基于plc和kingview的智能交通灯监控系统论文本科毕业论文.docx

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基于plc和kingview的智能交通灯监控系统论文本科毕业论文

教学单位　计算机与信息科学学院

学生学号　　　　

本科毕业论文（设计）

题　　目基于PLC和KingView的智能

交通灯监控系统设计

学生姓名　　　XXXXX　　　　　

专业名称　　　　自动化　　　　　

指导教师　　　　XXXXX　　　　　

2015年5月　11　日

基于PLC和KingView的智能交通灯监控系统设计

摘要：

根据城市路口交通灯的运行特点，设计一个基于车流量的智能交通灯监控系统。

利用可编程控制器（PLC）和组态王软件（KingView）完成此智能交通灯的设计制作。

选择西门子S7-200系列PLC作为控制器，利用组态王6.53实现智能交通灯的实时监控。

根据实际需要，设计三种模式：

白天模式、夜间模式和紧急模式，有效地提高了十字路口的通行效率。

关键词：

智能交通灯；可编程控制器；组态王；监控系统

DesignofIntelligentTrafficMonitoringSystemBasedonPLCandKingView

Abstract:

Accordingtothecharacteristicsoftrafficlightsaturbanintersection,designedanintelligenttrafficmonitoringsystembasedontraffic.Usingtheprogrammablecontroller（PLC）andKingViewsoftware（KingView）tocompletethedesignoftheintelligenttrafficlights.ChoosetheSiemensS7-200seriesPLCasthecontroller,usedthekingview6.53achievesthereal-timemonitoringofintelligenttrafficlights.Accordingtotheactualneeds,designsthreekindsofmodes:

thedaytimemode,nightmodeemergencymode,effectivelyimprovethetrafficefficiencyoftheintersection.

Keywords:

Intelligenttrafficlight;PLC;Kingview;Monitoringsystem

目录

1概述1

1.1交通灯的研究背景及意义1

1.2本课题的主要研究内容1

2PLC的功能介绍3

2.1PLC的基本概念及结构3

2.1.1PLC的基本概念3

2.1.2PLC的基本结构3

2.2PLC的特点和应用5

2.2.1PLC的特点5

2.2.2PLC的应用领域6

2.3PLC的工作原理6

2.4PLC的性能参数和软件系统8

2.4.1PLC的性能参数8

2.4.2PLC的软件系统9

3PLC控制系统设计10

3.1PLC型号的选定10

3.2光电传感器与选型10

3.2.1光电传感器计数原理10

3.2.2光电传感器的选择10

3.3光电传感器的铺设11

3.4智能交通灯控制方法11

3.4.1传统交通灯控制系统11

3.4.2智能交通灯监控系统12

3.4.3白天模式控制方法15

3.5I/O地址的分配16

3.6交通灯控制时序分析17

3.7PLC控制系统软件设计18

4组态王监控系统设计19

4.1KingView6.53简介19

4.1.1组态王的基本概念19

4.1.2组态王与I/O设备19

4.2组态王建立工程的过程20

4.3组态仿真系统设计20

4.4组态监控系统软件设计23

4.5PLC与组态王的通信23

5设计总结25

参考文献26

附　录27

致谢36

1概述

1.1交通灯的研究背景及意义

交通灯控制系统的发展有着悠久的历史，伴随着人类工业文明的发展，汽车以及其他各种交通工具呈现出一片欣欣向荣的景象。

各种交通工具的大量使用使得人们的出行更加方便，但随之而来的是越来越大的交通压力，各个路口对于对于交通指挥系统的需求大量增加。

早在1868年，全世界第一台煤气式红绿两色照明灯由英国工程师纳伊特安装在了伦敦威斯特敏斯特街口，它可以控制车辆的通行，但是不久，由于一场爆炸事故，这种交通灯便消身匿迹。

到了1914年左右，交通灯又重新出现了。

美国的克利夫兰制造了一款由电力驱动的交通灯，它被安装在了纽约和芝加哥等地，这种交通灯的概念已经和现在的大致相同。

1926年，自动化控制的交通灯得到广泛应用，这为现代城市交通奠定了基础。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对交通灯的各种意义做出了明确的规定。

绿灯行，绿灯车道的车辆可直行可左拐或右拐，前面有禁止标志的除外。

并且左右拐弯的车辆必须让直行车辆和行人先行。

红灯停，红灯车道的车辆不准超过人行道。

黄灯等一等，黄灯车道的车辆必须减速，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

交通灯的使用大大缓解了交通压力，使得城市的拥堵现象得到了一定程度的缓解，使人们的出行现状得到了改善。

但是随着当今经济的飞速发展，上路的私家小车不断增加，传统的交通灯系统已经越来越难以满足交通需求。

本设计采用PLC做控制器，完成对十字路口交通灯的自动控制，主要实现城市交通路口信号灯智能优化控制，救护应急控制等，从而保证了车辆在各路口顺畅通行，提高路网利用率，有效减少交通拥挤，减少环境污染，实现城市道路利用的最大化和车辆通行时间的最小化。

1.2本课题的主要研究内容

此设计的主要内容是设计一款能根据路面车流量调整红绿灯读秒时间，并能实时监控道路状况，选择合适通行模式的智能交通灯监控系统。

要实现预期目的，初期设想是在十字路口东西南北各个方向上安装光电传感器，以此来统计各个路口的车流量，再将数据输入计算机中央控制系统对数据经行分析，根据预先设定的参数，智能化的判断各个交通路口的拥堵情况，从而通过PLC控制系统来适当的调整红绿灯的读秒时间。

在此基础之上，将PLC和上位机上的组态王软件相连，实现实时监控与模式选择。

当夜间路上行车较少时，可以切换到夜间模式，此模式路口车辆等候时间最长不超过10秒。

若交通灯路口遇到紧急情况，比如有警车、消防车、救护车或其他有紧急情况的车辆通行时，该系统也能切换到紧急模式，实现强通控制，从而保证路面交通的正常运行。

此系统不仅成本低，维护方便，而且能在最大程度上缓解交通压力，节约交通资源。

2PLC的功能介绍

2.1PLC的基本概念及结构

2.1.1PLC的基本概念

早期的可编程控制器主要是用来代替继电器控制系统的，因此功能较为简单，只能进行开关逻辑控制，称为可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller）,简称PLC。

随着微电子技术，计算机技术和通行技术的快速发展，20世纪70年代后期微处理器被用作可编程控制器的中央处理器，从而较大的扩展了可编程控制器的功能，可编程控制器有开关逻辑，模拟量控制，高速计数，远程I/O和网络通信等功能。

1980年，美国电气制造协会正式将其命名为可编程控制器，简称PC（但一般仍习惯叫做PLC）。

1987年2月，国际电工委会对PLC的具体含义做出了明确的定义：

在工业环境的背景之下，一种常用来做数字运算操作的电子系统。

它既可以进行逻辑运算、顺序控制，也可以进行定时、计数、数学运算等操作。

虽然它中间的运算是采用的数字模式，但是它的输入和输出还是采用模拟的信号。

这种可编程的控制器，可以控制各类生产的过程。

2.1.2PLC的基本结构

1.中央处理器（CPU）

CPU是PLC的核心部件，CPU模块在PLC中相当于大脑和心脏，是整个PLC控制系统的神经中枢。

它的主要功能如下：

⑴接受和储存用户程序和数据。

⑵扫描现场设备的数据和状态，存入数据区。

⑶检测和诊断电源，PLC内部电路工作状态和程序中的语法错误。

⑷从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后，去开启或关闭相关控制电路，完成相关的逻辑运算和算术运算。

⑸根据数据处理的结果，刷新相关标识位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。

PLC中采用的CPU一般有三大类：

通用处理器、单片机芯片和微处理器。

其中小中型PLC一般采用微处理器或单片机，而大型的PLC大多采用高速位片式处理器。

档次越高，PLC的位次也越多，运行的速度越快，功能也会越强大。

2.存储器

存储器一般分两种：

系统存储器和用户存储器。

系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。

用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。

常用的存储器类型有CMOSRAM、EPROM、EEPROM。

由于系统程序用来管理PLC系统，用户不能直接存储，因此PLC产品中所说的存储类型及其容量，是指用户程序存储器而言。

PLC中所配用的用户存储器的容量大小有较大差别，小型的在8K以下，大型的可以达到256K.

3.输入输出（I/O）模块

输入模块和输出模块简称I/O模块，它是联系外部设备和CPU模块的桥梁。

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。

PLC有多重I/O模块，常见的有数字量I/O模块、模拟量I/O模块、快速响应模块，高速计数模块和PID控制模块等。

4.电源

PLC配有开关式稳压电源，用来将外部供电电源转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。

PLC使用220V交流电源或24V直流电源。

内部的开关电源为各模块提供不同等级的直流电源。

小型的PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专门的外部电源部件，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

为防止PLC内部重要数据的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。

5.编程器

编程器用来生成用户程序，一般分为手持式编程器和图形编程器。

手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入好编辑指令表程序，因此又叫做指令编辑器。

它的体积小，价格便宜，一般用来给小型的PLC编程，或者用与现场调试和维护。

图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程，又可脱机编程，操作方便、功能强大。

现在，很多PLC都可以用计算机作为编程工具，在计算机上直接生成和编辑梯形图或语句表，并可以实现其转换。

最重要的是这种程序可以存盘或者打印，也可通过网络远程传送。

6.其他外部设备

PLC还包含有一些其他的外部设备，如合适磁带机、打印机、EPROM写入器等。

PLC的基本结构如图1所示。

图1PLC的基本结构

2.2PLC的特点和应用领域

2.2.1PLC的特点

1.编程方法简单易学。

PLC采用一种面向控制过程、面向问题的梯形图语言。

梯形图和继电器原理图相似，易学易懂，一般工程师或者工艺人员都可以在短时间内学会。

2.功能完善、适应性强。

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，具有逻辑运算、计时、计数、模数转化、网络通信和生产监控等功能。

若工艺条件发生改变，修改相应的用户程序即可满足要求。

3.安装、设计、调试的工作量少。

大量中间继电器、时间继电器、计数器的使用使得安装、设计、接线的工作大大减少。

并且PLC具有完善的自诊断和显示功能，故障率很低。

4.可靠性高、抗干扰能力强。

由于采用微电子技术和大量的无触点半导体电路来控制开关动作，其可靠性比使用机械触电的继电器高很多。

PLC的输入输出部分采用了光电隔离，有效的隔离了PLC内部的电路和输入、输出间的电关系。

有效避免了干扰信号引起的误操作。

并且PLC还具有防治空间电磁干扰的功能。

5.体积小、重量轻、功率低、性价比高。

大量的使用半导体大规模集成电路，这个产品的结构紧凑、体积小、重量轻、功率低。

与相同功能的继电器系统相比，PLC具有很高的性价比，可以实现非常复杂的控制功能。

2.2.2PLC的应用

1.开关量的逻辑控制。

取代传统的继电器，不仅可以控制单台设备，也可以控制多机群及自动化流水线，这是它应用的最广泛的领域。

2.模拟量与过程控制。

可以对温度、压力、流量、液位等模拟量进行控制，还可以用于位置控制、速度控制以及过程控制等。

3.运动控制。

PLC可以用于圆周运动或者直线运动的控制，驱动步进电机或者伺服电机，PLC广泛的应用于机械、机床、机器人等。

4.数据处理。

可以进行数学运算、数据传输、转换、排序、查表等一系列操作，也可以通过通信设备传输到别的设备。

5.通信联网。

通过双绞线或者同轴电缆等可实现PLC与PLC之间或者PLC与计算机之间的信息交换。

易于建立工厂的自动化办公网络。

2.3PLC的工作原理

CPU不断的执行用户的程序和任务语句，这一过程称为扫描。

一个扫描的周期包括输入、执行、处理、自诊断、输出等过程。

这一过程的运行时循环往复不断进行的。

PLC由软件系统和硬件系统两部分组成。

再硬件系统满足要求，软件系统已经编制好的情况下，它会不断的执行软件系统以及预设好的指令代码。

扫描周期和用户程序不是一个概念，扫描周期包括用户程序。

即使用户程序不执行，扫描周期也在继续，只是这一过程不再包含用户程序、输入、输出这三个方面。

1.自诊断测试扫描。

PLC的自监视过程不仅可以保障设备还可以实时的反映故障。

时间监视器完成这种自监视。

当一个扫描周期开始时，PLC中的硬件计时器会自动的更新。

2.与网络进行通信的扫描。

大型有网络的PLC有网络扫描过程，而小型的PLC则没有这种扫描过程。

PLC与PLC之间以及PLC与计算机之间可以通过网络宽带来进行通信。

3.用户程序扫描。

只要机器是正常运行的，那么该扫描过程会一直存在。

用户可以通过软件来根据自己的需要来有目的的控制这一过程。

扫描过程的时间与用户程序的长短有着密切的关系。

4.读输入与写输出扫描。

同样，只要机器是正常运行的，这一过程贯穿于整个扫描过程。

并且该过程同样是可控的。

如果CPU要处理程序，它不从及既不从输入点读取，也不直接送到输出点。

而是通过计算机内部的输入映像寄存器和输出映像寄存器。

输入映像寄存器控制输入值，而输出映像寄存器则保存运算的结果。

在一个扫描过程中，输入点的状态会被所入到输入映像寄存器，而一样，输出映像寄存器的指会被所入到相应的输出点。

未来满足现场施工和运作的要求，PLC支持I/O接口可受用户控制的特点。

用户可以锁定或者开锁I/O接口，而且锁定后，I/O接口的扫描过程便不再运行。

这一过程的好处是，可以有效的节约I/O端口的扫描时间，提高效率。

下图描述了信号从输入端子到输出端子的传递过程：

输入读输出

采样读刷新输出

写

图2PLC的扫描工作过程

在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入输入映像寄存器中。

紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，PLC在执行用户程序时会事先参考输入映像寄存器和输出映像寄存器，最后将结果传送到输出映像寄存器中。

程序执行时，就算输入子端变化，这一个工作周期，输入寄存器也不会改变，只是会在下一个周期被读入。

同样，输出锁存器会锁定输出映像寄存器，通过输出电路，这一结果会被输出。

由上述分析得出循环扫描有如下特点：

⑴扫描过程周而复始地进行，读输入、写输出和用户程序是否执行是可控的。

⑵输入映像寄存器的内容是设备驱动的，在程序执行过程中的一个工作周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像积存的值来控制程序的执行。

⑶程序执行完后的输出映像寄存器的值决定了下一个扫描周期的输出值，而在程序执行阶段，输出映像寄存器的值即可以作为控制程序执行的条件，同时又可以被程序修改用于存储中间结果或下一个扫描周期的输出结果。

此时的修改不会影响输出锁存器的现在输出值，这是与输入映像寄存器完全不同的。

⑷对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。

由于输出映像寄存器的值可以作为程序执行的条件，所以程序的下一个扫描周期的集中输出结果是与编程顺序有关的，即最后一次的修改决定了下一个周期的输出值，这是编程人员要注意的问题。

各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。

各PLC厂家为了缩小延迟采取了很多措施，编程人员应对所使用型号的PLC的延迟时间的长短很清楚，它是进行PLC选型时的重要指标。

2.4PLC的性能参数和软件系统

2.4.1PLC的性能参数

1.编程语言及指令功能.。

PLC常用的编程语言有梯形图、语言表、流程图等。

对于特定厂家生产的PLC，其编程语言不同，若PLC可用多种语言编程，则其可移植性较好。

PLC的指令条数和综合性指标能够反映出该PLC的功能强弱。

2.I/O点数。

I/O点数是指系统所能接入和输出的总的最大数量。

通常用I/O点总数表示I/O开关量，而用I/O通道数表示模拟量。

3.用户程序储存容量。

用户程序储存容量是指存放用户程序的储存器的容量，用字节K表示。

对于一般的逻辑操作指令，一条指令占一个字节，而对于计时、计数和位移等则要占用两个字节，数据操作通常要占用2～4个字节。

4.扫描速度。

指执行1024条基本指令用时。

5.内部寄存器的配置与容量。

辅助继电器、计时器、计数器、移位寄存器、特殊继电器等都叫做内部寄存器。

这些内部寄存器可用于存放各种数据，内部寄存器的大小与多少直接影响用户编程的灵活与方便。

6.其他的功能。

例如输入与输出方式、特殊功能模块、自诊断功能、通信联网功能、高速计数、远程I/O能力和监控功能等。

2.4.2PLC的软件系统

PLC的硬件系统和软件系统是相辅相成的，就像一个人的骨骼和血肉一样。

骨骼是支撑整个身躯的硬性指标，没有骨骼其他的就无从说起，而血肉也是一个人正常活动所必须的。

PLC的软件系统分为系统程序和用户程序。

1.系统程序

系统程序是由PLC生产厂家提供，并且固化在EPROM中，用户不能直接读取。

系统程序由管理程序、编译程序、标准程序三个部分组成。

管理程序用于对PLC输入、输出、运算等操作的时间顺序的管理，规定数据和程序的存放地址。

编译程序则是把程序语言翻译成机器语言的程序。

标准模块程序由多个独立的程序模块组成，每个程序模块完成一种独立的功能。

根据要完成不同的共组来选择不同的功能模块。

2.用户程序

用户程序是指根据不同的工作要求，用户用PLC程序语言编制的应用程序，以实现各种控制要求。

小型的PLC很简单，整个程序不用分段，按顺序编制。

但是大型的PLC的用户程序很复杂。

为了简化用户编程的难度，可以把用户程序划分为程序模块，通过模块的组合来组成一个大的完整的用户程序。

用户程序的模块：

⑴组织模块。

用于控制主程序的运行方式及个组织模块的组织关系。

⑵程序模块。

按电气控制的要求，把不同的控制内容划分为程序段。

⑶功能模块。

用来描述特定功能的程序模块。

它的使用使得PLC超出了传统的顺序逻辑、计时、计数等功能。

⑷步进模块。

用于步进顺序操作。

⑸数据模块。

可用来存放数据，可以是固定的数据或者是可变的数据，类似于寄存器。

3PLC控制系统设计

3.1PLC型号的选定

本设计拟采用西门子S7-200-CPU226CSN型PLC。

它的各方面参数如下：

I/O总数为40，24入/16出；采用EWC24V或AC240V电源；双向高速计数器4路20Hz。

S7-200具有极高的可靠性、丰富的指令集内置的集成功能、强大的通讯能力和品种丰富的扩展模块。

S7-200可以单机运行，用于代替继电器控制系统，也可以用于复杂的自动化控制系统。

由于它有极强的通信功能，在网络控制系统中也能充分发挥其作用。

S7-200以其极高的性能价格比，在我国占有很大的市场份额。

本设计中的十字路口东西南北四个方向各有一个光电传感器来统计通过车子的辆数，再加启动按钮和停止按钮以及东西强通按钮和南北强通按钮，也就是输入端口必须有8个。

而东西南北每个方向各有红黄绿灯一个，一起总共有交通信号灯12个，也就是需要12个输出接口。

据此看来，选择西门子S7-200-CPU226CSN型PLC完全能够满足要求。

3.2光电传感器与选型

3.2.1光电传感器计数原理

光电传感器是通过光感应器将物理信号转变为电信号进而进行数据统计的一种器械，现在市面上的观点感应器种类繁多，其基本原理如图：

图3光电传感器的基本原理

信号产生：

由发光二极管将电信号转化成光信号，有电流经过时会发出光来。

信号采集：

发光二极管的PSN节处通过管壳的玻璃窗口能够接受外部光源从而将光信号转变成电信号。

信号处理：

对信号进行放大和整形。

数字显示：

通过十进制计数芯片将电信号转变成可读的数字。

3.2.2光电传感器的选择

本设计对于光电传感器的要求较高，要求光电传感器在各种气象条件下均能保持良好的运行状态，并且使用寿命长，无需经常更换。

3.3光电传感器的铺设

光电传感器距离十字路口的距离因根据路口具体的交通量决定：

如果某道路车辆量较大，平时路口车辆队长较长，则因将传感器设置在距离路口较远的位置；同理，如果某道路行车较少，平时等候绿灯的车辆较少，则因将传感器铺设在距离路口较近的位置。

具体的距离，需要根据长期经验，并反复实验确定。

在此设计中，设定传感器距离路口500米较为适宜。

通过光电传感器的计数，可以统计出在路口为红灯时光电传感器到十字路口交叉口处这一段范围内的车辆数，进而完成对数据的统计工作。

十字路口光电传感器的铺设方法如图4：

图4十字路口光电传感器的铺设方法

3.4智能交通灯控制方法

3.4.1传统交通灯控制系统

正常时序时，交通灯控制系统的控制要求如下：

1.一个启动开关控制信号，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。

倘若要所有信号灯熄灭，则关闭启动开关。

2.南北红灯亮维持30S，在南北红灯亮的同时东西绿灯亮25S后闪烁3秒，接着东西黄灯亮2秒。

然后东西红灯亮，南北绿灯亮。

3.东西红灯亮维持30S。

南北绿灯亮25S后闪烁3秒，接着南北黄灯亮2S。

然后南北红灯亮，东西绿灯亮。

4.周而复始。

3.4.2智能交通灯监控系统

本智能交通灯监控系统设计三种通行模式：

白天模式、夜间模式和紧急模式。

白天模式的智能控制是是通过比较南北车道和东西车道的车流量来控制交通灯的读秒时间，使得车流量大的车道读秒时间尽量长一些，而车流量小的车道则等待时间稍微短一些，以此来缓解交通的压力，也