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plc交通灯MCGS模拟论文
1 可编程控制器简介
1.1 PLC简介

随着微处理器，计算机的和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制技术已经渗透到所有工业领域。当前用于工业控制的计算机可分为:可编程控制器,基于PC总线的工业控制计算机,基与单片机的测控装置,用于模拟量闭环控制的可编程调节器,集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。可编程控制器是应用广泛,功能强大,使用方便的通用工业控制装置,已成为当代工业自动化的重要支柱.近几年，在国内已得到迅速推广普及。
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容写入控制器的用户程序内，控制器和被控对象连接也很方便。
可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。
可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它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。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
PLC的结构及各部分的作用
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。PLC的硬件系统结构如下图所示：

1、主机
主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
2、输入/输出（I/O）接口
I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。
3、电源
图中电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。
4、编程
编程是PLC利用外部设备，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。通过专用的PC/PPI电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的编程软件进行电脑编程和监控。
5、输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
6、外部设备接口
此接口可将打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
实验装置提供的主机型号是西门子S7-200系列的CPU224(AC/DC/RELAY)。输入点数为14，输出点数为10。

1.2 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于用户存储器中的程序，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的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

1.3 PLC的程序编制

1.3.1软件编制
PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输入映像寄存器、输出映像寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。
PLC内部这些存储器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开。所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器。
2 硬件设计

2.1 控制要求

2.1.1控制开关
水处理中给水泵控制系统开始工作时需要一个启动按钮控制，停止工作时需要一个停止按钮控制。
2.1.2给水泵控制要求
设有三台给水泵功率均为55KW给水泵M1、M2、M3，编制用PLC控制给水泵程序，控制要求如下：
每台给水泵均采用星——角降压启动。启动过程：
1、按启动按钮，主电源接触器、星接接触器通电，电动机绕组在星接下启动，经过8秒延时后，星接接触器断电，延时1秒后，角接接触器通电，电动机绕组在角接下运行。当按下停止按钮，主电源、星接、角接接触器断电，电动机停止运行。
2、具有过载保护功能。将过载保护动作，主电源、星接、交接及、角接接触器断电，电动机停止运行。
3、三台给水泵的启动、停止按顺序控制规律控制，既：
（1）启动（星/角）M1，停止M1;
（2）启动（星/角）M1-M2，停止M1-M2;
(3)启动（星/角）M1-M2-M3，停止M1-M2-M3;
2.2控制系统的I/O点及地址分配

根据控制要求，控制系统的输入，输出信号的地址分配表如下
输入地址编号及作用
输出及作用
地址编号
作用
地址编号
作用
I0.0
启动系统运行
Q0.0
M1主电源接触器
I0.1
停止系统运行
Q0.1
M1星接接触器

Q0.2
M1角接接触器

Q0.3
M2主电源接触器

Q0.4
M2星接接触器

Q0.5
M2角接接触器

Q0.6
M3主电源接触器

Q0.7
M3星接接触器

Q1.0
M3角接接触器

2.3 PLC系统选型

通过对系统控制要求的分析可知，系统共有开关量输入点2点，开关量输出点8点，所以选用CPU224（14DI/10DO）可以满足要求。

2.4控制系统原理图

此控制系统主要以PLC为主控制器，附加简单的外围器件组成。PLC I/O端口接线图。

3 软件设计

3.1系统程序设计

3.1.1控制程序
本控制系统的控制程序按功能分为三部分，即主程序（包括报警），正常循环控制程序（子程序0），强制控制程序（子程序1）。系统程序如下图所示
3.1.2工作过程分析
循环工作过程。按启动按钮I0.0接通，M0.0得电并自锁同时进入子程序0，子程序0（自动循环控制）。I0.0接通，M1.0，M1.1得电自锁同时T37得电，M1.0控制南北红灯，M1.1控制东西绿灯，此时南北红灯和东西绿灯同时亮。T37延时25s后，东西绿灯闪3s后熄灭（通过SM0.5s脉冲发生器和C0配合完成），同时东西黄灯亮2s后熄灭（通过T38完成），南北红灯同时熄灭。T38触点启动M2.0和M2.1得电自锁同时T39得电，M2.0控制东西红灯熄灭（通过SM0.5s脉冲发生器和C1配合完成），同时南北黄灯亮2s后熄灭（通过T40完成），东西红灯同时熄灭。T40触点控制M2.4启动下一次循环，按停止按钮I0.1停止。
强制工作过程。I0.6接通进入强制控制程序（子程序1）。I0.2接通，M0.3接通控制南北红灯。I0.3接通，M0.5接通控制南北绿灯。I0.4接通，M0.4接通控制东西红灯。I0.5接通，M0.6接通控制东西绿灯。

3.2程序设计梯形图

（a） 主程序

(b) 子程序0

(c) 子程序1

报警指示。当东西和南北同时绿灯亮时，进入报警状态，同时断开东西和南北同时绿灯，报警指示时间设置为5s。

4 交通灯人机界面设计

4.1绘制交通信号灯人机界面

MCGS组态软件安装在计算机中，双击桌面“组态环境”图标，进入MCGS组态环境，如4-1图所示。单击“用户窗口”，“新建窗口”后，在“用户窗口”中新建一个“窗口0”，选中窗口0，点击“窗口属性”按钮，进入窗口属性设置界面，如4-2图所示。将窗口名称和窗口标题选项中的内容改为“交通信号灯”，按“确认”按钮确认。按“动画组态”按钮，进入画面编辑窗口，如4-3图所示，在此窗口中利用工具箱中的绘图工具，完成交通信号灯画面设计，效果图如4-4图所示。

4.2交通信号灯画面中构件的属性设置

交通信号灯画面中构件比较简单，只有红灯，绿灯和黄灯。首先定义数据变量，根据控制要求，监控界面中对西方向和南北方向红灯，绿灯和黄灯进行定义，均为开关量和颜色填充。在“实时数据库”选项卡中，通过使用“新增对象”和“对象属性”按钮，对数据变量进行定义，如4-5图所示

图4-1 MCGS组态环境

4-2窗口属性设置

4-3构件属性设置

4-4交通信号灯画面效果图

4-5变量定义窗口
交通信号灯画面中构件的属性设置如图4-6所示，这里仅对南北红灯属性设置进行说明，其他等的属性设置与南北红灯属性设置的区别为表达式和填充颜色连接项的内容不同。

4-6南北红灯属性设置

4.3设备窗口属性设置

在组态工作台界面中，用鼠标单击“设备窗口”选项，出现设备窗口图标并双击进入设备组态窗口；在此窗口中通过设备工具箱，完成设备组态，如图4-7所示
设备组态完成后，双击“通用串口父设备0”，进入通用串口父设备属性编辑界面，根据设备通讯要求和连接情况，完成通用串口父设备属性编辑界面中相关的参数设置，具体设置如4-8所示，按“确认”完成设置。

4-7设备组态窗口

4-8通用串口父设备属性编辑窗口
返回设备组态窗口，双击“设备0-[西门子S7-200PPI]”进入设备属性设置窗口，在此窗口中有“基本属性”，“通道连接”，“设备调试”，“数据处理”选项卡。在液体自动混合控制中，不涉及“数据处理”。其余三项设置如图4-9~图4-11所示。在设备调试窗口中，如果“通讯状态标志”栏中，显示“0”则表示通讯正常，若显示“-1”则表示通讯不正常。
通过设备调试，使MCGS与PLC通讯正常，即设备调试窗口中“通讯状态标志”显示为“0”，按确认即可。

4-9设备属性编辑窗口

4-10通道连接窗口

4-11设备调试窗口
回到工作台界面，选择主控窗口并单击界面右侧的“系统属性“按钮，弹出“主控窗口属性设置”对话框，在此窗口中选择“内存属性”选项卡，在用户窗口列表中选中“交通信号灯”，按“增加”按钮，则“交通信号灯”移入“装入内存窗口”，如图4-12所示，按“确认”键即可。单击主菜单中的“进入运行环境”钮，即可进入监控运行界面，实时监控系统的工作情况，如图4-13所示。

4-12“主控窗口属性设置”对话框

4-13系统监控运行界面

结 束 语

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