plc在交通灯控制系统中的应用

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除河南工业职业技术学院毕 业 设 计.【精品文档】第 18 页题目：PLC在交通灯控制系统中的应用 班 级 机修1004班 专 业 机电工程系 学生姓名 廖永能 指导教师 杨聚庆 日 期 2012年10月10日设计任务书设计题目：基于PLC的交通信号灯控制设计要求：在综合掌握PLC控制交通灯理论的基础上，自主灵活的利用这些知识去分析设计，使其设计的结果最终能够实现：（1） 东西和南北方向各有一组红、黄、绿灯用于指挥交通,红、黄、绿三灯的持续时间分别为36s,6s,30s。（2） 当东西方向为红灯时，南北方向为绿灯。当南北方向为红灯时，东西方向为绿灯。红灯倒计36s后，黄灯闪烁3次，然后绿灯亮。（3） 东西和南北各有两组数码管，以倒计时方式显示两个方向允许通行或禁止通行的时间。设计进度要求：第一周：查阅收集相关的资料确定设计题目。第二周：根据设计要求分析西门子PLC的工作原理。第三周：到图书馆,电子阅览室等相关地方查找资料。第四周：写出控制交通灯工作的梯形图。第五-六周：进行软、硬件设计并画出相关的电路图。第七周：调试修改，找出问题，改进设计。第八周：撰写论文,准备答辩。指导教师（签名）： 摘 要目前对交通灯的控制有很多种，但是往往都存在着故障率高、可靠性差、抗扰性差等众多缺点。但是PLC控制系统克服了这些缺点，它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便、抗干扰能力强，受到众多设计者的青睐。因此，我这次的设计是以PLC为基础来实现对交通信号灯的控制。此次设计我首先对交通信号灯的原理进行分析；然后根据分析确定设计的输入、输出点数；进而确定所要选用的PLC的型号；以及需要扩展的模块的数量并对扩展的模块数量进行I/O编址；最后利用输入、输出点数确定I/O接线图、程序流程图和梯形图。并通过了系统调试，最终达到了交通信号灯自动控制的目的。因些利用PLC控制交通灯不仅可以实现交通灯的作用，而且还使交通灯的设计更加方便，实现的功能更加强大。关键词：可编程控制器，交通灯，梯形图 目录设计任务书I摘要II目录I1 PLC的概述1 1.1 PLC简介 11.2 PLC的国内外状况及未来展望2 1.3 PLC未来展望41.4 PLC控制交通灯的背景51.5 PLC控制交能灯的优点51. PLC的工作原理62 交通灯控制系统的总体设计72.1设计总体要求72.2设计总框图72.3硬件设计总思路82.4软件设计总思路83 硬件设计93.1 PLC的硬件系统组成93.2 PLC的选型103.3输入、输出点的估算113.4主机型号的选择113.5模块的扩展123.6输入、输出点的分配133.7 PLC外部接线示意图143.8七段数码管的显示工原理154 软件设计184.1编程软件的概述184.2编程语言的选择184.3程序梯形图195 PLC的调试与分析27总结31致谢32参考文献331 PLC概述1.1 PLC简介可编程控制器简称PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。可编程控制器（PLC）是用来取代控制系统中的继电器的一种设备，它通过检测输入端口，并根据输入端口的状态，按照程序控制输出口，可编程控制器的程序一般要使用一定的软件编写，使用人员通过输入预先编写的程序，使可编程控制器按预定的控制方案执行控制任务。目前大多数城市采用的交通信号灯指挥控制系统，采用电子线路加继电器构成，也有少数采用单片机构成。对信号灯的要求也越来越高，采用电子线路加继电器的控制方式，则需要加入大量的中间继电器，时间继电器，计数器等器件。而且交通控制智能化需要按实际情况而改变参数，如使用继电器控制，则很难实现。如使用单片机控制，则需要引入大量I/O接口电路、硬件设计，而且这两种控制方式的抗干扰能力十分有限。采用可编程控制器对交通信号灯进行管理，技能满足控制要求，又具有高的抗干扰和稳定性。PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技术相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大下面就其在公路交通领域的应用做一简单介绍：PLC型交通灯控制器：将PLC用于对交通信号灯的控制，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别对多岔路口的控制可方便的实现。目前大多品牌的PLC内部均配有实时时钟，通过编程控制可对信号灯实施全天候无人化管理。由于PLC本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。德国西门子有限公司生产的S7-200系列可编程控制器（如图1-1）具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块等特点。它是一种集成式控制器，集成了电源、输入模块、输出模块和CPU于一身，输入输出状态由LED指示，内装RS-485通讯接口，可连接计算机直接编制梯形图程序，通过EM 277 PROFIBUS-DP扩展从站模块，可将S7-200 CPU连接到PROFIBUS-DP网络。EM 277经过串行I/O总线连接到S7-200 CPU。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM 277 PROFIBUS-DP模块。这个端口可运行于9600波特和12M波特之间的任何PROFIBUS波特率。图1-1 S7-200系列可编程控制器1.2 PLC的国内外状况及未来展望随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常老百姓的家庭，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如北京、上海、南京等均出现了道路交通超负荷运行的情况。因此，自80年代后期以来，很多城市纷纷扩建城市道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，扩建道路并没有充分发挥出预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门丞待解决的主要问题。在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.3 PLC未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.4 PLC控制交通灯的背景随着现代科学技术的发展，对于交通灯的控制不断地在工艺、性能等各方面进行改进，使交通灯的控制变得更加方便，实现的功能更加的强大。我国早期对交通灯的控制有二种：电子线路控制系统、继电器控制系统。电子线路控制系统虽然能实现交通灯的基本要求，但是因为是电子线路比较复杂，容易出现问题并且查找问题比较困难，早在继电器控制系统出现之时已销声匿迹了。继电器控制系统由于故障率高、可靠性差、控制方式不灵活以及消耗功率大等缺点，目前已逐渐被淘汰。而我国目前交通灯控制系统主要有二种控制方式：PLC控制系统和智能化控制系统。智能化控制系统虽在智能控制方面有较强的功能，但也存在抗扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握维修技术等缺陷。而PLC控制系统本着运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期较短等优点，已成为人们的新宠。1.5 PLC控制交能灯的优点PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，语言编程简单，采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。还是一种用于自动化控制的专用计算机，因此它使用的非常广泛。PLC是工业专用计算机，这种计算机采用面向用户的指令，因而编程方便。它能完成“逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作”，还具有“数字量,模拟量输入/输出控制”的能力。并且容易与“工业控制系统连为一体”，易于扩充。因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算机。随着人们生活水平的不断提高和交通问题的日益严重，发展PLC控制交通灯已成为必然，并且会受到越来越多人的关注。S7200系列可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制器。它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈，抗干扰能力强。因此，能够满足交通灯对电气控制系统的要求。且西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。这里我们采用S7-200 系列， S7-200 系列PLC 具有可靠性高、运算速度快、产品成本低等优点。1.6 PLC的工作原理众所周知，继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，采用的工作方式为并行工作方式，而可编程控制器是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各点起的动作，所以它属于串行工作方式。PLC采用自左到右、自上而下的逐行循环扫描的方式，RUN的工作方式下， CPU从用户等程序第一条指令开始执行，直到最后一条指令结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC把用户程序执行一次所经过的时间称为PLC的一个机器扫描周期，它分内部处理、通迅服务、输入采样、用户程序执行、输出刷新五大步骤。PLC运行状态按输入采样、用户程序执行、输出刷新等步骤周而复始地循环工作。而具体的工作过程如下图1-1所示。图1-2 PLC的工作过程2 交通灯控制系统的总体设计2.1设计总体要求本设计是以PLC为核心再加上数码管等外接器件来实现交通灯的控制的。（1）当按下起动按钮时，东西方向的红灯开始亮，数码管从36开始递减。（2）当按下起动按钮时，南北路口的绿灯开始亮，数码管从30开始递减，当30S时间到时，南北路口的黄灯开始闪烁，共闪烁3次。（3）东西方向红灯的时间到，黄灯开始闪烁，黄灯闪烁3次后东西方向的绿灯开始亮并倒计30s。（4）南北方向的红灯开始亮，数码管从36开始倒计数。（5）东西路口的绿灯开始亮，数码管从30开始递减，当30S时间到时，东西路口的黄灯开始闪烁，共闪烁3次。（6）南北方向的红灯时间到时，黄灯开始闪烁，闪烁3次后南北方向的绿灯开始亮并倒计30s。（7）东西方向的红灯开始亮，数码管从36开始倒计数。（8）当按下停止按钮时，南北方向和东西方向的红、黄、绿三灯和4组数码管都不亮。而具体的控制要求如表2-1所示。表2-1 交通灯的控制要求 东西路口红灯黄灯绿灯亮36s闪烁3次亮30s南北路口绿灯黄灯红灯亮30s闪烁3次亮36s2.2设计总框图PLC控制交通灯系统的组成有核心控制元件PLC、起动按钮、停止按钮、红黄绿三灯、数码管等元件组成。因此交通灯系统控制框图如图2-1所示。 图2-1 设计总框图2.3硬件设计总思路根据可编程控制器设计交通灯硬件部分的设计步骤，本设计的具体设计步骤如下所示：（1）PLC的选型；（2）输入、输出点的估算；（3）主机型号的选择；（4）模块的扩展及I/O编址；（5）输入、输出端子的分配；（6）画出I/O接线图；（7）数码管的显示原理。2.4软件设计总思路硬件设计设计的是外部电路，是需要外接的器件。而软件设计是来驱动硬件电路工作的，是设计的核心所在，硬件电路能否正常的工作就要看软件设计的是否合理，故软件设计很重要的。本设计的软件设计是按以下的步骤进行的。（1）编程语言的选择；（2）编写程序的梯形图。3 硬件设计3.1 PLC的硬件系统组成PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成。各部分之间通过内部系统总线进行连接。CPU是PLC的核心部分，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作，它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。PLC的对外功能主要是通过各类接口模块，实现对工业设备和生产过程的检测和控制。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。PLC的硬件组成与微型计算机相似，主要是由CPU、存储器、输入/输出接口、电源等几部分组成。具体如图3-1所示。 图3-1 PLC的硬件结构组成（l）CPUCPU也称为中央处理器，是PLC的核心，对PLC的整机性能有决定性的影响。一般由控制电路、运算器和寄存器组成。（2）存储器存储器是用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量等信息的。分为ROM和RAM两种类型。 系统程序是用来控制PLC完成各种控制功能的程序。这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令编写的，并固化到ROM中。用户程序是根据生产过程和工艺要求编写的控制程序，存储在RAM中。（3）输入/输出部件这是PLC与用户设备和被控设备相连接的接口电路。输入接口电路一般由光电耦合电路组成，用来接收PLC的各种输入信号。如开关量、传感器等信号。输出接口电路一般采用继电器、晶闸管或晶体管输出，将CPU的弱电信号转换成现场需要的强电信号，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。（4）电源电源的作用是将交流电转换为直流电提供给PLC。为了提高可靠性，大部分PLC采用开关式稳压电源。3.2 PLC的选型当今的PLC厂商琳琅满目，产品性能各不相同。常用的PLC有很多种：德国西门子（SIEMENS）公司：它有SS系列和S7系列，S7系列包括有S7-200（小型）、 S7-300（中型）及S7-400机（大型）。日本欧姆龙（OMRON）公司：CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM、CV型机。日本三菱公司的PLC的小型机FI机和 FXZ机，它的中、大型机为A系列。日本东芝公司的EX小型机及EXPLUS小型机。 日本日立公司E系列，它的基本箱体有E-20、E-28、E40、E64系列等。以上的众多的厂家为我们提供了多种选择的机会，但是除此之外我们还要注意CPU的功能要强、结构要合理、I/O控制规模要适当；输入、输出功能级、及负载能力要匹配以及对通信、系统响应速度的要求。还要考虑电源的匹配等问题。输入、输出点数多少是选择PLC规模大小的依据。如果是单机自动化或机电一体化产品可选用小型机；若控制系统较大，输入、输出点数较多，控制要求比较复杂，则可选用中或大型机。在选择PLC I/O点数的同时，还要考虑用户存储的存储容量。一般厂家提供1KB、2KB、4KB、8KB、13KB、16KB、26KB等容量的存储器，选择的方法主要是根据经验估算。常用估算方法是PLC内存容量要等于I/O点数的1015倍。对于以开关量控制为主的系统，PLC响应时间无须考虑。一般的机型都能满足要求。对于有模拟量控制的系统，特别是闭环控制系统，则要注意PLC响应时间，根据控制的时时性要求，选择合适的高速PLC。有时也可选用快速影响模块和中断输入模块来提高相应的速度。通过对以上各个厂家的PLC的比较以及选择主机时所要注意的事项。我最终选用的是德国西门子公司生产的S7系列的S7-200PLC。S7-200PLC是德国西门子公司生产的超小型化PLC。它结构紧凑，扩展性能好，指令性能强大，它的强大功能使其无论是单机运行，或是连成网络都能实现复杂的控制功能，并且它有EM221、EM231等丰富的扩展模块。3.3输入输出点的估算根据被控对象对PLC控制系统的技术指标和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。在估算系统的I/O点数和种类时，要全面考虑输入、输出信号的个数，I/O信号类型（数字量/模拟量），电流、电压等级，是否有其它控制要求等因数。以上统计的数据是一台PLC完成系统功能所必须满足的，但具体要确定I/O点数时，则要按实际I/O点数再向上附加20%30%的备用量。在选择PLC I/O点数的同时，还要考虑用户存储的存储容量。根据本设计的控制要求，本设计有起动停止两个输入点，南北方向和东西方向的红、黄、绿三灯6个输出点，4组数码管的段码显示共28个输出点。所以本设计总共有34个输出点。3.4主机型号的选择CPU是PLC的核心部分，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作，它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。交通灯能否正常的工作就取决于CPU选取的是否合理，故CPU的选择是很重要的。而S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种基本型号。I/O点数及可扩展的模块数见表3.1。根据输入输出的点数选取的主机类型为CPU224。CPU224的输入输出点比较多，它有I0.0-I0.7,I1.0-I1.5 14个输入点和Q0.0-Q0.7,Q1.0-Q1.1 10个输出点。CPU224的14个输入点可以满足本设计两输入点的需求，但是10个输出点不能满足本设计34个输出点的需求，因此需要再扩展28个输出点。3-1 S7-200系列中CPU22X的基本单元型号主机输入点数主机输出点数可扩展模块CPU22164无CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点CPU22624167个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点3.5模块的扩展PLC系列目前总共可以提供三大类共9种数字量I/O模块；三大类5种模拟量I/O模块，具体的扩展模块和种类如表3-2所示。因为本设计需要扩展的是数字量输出点，所以我着重看了EM222、EM223，但是EM223不仅包括输入点还包括输出点，本设计不需要扩展输入点，为了节省资源我选取了EM222，没有选择EM223。因为需要扩展28个数字量输出点，所以选择了4块EM222（8路数字量直流输出），4块EM222总共有28个数字量输出点，正好满足设计所需要的输出点数。表3-2 常用的模块扩展型号及用途分类型号I/O规格功能及其用途数字量扩展模块EM221DI88路数字量直流输入EM222DO88数字量直流输出EM223DI4 /DO44路数字量直流输入、输出DI8/DO88路数字量直流输入、输出DI16/DO1616路数字量直流输入、输出模拟量扩展模块EM231AI44路模拟量输入EM232AQ22路模拟量输出EM235AI4/AQ14路模拟量输入、1路模拟量输出其主机和各扩展模板的I/O接链图如下图3-2所示。 图3-2 I/O扩展连接链示意图根据图3.2主机和模板的扩展连接链所示各模块对应的I/O编址如表3-3所示。表3-3 模块的 I/O编址主机模块0模块1模块2模块3I0.0 Q0.0Q2.0Q3.0Q4.0Q5.0I0.1 Q0.1Q2.1Q3.1Q4.1Q5.1I0.2 Q0.2Q2.2Q3.2Q4.2Q5.2I0.3 Q0.3Q2.3Q3.3Q4.3Q5.3I0.4 Q0.4Q2.4Q3.4Q4.4Q5.4I0.5 Q0.5Q2.5Q3.5Q4.5Q5.5I0.6 Q0.6Q2.6Q3.6Q4.6Q5.6I0.7 Q0.7Q2.7Q3.7Q4.7Q5.7I1.0 Q1.0I1.1 Q1.1I1.2I1.3I1.4I1.53.6输入、输出点的分配输入、输出点的I/O分配如表3-4所示。表3-4 I/O分配SB1I0.0起动按钮SB2I0.1停止按钮HL1Q0.0东西方向红灯HL2Q0.1东西方向黄灯HL3Q0.2东西方向绿灯HL4Q0.4南北方向红灯HL5Q0.5南北方向黄灯HL6Q0.6南北方向绿灯七 段 数 码 管数码管段码东西数码管个位东西数码管十位南北数码管个位南北数码管十位aQ2.0Q3.0Q4.0Q5.0bQ2.1Q3.1Q4.1Q5.1cQ2.2Q3.2Q4.2Q5.2dQ2.3Q3.3Q4.3Q5.3eQ2.4Q3.4Q4.4Q5.4fQ2.5Q3.5Q4.5Q5.5gQ2.6Q3.6Q4.6Q5.63.7 PLC外部接线示意图根据上面主机类型的选择，各扩展模块的确定以及I/O点的分配，再加上交通灯控制系统的控制要求。具体的红、黄、绿三灯、各扩展模块和数管I/O连线图如图3-3所示。但应注意PLC实际接线时，还应考虑到以下几个方面：(1) 应有电源输入线，通常为220V、50HZ交流电源，允许电源电压有一定的浮动范围。并且必须有保护装置，如熔断器等。若是干扰较强或对可靠性要求很高的场合，应在PLC的电源输入端加装带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。(2) 输入和输出端子共用一个COM端。PLC应单独接地，不要和其他电器元件公共接地，接地面积应大于2平方毫米，并尽可能靠近PLC。(3) PLC输入端接有线圈和电磁阀等感应性元件时必须加保护电路，例如并接阻容吸收回路(对于交流电源)或续流二极管(对于支流电源)。图3-3 PLC外部连线示意图3.8七段数码管的显示工作原理 七段数码管是用扩展模块的输出点来控制的，当红绿灯开始亮的时候，数码管就开始计数。数码管有两种类型,一种是共阴极的,一种是共阳极的,共阴极数码管输出的是高电平有效，而共阳极则是低电平有效。具体电路如下图3-4所示。图3-4 共阴极和共阳极数码管本设计采用的是共阴极数码管，当输入为高电平的时候数码管就开始显示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+24V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。本设计用数码管显示的主要原因是，半导体数码管的工作电压比较低，体积小、寿命长、工作可靠性高、响应速度快、亮度高，是交通上数字显示的最佳器件，因此本设计采用数码管显示。众所周知，LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路，完成从数字到显示码的译码驱动。本系统采用软件译码，以减小体积，降低成本和功耗，软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。所谓软件译码，即由软件完成从数字到显示码的转换。从LED数码管结构原理可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。各段码位与显示段的对应关系如下表3-5所示。表3-5 LED显示段码字型共阳极段码共阴极段码字型共阳极段码共阴极段码0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H（1） 本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。（2）“空白”字符即没有任何显示。4 软件设计用PLC系统控制一个任务或过程，是通过CPU在RUN方式下循环扫描用户程序来实现的，用户程序决定了一个系统的功能。因此PLC用户程序的设计是PLC控制系统的软件设计中最关键的一个环节。4.1编程软件的概述SIMATIC S7-200编程软件是指西门子公司为S7-200系列PLC编制的工业编程软件的集合，其中STEP7-Micro/WIN32软件是基于Windows的应用软件。具有简单易学、高效、节省时间，可解决复杂的自控任务。S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。STEP7-Micro/WIN32软件包括有MICROWIN3.1软件；MICROWIN3.1的升级版本软件MICROWIN3.1 SP1；TOOLBOXTOOLBOX包括USS协议指令和TPO70的组态软件TP DESIGNER V1.0设计师工具箱；以及MICROWIN3.11Chinese等编程软件。S7-200的编程软件：STEP7-Micro/WIN32。该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。4.2编程语言的选择PLC为用户提供的编程语言有五种：梯形图、语句表、功能块图、顺序功能图、结构文本。梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC梯形图与电气控制系统梯形图基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。PLC梯形图使用的是内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的。语句表（STL）编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓语句表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能。功能块（FBD）是利用逻辑门图形组成功能块图指令系统，功能块指令由输入、输出段及逻辑关系函数组成。最终选用梯形图作为本设计的编程语言。选取的主要原因是梯形图在程序执行时按段扫描，清晰的段结构有利于对程序的运行进行理解和调试。同时，软件的编译功能可以直接指出错误指令所在段有段标号，昉利于我对程序的修正。并且此语言简单明了，易于理解。4.3程序梯形图本设计具体的梯形图如图4-1所示。 图4-1 程序梯形图5 PLC的调试与分析PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先是要对PC外部接线作仔细检查，这一个环节非常的重要。要确保外部接线凂确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找故障。当确认接线无误后就可以连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到达到整个设计想要得到的效果。（1）程序的模拟调试将设计好的程序写入PLC后，首先要做的就是仔细检查程序，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。也可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。（2）程序的现场调试完成上述的工作后，就可以进行现场的调试工作立刻,首先将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中有可能将会显示出系统中原先可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则可以对相应硬件和软件部分设计作适当调整，通常只需要略微修改程序就可能出现实际效果。全部调试通过后，再经过一段时间的实验，系统才可以投入到实际运用当中。但本设计在调试过程中出现了如下几个问题：1）在调试程序开始前,忘记对PLC进行复位。当按下控制按钮,不会出现任何的效果。故在调试程序前应先对PLC进行复位操作,然后在进行程序调试。2）Network中南北路口的倒计时数设置的数字错误，故在调试时南北路口显示的时间和本来要显示的时间不符，具体如图5-1所示。图5-1 梯形图错误之处修改后的效果如下图5-2所示。图5-2 修改后的梯形图3）在调试时当按下I0.1停止按钮时，除了东西路口的灯没有熄灭，其它的路口的灯都熄灭，经检查错误出在Network23因为把常闭的停止按钮写为常开了，具体如图5-3所示。图5-3 梯形图错误之处修改后的梯形图如图5-4所示。图5-4修改后的梯形图4）在载入程序后，按下按钮发现灯不亮，检查程序，没有错误，再检查实验台时发现原来把数码管的极性接反了，因为本设计实用的是共阴极数码管，应该是高电平有效。修改后三灯均亮。总 结为期两个多月的毕业设计已圆满结束,本次设计是以西门子PLC为核心来实现对交通信号灯的控制，最后按设计要求在PLC实验室实验成功。本设计由两个输入端来控制交通信号灯的亮与灭。由34个输出端来控制红、黄、绿三灯的亮灭和数码管数字的显示。由实验结果可以准确实现其功能。本设计最大的优点就是程序比较简单，操作比较方便，实现的功能比较强大。经过这两个多月的艰苦奋斗，设计结果终于出来了。俗话说：“万事开头难。”这话一点也不假，回想当初确定这个题目时，还是挺茫然的，不知怎样下手。最后经过自已的反复思考、查阅相关的资料才对设计有了一个整体的思路，之后又经过很长时间的耐心查找、思考和修改才把设计做出来。从开始撰写报告，查找资料，程序设计，到整理每一次的调试的几十天里，我学会了细心和耐心，也品尝到了酸、甜、苦、辣，无数的成功与失败更加肯定了我的设计成果。这次的设计既让我增长了实践技能，又让我增加了有关交信号灯的知识，这些都是我即将步入社会最好的铺垫。最后，我验证了一个深刻的道理：天下无难事，只怕有心人。只要我们肯努力、勤奋、刻苦就没有我们做不到的事情。当今的社会，科技发展迅速，知识更新速度大大加快，唯有我们不断努力，不断钻研，才能用自己的双手为自己撑起一片绚烂的天空。致谢当我以学子的身份踏入大学校门的那天起，便已注定我将在这里度过人生中最美丽的青春年华。提笔写下“谢辞”，我才惊觉自己即将真正离开，人生亦从此展开新的画卷。尽管不舍，却更珍惜，因为我的生命中有那么多可爱的人值得感激。他们使我的大学生活充满了色彩，无论收获、遗憾，对我来说都是一笔宝贵的财富。三年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回忆。在这份大学的最后一页里，首先感谢学院给我们提供这个能自我展示的平台，感谢我们的指导老师，你们从一开始的论文方向的选定，到最后的整篇文论的完成，都非常耐心的对我进行指导。谢谢在在这几年的学习中无私传授我知识的各位老师，是你们将自己宝贵的财富无私地奉献给了我们，让我们能在学业上有所成绩；是你们让我倍感教师职业的伟大，交给我们知识，又不忘教育我们如何做人！参考文献1 钟肇心.可编程控制器入门教程（SIMATIC S7-200）.广州：华南理工大学出版社，19982 刘敏.可编程控制器.北京：机械工业出版社，20023 孙平.可编程序控制器原理及应用.北京: 高等教育出版社,20034 胡学林.可编程序控制器教程.北京: 电子工业出版社,20035 余雷声.电气控制与PLC应用.北京: 机械工业出版社,19966 SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册,20007 王永华.现代电器控制及PLC应用技术.北京: 北京航空航天大学出版社，20038 梁小布.可编程控制器.北京: 中国水利水电出版社,20049 孙政顺.曹京生.PLC技术.北京: 高等教育出版社,200510 王玉中.电气控制及PLC应用技术.河南: 河南科学技术出版社，2006.911 胡满红.电气控制与PLC.河南: 大象出版社,2007.6