十字路口交通信号灯PLC控制设计(32页).doc

安 徽 工 业 大 学

综合实践说明书
——机械电子工程方向

设计题目
十字路口交通信号指挥灯的PLC控制

学 院
机械工程学院
专业班级

姓 名

学 号

指导教师

时 间

安徽工业大学

机械电子工程方向综合实践任务书

设计题目
十字路口交通信号指挥灯的PLC控制
学 院
机械工程学院
专业班级

姓 名

学 号

综合实践的主要内容:
1、理解并掌握所设计的控制系统工作原理。
2、掌握梯形图的编程方法和指令程序的编法。
3、掌握PLC接线图的接线方法。掌握接线图中各种电气元器件的工作原理。介绍PLC电路图的控制原理。
4、掌握程序框图、功能图、指令语句表。
5、掌握编程器的操作以及编程器的输入、检查、修改、下载、上载和运行操作。
6、掌握西门子仿真软件。
7、完成本课题的程序设计。

指导教师签字：

目录

第一章 引言-----------------------------------------------------------------------------1
第二章 PLC的基本知识介绍-------------------------------------------------------2
2.1 PLC产生和定义-----------------------------------------------------------2
2.2 PLC的基本组成-----------------------------------------------------------3
2.3 PLC的程序设计基础-----------------------------------------------------4
2.4 PLC的结构及基本工作原理--------------------------------------------6
2.5 PLC的特点----------------------------------------------------------------8
第三章 十字路口交通灯的设计-------------------------------------------------10
3.1控制要求-------------------------------------------------------------------10
3.2控制对象-------------------------------------------------------------------10
3.3控制规律-------------------------------------------------------------------10
3.4确定I/O信号的数量，选择PLC类型----------------------------------11
3.5 交通信号灯I/O地址分配-----------------------------------------------12
3.6交通信号灯I/O接线图---------------------------------------------------14
3.7交通信号灯梯形图程序--------------------------------------------------14
3.8交通信号灯PLC语句表--------------------------------------------------18
第四章 软件仿真---------------------------------------------------------------------22
心得体会--------------------------------------------------------------------------------27
参考文献--------------------------------------------------------------------------------29

第1章 引言
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流的相互影响是解决问题的关键。近年来，交通信号灯系统在不断地进行改进，从最早的人工有线控制，到人工遥控控制，再到半自动控制，交通信号灯系统的自控水平在逐步提高。然而，如何实现交通信号灯系统的自动化、智能化控制，使得十字路口红、黄、绿各色信号灯的状态自动转换，仍然是一个亟待解决的课题。 单片机控制系统设计时，硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不具备通用性，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较困难。继电器-接触器控制系统中机械触点接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差，故障查找和排除困难，工艺改造工期长、费用高，严重阻碍了工业生产的节奏。可编程控制器（简称PLC）是在继电器顺序控制基础上发展起来的，以微处理器为核心的通用工业自动化控制装置。它是计算机技术与传统的继电器-控制器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机的功能完善、灵活、通用等优点和继电器-控制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，而且其控制器的硬件是标准的、通用的，控制程序可根据实际控制要求进行编写存储，这是单片机控制系统所不具有的。 基于PLC的上述优点，本设计采用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制，选用德国西门子公司的S7-200系列PLC，它采用积木式结构，安装比较方便，结构紧凑，扩展性良好，指令功能强大，价格低廉，成为当前各种小型控制工程的理想控制器。
本设计介绍了应用PLC实现十字路口交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求分析，对PLC控制系统进行了软、硬件设计，并通过实验证明该系统简单、经济、运行可靠，具有很高的实用价值。
第2章 PLC的基本知识介绍
2.1 PLC产生和定义
1968年由美国通用汽车公司提出，1969年由美国数字设备公司研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为PLC（programmable logic controller）。80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制，被称为PC（programmable controller）即可编程控制器。国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计。”这也是目前所遵循的定义和原则。
2.2 PLC的基本组成
目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的PLC以及同一家生产的不同型号的PLC其结构各不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。下面分别介绍PLC各组成部分及作用。
（1）CPU模块
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于认的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。
（2）I/O模块
输入模块用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC外部的输入、输出电路的电源电压较高，例如DC24V和AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。
（3）编程器
编程设备 （或称编程终端）用来向存储器中写入程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。个人计算机（PC）是最常用的编程设备。使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。
（4）电源 
PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型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DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。
2.3 PLC的程序设计基础
（1）可编程序控制器是专为工业生产过程的自动控制而开发的通用控制器，编程简单是它的—个突出优点，它没有采用计算机程序语言，而是开发了面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC编程语言。程序由两部分组成：操作系统，由PLC的生产厂家提供，它支持用户程序的运行；用户程序，由用户为了完成特定的控制任务而编写的应用程序。PLC的编程语言标准IEC 61131-3规定了下述5钟编程语言：顺序功能图，梯形图，功能块图，指令表和结构文本。其中较为常用的有顺序功能图、梯形图和指令表。顺序功能图，是一种位于其它编程语言之上的图形语言，用来编写顺序控制程序。它为我们提供了一种组织程序的图形方法。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件。梯形图程序是使用的最多的PLC图形编程语言。梯形图程序由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的标志位等。功能块图用来表示定时器、计数器或者数学运算、数据处理等指令。PLC的梯形图也称之为电路或程序，是一种软件信息，反映PLC的输入输出逻辑控制关系的程序软件。需要注意的是，与传统的继电器控制系统的梯形图电路不同，PLC的梯形图不是真正的物理硬件电路，不能把他们当做硬件电路来对待。指令表程序，指令是程序中的最小独立单位，用户程序是由若干条顺序排列的指令而构成。一条指令一般由一个操作码和一个操作数组成，操作数由标识符和参数组成。操作码定义要执行的功能，它告诉CPU该执行什么操作；操作数为执行该操作所需要的信息，它告诉CPU用什么去做。一般情况下，指令的操作数在PLC的存贮器中。
（2）S7-200的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。主程序：是程序的主体，每个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。子程序：子程序是可选的，仅在被其它程序调用时执行。同一个子程序可以在不同地方被多次调用。使用子程序可以简化程序代码和减少扫描时间。中断程序：用来及时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。中断程序不是由用户程序调用，而是在中断事件发生时由操作系统调用。中断程序由用户编写。
2.4 PLC的结构及基本工作原理
PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编好程序后，编程器将程序键入PLC的用户存储器中存储。PLC的控制功能就是运用用户程序来实现的。
PLC运行程序的方式与微型机算计相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000存储地址所存放的第一条用户指令开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序执行用户程序，直到END指令结束。然后再从头开始，并周而复始的重复，直至到停机或运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。我们把PLC这种执行程序的方式成为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输出，输出信号的处理与微型机算机不同 。微型机算机对输出、输出信号实时处理。而PLC对输出、输出信号是集中批处理。PLC扫描工作方式分为三个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。下面分别介绍下面三个阶段：
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。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
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。这时，才是PLC的真正输出。

2.5 PLC的特点
PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的特点而设计和发展的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的优点。
(1)可靠性高，抗干扰能力强。
(2)通用性强，使用方便。
(3)采用模块化结构，使系统组合灵活方便。
(4)编程语言简单、易学，便于掌握。
5) 系统设计周期短。
6) 对生产工艺改变适应性强。
7) 安装简单、调试方便、维护工作量小、体积小、重量轻、功耗低。

第三章 十字路口交通灯的设计
3.1控制要求
本次课程设计的内容是用PLC控制十字路口交通信号灯。其要求如下： 
①正常情况下，信号灯系统开始工作时，先南北方向红灯HLR1亮30s，东西方向绿灯HLG2常亮25s、闪亮3s(1s内通0．5s,断0．5s)，然后东西方向黄灯HLY2亮2s，30s后东西方向亮红灯HLR2，南北方向亮绿灯HLG1和黄灯HLY1，即周期时间为60s，南北和东西采取对称接法(有些路口根据流量的不同采取非对称接法，即同一方向的通行时间和停止时间不对称)。     
②南北方向出现紧急情况时，南北方向绿灯常亮，而东西方向红灯常亮。     
③东西方向出现紧急情况时，东西方向绿灯常亮，而南北方向红灯常亮。     
④夜间情况下，东西与南北方向均只有黄灯闪亮(1s内通0.5s、断0.5s)。
3.2控制对象 
东西方向红灯HLR2两个，南北方向红灯 HLR1两个， 东西方向黄灯HLY2两个，南北方向黄灯HLY1两个， 东西方向绿灯HLG2两个，南北方向绿灯HLG1两个。 
3.3控制规律 
（1）正常情况下系统24小时循环运行，当南北方向出现紧急情况时，南北方向绿灯常亮，而东西方向红灯常亮；当东西方向出现紧急情况时，东西方向绿灯常亮，而南北方向红灯常亮。
（2）夜间控制规律为：东西与南北方向均只有黄灯闪亮(1s内通0.5s、断0.5s)。

3.4确定I/O信号的数量，选择PLC类型 
根据控制要求，确定输入输出（I/O）点数分别为5个和6个。控制开关输入的启、停、南北方向紧急情况、东西方向紧急情况、夜
间情况信号是输入信号，占用5个输入点。在交通灯布置图中，南北方向的三色灯，共6盏，同颜色的灯在同一时间同时亮、灭，所以，可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制，占用3个输出点；同理，东西方向的三色灯，同颜色的灯在同一时间同时亮、灭，所以，可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制，所以共占用6个输出点。 
综上所述，本设计选用的是德国西门子公司的S7-200系列PLC，它是积木式结构，安装比较方便，中央处理单元和信号模板有多种类型。根据本系统输入输出点数及控制要求，考虑到够用的原则，中央处理单元选用CPU224即可满足控制需要，其本身具有14个数字量输入点，10个非隔离数字量输出点，最多能够扩展7个数字量信号模板，使用内部24V直流电源为输入回路供电，由于其输出量交通信号灯信号变化比较频繁，所以输出选用晶体管式的硬件连接方式。 
电源模块将交流电源转换成供CPU、存储器等所有扩展模块使用的直流电源，是整个PLC系统的能源供给中心，它的好坏直接影响到PLC的稳定性和可靠。S7-200属于小型PLC，电源模块与CPU模块封装在一起，通过连接总线为本机和扩展模块提供+5V（DC）电源。同时，还可通过端子向外输出一个+24V（DC）电源，供本机输入点和扩展模块继电器线圈使用。需注意的是，从资料中我了解到，外部电源不可与S7-200的传感器电源并联使用。否则，将会导致两个电源的竞争而影响它们各自的输出，缩短其使用寿命，使得一个或两个电源同时失效，使PLC系统产生不正确的操作。正确的使用方法是S7-200的传感器电源和外部电源应该在不同的点上提供电源，而两者之间只能有一个公共连接点。
3.5 交通信号灯I/O地址分配
根据控制要求分析可知，五种输入信号共用五个开关进行表示，启动开关SB1接输入端I0.1，停止开关SB2接输入端I0.2，南北向紧急开关SB3接输入端I0.3，东西向紧急开关SB4接输入端I0.4，夜间情况开关SB5接输入端I0.5。六种输出信号分别接：南北向红灯HL1、HL2接输出端Q0.0，南北绿灯HL3、HL4接输出端Q0.4，南北黄灯HL5、HL6接输出端Q0.5，东西红灯HL7、HL8接输出端Q0.3，东西绿灯HL9、HL10接输出端Q0.1，东西黄灯HL11、HL12接输出端Q0.2。综上所述，可设计如下I/O地址分配表如下表。

交通信号灯控制I/O地址分配表

输入信号
输出信号
启动开关SB1
I0.1
南北红灯HL1、HL2
Q0.0
停止开关SB2
I0.2
南北绿灯HL3、HL4
Q0.4
南北向紧急开关SB3
I0.3
南北黄灯HL5、HL6
Q0.5
东西向紧急开关SB4
I0.4
东西红灯HL7、HL8
Q0.3
夜间情况开关SB5
I0.5
东西绿灯HL9、HL10
Q0.1

东西黄灯HL11、HL12
Q0.2

3.6交通信号灯I/O接线图

3.7交通信号灯梯形图程序

3.8交通信号灯PLC语句表
0 ORGANIZATION_BLOCK MAIN:OB1
1 BEGIN
2 Network 1
3 LD I0.1
4 O M0.0
5 AN I0.2
6 AN I0.3
7 AN I0.4
8 AN I0.5
9 = M0.0
10 Network 2
11 LD M0.0
12 AN T42
13 TON T37, 250
14 Network 3
15 LD T37
16 TON T38, 30
17 Network 4
18 LD T38
19 TON T39, 20
20 Network 5
21 LD T39
22 TON T40, 250
23 Network 6
24 LD T40
25 TON T41, 30
26 Network 7
27 LD T41
28 TON T42, 20
29 Network 8
30 LD M0.0
31 AN T39
32 = Q0.0
33 Network 9
34 LD M0.0
35 AN T37
36 LD T37
37 AN T38
38 A SM0.5
39 OLD
40 = Q0.1
41 Network 10
42 LD T38
43 AN T39
44 LD I0.5
45 AN I0.2
46 A SM0.5
47 OLD
48 = Q0.2
49 Network 11
50 LD T39
51 AN T42
52 = Q0.3
53 Network 12
54 LD T39
55 AN T40
56 LD T40
57 AN T41
58 A SM0.5
59 OLD
60 = Q0.4
61 Network 13
62 LD T41
63 AN T42
64 LD I0.5
65 AN I0.2
66 A SM0.5
67 OLD
68 = Q0.5
69 Network 14
70 LD I0.3
71 AN I0.2
72 S Q0.4, 1
73 S Q0.3, 1
74 Network 15
75 LD I0.4
76 AN I0.2
77 S Q0.1, 1
78 S Q0.0, 1
79 END_ORGANIZATION_BLOCK 87
80 SUBROUTINE_BLOCK SBR_0:SBR0
81 BEGIN
82 Network 1
83 END_SUBROUTINE_BLOCK 0
84 INTERRUPT_BLOCK INT_0:INT0
85 BEGIN
86 Network 1
87 END_INTERRUPT_BLOCK 0

第四章 软件仿真
1.闭合开关SB1，I0.1接通，指示灯亮起，并开始交替循环亮起来，进行正常情况下的交通信号灯循环。

2.闭合停止开关SB2，I0.2接通，所有灯都熄灭。
3.闭合南北向紧急开关SB3，输入端I0.3接通，南北向绿灯常亮，东西向红灯常亮。
4.闭合东西向紧急开关SB4，输入端I0.4接通，东西向绿灯常亮，南北向红灯常亮。
5.闭合夜间情况开关SB5，南北向和东西向黄灯同时闪烁。

心得体会

刚拿到这个题目的时候，一开始我没有头绪，但是在老师的指导下，我慢慢的就理解了，然后就开始了设计。我设计的十字路口交通灯的功能是对交通信号灯进行循环控制，分为紧急情况和夜间情况。首先我研究普通的十字交通灯，在了解透彻的情况下，理解这次设计的思想。分析这些问题之后，我就开始做准备工作。首先我们做硬件设计，先画原理图和硬件接线图。然后就是确定元器件的型号。下面就是软件的设计了，在编写程序之前，我们先对基本的电路进行了分析，在理解之后，我就考虑怎样进行正常时段和紧急情况、夜间情况的跳转，在查阅资料后，我对程序进行修改、试验，最后终于成功了。在这几天的忙碌中，我学到了许多，虽然以前学过PLC，由于时间关系有些遗忘，这次设计正好加以温习，并且对于PLC有了进一步的了解。以前我们学习的PLC主要是理论的学习，缺乏实践，这次课程设计给了我们一个很好的实践的机会。
通过实践，我们对PLC有了更加全面的了解，掌握了梯形图的编程方法和指令程序的编法、PLC接线图的接线方法、接线图中各种电气元器件的工作原理。同时也学会了编程器的操作以及编程器的输入、检查、修改、下载、上载和运行操作。最后通过对梯形图进行仿真，掌握了西门子仿真软件，学会了如何利用仿真软件来检查自己的程序问题。
这次课程设计让我受益匪浅，通过整个实践过程，让我们所学的理论与实践有了很好的结合。作为机械专业的学生，我们要更加注重实践，不能中停留在理论，机械专业的我们，更重要的是培养自己的一种动手能力，用所学的专业知识，去分析和解决生产生活中的问题，学以致用。在以后的学习中，我要不断提高自己的动手能力，将理论结合实际应用于生活中。

参考文献

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[3]图解PLC与电气控制入门[Z]北京：人民邮电出版社.2008.9
[4]孙同景.PLC原理及工程应用[D]. 北京:机械工业出版社,2008.P256
[5]钟肇新.范建东.冯太合.可编程控制器原理及应用[M].广州:华南理工大学出版社.2008.P188
[6]周波.胡修玉. 可编程控制器原理与应用[M].北京:国防工业出版社.2008.P122