行通讯。串行通讯方式使用“组态王计算机”的串口，I/O设备通过RS-232串行通讯电缆连接到“组态王计算机”的串口。如图4-6所示。图4-6 仿真实验的系统结构图4.4.2 设备配置在组态王工程浏览器的工程目录显示区，点击“设备”大纲项下PLC与上位计算机所连串口（COM口），进行参数设置。如图4-7所示。图4-7 COM口设置欧姆龙CQM1型PLC编程口的通讯COM口参数设置如图4-8所示。图4-8 CQM1COM口参数设置然后在组态王浏览器目录内容显示区内双击所设COM口对应的“新建”图标，会弹出“设备配置向导”对话框。在此对话框中完成与组态王通讯设备的设置。利用设备配置向导就可以完成串行通讯方式的I/O设备安装，安装过程简单、方便。在配置过程中，用户需选择I/O设备的生产厂家、设备型号、连接方式，为设备指定一个逻辑设备名，设定设备地址。4.4.3 系统运行将PLC通电，开关指向“RUN”状态，打开欧姆龙的编程软件CX-Programmer，把已经编好的交通灯控制程序通过PLC与计算机专用的RS-232电缆传送到PLC，然后关闭CX-Programmer。打开计算机的组态软件运行窗口，运行交通灯控制系统，由图3-3 梯形图可以知道，PLC程序的运行需要对内部继电器200.00赋值“1”，既是当按下交通灯控制画面启动时，200.00也要得到一个启动信号“1”，在组态王中实现的命令语言是在事件命令语言的事件描述中加入“本站点X0启动=1”，发生时加入“本站点输入通道200=1;”，同理，交通灯控制画面停止时，200.00也要得到一个“0”，此功能的实现是当事件描述为“本站点X1停止=0”发生时，加入“本站点输入通道200=0;”命令语言。如此交通灯控制程序通过鼠标操作图形界面上各个按钮，就能来控制PLC的运行情况。通过PLC的启动和停止开关也可以控制组态软件的运行和停止，如果窗口画面上图形的动态变化速度与PLC的控制过程保持同步的话，说明PLC程序编写正确，组态过程的设置合理，否则应检查PLC控制程序。设计中时间继电器的时间设置要考虑PLC设备的延时问题。结果表明，系统运行正常，动画效果良好。内容太少4.5 本章小节本章介绍了运用组态王通过制作交通灯监控画面，建立数据库和制作动画连接等实现交通控制系统的仿真，并通过对组态王和可编程控制器的设备连接和配置，实现二者之间通讯。结论本课题研究了基于组态技术的PLC实现交通灯控制系统，上位机采用了组态王，PLC作为下位机是被控对象，首先交代了课题的背景、来源以及功能特点，现实意义和应用前景。然后通过对基于组态技术的PLC控制系统的介绍，以及对一般PLC控制系统的结构分析，引出了本课题采用的基于工业组态软件的PLC仿真控制系统。并且通过对交通灯的控制研究验证了系统的功能，达到了预期的效果，证明了整个系统设计的可行性和正确性。利用组态软件对PLC控制交通灯系统进行仿真模拟,不仅可以看到PLC的整个控制过程,测试PLC的控制程序的正确与否,而且还可以提供一个可视性好、逼真的良好界面,加深了对课程的理解,激发了学习兴趣,提高了理论水平，同时也为研究组态软件与实际系统的结合提供了非常大的方便。毕业设计是大学课程中非常重要的一个环节，它是对我在大学所学知识的全面检阅，也是对自己的自学能力的又一次检验。我在认真对待毕业设计的过程中，提高了自学能力和独立完成设计的能力。参考文献1 葛付存，王国贵PLC技术及其在公路交通系统中的应用农业与技术2005年05期：204-205文献格式2 俞国亮PLC原理与应用清华大学出版社，2005：1-33 胡宇PLC使用中应注意的问题陕西水利水电技术2006年02期：37-394 徐德，孙同景，陈桂友可编程序控制器（PLC）应用技术山东科技术出版社，2005：2-45 迟之鑫可编程序控制器应用基础人民邮电出版社，2005：21-256 OMRONCQMI编程手册上海欧姆龙公司，19977 严盈富，罗海平，吴海勤监控组态软件与PLC入门人民邮电出版社，2006：23-288 马波自动化组态软件的发展自动化博览2008年03期：84-859 汪志锋工控组态软件北京电子工业出版社，2007：30-3410 Dougall David J. Applications and benefits of real-time I/O simulation for PLC and PC control systems. ISA Transactions.1997: 41-50致谢本篇论文无论是从题目的选择、提纲的编写，还是论文的成稿，指导老师一直以她专业的知识悉心指导着我。因为之前我没有学过有关PLC的课程，也没有接触过组态软件，正是在老师耐心的指导下，才使得本课题得以顺利完成。在此向李澄非老师致以衷心的感谢！还有我要感谢我的同学和朋友们，他们在我做毕业设计的过程中给予我许多关心和帮忙，感谢他们！