基于MCGS的十字路口交通灯设计

赵运婷 贾文民

摘 要：文章介绍了可编程控制器及MCGS组态软件的应用，采用MCGS组态软件作为监控平台，通过可编程控制器实现了十字路口交通灯的模拟控制，画面丰富，脚本清晰，设置方案可行，运行可靠，效果良好。

关键词：组态软件;监控;PLC;交通灯

0 引言

近几年来，随着计算机软件技术和工业自动化技术的迅速发展，组态软件技术也得到了迅猛发展，特别是图形界面技术、面向对象编程技术、数据库系统更加强大。

为了实现特定的应用目标，实时工业控制应用系统需要进行应用程序的设计与开发。组态软件就是完成硬件和软件沟通的软件平台，可以实现上位机与现场设备的实时沟通。通过组态软件监控现场设备的运行状态，当现场设备出现问题时，在上位机上就能显示出各设备之间的状态（如正常、报警、故障等）。十字路口交通灯是人们日常生活中最常见的信号指挥工具，因为交通灯的存在，不管是车辆还是行人在行进过程中都按照交通灯的指示，遵守交通规则，避免了很多交通事故，不但保证了人们的人身安全，还保证了路口的通行能力。本文根据路口的车辆和人流的密集程度，利用MCGS组态软件和西门子S7-200设计了一个简单的对十字路口交通灯的组态监控环境。MCGS组态软件实现对十字路口交通灯的实时监控，使人们更好地了解交通灯的控制过程。

1 系统选型

1.1 国内外组态软件

随着社会对计算机控制系统的不断需求，组态软件发展很快，目前国外常用的组态软件主要有：德国西门子公司的WinCC、美国Wonderware公司的InTouch、澳大利亚CIT公司的Citech等，国内常用的组态软件主要有：力控、易控、世纪星、组态王、MCGS等。一般的组态软件通常都具有以下几方面的功能：具有强大的界面显示组态功能、良好的开放性、丰富的功能模块、强大的数据库、可编程的命令语言、周密的安全防范系统和仿真功能，使系统并行设计，从而缩短开发周期。通用的组态软件都具有封装性、开放性、通用性、方便性和组态性的特点。可以读写不同类型的PLC、仪表、智能模块和板卡，读取生产现场的各种控制及输出信号，进行实时地监视和控制，以图形和动画的形式模拟现场设备的运行信息。

本文采用的是MCGS组态软件。使用MCGS组态软件用户不需要具备丰富的编程知识也能在短时间内完成一个功能齐全的控制工程。MCGS由组态环境和运行环境组成，包括用户窗口、主控窗口、设备窗口、实时数据库和设备窗口，每个窗口都具有特定的功能，缺一不可。实时数据库是整个系统的核心，可以定义数据变量，设置变量的类型初始值等，整个系统以实时数据库为公共区交换数据，实现各个部分的协调配合[1]。

1.2  PLC设备选择

十字路口交通灯可以选用单片机继电器进行控制，但是存在着功能小、维护不方便、可靠相差的特点，本文选用可编程控制器（PLC），PLC由计算机控制思想和计算机控制技术相结合产生，可靠性强，采用模块化设计，梯形图编程，简单易学，功能齐全。文章通过PLC按照预设好的控制方案对各路口的交通灯点亮、熄灭、闪烁进行控制。综合比较，选择西门子S7200PLC，CPU226。24输入，16输出，满足本系统控制要求。系统整体框如图1所示。

2    系统分析

2.1 控制流程

系统设置一个开启按钮、一个停止按钮，并设置一个文本显示输出框计时，可以实时显示本系统工程的运行时间。当按下开启按钮后，系统启动，红灯、绿灯、绿灯闪、黄灯分别亮30秒、23秒、4秒、3秒。当绿灯点亮的时候，相应方向的车辆可以通行;当红灯点亮的时候，相应方向的车辆停止通行。具体的控制过程如下：0秒到23秒之间，东西方向上绿灯点亮，南北方向红灯点亮，东西方向上的车辆可以通行，南北方向上车辆停止通行;23秒到27秒之间，东西方向绿灯闪烁;27秒到30秒之间东西方向黄灯点亮，东西方向车辆停止通行;30秒到53秒之间，东西方向红灯点亮，黄灯熄灭，南北方向绿灯点亮，南北方向车辆可以通行;53秒到57秒之间，南北方向绿灯闪烁;57秒到60面之间，南北方向黄灯亮，南北方向车辆停止通行。当60秒小于计时时间时，定时器开始重置，重新开始计时，系统循环运行。点击停止按钮，定时器停止运行，整个系统工作停止。

2.2 定时器函数

本系统选用1号定时器，定时器时长为65 s，自动循环，定时器的输出值定义为变量计时时间。因为在之前的工程案例中人们使用过定时器构件来模拟定时器，所以这次选用的是定时器函数，来实现定时器功能[2]。本文选用定时器函数有以下几个：定时器设置！Timersetlimit（）、定时器输出设置！Timersetoutput（）、定时器运行！Timerrun（）、定时器停止！Timerstop（）、定时器重置！Timerreset（）。

2.3 静态画面

静态画面如图2所示。模拟真实的道路环境，为了让画面表现真实，研究人员添加了电杆大输。斑马线可以从工具箱的元件库中获得。

2.4 实时数据库变量及动画链接

在实时数据库共定义了14个变量，如图3所示。三种颜色的灯分别与相应的变量建立链接，灯的动画链接比较简单，这里就不一一说明了。其中需要强调的是闪烁灯的闪烁实现方式，需要用第二种用图元属性的变化实现闪烁，如图4所示。

灯的动画链接建立完之后，需要对南北方向和东西方向上的车建立动画链接。通过测量静态画面中车辆移动距离，东西方向车辆的移动距离为815像素，南北方向车辆的移动距离为446像素。

2.5 组态脚本程序

为实现交通灯的控制，本系统需要在运行策略中编写脚本程序。在启动前，系统需要对各个控制对象进行清0操作。

南北车运行程序和东西车类似，需要注意的是计时时间的变化，计时时间大于30，小于53，车辆的位移移动变化南北车1=南北车1+10，能够直观地显示车辆速度的变化。

2.6  设备连接

设备窗口是负责组态系统与外部设备连接的窗口，通过设备窗口从外部设备读取数据并控制外部设备，实现实时监控。PC机与PLC建立连接后，点击设备窗口工具箱，在设备管理中点击通用串口设备，再双击PLC设备，选择西门子-S7200PPI，并设置属性[3]，如下图5所示。

根据图6的I/O分配表设置通道连接。建立通道和MCGS实时数据库的数据链接。

PLC程序编写完成后，测试工程各部分的工作情况。上位机PC机通过组态软件采集PLC信号，PLC与MCGS 软件进行通信[4]。主控窗口将自动完成对PLC输入、输出数据的读写，并将数据和MCGS实时数据库中的变量建立链接。点击启动按钮，系统开始循环运行，在上位机上可以实时显示系统的运行时间，在运行过程中，点击停止按钮，系统停止工作。

3 结语

文章通过MCGS组态软件和西门子PLC实现了一个简单的十字路口交通灯的模拟运行，掌握了PLC的原理、接线及编程和MCGS的画面制作，变量定义、动画链接及脚本程序的应用，反映了MCGS组态软件丰富的画面显示功能及PLC强大的控制功能。整个系统方案可行，运行正常。在以后的交通灯设计中，设计人员还会增加左转灯、右转灯，增加数码管显示设计及触摸屏的应用。本工程对于以后组态软件的教学和可编程控制器的教学都有很重要的现实意义。

[参考文献]

[1]朱益江.MCGS工控组态技术及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2020.

[2]赵运婷，贾文民.基于MCGS的机械手控制系统设计[J].电脑知识与技术，2011（5）：3473-3475.

[3]池行强.基于 MCGS 与西门子 PLC 的十字路口交通监控系统设计[J].現代制造技术与装备，2019（7）：20-21.

[4]李江全.组态软件MCGS从入门到监控应用[M].北京：电子工业出版社，2018.

（编辑 王永超）