基于S7-200-PLC-十字路口交通灯的控制系统设计

基于s7-200 plc的十字路口交通信号灯控制系统设计基于s7-200 plc的十字路口交通信号灯控制系统设计1 设计主要内容及要求1.1 设计目的：编程序控制器（PLC）于20世纪60年代在美国诞生，在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高工业装备电气自动化水平的重要设备和强大支柱。因此，PLC技术已成为电气自动化专业技能型人才必不可少的重要技能，通过实践，可以帮助学生加深对理论知识消化吸收，提高PLC编程技能。1.2 基本要求信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。 南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。要求完成以下项目：1、画出交通信号灯时序状态示意图2、画出交通灯的控制流程图3、完成可编程控制器I/O端口分配和外部接线图4、完成十字路口交通信号灯PLC控制梯形图编程1.3 发挥部分 自由发挥2 设计过程及论文的基本要求：2.1 设计过程的基本要求（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；（3）报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于4000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12014.9.1讲解主要设计内容，安排学生查阅资料打分22014.9.2检查整个设计总体设计概况打分32014.9.3指导学生进行传感器的选择和plc应用的注意事项打分42014.9.4检查学生核心内容的设计情况打分52014.9.5答辩、写报告打分2014-9-1沈 阳 工 程 学 院基于s7-200 plc的十字路口交通信号灯控制系统设计 课程设计成绩评定表系（部）： 班级： 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分摘要可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入(I)和输出(O)接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器(PLC)作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，它将传统的继电器-接触器控制技术与计算机和通信技术融为一体，在工业自动化，机电一体化以及传统的工业控制方面，得到了广泛的应用，发挥着越来越大的作用。已被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源等各种行业。它可靠性高、功能完善、抗干扰性好，具有结构简单、重量轻等优点。是一种专门用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统。城市交通信号控制是通过对交通流的调节、警告和诱导以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。采用PLC控制交通信号灯，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。目前，PLC已广泛应用于工业控制中，但是在交通控制方面应用方面还不是很广泛。PLC应用于交通控制还有很大的潜能，PLC以其可方便操作、可方便编程调试等特点，使得其有逐步取代以往的单片机在交通灯中的地位的趋势。利用德国西门子公司的S7200 PLC来实现交通信号灯的自动控制。通过对交通信号灯的控制要求的分析，结合西门子S7-200的控制性能，通过系统时序图的分析，对交通灯系统进行了软、硬件设计，实现了十字路口交通灯的合理控制的功能，通过实验证明该方法设计的系统简单、经济实用、远行可靠，具有很高的实用价值。关键字：PLC 交通灯控制 设计 调试28- -目录基于s7-200 plc的十字路口交通信号灯控制系统设计I摘要III目录41 设计任务描述51.2 设计要求.51.2.2 基本要求51.2.3 发挥部分52 设计思路63 设计与分析73.1设计框图73.2设计分析74 硬件部分94.1 PLC I/O分配94.2系统的硬件结构图104.3 PLC的接线形式115软件设计部分125.1 梯形图135.2语句表166 PLC概述196.1PLC硬件结构196.2中央处理单元(CPU)196.3存储器206.4输入/输出模块21图6.4.123图6.4.2237元件清单24小结25致 谢26参考文献271 设计任务描述1.1 设计题目：基于s7-200 plc的十字路口交通信号灯控制系统设计1.2 设计要求.1.2.1 设计目的 可编程控制器是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算、记数和算术运算等功能。用来对各种机械或生产过程进行控制。自1969年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。编程序控制器（PLC）于20世纪60年代在美国诞生，在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高工业装备电气自动化水平的重要设备和强大支柱。因此，PLC技术已成为电气自动化专业技能型人才必不可少的重要技能，通过实践，可以帮助学生加深对理论知识消化吸收，提高PLC编程技能。1.2.2 基本要求信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。 南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。东西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮，周而复始。要求完成以下项目：1、画出交通信号灯时序状态示意图2、画出交通灯的控制流程图3、完成可编程控制器I/O端口分配和外部接线图4、完成十字路口交通信号灯PLC控制梯形图编程 1.2.3 发挥部分2 设计思路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（见附录），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。首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状态。南北方向道路亮红灯状态过程中，南北红灯亮25S,需计时器设定延时25秒，才会转入下一状态南北绿灯亮；同时，东西方向道路也一起亮绿灯20S,需计时器设定延时20秒，才会转下一状态东西绿灯闪烁；东西绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使东西绿灯闪烁，还需要计时器设定延时3秒，才会转下一状态东西黄灯亮；东西黄灯亮2S,需计时器设定延时2秒，才会转入下一状态东西红灯亮。其次，东西方向道路处于禁止通行的状态，南北方向道路处于允许通行的状态。东西方向道路亮红灯状态过程中，东西红灯亮30S,需计时器设定延时30秒，才会转入下一状态东西绿灯亮；同时，南北方向道路也一起亮绿灯25S,需计时器设定延时25秒，才会转下一状态南北绿灯闪烁；南北绿灯闪烁3S，需振荡器或脉冲源（秒/次）动作使南北绿灯闪烁，还要需计时器设定延时3秒，才会转下一状态南北黄灯亮；南北黄灯亮2S,需计时器设定延时2秒，才会转入下一状态南北红灯亮。如此循环下去。 3 设计与分析3.1设计框图开始南北红灯亮，东西绿灯亮南北红灯亮，东西绿灯闪南北红灯亮，东西绿灯亮东西红灯亮，南北绿灯亮东西红灯亮，南北绿灯闪东西红灯亮，南北绿灯亮开始3.2设计分析 图1 十字路口交通示意图这12个交通灯共有6个状态：南北红灯（1 7）亮 东西绿灯（6 12）亮南北红灯（1 7）继续亮 东西绿灯（6 12）闪南北红灯（1 7）继续亮 东西绿灯（5 11）亮东西红灯（4 10）亮 南北绿灯（3 9）亮东西红灯（4 10）继续亮 南北绿灯（3 9）闪东西红灯（1 7） 继续亮 南北绿灯（2 8）亮4 硬件部分4.1 PLC I/O分配交通灯控制系统共有一个输入点：启动按钮。输出信号有东西方向、南北方向两组指示灯驱动信号以及东西方向、南北方向的车辆运行指示灯驱动信号甲、乙。由于每一方向的指示灯中，同种颜色的指示灯运行情况相同，为节省输出点数，采用并联输出法。由此确定，系统所需的输入点数为1，输出点数为8，全部为开关量。PLC IO点分配如表一所示。表一PLC I/O口分配 输入元件 输入地址输出元件 输出地址 启动按钮 I0.0南北红灯Q0.0南北黄灯Q0.1南北绿灯Q0.2东西红灯Q0.3东西黄灯Q0.4东西绿灯Q0.5南北车灯（乙）Q0.6东西车灯（甲）Q0.74.2系统的硬件结构图根据系统对IO口量的需求，选用s7200来完成设计，系统的硬件结构如图2所示。检测装置PLC计数器 CPU定时器交通灯 图2 系统的硬件结构4.3 PLC的接线形式如图3所示图3 PLC接线图端口I0.0为接入系统开关的传送信号，端口Q0.0接起报警作用的信号灯，端口Q0.1接南北红灯，端口Q0.2接东西绿灯，端口Q0.3接东西黄灯，端口Q0.4接东西黄灯，Q0.5接南北绿灯，Q0.6接南北黄灯。5软件设计部分控制系统的程序可分为两个模块：开始模块和十字路口信号灯控制模块。其中十字路口信号灯控制模块是主模块。时间设定由定时器(T)完成，通过不同的定时器的交替触发和定时来控制各个车道每个信号灯的亮灭时间。时间的设定可根据实际状况分时设置。根据控制任务要求，运用step7一microwin32软件设计交通灯系统的梯形图程序，如图4。5.1 梯形图 5.2语句表 5.3 时序图图4 十字路口交通灯时序6 PLC概述6.1PLC硬件结构 PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，中央处理单元(CPU)，如下图2-1所示。4-1 PLC硬件结构6.2中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，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，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。6.3存储器存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户程序存储器。1、PLC常用存储器类型（1）RAM （Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。32、PLC存储空间分配各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）（3）用户程序存储区4系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC性能。系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。5（1）I/O映象区：PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一定数量存储单元(RAM)以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16个bit）。整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。（2）系统软设备存储区 ：I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储区。该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序时指使用户根据工程现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。次程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。6.4输入/输出模块输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是05伏和010伏两种。另外还有：0somV、0IV、5+SV、10+10V，010mA等。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。图6.4.1图6.4.27元件清单名称型号数量备注计算机1可编程控制器S7-2001西门子数据线1STEP7-Micro/WIN1小结PLC课程结束了，又到了课程设计的时候，我们组分到了：基于S7-200 PLC的十字路口交通信号灯的系统设计 面对这个题目根据老师课堂讲的内容很快就确定了设计的方向，并与同学们的合作解决遇到的问题。通过这次设计，我意识到了PLC编程技术在现实中的广泛应用，并了解到自己学习中的不足之处，看到了理论与实践的差距。通过一周的PLC设计实践。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。通过此次课设，让我了解了PLC梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。实践不同于理论，理论上可行的设计，在考虑实际条件的种种影响下，必须有所取舍，有侧重，才能事半功倍，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。致 谢在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做学而不思则怠,做事要学思结合。PLC不仅需要编程能力，更是要求设计者了解控制电路的时序关系，作用原理，在接到题目之后，通过查询资料对题目的所需要的编程器件，设计思路有了一定准备，但还是遇到了很多问题，感谢祝老师给予的及时指导和帮助，能够跳出我们的思维局限性，从更高的，宏观的层面和维度来分析问题，给出中肯和针对性的建议，通过和同学的讨论，更是使我完善了自己能力的不足之处，并能使我们一起提高。感谢学校老师给我们提供实践的机会和条件，能够锻炼自己的实际动手能力，不仅停留在理论层面的学习，更要将所学转化为一种能力和素质，培养自己的工程实践经验，从最基础的课程设计做起，为实际动手操作，打实基础，因为只有实践，才能出真知。 参考文献1 王永华 .现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，20132 赵景波等.零基础学西门子S7-200 PLC.北京：机械工业出版社，20103 龚威，张树臣，王瀛. 实例解读西门子PLC.北京：中国电力出版社,20134 李国丽，朱维勇电子技术实验指导书合肥：中国科技大学出版社，2000