【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)硬件組成 本課題 在實際調(diào)研和系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上， 利用可編程邏輯控制器 和觸摸屏 設(shè)計 一個 交通燈南京曉莊學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 4 控制系統(tǒng) 。 系統(tǒng)運行時 ，按照紅、綠、黃三種燈的交替工作來控制各個方向的 左行、 直行 及右行 ，并且 根據(jù) 信號燈 工作時間 利用 數(shù)碼管 進行 倒計時顯示 。 根據(jù)控制要求， 本 系統(tǒng)設(shè)計的硬件 組成 框圖如圖 2所示。 圖 2 系統(tǒng)設(shè)計的硬件 組成框圖 十字路口交通燈模型設(shè)計 根據(jù)現(xiàn)代城市十字路口交通燈的特點，本系統(tǒng) 十字路口交通燈模型 設(shè)計如圖 3 所 示。 單行單行單 行單行NSEW樹樹樹 樹樹樹樹 樹 圖 3 十字路口交通燈模型圖 南京曉莊學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 5 3 系統(tǒng) 的 硬件設(shè)計 PLC 的 I/O 分配 為合理有效的控制交通，充分發(fā)揮道路的 交通效益，在設(shè)計時可根據(jù)實際情況，人為設(shè)置各個方向通行時間，以達到暢通和快捷有序的流通目的。信號燈可由下位機 PLC 控制，它按照預(yù)先設(shè)計的程序交替亮滅，完成對交通車輛的有序指揮 。 本課題根據(jù)控制要求，確定下位機 I/O 點數(shù)分配，具體如表 1 所示。 由表 1 可知，交通信號燈共需要 12 個輸出，數(shù)碼管共需要 28 個輸出，顯然實驗室提供的 CPU224XPCN 僅有 10 個輸出模塊不能滿足上述要求，故需要 2 個擴展模塊 EM223。 表 1 PLC 的 I/O 點數(shù)分配 PLC 外部 硬件連 接 圖 4 為 PLC控制系統(tǒng)的 核心模塊及 擴 展模塊的 外部硬件連接。該 系統(tǒng)主要有一個 CPU224XPCN和 兩 個擴展模塊 EM223 組成 [4]。 南京曉莊學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 6 圖 4 PLC 控制系統(tǒng) 外部 硬件連線圖 觸摸屏的選擇 在自動化控制中，需要一種人機交互設(shè)備實現(xiàn)人與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和命令的交換。人機界面取代傳統(tǒng)控制面板功能，可節(jié)省 PLC 的 I/O 模塊 ； 觸摸屏界面中的按鈕開關(guān)，指示燈顯示等能隨時顯示 所需 重要訊息，以利于操作人員正確掌握機器狀況和避免錯誤， 并且 利于維修。在 本 交通燈控制系統(tǒng)中，選擇觸摸屏 作 為系統(tǒng)的人機交互設(shè)備，主要完成信息的輸入、顯示等功能。系統(tǒng)運行時用戶輸入的 信號主要是啟動整個控制系統(tǒng)，觸摸屏需要將此信息通過串口將它們傳送給 PLC， PLC 根據(jù)各種不同的輸入、輸出信號，對硬件電路各個設(shè)備發(fā)出合適的控制信號，使整個交通燈控制系統(tǒng)完成預(yù)設(shè)任務(wù)。 本 次設(shè)計中，所使用的觸摸屏為 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司 研發(fā)的TPC7062KX[6]，其 外觀 如圖 5 中的 (a)、 (b) 正、反面 所示。 圖 (a) 圖 (b) 圖 5 TPC7062KX 觸摸屏 圖 TPC7062KX 功能 介紹 及 技術(shù) 指標 TPC7062KX是一套以嵌入式低功耗 CPU為核心（ ARM CPU，主頻 400MHz）的高性能嵌入式一南京曉莊學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 7 體化觸摸屏。 它 采用了 7英寸高亮度 TFT液晶顯示屏（分辨率 800480），四線電阻式觸摸屏（分辨率 10241024）。 使用過程中利用通信線將觸摸屏與 PLC相連之后， 用手指 或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)會根據(jù)手指觸摸的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入 ， 即可手動控制所建立的組態(tài)界面及外部硬件電路 。 TPC7062KX的技術(shù)指標如圖表 2所示。 表 2 TPC7062KX 的技術(shù)指標 TPC7062KX 技術(shù) 優(yōu)勢 （ 1）超前的技術(shù)優(yōu)勢 在硬件方面， TPC 主板應(yīng)用的是最前沿的 ARM9 技術(shù)。在軟件方面，在觸摸屏上使用了為嵌 式專門設(shè)計的系統(tǒng)，而且使用的是最先進的編程語言 EVC。 （ 2）超強的動畫功能 mcgs 內(nèi)嵌 MCGSE 嵌入版組態(tài)軟件，上千種設(shè)備驅(qū)動，上千個動畫圖庫，豐富的 3D 功能，如同使用 3D Max 一樣逼真簡單。 （ 3）超多的通訊接口 mcgsTpc 有多種接口，有 2 個獨立串口，最多可具有 5 個串口，有標準以太網(wǎng)口，有兩個 USB口，支持 RS485/RS422/RS232 通訊，支持 CAN 總線通訊，支持 MVB 總線通訊。支持工業(yè)以太網(wǎng)與MODBUS_TCP 通訊等多種通訊方式。 （ 4）超快的運行速度 mcgsTpc 采用主頻為 400MHZ，低功耗 ARM 結(jié)構(gòu) CPU 芯片，比傳統(tǒng)觸摸屏高 2 到 4 倍。 （ 5）超酷的視覺效果 在超高的分辨率的基礎(chǔ)上。對組態(tài)畫面賦予不同的腳本，讓組態(tài)圖像進行大小、垂直、水平或南京曉莊學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 8 按照設(shè)定的軌跡進行移動。給人 以 視覺上的直觀認識。 （ 6）超大的存貯容量 mcgsTpc 內(nèi)嵌 128M 內(nèi)存芯片，可以存儲上萬條數(shù)據(jù)和報警信息。方便用戶隨時查詢和統(tǒng)計。提供管理者更加有效的決策。同時支持 U 盤導(dǎo)出。 （ 7）超高的可靠性 能 在硬件方面， mcgsTpc 采用的是 flash 存儲方式。這種方式，避免了以往由于工控環(huán)境造成的硬盤震動損壞，甚至硬盤潛在的壞道影響，對保存數(shù)據(jù)有著很高的可靠性。在軟件方面 mcgsTpc 采用的是 windows ce 系統(tǒng)，無法被常用的 windows 系統(tǒng)的病毒所侵襲。所以在軟件上，也可以避免傳統(tǒng)的工控機遭受病毒打擊的隱患。 （ 8）超低的功率損耗 mcgsTpc 采用的 ARM 技術(shù)本身就是低功耗技術(shù)。在液晶屏方面，應(yīng)用新的 LED 背光技術(shù)取代了傳統(tǒng)的燈管技術(shù)，降低了功耗。最終將產(chǎn)品的功耗控制在 6W 以下。 4 系統(tǒng)的軟件 設(shè)計 PLC 程序設(shè)計 控制 時序 要求 本系統(tǒng)假設(shè)東西方向、南北方向均為主干道。當按下啟動按鈕，首先東西方向左轉(zhuǎn)綠燈亮，維持 10s，并且南北方向紅燈亮，維持亮 30s。 10s 后，東西左轉(zhuǎn)紅燈亮 50s，同時東西直行綠燈亮 14s之后，綠燈閃爍 3s 后黃燈亮 3s。黃燈熄滅之后紅燈開始維持亮 30s，同時南北方向左轉(zhuǎn)綠燈亮，維持 10s 后，南北左轉(zhuǎn)紅燈亮，維持 50s，同時南北直行綠燈開始亮 14s 后，綠燈閃爍 3s后黃燈亮 3s。黃燈熄滅之后紅燈開始維持亮 30s，同時東西方向左轉(zhuǎn)綠燈又開始工作，如此循環(huán)。其中每個 方向的右行均由每個方向的直行所決定，當直行允許時，相應(yīng)方向的右行就允許通行。由于每個方向一個周期工作時間均為 60s，故每個方向的倒計時均從 60 開始倒計時。直至按下停止按鈕，所有信號燈和數(shù)碼管均停止工作 [5]。 根據(jù)控制要求，其控制 程序 流程圖如圖 6 所示。 南京曉莊學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 9 圖 6 系統(tǒng)控制 程序 流程圖 控制過程分析 (1) 信號指示燈運行 由 初始化程序后， 得電。按下啟動按鈕 后，東西方向作為主干道先通行，南北方向作為次干道后通行。 、 、 均置 1， 復(fù)位， 置 1 后， T49 開始定時，定時時間為 30s； 置 1 后，輸出繼電器 得電，即東西方向左行綠燈亮。并且 T37 開始定時，定時時間為 10s。當 T37 定時時間到了 10s 以后， T37 的常開閉合， 、 均被置 1，而 被復(fù)位，則 失電。 得電之后，輸出繼電器 得電，即東西左轉(zhuǎn)紅燈亮，并且 T38 開始定時，定時時間為 50s； 置 1 之后，輸出繼電器 得電，即東西方向直行綠燈亮，并且 T39南京曉莊學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 10 開始定時，定時時間為 14s。當 T39 定時時間達到 14s 之后， T39 的常開閉合，使得 置 1， 復(fù)位，此時 失電。 得電之后，不僅 T40 開始定時，定時時間為 3s；此時 T101 也開始定時，定時時間為 。由 T101 與 T102 構(gòu)成 1s 的閃爍秒脈沖，則使得輸出繼電器 產(chǎn)生 3s 的閃爍效果。 T40 定時 3s 之后， T40 常開閉合使得 置 1， 復(fù)位，此時輸出繼電器 失電。 置 1 之后， 得電，即東西直行黃燈亮，并且 T41 開始定時，定時時間為 3s。此時 T4T49 定時結(jié)束，二者常開均閉合，使得 、 置 1， 、 復(fù)位。 復(fù)位 之后使得輸出繼電器 失電； 復(fù)位之后使得 失電。 常開閉合之后，不僅輸出繼電器 得電，即東西方向直行紅燈亮。而且此時 T42 開始定時，定時時間為 30s。當 T42 定時時間達到 30s之后，此時 T38 定時時間也達到了 50s,此時 T3 T42 常開均閉合，使得 置 1， 、 均復(fù)位。 、 的復(fù)位，從而使 、 失電。 再次置 1，會使得整個信號燈的控制過程實現(xiàn)循環(huán)。 置 1 的同時， 也置 1。當 置 1 后， T43 開始定時，定時時間為 10s；并且此時輸出繼電器 開始得電，即南北方向左行綠燈亮。當 T43 定時 10s 之后， T43 常開閉合，、 置 1， 復(fù)位。當 復(fù)位之后， 將會失電。 常開閉合之后，不僅 T44開始定時，定時時間為 50s，此時輸出繼電器 得電，即南北左行紅燈亮。 置 1 之后， T45開始定時，定時時間為 14s；同時 得電使得 得電，即南北直行綠燈亮。當 T45 定時達到14s 之后， T45 常開閉合后， 置 1， 復(fù)位。 復(fù)位會使 失電。 置 1之后， 不僅 T46 開始定時，定時時間為 3s，此時 T101 也開始定時，定時時間為 。由 T101 與 T102 構(gòu)成1s 的閃爍秒脈沖，此時使得輸出繼電器 產(chǎn)生 3s 的閃爍效果。當 T46 定時達到 3s 之后， T46 的常開閉合， 置 1， 復(fù)位。 的復(fù)位會使 失電， 置 1 后不僅會使輸出繼電器 得電，即南北直行黃燈亮；還會使 T47 開始定時，定時時間為 3s。當 T47 達到定時時間之后，T47 的常開閉合后， 置 1， 復(fù)位。 復(fù)位使 失電； 置 1 不僅使得輸出繼電器，即南北直行紅燈亮；還使得 T48 開始定時，定時時間為 30s。當 T48 達到定時時間以后，此時 T44 也達到定時時間， T4 T48 的常開均閉合，使得 置 1， 、 復(fù)位。 置 1是使南北方向信號燈循環(huán)工作， 復(fù)位后 失電， 復(fù)位后 失電。在整個控制系統(tǒng)的運行過程中，當按下停止按鈕 會停止所有的工作過程。 (2) 倒計時顯示 南北向倒計時顯示程序由輸出繼電器 ? 和 ? 示，東西向倒計時顯示程序由輸出繼 電器 ? 和 ? 分別驅(qū)動個位和十位數(shù)碼管的顯示。當 一閉合即南北方向直行紅燈亮，繼電器 閉合驅(qū)動字循環(huán)左移功能塊工作，則輸出繼電器 ? 閉合驅(qū)動數(shù)碼管顯示“ 0”字符，同時由 T101 提供秒脈沖信號 使 程序工作。 1s 后繼電器 閉合一個掃描周期，將 中“ 1”狀態(tài)移位至 中， 閉合輸出繼電器 ? 及 閉合驅(qū)動數(shù)碼管 顯示 “ 9”字符，如此循環(huán)分別從“ 9”顯示至“ 0”，當一個周期掃描完畢之后，移位寄存器會復(fù)位一次。這樣將每個需 要倒計時顯示信號指示燈亮的時間的都分別單獨用以一個秒脈沖程序和字循環(huán)左移指令就可方便實現(xiàn)交通燈的倒計時顯示功能。 南京曉莊學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 11 當在兩位數(shù)的顯示時，根據(jù)控制要求每個方向的一個工作周期為 60s，則倒計時應(yīng)從 60、 5 557…… 直至 01為止。故當個位顯示“ 0”時，十位應(yīng)顯示“ 6”， 1s 過后立即變?yōu)椤?5”，即給十位提供一個單獨的秒脈沖，用 T101提供。當 ， ， 1s 以后 ，即設(shè)定了中間繼電器 觸點， 分別接 通了 ，用來對十位顯示的選擇。當個位一個掃描周期 移完之后，十位則會滿足 10s 之后才進行移位一次。個位運用的字節(jié)循環(huán)左移功能塊，而十位運用字節(jié)左移功能塊，所以在倒計數(shù)顯示結(jié)束時，要分別將其移位信號進行復(fù)位。 系統(tǒng) 順序控制 功能 圖 圖 7 為順序控制 功能框 圖 ， 根據(jù)該功能圖可編寫相應(yīng)的 PLC 程序 ， 具體 梯形圖程序 設(shè)計 見 本文附 錄。 圖 7 順序控制 功能 圖 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計 本 設(shè)計 的組態(tài)軟件采用的是嵌入版 MCGS 版本。 組態(tài)軟件提供了可視化監(jiān)控畫面 ，包括動畫，實時趨勢曲線，歷史趨勢曲線，實時數(shù)據(jù)報表，歷史數(shù)據(jù)報表，實時報警 窗口 ，歷史報警 窗口南京曉莊學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 12 等功能 ， 可方便地監(jiān)視系統(tǒng)的運行。并可在在線修改程序參數(shù)，有利于系統(tǒng)的性能發(fā)揮 [6]。 此次組態(tài)界面共有 4 幅，分別是：封面窗口、十字路口監(jiān)控界面 、 交通燈定時參數(shù)修改界面 及數(shù)據(jù)顯示窗口 ， 其中“數(shù)據(jù)顯示”窗口用來顯示實時數(shù)據(jù)，其他三種界面 可根據(jù)不同的需要進行界面切換， 四者結(jié)構(gòu) 框 圖 如圖 8 所示。 圖 8 組態(tài)界面結(jié)構(gòu)圖 封 面窗口設(shè)計 (1) 封 面設(shè)計 首先進入 MCGS 組態(tài)環(huán)境，單擊“文件”新建工程，確定 TPC 類型及背景的大小之后即可，組態(tài)環(huán)境如圖 9 所示。 單“擊用戶窗口”、“新建窗口”后，在新建窗口中新建一個“窗口 0”選中“窗口 0”，點擊“窗口屬性”按鈕，進入窗口屬性設(shè)置界面，如圖 10