交通灯毕业设计

安徽矿业职业技术学院 毕业设计（论文）任务书 （ 20 13 届） 题 目 PLC 控制十字路口交通灯 指导教师 院 系 机电工程系 专 业 班 级 学 号 姓 名 2013 年 3 月 5 日至 2013 年 6 月 3 日共 10 周 一、 论文（设计）方向： PLC 控制十字路口交通灯 二、 主要参考资料： 1 王曙光 . S7-200PLC 应用基础与实例 . 人民邮电出版社 , 2007 2 严盈富 .西门子 S7-200PLC 入门 .人民邮电出版社 , 2007 3 龙志文 .SIMATIC 子 S7-200PLC 原理及应用 .机械工业出版社 , 2007 4 刘永华 .电气控制与 PLC，北京航空航天大学出版社 , 2007 5 罗宇航 .流行 PLC 实用程序及设计（西门子 S7-200PLC 系列） .西安电子科技大学出版社 , 2007 6 伊宏业 . PLC 可编程控制器教程 . 航空工业出版社 , 1997 7 刘洪涛，黄海编 . PLC 应用开发从基础到实践 .电子工业出版社 , 2007 三、 课题的内容和任务要求： 自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种 多样，从而使交通灯显得更加智能化。 可编程控制器 (PLC)以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活 ,而且结构简单，抗干扰能力强。西门子可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合交通灯控制系统的要求与特点，能够方便地联网通信。 本文选择西门子可编程控制器 S7-200 为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了十字路口交通灯控制系统的自动 化。 关键词： PLC；交通控制；自动化 四、 毕业论文（设计）进度安排： 起 讫 日 期 工 作 内 容 备 注 3 月 5 日 -4 月 20 日 分析任务、进行现状调查和资料收集工作 4 月 21 日 -4 月 25日 完成毕业论文任务书与毕业论文开题报告 前期检查 4 月 26 日 -4 月 30日 资料研究、 抑制干扰原理研究 ，论文构思，罗列方法 5 月 1 日 -5 月 4 日 提出观点，方法论证，形成初稿 中期检查 5 月 5 日 -5 月 9 日 规范格式，形成论文全稿 5 月 10 日 -5 月 14日 修改论文，撰写答辩报告（提纲）、准备答辩 答辩资格审查 学生（签名）： 年 月 日 指导教师（签名）： 年 月 日 系毕业设计（论文）工作指导小组意见： 组长（签名） 年 月 日 系毕业论文工作领导小组审核意见： 主管领导（签名） 年 月 日 安徽矿业职业技术学院 毕业设计（论文） 开 题 报 告 （ 20 13 届） 题 目 PLC 控制十字路口交通灯 指导教师 院 系 机电工程系 班 级 学 号 姓 名 二 13 年 6 月 3 日 一、 选题的意义 在十字路 口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。 传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有 什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。 目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。 二、研究的主要内容，拟 解决的主要问题（阐述的主要观点） 文选择西门子可编程控制器 S7-200 为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了十字路口交通灯控制系统的自动化。 关键词： PLC；交通控制；自动化 三、研究（工作）步骤、方法及措施（思路） 1. 可编程程序控制器（ PLC） 2. 系统设计 3. 系统检测与调试 四、 主要参考文献 1 王曙光 . S7-200PLC 应用基础与实例 . 人民邮电出版社 , 2007 2 严盈富 .西门子 S7-200PLC 入门 .人民邮电出版社 , 2007 3 龙志文 .SIMATIC 子 S7-200PLC 原理及应用 .机械工业出版社 , 2007 4 刘永华 .电气控制与 PLC，北京航空航天大学出版社 , 2007 5 罗宇航 .流行 PLC 实用程序及设计（西门子 S7-200PLC 系列） .西安电子科技大学出版社 , 2007 6 伊宏业 . PLC 可编程控制器教程 . 航空工业出版社 , 1997 7 刘洪涛，黄海编 . PLC 应用开发从基础到实践 .电子工业出版社 , 2007 指导教师意见： 签名： 年 月 日 系毕业设计（论 文）工作指导小组意见： 签名： 年 月 日 系毕业设计（论文）工作领导小组意见： 签名： 年 月 日 安徽矿业职业技术学院 毕业设计（论文） （ 20 13 届） 题 目 PLC 控制十字路口交通灯 指导教师 院 系 机电工程系 班 级 学 号 姓 名 二 13 年 6 月 3 日 目 录 第 一 章 前言 1.1 课题背景 1.2 研究目的和意义 第 二 章 可编程程序控制器（ PLC） 2.1 PLC 概述 2.1.1 PLC 的发展历程 2.1.2 PLC 的发展趋势 2 .1.3 PLC 的应用 2.2 PLC 的硬件结构 2.3 PLC 的工作原理 2.4 本章小结 第 三 章 系统设计 3.1 控制要求 3.2 系统设计方案分析 3.3 硬件设计 3.3.1 PLC 的选型 3.3.2 PLC 的地址分配 3.3.3 PLC 的接线形式 3.4 系统程序设计 3.4.1 系统的梯形图 3.4.2 语句表 3.4.3 系统程序分析 3.5 本章小结 第 四 章 系统检测与调试 4.1 检测与调试 4.2 本章小结 结论 致谢 参考文献 附录 S7-200PLC 的 CPU 的 I/O 规范 附录 S7-200PLC 的 CPU 的输入规范 附录 S7-200PLC 的 CPU 的输出规范 1 第一章前言 1.1 课题背景 1858 年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红， 绿 两色的机械扳手式信号灯，用以指 挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。 1868 年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示 “停止 ”，绿色表示 “注意 ”。 1869 年 1 月 2 日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914 年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示 “停止 ”，绿灯亮表示 “通行 ”。 1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在 地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，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。 1968 年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都 必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。 1.2 研究目的和意义 在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。 传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。 目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转 换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。 第 2 章 可编程程序控制器（ PLC） 2.1 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。 PLC 从 1969 年问世以来，虽然至今还不到 40 年，但由于其具有通用灵活的控制性能 .简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、 CAD/CAM 技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。可编程序控制器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，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。 2.1.1 PLC 的发展历程 在可编程控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。 1968 年美国通用汽车公司 （ G.M）为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、面向问题的 “自然语言 ”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。 1969 年美国数字设备公司（ DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器， 并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。 早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制 ,通常称为可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller ）。随着微电子技术和计算机技术的发展， 20 世纪 70 年代中期微处理器技术应用到 PLC 中，使 PLC 不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。 20 世纪 80 年代以后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展， 16 位和 32 位微处 理器应用于 PLC 中，使PLC 得到迅速发展。 PLC 不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能，使 PLC 真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。 PLC 的发展过程大致可以分为如下几个阶段： 19701980 年： PLC 的结构定型阶段。在这一阶段，由于 PLC 刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、 1 位机型、通用计算机型、单板机型等），但迅速被淘汰。 最终以微处理器为核心的现有 PLC 结构形成，取得了市场的认可，得以迅速发展 .推广。 PLC 的原理、结构、软件、硬件趋向统一与成熟， PLC 的应用领域由最初的小范围、有选择使用、逐步向机床、生产线扩展。 19801990 年： PLC 的普及阶段。在这一 3 阶段， PLC 的生产规模日益扩大，价格不断下降， PLC 被迅速普及。各 PLC 生产厂家产品的价格 .品种开始系列化，并且形成了固定 I/O 点型、基本单元加扩展块型、模块化结构型这三种延续至今的基本结构模型。 PLC 的应用范围开始向顺序控制的全部领域扩展。比如三菱公司本阶段的主要产品有 F.F1.F2 小型 PLC 系列产品 ,K/A 系列中、大型 PLC 产品等。 19902000 年， PLC 的高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着微电子技术的进步， PLC 的功能日益增强， PLC 的 CPU 运算速度大幅度上升、位数不断增加，使得适用于各种特殊控制的功能模块不断被开发， PLC 的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。此外， PLC 的体积大幅度缩小，出现了各类微型化 PLC。三菱公司本阶段的主要产品有 FX 小型 PLC系列产品， AIS/A2US/Q2A系列中，大型 PLC系列产品等。 2000年至今： PLC 的高性能 与网络化阶段。在本阶段，为了适应信息技术的发展与工厂自动化的需要，PLC 的各种功能不断进步。一方面， PLC 在继续提高 CPU 运算速度，位数的同时，开发了适用于过程控制，运动控制的特殊功能与模块，使 PLC 的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。与此同时， PLC 的网络与通信功能得到迅速发展， PLC 不仅可以连接传统的编程与通入 /输出设备，还可以通过各种总线构成网络，为工厂自动化奠定了基础。三菱公司本阶段的主要产品有 FX 小型 PLC 系列产品（包括最新的 FX3u 系列产品）， Qn,QnPH 系列中，大型 PLC 系列产品等。 2.1.2 PLC 的发展趋势 从当前产品技术性能来看， PLC 发展趋势仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两大方面。 体积小型化。电子产品体积的小型化是微电子技术发展的必然结果。现代 PLC 无论从内部元件组成还是硬件、软件结构都已经与早期的 PLC 有了很大的不同， PLC 体积被大幅度缩小。 性能的提高。 PLC 的性能主要包括 CPU 性能与 I/O 性能两大方面。 可编程序控制器在我国的发展状况如下： (1) 我国可编程序控制器的发展与国际上的发展有所不同，国际上可编程序控制器的发展是从研 制、开发、生产到应用，而我国则是从成套设备引进、可编程序控制器引进应用、消化移植、合资生产到广泛应用。大致可划分为下述三个阶段： 可编程序控制器的初级认识阶段（ 70 年代后期到 80 年代初期）国际上可编程序控制器的发展，首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，所以我国对可编程序控制器的认识始于 70 年代后期到 80 年代初期的成套设备引进中，当时的上海宝钢一期工程中有多项工程引进了十几种机型约 200 多台可编程序控制器。这些可编程序控制器用于原料码头到高炉、轧钢、钢管等整个钢铁冶炼以及加工生产线上， 取代了传统的继电器逻辑系统，并部分取代了模拟量控制和小型 DDC 系统。继宝钢一期工程后，国内许多厂家陆续引进的设备和生产线大都配备了可编程序控制器，其应用范围包括电站、石油化工、汽车制造、港口和码头等各领域。正是在成套设备引进过程中，我们打开了眼界，了解认识了可编程序控制器，这也促进了可编程序控制器在我国的发展。 可编程序控制器的引进应用和消化移植阶段（ 80 年代初期到 90 年代初期） 80 年代初期开始，随着我国改革开放的不断深入，在成套设备引进的同时，国外原装的可编程序控制器开始涌入国内市场。许多部门和 单位相继引进可编程序控制器并自己设计组成控制系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、造纸、橡胶和精细化工等工业领域。 可编程序控制器的广泛发展阶段（ 90 年代初期到现在） 进入 90 年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，主要表现在以下几个方面： (2) 政府重视 可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工业部的领导下，于 1991 年成立了可编程序控制器行业协会。可编程序控制器行业协会在政府和企事业之间起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。 同时可编程序控制器的标准化工作也受到了有关部门的重视，于 1993 年成立了可编程序控制器标准化技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。 2.1.3 PLC 的应用 1 PLC 的应用领域 PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来， PLC 的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得 PLC 的成本下降；另一方面 PLC 的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿 、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。 PLC 的应用范围通常可分成以下 5 种类型： （ 1）顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领域，也是最适合 PLC 使用的领域。它用来取代传统的 继电器顺序控制。PLC 应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。 (2)运动控制 PLC 制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下， PLC 把描述目标位置的数据送 给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加速度，确保运动平滑。 （ 3）过程控制 PLC 还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度。 PID 模块提供了使 PLC 具有闭环控制的功能，即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时， PID 控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。 （ 4）数据处理 在机械加工中， PLC 作为主要的控制和管理系统用于 CNC和 NC 系统中，可以完成大量的数据处理工作。 （ 5）通信网络 PLC 的通信包括主机与远程 I/O之间的通信、多台 PLC 之间的通信、 PLC 和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。 PLC 与其他智能控制设备一起，可以组成 “集中管理、分散控制 ”的分布式控制系统。 2 PLC 在我国的应用 虽然我国在 PLC 生产方面比较弱，但在 PLC 应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入 10 万台套 PLC 产品，年销售额 30 多亿人民币，应用的行业也很广。 在我国，一般按 I/O 点数将 PLC 分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）： 微型： 32 I/O 小型：256 I/O 中型： 1024 I/O 大型： 4096 I/O 巨型： 8192 I/O 在我国应用的 PLC 系统中， I/O64点以下 PLC 销售额占整个 PLC 的 47%， 64 点 256 点的占 31%，合计占整个 PLC 销售额的 78%。 2.2 PLC 的硬件结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分， PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图 2-1 所示。 中央处理单元 (CPU)是 PLC 的控制中枢，它按照 PLC 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、检查电源、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 5 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运行。图 2-1 PLC 的结构图 图 2-1 PLC 的结构图 2.3 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。 考虑到继电器控制装置各 类触点的动作时间一般在 100ms 以上，而 PLC 扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 -扫描技术。这样在对于 I/O响应要求不高的场合， PLC 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 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 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 8 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。 PLC 的扫描工作过程如图 2-2、图 2-3 所示 图 2-3 PLC 的扫描周期图 2.4 本章小结 本章介绍的是 PLC 的产生、发展及应用，通过这些基础知识，更好地理解 PLC 的控制， 基于 PLC 在交通灯控制系统上应用这一范畴，使下一步 PLC 的程序设计开发和实际需要有机地融合在一起。 7 第 3 章 系统设计 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，东西绿灯亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。 2 南北绿灯和 东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应关闭信号灯系统，并报警。 3 南北红灯亮维持 25S。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持 20S。到 20S 时，东西绿灯闪烁，闪烁 3S 后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持 2S。到 2S 时，东西黄灯熄，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。 4 东西红灯亮维持 30S。南北绿灯亮维持 25S。然后闪烁 3S，熄灭。同时南北黄灯亮，维持 2S 后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。 5 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（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，还要需计时器设定延 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。 另外，当断开系统，所有信号灯熄灭；需要按钮 SB1 动作断开系统，停此输入信号入可编程控制器，而最快的方法，是使可编程控制器不动作，那么肯定无信号输出。而且，南北、东西绿灯同时亮，报警。可编程控制器要输出一个信号，驱动一个报警灯。 综上所述，可编程控制器要满足一个信号输入（作系统接通、断开作用），七个信号 输出，十字路口有十二个交通信号灯，但南北、东西两个为一组用一个输出信号控制，再加上一个报警信号驱动的报警灯。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，将十字路口交通灯控制系统设计思路逐渐脉络清晰。 表 3-1 十字路口交通灯状态分析表 十字路口交通灯状态的分析： 十字路口交通灯如下图 3-1 所示，将 12 个交通灯进行编号 。 图 3-1 十字路口交通灯状态图 这 12 个交通灯共有四个状态： 状态 1：南北红灯（ 1、 7）亮，东西绿灯（ 6、 12）亮。 状态 2：南北红灯（ 1、 7）继续亮，东西绿灯（ 6、 12）闪。 南北方向 交通灯 状态 红灯亮 25S 绿灯亮 25S 绿灯闪 3S 黄灯亮 2S 东西方向 交通灯状态 绿灯亮 20S 绿灯闪 3S 黄灯亮 2S 红灯亮 30S 交通灯状态 十字路口交通灯状态的分析： 十字路口交通灯如下图 3-1 所示，将 12 个交通灯进行编号 这 12 个交通灯共有四个状态： 状态 1：南北红灯（ 1、 7）亮，东西绿灯（ 6、 12）亮。 状态 2：南北红灯（ 1、 7）继续亮，东西绿灯（ 6、 12）闪。 状态 3：南北红灯（ 1、 7）继续亮，东西黄灯（ 5、 11）亮。 状态 4：东西红灯（ 4、 10）亮，南北绿灯（ 3、 9）亮。 状态 5：东西红灯（ 4、 10）继续亮，南北绿灯（ 3、 9）闪。 状态 6：东西红灯（ 1、 7）继续亮，南北黄灯（ 2、 8）亮。 主程序流程图：（如图 3-2 所示） 9 11 3.3 硬件设计 3.3.1 PLC 的选型 从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点 1个，开关量输出点 7个，如果选用 CPU222 / PLC，也需要扩展单元 PLC，参照西门子 S7-200 系列特性（见附录），选用主机为 CPU224（ 14 输入 /10继电器输出）。 其外形图 3-4 如下： 输入电路采用了双 向光电耦合器， 24V DC 极性可任意选择， 1M、 2M 为输入端子的公共端。1L、 2L 为输出公共端。 CPU224 另有 24V、 280mA 电源供 PLC 输入点使用。 3.3.2 PLC 的地址分配 列出交通信号灯 PLC 的输入 /输出点分配表，见表 3-2。 定时器 T=PT S； 定时实际时间=设定值精度 1ms: T32,T96 10ms: T33T36, T97T100 100ms: T37T63, T101T255 表 3-2 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 T33:南北红灯工作 25S 名称 代号 输出点编 号 工作按 钮 SB1 I0.0 T97: 东西红灯工作 30S 报警灯 L0 Q0.0 T98:东西绿灯工作 20S 南北红灯 L1 Q0.1 T99:东西绿灯闪烁 3S 东西绿灯 L2 Q0.2 T100:东西黄灯工作 2S 东西黄灯 L3 Q0.3 T34:南北绿灯工作 25S 东西红灯 L4 Q0.4 T35:南北绿灯闪烁 3S 南北绿灯 L5 Q0.5 T36:南北黄灯工作 2S 南北黄灯 L6 Q0.6 3.3.3 PLC 的接线形式 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，端口 Q0.5 接南北绿灯，端口 Q0.6 接南北黄灯 13 3.4 系统程序设计 3.4.1 系统的梯形图 15 17 3.4.3 系统的指令表 3.4.3 系统程序分析 当开关 SB1 合上时， I0.0 触点接通， T33 通电待 25 秒后动作（南北红灯熄灭）， T98 通电待 20秒后动作（东西绿灯闪烁）， Q0.1 得电，南北红灯亮；同时 Q0.1 的动合触点闭合， Q0.2 线圈得电，东西绿灯亮。 维持到 20 秒， T98 的动合触点接通， T99 通电待 3 秒后动作（东西黄灯亮），与 T98 触点串联的 T32 动合触点每隔 0.5 秒导通 0.5 秒，从而使东西绿灯闪烁。 又过 3秒， T100 通电待 2 秒后动作（东西黄灯灭）， T99 的动断触点断开， Q0.2 线圈失电，东西绿灯灭；此时 T99 的 动合触点闭合， Q0.3 线圈得电，东西黄灯亮。 再过 2 秒后， T100 的动断触点断开，Q0.3 线圈失电，东西黄灯灭。 此时自开关闭合南北红灯亮起累计时间达 25 秒， T33 的动断触点断开， Q0.1 线圈失电，南北红灯灭； T33 的动合触点闭合， T97 通电待 30 秒后动作（东西红灯熄灭），T34 通电待 25 秒后动作（南北绿灯闪烁）， Q0.4 线圈得电，东西红灯亮， Q0.4 的动合触点闭合， Q0.5线圈得电，南北绿灯亮。 又经过 25 秒， T34 动合触点闭合， T35 通电待 3 秒后动作（南北黄灯亮），与 T34 触点串联的 T32 的触点每 隔 0.5 秒导通 0.5 秒，从而使南北绿灯闪烁。 闪烁 3 秒， T34 动断触点断开， Q0.5 线圈失电，南北绿灯灭；此时 T35 的动合触点闭合， Q0.6 线圈得电，南北黄灯亮。 维持 2 秒后， T36 动断触点断开， Q0.6 线圈失电，南北黄灯灭。 自南北红灯灭及东西红灯亮累计时间达 30 秒钟， T97 的动断触点断开， T33 动断触点复位， Q0.2 线圈失电，即维持了 30 秒的东西红灯灭。 T33 动断触点复位断开时， T97 定时器失电， T97 的动断触点复位闭合，只要不断开按钮 SB1，系统继续循环下去。 3.5 本章小结 本章介绍 S7-200 系列 PLC 交通灯控制系统的应用设计 ,关键是系统总体设计 ,核心则是控制程序设计。重点要掌握 PLC 系统设计的基本原则和设计的一般流程 ,要有一个整体的概念。在满足控制要求、环境要求和性价比等条件下，合理选择 PLC 的机型和硬件配置，正确地进行估算，合理选择输入 /输出模块，完成 PLC 的硬件与软件的设计。 通过这次可编程控制器的课程设计，终于发现脑海里有了工程的思想。以前单方面的学习了电子硬件知识和软件知识。有人说只懂硬件，那是一个技术员，只懂软件的，那是程序员。系统结合，要软硬兼施，才能具备一个工程师综合素质 。 19 第 4 章 系统检测与调试 4.1 检测与调试 大体思路流程如下： 1、硬件调试：硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。 静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。 第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。 第二步：用万用表测试。先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电 源线与地线之间是否有短路现象。 第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值 第四步：是联机检查。因为只有用可编程控制器开发系统才能完成对用户系统的调试。 动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。 由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的 器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的 电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试既告完成。 由近及远是将信号流经的各器件按照距离可编程控制器的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。 2、软件调试： 软件调试是通过对拥护程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。程序后，编辑，查看程序是否有逻辑的错误。如果出现故障，应返回编程环境，检查梯形图的错误并修改程序 再进行调试，如此反复直到调试成功。 4.2 本章小结 系统的检测与调试是一个很枯燥无味的过程，要求一步一脚印地严谨细致进行，才能将想当然而引致错误的地方找出来并改正。 结 论 交通信号灯控制系统的设计 ,我们以前学过，我想这个课题是很容易的。当真正做起来的时候，还是觉得有点困难的，有些东西以前学了，但现在用起来可能又有点疑问。就如画电气原理图吧，整体的构 造脑海里都有一个整体的概念。而你要画出来的话，你可能会遇到细节上的问题，比如说按钮开关的方向是怎样，以及怎么划分区域等。遇到这些问题的时候都能让你主动去翻书，复习这些陌生的知识。我认为这是一种最好的学习方法 通过实践去检验自己的知识。这个只有你自己投入进去你才能发现自己知识点的欠缺。做为一名机电专业的学生对电器原理图的了解更应该有深刻的认识，知道它的重要性。要能看的懂，给你一张电气原理图，你要能够写出梯形图。 查找资料也是一件繁琐的事情，虽说网上有资料但要找到一些真正有用的资料也不是一件容易的事，需要耐 心查找。 在程序设计过程中，我对以前的编程方法做了归纳，之前我习惯用功能流程写程序，遇到难点的时候习惯翻书，对照例子提取点精华。现在能灵活运用经验设计法、电气原理图设计法、顺序控制设计法。特别多顺序控制设计有了一定的了解。这里面最经典我认为是单序列的编程方法、选择序列的编程方法和并行序列的编程方法这个三个是很值得研究的，也是一种格式。只要你能熟悉掌握，灵活应用的话，那么编程对你来说将变的非常容易。一个流程图无论多么复杂，都可以拆分上面的形式，然后就可以利用上面的方法编程了。当然对于简单的流程也可以用顺序设 计。这种方法也是一种固定的格式，只要按照它的格式就可以写出正确的程序，它的优点可以说易懂，条理清晰。但结构多。对于活动步多的设计我想用这个设计比较烦琐。 更加体会到 PLC 的可靠性高，抗干扰能力强， .通用性强，控制程序可变，使用方便等优点。更加熟悉了西门子编程软件使用方法与各种基本指令。 这次的课程设计使我把可编程控制器的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，让我受益非浅， 对我以后工作中遇到问题或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响。 21 致 谢 本论文从 3 月份开题以来，到目前为止已经有快 3 个月的时间了，这次毕业设计中，虽然都没太多的经验， 在 张 老师的指导下 ，同学鼓励、帮助下，相互奋勉，最终圆满的完成了设计任务。在整个过程当中，有许多人给了我启发和帮助，在毕业论文完成之际，我要在此表达对他们最诚挚的感谢。首先，最需要感谢的人是我的指导老师 张 老师。老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题 到查阅资料，方案可行的确定和论文纲领细节的修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。每一次的批评和教育，使我受益非浅，值此论文完成之际 ,谨向李老师再一次向她致以衷心的谢意，感谢她为学生营造