【基于PLC交通信號燈控制系統設計14000字（論文）】

[3]。MCGS組態軟件生成的項目由主控制窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和操作策略五個部分組成。MCGS軟件系統由配置環境和用戶界面兩部分組成，如圖5-1所示。

圖5-1MCGS軟件系統構成5.2MCGS設計過程5.2.1創建工程1.鼠標單擊文件菜單中“新建工程”選項，在新建工程設置中選擇“TPC1061TD”，分辨率為1024×600，自動生成新建工程，默認的工程名為：“新建工程X.MCE”。2.選擇文件菜單中的的“工程另存為”菜單項，彈出文件保存窗口，在文件名一欄內輸入“交通信號燈系統”，點擊“保存”按鍵，工程創建完畢。如圖5-2、5-3所示。圖5-2新建工程圖5-3新建工程設置5.2.2制作工程畫面5.2.2.1建立畫面1.在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鍵，建立“窗口0”。2.選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設置”，修改窗口名稱為“交通信號燈”。3.將該窗口設置為啟動窗口。如圖5-4、5-5所示。圖5-4建立窗口圖5-5修改窗口名稱5.2.2.2編輯畫面1.選中“交通信號燈”窗口圖標，單擊“動畫組態”，進入動畫組態窗口，開始編輯畫面。如圖5-6所示。圖5-6動畫組態2.單擊工具條中的“工具箱”按鍵，打開繪圖工具箱。如圖5-7所示。圖5-7繪圖工具箱選擇“工具箱”內的“標簽”按鍵，在適當的位置插入文本框，輸入“交通信號燈系統”。選中文字框，右擊屬性作圖中設置。點擊工具條中的“字符字體”按鍵，設置文字字體為：宋體、常規、小四。如圖5-8、5-9所示。圖5-8文字框屬性設置圖5-9標簽屬性設置5.2.2.3插入元件1.點擊繪圖工具箱中的（插入元件）圖標，從“指示燈”類中選取指示燈19，作為交通信號燈，并設置顏色為紅黃綠三個顏色。如圖5-11所示。圖5-11插入指示燈在設置指示燈的屬性時，除了填充顏色為紅黃綠燈以外，根據設計要求，綠燈要設置“閃爍效果”，同時每個燈要設置對應的表達式，例如南北綠燈、南北紅燈、南北黃燈等等，同時設置當輸入為“0”時為黑色，輸出為“1”時顯示顏色。如圖7-12所示。圖5-12指示燈屬性的設置3.插入標簽，設置初始數字為“00”，填充顏色為黑色，字符顏色為紅色，顯示輸出，設置屬性表達式，輸出值類型為“數值量輸出”，輸出格式為“十進制”。如圖5-13所示。圖5-13倒計時顯示設置插入小車的圖片，在動畫組態屬性設置時，默認為自西向東運動為正方向，自上而下運動為負方向，設置東西方向的最大移動偏量為1100，南北方向的最大移動偏量為550，則自西向東運動的車輛設置最大移動偏量為1000，自東向西運動的車輛設置最大移動偏量為-1000，南北車輛的設置同理。如圖5-14所示。圖5-14插入動畫組態圖5-15車輛移動的設置插入“復位”、“停止”、“啟動”三個按鈕，設置文本、文本顏色、邊線色，設置水平對齊、垂直對齊、文字效果和按鈕類型。輸入腳本程序，“啟動=1，停止=0”。如圖7-16所示。圖5-16按鈕設置畫面設計如圖5-17所示。圖5-17畫面設計5.2.2.4定義數據對象1.單擊工作臺中的“實時數據庫”窗口標簽，進入實時數據庫窗口。2.單擊“新增對象”按鍵，在窗口的數據對象列表中，增加新的數據對象。如圖5-18所示。圖5-18數據庫設置5.2.3運行策略5.2.3.1復位運行當“復位=1”時，系統循環運行，此時南北車輛、東西車輛都回到原點，東西時間從18開始進行倒數，南北時間從12開始進行倒數。腳本程序如圖5-19所示。圖5-19復位運行腳本5.2.3.2啟動運行當輸入為“1”時，啟動運行，此時東西時間計時和南北時間計時進行一秒一秒地倒數，腳本程序如圖5-20所示。圖5-20啟動運行腳本5.2.3.3亮燈與車輛的控制以步驟10為例。當運行步驟10時，為南北綠燈亮12秒，東西亮紅燈，“=1”為燈亮，“=0”為燈不亮。根據畫面中動畫組態的坐標距離差距，當東西車輛移動到200的位置時，車輛移動到人行道前，即停止運動，南北車輛亦是如此，當南北車輛移動到坐標為520時，停止運動。當南北的倒計時結束，即數字小于0時，跳到步驟20即下一個步驟為南北綠燈閃爍3秒，東西紅燈亮，此時南北的計時變為從3開始的倒數。腳本程序如下圖。圖5-21控制腳本程序5.3系統MCGS畫面運行運行仿真結果如圖5-22所示。圖5-22MCGS運行畫面6控制系統軟件設計6.1PLC時序控制圖交通信號燈時序控制圖如圖6-1所示。按啟動按鈕，交通燈開始工作，按停止按鈕，交通燈停止工作。系統啟動后，南北方向綠燈亮15s,同時東西方向紅燈亮18s,在12S時南北方向綠燈開始閃亮3S后熄滅，之后南北方向黃燈亮3s，東西方向紅燈熄滅，東西方向綠燈亮。南北方向紅燈亮18S,在此同時東西方向綠燈亮15s，在12s時東西方向綠燈開始閃亮，閃亮3s后熄滅,然后過渡到東西方向黃燈亮3s后熄滅;之后又回到東西方向紅燈亮,東西方向紅燈熄滅南北方向紅燈亮的狀態。兩個方向的信號燈，按上面的要求周而復始地進行工作。圖6-1交通信號燈時序控制圖6.2主程序的設計當按下啟動按鈕，通過定時器定時先實現南北綠燈亮12秒，則南北方向的車輛通行，東西方向的車輛禁止運行，之后通過定時器定時實現南北方向綠燈閃爍3秒，然后定時實現南北方向黃燈亮3秒，在此期間東西方向始終亮紅燈，時間為18秒，之后定時器定時實現東西綠燈亮12秒，同時南北紅燈亮12秒，則東西方向的車輛允許通行，南北方向的車輛停止通行，之后定時器定時實現東西方向綠燈閃爍3秒，此時南北方向仍然紅燈亮3秒；然后西黃燈亮3秒，再回到南北綠燈、東西紅燈的狀態，循環下去。整個系統實現東西方向紅燈時，南北方向為綠燈到綠燈閃爍到黃燈再到南北方向為紅燈時，東西方向為綠燈到綠燈閃爍再到紅燈的狀態，循環變化。當啟動信號斷開時，所有的信號燈都保持原有狀態。整個系統的總體流程圖如下圖6-2所示。圖6-2系統總體流程圖6.3子程序的設計6.3.1啟動與停止按下啟動按鈕I0.0，將M0.0置位為1，系統開始運行。按下停止按鈕I0.1，所有信號燈全滅。6.3.2循環運行當MO.O置位為“1”時，啟動啟動運行，通過一個上升沿之后，接一個輔助繼電器M0.6，通過M0.6可以控制南北方向的紅燈，在時間繼電器T42運行后也通電M0.6，保證系統的循環運行，即在東西方向黃燈運行結束后，南北方向重新運行。6.3.2南北方向的控制1.輔助繼電器M0.6閉合后，接通線圈M0.1，南北綠燈開始工作，當定時器T38計時結束后，南北綠燈停止工作，控制系統啟動的線圈M0.0通電，控制南北綠燈的線圈M0.1通電，綠燈又亮起。線圈M0.1通電控制南北綠燈啟動，當定時器T37計時結束后，線圈M0.1斷電，綠燈南北綠燈停止工作，此時，控制燈閃爍的繼電器M0.2接通，輸出繼電器Q0.0開始工作，南北綠燈亮，呈閃爍狀態。繼電器M0.1控制南北綠燈的啟動，通過定時器控制時間，定時器單位為100ms，設置120個單位即12s，定時器T37后定時器T38，設置30個單位，即3s。在計時器T37后接通SM0.5，提供一個周期為1秒鐘的時鐘脈沖，0.5秒為1，0.5秒為0，以此來實現燈的閃爍狀態。在定時器T38的工作之后接入繼電器M0.0,后接輸出繼電器Q0.1，以此來實現黃燈的亮起。黃燈的時間控制接入定時器T39，時間為3秒，當定時間時間結束后，黃燈也停止工作。6.3.3東西方向的控制1.輸出繼電器Q0.4控制東西方向的黃燈，輔助繼電器M0.3控制綠燈的啟動，在東西方向亮黃燈或者綠燈的時候，一直接通控制南北方向紅燈的輸出繼電器Q0.2，即南北方向一直亮紅燈。控制南北黃燈定時的T39接通后，通電輔助繼電器M0.3，通過定時器T41控制綠燈的啟動與停止。2.線圈M0.3通電控制東西綠燈啟動，當定時器T40計時結束后，線圈M0.4斷電，綠燈南北綠燈停止工作，此時，控制燈閃爍的繼電器M0.4接通，輸出繼電器Q0.3開始工作，東西綠燈亮，呈閃爍狀態。繼電器M0.3控制東西綠燈的啟動，通過定時器控制時間，定時器單位為100ms，設置120個單位即12s，定時器T40后定時器T41，設置30個單位，即3s，實現綠燈亮12秒后，閃爍3秒。5.在計時器T40后接通SM0.5，提供一個周期為1秒鐘的時鐘脈沖，0.5秒為1，0.5秒為0，以此來實現燈的閃爍狀態。在定時器T41的工作之后接入繼電器M0.0,后接輸出繼電器Q0.4，以此來實現東西黃燈的亮起。在控制黃燈亮起的輸出繼電器后接入控制南北綠燈的輔助觸點M0.4，使得東西黃燈在定時器T42的定時3秒期間，南北亮綠燈，在3秒時間結束后，東西黃燈滅，南北綠燈也停止工作。6.當控制南北綠燈啟動的線圈M0.1和控制南北黃燈的輸出繼電器Q0.1工作時，通電控制東西紅燈的輸出繼電器Q0.5，保證在南北亮紅燈和南北亮黃燈時，東西亮紅燈。7梯形圖的仿真7.1仿真軟件概述本設計采用的仿真軟件是西門子plc仿真軟件（s7-200），這是一款需要西門子plc編程軟件。該軟件唯一的功能就是將西門子plc編程軟件編好的程序直接在電腦中進行虛擬運行，以此來測試該程序是否準確，如果無法進行仿真，則說明該程序出現錯誤，這個時候就需要我們去修改程序直到仿真軟件能夠正常運行該程序。S7-200仿真軟件西門子s7-200仿真軟件不需要安裝，執行其中的“s7-200仿真.EXE”文件，就可以打開。點擊屏幕中間出現的畫面，輸入密碼按回車鍵，開始仿真。軟件自動打開是老型號的CPU214，應執行菜單命令“配置”-“CPU型號”，用打開的對話框設置CPU的型號。仿真軟件界面如圖7-1所示。圖7-1s7-200仿真軟件界面7.2程序調試在仿真軟件載入程序之前要進行程序的調試，在調試完程序之后才能夠導出程序。首先需要運行程序，在編程軟件STEPT7中選擇“調試”-“RUN（運行）模式下程序編輯”見圖5-2。若運行無誤可以導出程序文件（.awl），若運行有誤則需改程序。導出程序文件步驟是：選擇“文件”-“導出”-命名存儲。圖7-2程序運行7.3程序仿真1.打開s7-200仿真軟件，首先需輸入訪問密碼“6596”，界面如圖7-3。圖7-3訪問界面2.其次，要進行CPU選型，軟件默認的CPU型號是214，選型改為224。步驟為選擇“配置”-“CPU型號”-“CPU224”-“確定”，即完成選型，見圖7-4。圖7-4CPU的選型3.接著，載入之前導出的程序，步驟為：選擇“程序”-“載入程序”-“裝入CPU”，如圖7-5。圖7-5載入程序7.4仿真效果本次設計通過仿真效果來檢查信號燈的亮滅是否滿足設計的要求。按下I0.0按鈕，系統啟動。如圖7-6所示，1.系統啟動后，輸出接觸器I0.0和I0.5亮，即南北綠燈和東西紅燈亮，滿足設計要求。圖7-6南北綠燈和東西紅燈2.12秒后，輸入接口I0.0閃爍，I0.5常亮，滿足南北綠燈閃爍，東西亮紅燈的設計要求。如圖7-7所示。圖7-7南北綠燈閃爍東西亮紅燈隨后輸出接口I0.1和I0.5亮，即南北亮黃燈，東西亮紅燈，滿足設計要求。如圖7-8所示。圖7-8南北亮黃燈東西亮紅燈輸出接口I0.2和I0.3亮，即東西亮紅燈，南北亮綠燈，滿足設計要求，如圖7-9所示。圖7-9東西亮紅燈南北亮綠燈12秒后，輸入接口I0.2閃爍，I0.3常亮，滿足東西綠燈閃爍，南北亮紅燈的設計要求。如圖7-10所示。圖7-10東西綠燈閃爍南北亮紅燈最后輸出接口I0.2和I0.4亮，即東西亮黃燈，南北亮紅燈，滿足設計要求。如圖7-11所示，并且系統循環運行。圖7-11東西亮黃燈南北亮紅燈8系統測評8.1成本計算1.PLC：根據系統的設計要求和輸入輸出端口的分配，本次設計選用S7-200系列的PLC，并且選用CPU224型號（14個輸入，10個輸出），所以在購買硬件設備時，我們選用6ES7214-1BD23-0XB0CPU224型號的一個西門子設備。2.信號燈：在選擇交通信號燈時，我們應當注意以下幾點：（1）符合GB14887-2011《道路交通信號燈》標準；（2）適用于LED光源、結構人性化、外形美觀、工藝精細，便于組合安裝；（3）表面采用傾斜面設計，不易積灰；（4）外殼采用鋁合金材料或者聚碳酸酯（PC）材料，具有防塵、防水、阻燃、抗老化的特點，使用壽命長；因此，在綜合多家公司產品后，選擇性價比較高的江蘇順泰交通公司的交通燈產品，燈體外殼顏色為黑色或黃色，底殼、前門蓋、透光片及密封圈表面平滑，無缺料、開裂、銀絲、變形和毛刺等缺陷，表面具有牢固的防銹、殼體為鋁壓鑄外殼或工程塑料外殼，出光面直徑有300mm和400mm，光源采用進口超高亮度LED，具有壽命長、功耗低、外觀新穎燈特點。防腐蝕層。前門蓋和底殼采用卡扣式連接方式，方便徒手開啟和關閉。產品通過公安部交通安全產品質量監督檢驗中心檢測，符合中華人民共和國國家標準GB14887-2011。其技術特性為：工作電壓:AC220V±20%工作頻率:50Hz±2Hz啟動瞬間電流:<1A啟動響應時間:<25ms關閉響應時間:<55ms絕緣電阻:≥500MΩ介電強度:耐壓1440VAC泄露電流:≤0.1mA接地電阻:≤0.05Ω工作溫度:-40℃~+80℃濕熱性能:溫度為40℃時，空氣相對濕度≤95%±2%斷路器：本系統選用斷路器實現開關的控制，斷路器能夠關合、承載和開斷正常回路條件下的電流并能關合、在規定的時間內承載和開斷異常回路條件下的電流的開關裝置具有過載、短路和欠電壓保護功能，有保護線路和電源的能力。由于信號燈的總功率較小，所以我們選用具有兩個接口的2P10A規格的斷路器即可。控制系統設計成本的計算如表8-1所示。表8-1成本計算NO名稱品牌型號數量單價總價1PLC西門子6ES7214-1BD23-0XB0CPU2241250025002信號燈江蘇順泰JD400-3-L03國標交通信號燈1230036003斷路器施耐德EA9RN2C6330CAR1200200合計63008.2經濟性能相比于傳統的白熾燈、鹵素燈相比，LED交通信號燈運用的壽命長，一般可達到十年，即使考慮到戶外室內惡劣環境的影響，在無需維護的狀態下，LED交通燈的壽命一般在6-7年左右，這每年需要替換3-4次并且需要定期修理的白熾燈和鹵素燈相比，節省了人力財力和物力。例如白熾燈的功率通常為100-150W，耗電量較大，所以在一個十字路口安排四組機動車信號燈，如果采用100W的白熾燈，以每組燈每天點亮24h來算的話，全天的耗電量為9.6KW，按照工業或商業的電費1元/千瓦時來計算，每天的電費為9.6元，，每年的電費為3504元，按照一個中等城市的一百個路口來計算，一年僅僅交通信號燈的電費就高達35萬元。所以使用PLC控制的交通信號燈相對于傳統信號燈而言性價比是較高的。8.3系統評價在系統的使用方面，設計本系統時，我們只是簡易地基于PLC對十字路口的機動車信號燈進行了設計，然而，當系統實際運用到生活中時，我們發現在高峰時期，我們應該考慮該靈活地設計燈亮的時間，才能更好地避免交通的堵塞，要根據車流量實時地進行路燈的控制，另外，在后續改進設計的時候，我們應當設計應急車道來面對突發情況。在經濟性能方面，目前有許多的城市正在初步運用太陽能交通信號燈，太陽能是一種取之不盡用之不竭的天然能源并且又是一種可再生的清潔能源，所以太陽能LED交通燈的使用將是我國交通燈未來發展的趨勢。另外，在新的安全國標信號燈中，正在逐步取消“綠燈閃爍”狀態，實行綠燈倒計時，以避免有車輛在綠燈閃爍時加速通過，造成交通事故。結論本設計是基于PLC的交通信號燈控制系統的設計。由于是基于可編程控制器設計，所以相對于傳統的交通信號燈來說，設計易于控制，性價比也更高。該設計主要完成了四個方面的控制，分別是：南北紅燈、南北綠燈、南北綠燈閃爍、東西紅燈、東西綠燈和東西綠燈閃爍。先設計出整體的方案，然后用MCGS組態軟件模擬交通燈路口。在整個梯形圖中，利用定時器實現交通信號燈亮燈時間的控制，利用時鐘脈沖實現燈的閃爍。程序簡單易懂，控制便于操作。該設計在實際應用中可以廣泛地使用在城市的十字路口，可以節約電能，會受到越來越多人的歡迎。在使用可編程控制器進行設計時，主要采用我們學過的s7-200，出于s7-200與組態不兼容，所以進行調試仿真時采用的是與s7-200編譯器相匹配的s7-200仿真器進行仿真。設計采用的CPU