基于S7200PLC十字路口交通灯控制系统设计.docx

课程设计任务书
学生姓名
X X X
学号
XXXXXX
专业方向
电气工程及其自动化
班级
XXXX
题目名称
基于S7-200 PLC十字路口交通灯控制系统设计
一、 设计内容及要求：

交通灯控制系统的控制要求如下：
1、信号灯受一个起动开关（SB1）控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西红灯亮。
2、交通灯按如下顺序循环点亮：红红（2s）-->红绿（3s）-->红黄（1s）-->红红（2s）-->绿红（3s）-->黄红（1s）-->红红(2s)。
3、周而复始。

二、课程设计说明书撰写要求：
1、完整的设计任务书。
2、完成系统组态或者硬件配置。
3、正确合理地进行编程元件的地址分配。
4、画出输入/输出接线图及相关的图纸。
5、设计梯形图控制程序。
6、编制系统的操作说明。
7、编制系统的调试说明及注意事项。
8、设计体会
9、参考文献

三、设计进度：
第一周（2011.12.19-23）：
星期一上午 讨论论文题目
星期一下午 查资料
星期二至星期五 根据题目进行分析，完成硬件设计
第二周（2011.12.26-30）：
星期一至星期二 根据流程图，完成软件设计
星期三至星期四 完成设计，进行，调试，仿真并分析合理性
星期五 答辩

指导教师：XXX

摘 要
十字路口的红绿灯指挥着行人和车辆的安全运行，实现红绿灯的自动指挥能使交通管理工作得到改善，也是交通管理工作自动化的重要标志之一。解决好公路交通灯控制问题是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。PLC是一种新型的通用的自动控制装置。PLC它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，是专门为工业控制而设计的，具有功能强、运用灵活、可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、编程简单，使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列有点。

关键词：PLC控制系统、梯形图、交通灯

目　　录
第一章 PLC概述 1
1.1 PLC的硬件结构 1
1.2 PLC的工作原理 2
1.3 S7-200的概述 2
第二章 交通信号灯 4
第三章 方案设计 5
3.1控制要求 5
3.2系统设计方案分析 5
3.3 交通灯状态图 6
3.4 主程序流程图： 7
第四章 硬件设计 7
4.1 硬件选择 7
4.2 PLC的I/O分配表 8
4.3 PLC的硬件接线图： 8
第五章 软件设计 9
5.1 十字路口交通信号灯梯形图 9
5.2 指令表 11
第六章 程序仿真 12
第七章 设计总结 15
参考文献 16

第一章 PLC概述
可编程序控制器（Programmabie Logic Controller,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要，生产、发展起来的一种新型的工业控制装置，在工业自动化各领域取得了广泛的应用。
1.1 PLC的硬件结构
PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，模块式包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。其结构如图1所示。中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，按照系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、存储器I/O以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止。

图1 PLC的结构图
1.2 PLC的工作原理
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段：
1输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
3输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
1.3 s7-200的概述
西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号：
小型PLC中，CPU221价格低廉能满足多种集成功能的需要。CPU 222是S7-200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。CPU 224具有更多的输入输出点及更大的存储器。CPU 226和226XM是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。四种型号的PLC具有下列特点：
（1） 集成的24V电源
可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU 221和CPU222具有180mA输出。CPU224输出280mA，CPU 226、CPU 226XM输出400mA可用作负载电源。
（2） 高速脉冲输出
有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电（3）通信口CPU 221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。
CPU 226、CPU 226XM具有2个RS-485通信口。支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。
（4）模拟电位器CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。
（5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。
（6）EEPROM存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。
（7）电池模块用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5天。选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。
（8）不同的设备类型CPU 221～226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。
（9）数字量输入/输出点CPU 221具有6个输入点和4个输出点；CPU 222具有8个输入点和6个输出点；CPU 224具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM具有24个输入点和16个输出点。CPU22X主机的输入点为24V直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型
（10）高速计数器CPU 221/222有4个30KHz高速计数器，CPU224/226/226XM有6个30KHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快脉冲信号。

第二章 交通信号灯
交通十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。靠什么来实现这井然秩序呢?靠的是交通信号灯的自动指挥系统。那么控制系统是如何实现红、绿、黄三种颜色信号灯有条不紊工作的呢?交通信号灯控制方式很多，可以用电子电路来实现，也可以用单片机编程控制来实现。本文主要介绍如何利用PLC来实现十字路口交通灯的控制。
随着社会的发展，人们的消费水平不断提高，私人车辆不断的增加。人多、车多、道路少的道路交通状况已经很明显了。所以采用有效的方法控制交通灯是势在必行的。PLC的智能控制原则是控制系统的核心，采用PLC根据不同时刻车流量的不同，将红绿灯时长按一定的规律分档。这样就可以达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞留，缓解交通拥挤，实现最优控制，从而提高交通控制系统的效率。
交通信号灯的出现，使得交通得以管制，对于疏导交通流量，提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管制，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法。实验证明该系统实现简单、经济，能够有效的疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制和管理问题的现状，结合交通实际情况阐述了交通控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程控制器在工业自动化中的地位极其重要。广泛应用于各个行业。随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、低价格、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。

第三章 方案设计
3.1控制要求
交通灯控制系统的控制要求如下：
1 信号灯受一个起动开关（SB1）控制，当起动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西红灯亮。
2 交通灯按如下顺序循环点亮：红红（2s）-->红绿（3s）-->红黄（1s）-->红红（2s）-->绿红（3s）-->黄红（1s）-->红红(2s)。
3 周而复始。
3.2系统设计方案分析
按照交通灯系统控制要求下，结合西门子S7-200系列可编程控制器的特性，选择适合的型号。设计思想分析如下：给一个启动的输入信号，要配合一个SB1的按钮，当SB1启动按钮动作，系统工作。
按照控制要求，将控制过程分为六步，分别是红红、红绿、红黄、红红、绿红、黄红，程序控制继电器按时序一步步的跳转。可采用多种方案实现跳转，在此，我们采用传送指令与时间继电器结合来控制程序的运转。
首先，上电后，按下启动按钮SB1，I0.0动作，启动通电延时时间继电器T37和T40，Q0.0和Q0.3接通，南北红灯和东西红灯亮，延时2s后，其常闭触点断开，Q0.3断开，东西红灯灭。启动时间继电器T38，T37常开触点闭合，Q0.5接通，东西绿灯亮，延时3s后，T38常闭触点断开，东西绿灯灭。启动时间继电器T39，T38常开触点闭合，Q0.4接通，东西黄灯亮，延时1s后，T39常闭触点断开，东西黄灯灭。T39常开触点闭合,东西红灯亮，延时2s后，南北红灯灭，同时启动时间继电器T41，Q0.1接通，南北绿灯亮，延时3s后，T41常闭触点开、常开触点闭合，南北绿灯灭。同时启动时间继电器T42，Q0.2接通，南北黄灯亮，延时1s后，T42常闭触点开、常开触点闭合,南北黄灯灭，同时南北红灯亮，开始下一轮循环。
按照控制要求，需要一个信号输入，六个信号输出，十字路口有十二个交通信号灯，南北、东西两个为一组用一个输出信号控制。通过如下的十字路口交通灯状态分析表、主流程图、十字路口交通灯时序图一一展开，十字路口交通灯控制系统设计思路逐渐脉络清晰。
3.3 交通灯状态图
十字路口交通灯如下图1所示，将12个交通灯进行编号

图2 十字路口交通灯状态图

这12个交通灯共有六个状态：
状态1：南北红灯（1、7）亮，东西红灯（4、10）亮；
状态2：南北红灯（1、7）继续亮，东西绿灯（6、12）亮；
状态3：南北红灯（1、7）继续亮，东西黄灯（5、11）亮；
状态4：南北红灯（1、7）继续亮，东西红灯（4、10）亮；
状态5：南北绿灯（3、9）亮，东西红灯（4、10）继续亮；
状态6：南北黄灯（2、8）亮，东西红灯（4、10）继续亮。
3.4 主程序流程图：

图3 主程序流程图

图4 十字路口交通灯时序图

第四章 硬件设计
4.1 硬件选择
根据交通信号灯的亮灭规律，可用PLC编程对其实行自动控制。
4.2 PLC的I/O分配表

表1 交通信号灯PLC的输入/输出点分配表
输入信号
定时元件
输出信号
名称
代号
输入点编号

名称
代号
输出点编号
工作按钮
SB1
I0.0
T37:状态一2S
南北红灯
L0
Q0.0

T38:状态二3S
南北绿灯
L1
Q0.1

T39:状态三1S
南北黄灯
L2
Q0.2

T40状态四2S
东西红灯
L3
Q0.3

T41:状态五3S
东西绿灯
L4
Q0.4

T42:状态六1S
东西黄灯
L5
Q0.5
4.3 PLC的硬件接线图
端口I0.0为接入系统开关的传送信号，端口Q0.0接南北红灯，端口Q0.1接南北绿灯，端口Q0.2接南北黄灯，端口Q0.3接东西红灯，端口Q0.4接东西绿灯，端口Q0.5接东西黄灯。

第五章 软件设计

5.1 十字路口交通信号灯梯形图

5.2 指令表
Network 1
LD I0.0
AN T42
TON T37, 20
TON T38, 50
TON T39, 60
TON T40, 80
TON T41, 110
TON T42, 120
Network 2
LD I0.0
AN T40
O T42
= Q0.0
Network 3
LD I0.0
AN T37
O T39
= Q0.3
Network 4
LD T37
AN T38
= Q0.5
Network 5
LD T38
AN T39
= Q0.4
Network 6
LD T40
AN T41
= Q0.1
Network 7
LD T41
AN T42
= Q0.2

第六章 程序仿真

状态1、4：南北红灯（1、7）亮，东西红灯（4、10）亮

图6 南北红灯、东西红灯亮

图7 南北红灯、东西红灯亮
状态2：南北红灯（1、7）继续亮，东西绿灯（6、12）亮

图8 南北红灯、东西路灯亮
状态3：南北红灯（1、7）继续亮，东西黄灯（5、11）亮

图9 南北红灯、东西黄灯亮
状态5：南北绿灯（3、9）亮，东西红灯（4、10）继续亮

图10 南北路灯、东西红灯亮
状态6：南北黄灯（2、8）亮，东西红灯（4、10）继续亮

图11 南北黄灯、东西红灯亮
第七章 设计总结
经过本次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了电气控制及PLC这门课程，不仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的强，可以通过平时学的知识自己设计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。
在这次课程设计中遇到了很多问题，也获得了很多意想不到的知识。在每次突破一个问题后都有种久违的满足感，甚至对每发现一个问题都有种莫名的兴奋。虽然这次的课程设计整整花了我两个星期的时间，每天从早到晚，头脑中就只有这个设计，忙于修改方案，调试程序，但是通过这次的锻炼，我学到了很多的东西，不仅锻炼了自己的思考能力、绘图能力和程序仿真能力，还锻炼了综合应用知识的能力，同时，我也是在这次课程设计中看到了自己的不足，我还有许多未知的知识要学，知道了今后需要更加努力，使自我能够不断完善。

参考文献
[1] 许谬、王淑英.电气控制与PLC.机械工业出版社,2006.
[2] 廖常初.PLC编程及应用（第3版）.机械工业出版社,2008.
[3] 罗宇航.流行PLC实用程序及设计.机械工业出版社,2006.
[4] 方承远.工厂电气控制技术（第3版）.机械工业出版社,2008.
[5] 姚英学.计算机辅助设计与制造.高等教育出版社,2002.
[6] 王爱玲.现代数控原理及控制系统.国防工业出版社,2003.
[7] 罗宇航.流行PLC实用程序及设计.西安电子科技大学出版社,2006.

电气控制与PLC技术课程设计成绩评定表
姓 名
X X X
学 号
XXXXX
专业班级
电气工程及其自动化08级（2）班
课程设计题目：基于S7-200 PLC十字路口交通灯控制系统设计
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

评 定 项 目
评 分 成 绩

总 分

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日