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基于组态技术与PLC在交通灯控制系统中的应用

2010年第2期(总第135期)
郑则炯(广东轻工职业技术学院机电工程系,广东广州 510300)
 
  【摘 要】 组态技术是当前工业中用于监控的一项新技术,它是计算机控制技术发展的结果。以交通灯控制系统为例,运用组态技术及结合相关的PLC程序,通过软件仿真和交通灯指示灯的变化,实现交通灯控制系统的监控问题,且系统状况良好,它的应用可以节省大量的人力和物资。
  【关键词】 组态技术;PLC;控制系统;监控;仿真
 
1 引言
  当前,组态控制技术在工业自动化领域逐渐兴起,成为一种新型的软件开发技术。只要利用组态软件包中的工具,通过硬件组态、数据组态、画面组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作,可以实现远程监控、数据采集、数据分析、过程控制等功能。而当前很多自动控制系统中,常常选用可编程序控制器(PLC)作为控制设备,用于数据采集、状态判别和输出控制。在PLC与计算机通讯的基础上,通过组态软件可以对PLC的当前工作状态进行全方位的监控,进一步通过组态软件可以对控制对象的工作过程进行全程模拟仿真,实现远程控制。因其充分利用了计算机和PLC的特点,实现了优势互补而得到广泛应用。本文利用计算机作为上位机,利用(kingview7.0)组态软件作为程序开发平台,下位机采用三菱公司FX-2N系列可编程序控制器,组成一个简单实用的十字路口交通灯控制系统,以解决路口人行横道中行人闯红灯而引起的交通安全问题。
2 交通灯系统控制要求
  交通灯对我们人类来说是个必不可少的交通信号工具,它关系着我们的人身安全。尤其在大城市里,绝容不得有半点失误。本文的控制要求如下:按启动按钮X0,交通灯开始工作,按停止按钮X1,交通灯停止工作。系统启动后,南北方向红灯亮25S,同时东西方向绿灯亮20S,到20S时东西方向绿灯开始闪亮3S后熄灭,然后过渡到东西方向黄灯亮2S后熄灭;之后东西方向红灯亮,南北方向红灯熄灭,南北方向绿灯亮。东西方向红灯亮30S,在此同时南北方向绿灯亮25S,到25S时南北方向绿灯开始闪亮,闪亮3S后熄灭,然后过渡到南北方向黄灯亮2S后熄灭;之后又回到南北方向红灯亮,东西方向红灯熄灭,东西方向绿灯亮的状态。两个方向的绿灯闪亮间歇时间均为0.5S。两个方向的信号灯,按上面的要求周而复始地进行工作。
     图1  系统结构图 
2.1  系统硬件
  根据系统的控制要求所设计的硬件电路组成见图1。系统的硬件主要由计算机(PC机)、可编程序控制器(PLC)及交通灯等构成。其中PLC选用三菱公司FX2N一48MR系列可编程序控制器,其输出端可以直接驱动继电器、接触器等负载,构成一个自动化的交通控制系统。在系统成功完成后,只需安装相应的机电设备如红绿灯即可投入实际运行,其中用KingView组态软件设计的人机界面则成为系统的监控部分,具有较大的实用价值。
 
        图2  流程图     
 
                               图3  梯形图
2.2  系统软件
2.2.1  PLC控制程序设计
  PLC程序设计语言有很多种,它们是梯形图语言LAD(1adder Diagram)、语句表STL(Statement List)、功能块图(FBD)、逻辑方程式等。其中,梯形图语言形象直观、容易掌握,是PLC中用得比较多的一种编程语言。按照系统的控制要求,采用三菱公司的梯形图编程软件FXGP_WIN-C编写了系统的控制程序,给出交通灯控制系统的流程图和部分梯形图控制程序(如图2,图3)。
2.2.2  kingview组态实现
  启动kingview组态软件的组态环境以后,在组态王“画面”上创建十字路口红、黄、绿交通信号灯的控制示意图,建立启动和停止按钮,并将各个控制信号灯及启动和停止按钮与所建立相应变量关联,进行动画连接。接着在工程管理器中,选择"数据库\数据词典",双击"新建图标",弹出"变量属性"对话框。定义FX2N-48MR PLC相应寄存器,并建立数据库变量,实时数据库是工程的数据交换和数据处理中心,数据库中的基本单元就是数据变量,建立实时数据库的过程也是定义数据变量的过程。定义数据对象的内容主要包括:指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围,确定与数据变量存盘相关的参数,如存盘的周期、存盘的时间范围等。建立的部分实时数据库见表1。由图形对象构成的图形画面是静止不动的,需要对这些图形对象进行动画设计,真实地描述外界对象的状态变化,达到过程实时监控的目的。kingview实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接,并设置相应的动画属性,当变量的值改变时,在画面上以图形对象的动画效果表现出来,或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值。在系统运行过程中,图形对象的外观和状态特征,由数据对象的实时采集值驱动,从而实现图形的动画效果。系统组态完成后,在确认没有错误的情况下即可进入kingview的运行环境仿真。
    表1  数据库变量表 
变量名称
类型
变量说明
X0
开关型
启动
X1
开关型
停止
K
开关型
中间继电器M0
东西绿灯Y1
开关型
东西绿灯
东西黄灯Y2
开关型
东西黄灯
东西红灯Y3
开关型
东西红灯
南北红灯Y5
开关型
南北红灯
南北黄灯Y6
开关型
南北黄灯
南北绿灯Y7
开关型
南北绿灯
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
            
3 PLC与上位计算机组态王软件的通讯
  本文组态王KingView的控制系统向导如图4所示,先在上位机系统中需要安装组态王KingView7.0软件和三菱PLC编程软件FXGP_WIN-C,下位机采用三菱公司生产的FX2N一48MR型PLC。PC机(上位机)通过RS-232串行接口,利用通信电缆SC一09与PLC连接。在PC机中通过PLC编程软件把已编译的控制程序下载到下位机PLC。接着实现设备驱动的具体方法是在设备窗口内配置不同类型的设备构件,并根据外部设备的类型和特征,设置相关的属性。在KingView组态中一般都包含有一个或多个用来读取或者输出数据的物理通道,KingView组态把这样的物理通道称为设备通道。设备通道只是数据交换用的通路,而进行数据交换的对象,则必须由用户指定和配置。所有的设备通道都必须与实时数据库相连接。所谓通道连接,即是由用户指定设备通道与数据对象之间的对应关系,这是设备组态的一项重要工作。最后,在上位计算机已安装组态KingView环境下运行已开发的实验项目,同时使PLC下位机进入运行状态,通过鼠标和键盘操作界面上的图形对象就可以进行控制系统的模拟仿真。
   图4  设备配置向导图  
3.1  对画面运行系统调试
  启动kingview组态王运行系统TOUCHVIEW,运行交通灯组态界面的控制。将PLC开关指向“RUN”状态,按下启动按钮,观察交通信号灯系统的控制结果。分别观察软件界面和交通灯控制实验板指示灯的变化,如下图5所示:
   
图5  软件界面与交通灯控制实验板
  实验结果表明,软件界面和交通灯控制实验板指示灯的变化是同步的,系统运行正常,动画效果良好, 也就是说组态软件系统能有效的填平抽象与现实之间的思维鸿沟。
 
4 结语
  根据交通灯控制系统的控制要求,利用组态技术及PLC构成了简单可靠的交通灯控制系统。设计的软件实现了下述功能:可在计算机上对系统进行启动或停止控制;系统控制过程进行动画显示,在计算机屏幕上可直观地观察到各路口红绿灯的变化,系统可按设定的控制规律自动运行,系统工作正常可靠。系统控制方案还具有较强的通用性,可在PLC技术应用中推广。基于PLC的控制系统在kingview组态中得到实现,能以仿真动画的形式直观地看到被控对象的运行情况及程序的执行结果,它的应用可以节省大量的人力和物资,促进社会的进步和提高社会的经济效益。
 
参考文献
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郑则炯(1982-),男,广东揭阳人,维修电工高级技师,助理实验师,研究方向:控制工程。
   
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