组态软件交通灯控制系统设计要点.doc

力控组态软件应用实践毕业课程设计报告书 课题名称 组态软件交通灯控制系统设计 系 部： 自动控制系 专 业： 电气自动化技术 班 级： * 姓 名： * 学 号： 121415244 2014年 12月10日目 录1 摘要1.1课程来源及研究意义 .21.2交通灯控制研究的意义 .21.3论文的主要内容.32 软件的介绍2.1组态软件的介绍和结构.32.2组态软件的功能和特点.42.3组态软件的工作方式.53 交通灯设计的控制仿真3.1设计总结效果图.53.2 动画连接.64 交通灯控制系统的控制设计4.1交通灯闪亮情况控制. .94.1.1东西路口的交通灯控制. .94.1.2 南北路口的交通灯控制. .115 心得体会. .136 附录1：参考文献. .141 摘要1.1课程来源及研究意义 城市的快速发展，机动车拥有量的增长，给交通带来了许多问题，如交通拥堵、交通事故频发、环境污染加剧和燃油损耗上升，其中最为关键的是交叉口的车流量己处于饱和状态。分析其原因主要是由于现有交叉口的几何条件所限，以及缺少完善的的交通管理设施。道路上交通标志不规范，路口渠化不合理等问题加剧了交通拥挤的矛盾，而作为城市交通命脉的主干道的交通阻塞会使整个城市交通陷入瘫痪。解决城市交通拥挤状况，完善路网来缓解交通拥挤不是短时间所能解决的，目前急需做的是进一步挖掘路网的潜力并改善交通现状，特别是改善交通信号控制。可见，研制一种高效的智能交通控制系统是很有必要的，因此，城市交通的智能控制目前已成为国内外交通工程界研究的热点领域之一。而各交叉口是是城市道路网的咽喉要道，是人流和车辆汇集的地方，最容易发生交通阻塞现象，因此交叉口信号的智能控制显得更为迫切。最大程度提高交叉口的通行能力，为经济的发展和人民生活提供一个安全、畅通、高效、低公害低能耗的交通环境已成为必然。通常新型的工业自动控制系统被划分为控制层、监控层、管理层 3 个层次结构。监控层的硬件以 IPC 为主, 其软件采用工业组态软件, 实现完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能; 本文以交通灯控制系统统为例提出了一种基于工业组态软件 MCGS虚拟控制监控系统, 即利用现有的计算机资源, 在计算机上通过组态软件的工作界面和功能来仿真现场控制对象, 进行虚拟控制。1.2交通灯控制研究的意义 交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素。城市道路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾是导致城市交通拥挤的根本原因。城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不可能改变。自从开始使用计算机控制系统后，不管在控制硬件里取得什么样的实际进展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。可以肯定的说，对于减轻交通拥塞及其副作用特别是对于大的交通网络而言，仍然缺乏一种真正的交通响应控制策略。计算机硬件能力与控制软件能力很不相符，由此造成的影响是很多交通控制策略根本不能实现。在少数几个例子中，一些新的控制策略确实能得以实现，但他们却没能对早期的控制策略进行改进。由于缺乏能提高交通状况、特别是缺乏拥塞网络交通状况的实时控制策略，几乎可以一说真正成熟的控制策略仍然不存在。在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。 传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。未来的城市交通控制系统能适应城市交通的发展。从长远来看该研究具有巨大的现实意义。1.3论文的主要内容 模拟的十字路口交通灯组态图，用一个开关控制交通灯的运行与停止，当开关为开时，先南北红灯、东西绿灯亮此时东西方向的车辆运行，延时15秒东西绿灯变为闪烁状态，闪烁5秒后跳到黄灯亮，此时东西方向的车辆停止运行，东西黄灯亮3秒后，变为东西红灯、南北绿灯，则南北方向车辆运行，延时15秒南北绿灯变为闪烁，闪烁5秒后跳到南北黄灯，则南北方向的车辆停止运行，南北黄灯亮3秒后，再回到南北红灯、东西绿灯的状态，循环下去。无论运行到那个状态当开关由开变为关闭时，所有的灯都处于不亮状态。2 软件介绍2.1 组态软件的介绍和结构 随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。MCGS工控组态软件的出现为解决一些实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 它的主要特点有（1）延续性和可扩充性。使用MCGS工控组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），MCGS工控组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性和可扩充性，每个用户根据工程实际情况，利用MCGS工控组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的设备驱动、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有网络功能的工程，不受行业限制。 MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。组态环境：组态生成应用系统运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。 MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。 2.2组态软件的功能和特点 全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。庞大的标准图形库、完备的绘图工具以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS 6.2还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS 6.2组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等等，并提供完善的用户权限控制2.3 组态软件的工作方式 MCGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB、VC程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中的各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。详细情况请参阅后面第四讲中的动画连接。3交通灯控制的设计仿真3.1设计总结效果图3.2动画连接 动画连接是指画面中图形对象与变量或表达式的对应关系。建立关联后，在监控系统进行是，根据变量或表达式的数据变化，图像对象会发生颜色变化、大小改变、文本刷新等。这样就将现场真实的数据投影到计算机的监控画面中，从而达到远程监控的目的。此系统中分别对开关精灵、红绿灯、转向指示进行了相关的动画连接，从而可以动态的实现系统的控制。具体的实现方法如下图所示：指示灯设置：开关设置： I/O设备设置I/O设备设置是指对包括应用程序的“软件设备”和现场数据采集交换的硬件设备在内的广义上I/O设备驱动程序进行配置，使其与组态软件能够建立通信，构成一个完整的系统。在被监控系统中，对开关“run”。以及各个红绿灯的代码进行定义，地址分配，通讯方式选定。在监控系统中建立的仿真PLC实现，实现方法如下图：配置I/O设备的过程在图形开发环境Draw的导航器中进行，按照设备安装对话框的提示就可以完成对I/O设备的配置工作。I/O设备配置完成后，在导航器中会列出I/O设备的设备名称，同时生成的设备名称即可用于数据连接过程，在系统运行过程中，力控通过内部管理程序自动启动相应的I/O驱动程序，I/O驱动程序负责与I/O设备进行实时数据交换。创建实时数据库实时数据库(DB)是整个监控系统的核心。它负责整个系统的实时数据处理和历史数据的存储、统计数据处理、报警信息处理、数据服务请求处理，完成与过程数据采集的双向数据通信。在本系统中，经过创建点参数、定义I/O设备、数据连接等几个步骤便可以完成数据库的创建。系统中采用的I/O设备的数据采集与回送是实时数据库的一个最基本的功能。因为实时数据库系统应用所面向的监控对象最终还是要落实到具体的硬件设备。本控制系统的实时数据库建立过程如下图所示：窗口中间变量：af对应南北、东西直走红绿灯；aaff对应南北、东西转向红绿灯。4交通灯控制系统的控制设计4.1.1东西路口的交通灯设计（1）东西绿灯的运行情况大致如下：0-15s东西绿灯亮15-20s东西绿灯闪烁，其设置如图3北 南东西图2 交通指挥灯示意图绿 黄红绿黄红红黄绿绿红黄图3东西绿灯在组态中的设置其中绿灯的闪烁效果通过可将独来实现的其命令是如下：(a>=15)and(a<17)or(a>=17)and(a<19)（2）东西黄灯是在绿灯闪烁开始亮的，亮3s即a在20-23s的范围内黄灯是亮的。其在组态中的具体设置如下图4，其中可见度的命令式为：(a>=20)and(a<23)图4 东西黄灯在组态中的设置（2）东西红灯是在黄灯灭后开始亮的，亮23s即a在23-46s的范围内红灯是亮的。其在组态中的设置如下图5可见度的命令式为：a>=23图5 东西红灯在组态中的设置41.2南北路口的交通灯设计 （1）南北红灯在东西绿灯及黄灯亮时是亮的，亮23s即a在0-23s内南北红灯是亮的。其在组态中的设置如图6.其可见度的命令行式：a<=23图6 南北红灯在组态中的设置(2)南北绿灯在红灯亮后运行，亮15s闪烁5s，即a在23-38范围内绿灯亮在38-43范围内绿灯闪烁其在组态中的设置如下图7，其的命令行为(a>23)and(a<=38)or(a>38)and(a<=40)or(a>40)and(a<=42)其中：(a<=38)or(a>38)and(a<=40)or(a>40)and(a<=42)是用来实现其闪烁效果的。图7 南北绿灯在组态中的设置（3）南北黄灯是在绿灯闪烁后运行的，亮3s即a在43-46的范围内黄灯亮，其在组态中的设置如下图8可见度的命令行是：(a>43)and(a<=46)。图8 南北黄灯在组态中的设置5心得体会 在本次课程设计中，我成功的完成了课程设计课题组态软件交通灯控制系统设计控制。从一开始的课题认知、资料的查找，材料的整理，在各组员的协力合作下，在老师的指导下，我认真学习、仔细分析，遇到问题及时商量查找资料，当查找资料后还有不明白的地方及时请教老师，咨询同学。通过近两周的学习研究终于完成了该设计，在设计中，由于本人知识的局限性，设计选择了一些相对肤浅的设计理论，设计略显不足。感谢和我一起努力奋斗的同学们，因为你们，我的学习和生活过得精彩而充实！再一次感谢在范老师一学期的辛勤教授组态软件的知识，使我能够顺利完成该课程设计。6 附录1：参考文件 1 唐伟杰 基于组态王和PLC交通灯仿真控制系统 2010年06期 北京理工大学珠海学院2 曹金福、谭胜富 电气控制与PLC 2010年02月 化学工业出版社 3 赵燕、周新建 可编程控制器原理与应用 2010年03月 北京大学出版社4 薛士龙 电气控制与可编程控制器 2011年3月 电子工业出版社5 王文义 可编程原理与应用 2010年01月 科学出版社6 袁任光 可编程控制器选用手册 2003年10月1日 机械工业出版社7 卢巧 PLC编程指令与梯形图快速入门 2010年11月 电子工业出版社8 岂兴明 PLC与变频器快速入门与实践 2011年1月1日 人民邮电出版社9 姚福来 变频器、PLC及组态软件实用技术速成教程 2010年6月 机械工业出版社10 李红萍 工控组态技术及应用组态王 2011年8月 西安电子科技大学出版社11 龚仲华韩晓新 从基础到实践PLC与组态王 2011年8月 机械工业出版社12 龚仲华 三菱FX系列PLC应用技术 2010年10月1日 人民邮电出版社13 张凯 可编程控制器教程 2005年2月 东南大学出版社14 组态王初级培训教程 北京亚控科技发展有限公司 2005年1月 版本号：V1.5