基于PLC及MCGS组态软件的交通灯控制系统的设计
摘要：分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，设计了一种简单而实用的城市交通灯控制的PLC控制方案。系统采用西门子CPU 226 PLC控制器，并采用MCGS组态软件制作可视化监控界面，使得交通灯控制系统操作简便，成本低，且系统稳定性好。
关键词：PLC ；交通灯控制；MCGS
第一章 概述
1.1交通灯的历史
1.1.1交通灯的历史
19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩 ，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。
1.1.2交通灯的出现
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
1.1.3交通信号灯的作用和意义
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越来引起人们的关注。人、车、路三者的关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测，交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，他是现代城市交通监控系统指挥中最重要的组成部分。
随着城市机动车辆的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了超负荷运行的情况。因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速公路，在高速公路建设完成的初期，他们
也曾有效的改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市告诉道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路和普通道路耦合出交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速公路，缓解主干道与匝道，城区与周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
根据交通等工艺控制要求和特点，我们采用了日本三菱FX2N_48MR。三菱PLC有小型化，高速度，高性能等特点。三菱可编程控制器指令丰富，可以接各种输入、输出扩充设备，有丰富的特殊扩展设备。其中的模拟输入设备和通信设备是系统所必需的，能够方便的联网通信。本系统就是应用可编程控制器（PLC）对十字路口交通控制等实现控制。本系统采用PLC是基于以下四个原因：
1）PLC具有很高的可靠性，抗干扰能力。通常的平均无障碍时间都在30万小时以上；
2）系统设计周期短，维护方便，改造容易，功能完善，实用性强；
3）抗干扰能力强，具有硬件故障的自我检查功能，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC；
4）今年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。
1.2 PLC的概述
可编程逻辑控制器，PLC （Programmable Logic Controller），一种数字运算操作的电子系统，是以微机处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制技术，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱之一。
1.2.1 PLC的历史
在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制站主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差等，而PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务 。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU通信I/O的基本结构。PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。PLC的诸多优点确定了其在工业中的广泛应用。
1.2.2 PLC的主要功能
1）控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。
2）数据采集与输出。 输入/输出接口调理功能。具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。
3）数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、
滤波等。
4）支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许
操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。
5）通信、联网功能。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。
目录
第一章 概述 17
1.1交通灯的历史 17
1.1.1交通灯的历史 17
1.1.2交通灯的出现 17
1.1.3交通信号灯的作用和意义 17
1.2 PLC的概述 18
1.2.1 PLC的历史 18
1.2.2 PLC的主要功能 19
1.2.3 PLC的主要特点 19
1.2.4 PLC的网络通信 19
1.3 PLC的基本结构 20
1.4 PLC的工作原理 21
第二章 控制系统硬件电路设计 22
2.1 控制器的选择 22
2.1.1 PLC类型的选择 22
2.2 S7-200系列PLC概述 24
2.3 S7-200系列CPU226型PLC的结构 25
2.4 PLC的CPU的工作方式 26
第三章 PLC系统设计 27
3.1 硬件设计 27
3.1.1 S7-200 基本硬件组成 27
3.1.2 I/O分配表 28
3.1.3交通信号灯的PLC硬件接线图 29
3.2系统程序设计 29
3.2.1控制要求 29
3.2.2时序分析 30
3.2.3程序实现 31
第四章 HMI界面设计 35
4.1 HMI产品常识 35
4.1.1人机界面产品的定义 35
4.1.2人机界面（HMI）产品的组成及工作原理 35
4.1.3人机界面产品的基本功能及选型指标 36
4.1.4人机界面产品分类 36
4.1.5人机界面的使用方法 36
4.2 组态软件概述 36
4.2.1组态软件的概念 36
4.2.2组态软件的特点和特性 37
4.3组态软件的数据处理流程 38
4.3.1组态软件的数据采集方式 38
4.4 触摸屏的主界面和参数设置 41
4.4.1设计监控画面 41
4.4.2建立数据库变量 41
第五章 系统调试 46
5.1调试界面 46
5.1.1东西红灯，南北黄灯 46
5.1.2东西红灯，南北绿灯 46
5.1.3 南北红灯，东西黄灯 47
5.1.4 南北红灯，东西绿灯 47
5.1.5 开始页面 48
第六章 总结 49
致谢 50
参考文献
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