十字路口交通信号灯PLC控制系统设计与调试

PAGE14-十字路口交通信号灯PLC控制系统简介1控制对象及要求1.1控制对象本系统的控制对象有八个，分别是：东西方向红灯（R—EW）两个；南北方向红灯(R—SN)两个；东西方向黄灯（Y—EW）两个；南北方向黄灯(Y—SN)两个；东西方向绿灯（G—EW）两个；南北方向绿灯(G—SN)两个；东西方向左转弯绿灯(L—EW)两个；南北方向左转弯绿灯(L—SN)两个。1.2控制要求1．系统工作受开关控制，起动开关ON则系统工作；起动开关OFF则系统停止工作。2．高峰时段按时序图二（见附图）运行，正常时段按时序图三（见附图）运行，晚上时段按提示警告方式运行，规律为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。3．高峰时段、正常时段及晚上时段的时序分配按时序图一运行(见附图)。高峰时段高峰时段正常时段晚间时段06:3078:1516:3018:302124小时时序图一(图中R、Y、G、L分别表示红、黄、绿、左转弯灯，SN、EW分别表示南北向和东西向)1.2系统简介本系统是一个十字路口交通灯的PLC控制系统，利用西门子公司的S7-200可编程逻辑控制器对十字路口的交通灯进行控制。本系统具有一定的智能性，即它可以对交通灯按高峰期、正常期及晚间几个时段进行分段控制。高峰期的控制方案为：（1）南北方向左转弯灯和南北南北方向红灯同时亮10秒，同时东西方向红灯亮；（2）南北方向绿灯亮35秒，东西方向红灯继续亮；（3）南北方向黄灯闪烁5秒；东西方向红灯继续亮；（4）东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；（5）东西方向绿灯亮25秒，南北方向红灯继续亮；（6）东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第（1）步依次循环。正常期的控制方案为：（1）南北方向左转弯灯和南北南北方向红灯同时亮10秒，同时东西方向红灯亮；（2）南北方向绿灯亮30秒，东西方向红灯继续亮；（3）南北方向黄灯闪烁5秒；东西方向红灯继续亮；（4）东西方向左转弯绿灯和南北方向红灯同时亮10秒，东西方向红灯继续亮；（5）东西方向绿灯亮30秒，南北方向红灯继续亮；（6）东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯继续亮，然后跳至第（1）步依次循环。晚间的控制方案为：东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭，黄灯闪亮按亮0.4秒，暗0.6秒的规律反复循环。1.3硬件选型城市道路交通信号控制是典型的开关量顺序控制，采用PLC能充分利用它的优点。在这里我们采用德国西门子公司的S7-200可编程控制器，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，另外还具有如位控单元、PD调节等特殊功能模块。根据本系统输入点数及控制要求，中央处理单元可选用CPU224，该CPU板上本身具有10个数字量输入点，6个非隔离数字量输出点，最多能够带8个数字量信号模板。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，从资料中我们了解到，外部电源不可与S7-200的传感器电源并联使用。否则，交会导致两个电源的竟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会共连接点。由于根据控制要求所确定的输入输出点分别一个和八个，由于我们是以一个路口信号单独控制为例，考虑到够用为准。所以我们选择了CPU224这一具有较强控制功能的控制器。另外，在硬件选型时，不要忘记完成现场测试及软件编程时所需的一些设备。综上，得到系统硬件配置如表1所示：表1硬件配置表名称数量DC24V电源1CPU2241PC/PPI编程电缆1STEP7编程软件1PC机12系统I/O分配分析PLC的输入和输出信号,在满足控制要求的前提下,要尽量减少占用PLC的I/O点。由系统控制要求可见，由控制开关输入的启、停信号是输入信号。由PLC的输出信号控制各指示灯的亮、灭。在交通灯布置图中，每个方向都有红灯、绿灯、黄灯和左转灯四种，而由于东和西，南和北的信号是一样的，所以这里只用到8个输出便足够。由此可得系统I/O分配如表2所示：表2系统I/O分配表输入/输出设备/器件名称I/O地址符号名数据类型输入程序启停按钮I0.1SB0BOOL输出东西方向绿灯Q0.0Q1BOOL东西方向黄灯Q0.1Q2BOOL东西方向红灯Q0.2Q3BOOL南北方向绿灯Q0.3Q4BOOL南北方向黄灯Q0.4Q5BOOL南北方向红灯Q0.5Q6BOOL东西方向左转弯灯Q0.6Q7BOOL南北方向左转弯灯Q0.7Q8BOOLPLC端子接线图根据I/O表及PLC的配置图很容易就可以得到PLC端子接线图4如下所示：4软件设计本控制系统的控制原理是：用一路数字量的不同输入状态来判定是否对时钟进行初始化，用一路数字量的不同输入状态分别用作程序的启动和停止控制，每一方向有红、黄、绿及转弯四种信号灯，分别对应四位数字量输出，两个方向共有8位数定量输出；在高峰和正常时段的一个循环周期里面，系统用了10个定时器顺序工作交替工作，从而实现各种状态的切换以及循环。本文所设计的软件就只有一个主程序，思路比较简明。程序主要任务包括：读取两个开关状态，根据开关的不同状态做出相应的处理，当开关SB0断开时候，系统不工作；当开关SB0闭合时则读取时钟值，并做处理，根据处理后的时钟值的大小判定当前时间是属于哪个时间段，并启动相应的时期的中间继电器，对相应的变量进行赋值。晚间时段的控制规律为：两个方向的四个黄灯均按亮0.4秒灭0.6秒的规律闪烁，其余的交通灯全灭程序中将用到两个定时器T49和T50实现，功能如表3所示。高峰和正常时段的控制方案相同，程序中将用到10个定时T39-T48，每个定时器的功能就是实现不同时间的状态转换，状态如表4所示。该程序实现了信号由东西左转、东西直行、南北直行依次循环变化。其优势思路简单，容易理解，对时钟的校正以及各时段的起始时间和终止时间的修改方便。如路口要求在21：00以后实行各方向黄色信号灯闪烁功能，只需要将对应的黄灯的条件并联一个相应的脉冲即可。如果需要将几个路口集中到一台PLC控制，根据实际需要的I/O点数，硬件上再增加相应的数字量输出模板即可。需要指出的是，用PLC实现城市道路关通信号控制，最好几个路口共用一套PLC，这样可以大大降低工程成本。表3晚间时段定时器一个循环中的功能明细表定时器0s≤t<0.4s0.4s≤t<1st=1sT49定时0.4秒开始计时，输出OFF，黄灯亮定时到，输出ON且保持；黄灯灭开始下一次循环的定时T50定时0.6秒未启动开始计时，输出OFF定时到，输出ON，随即复位开始下一次循环的定时，黄灯亮。表4高峰和正常时段各定时器一个循环中的状态定时器t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10T39OffOnOnOnOnOnOnOnOnOnT40OffOffOnOnOnOnOnOnOnOnT41OffOffOffOnOnOnOnOnOnOnT42OffOffOffOffOnOnOnOnOnOnT43OffOffOffOffOffOnOnOnOnOnT44OffOffOffOffOffOffOnOnOnOnT45OffOffOffOffOffOffOffOnOnOnT46OffOffOffOffOffOffOffOffOnOnT47OffOffOffOffOffOffOffOffOffOnT48OffOffOffOffOffOffOffOffOffOff(最后输出On,复位)t1~t10表示每个状态时间段，说明入如下图高峰时段控制结构图10—45s0—10s45—50s50—60s60—85s85—90s东西方向红灯、南北方向红灯和南北方向左转绿灯亮；其他灯灭。南北方向绿灯亮,，东西方向红灯仍亮；其他灯灭。南北方向黄灯闪烁,东西方向红灯仍亮；其他灯灭。南北方向红灯、东西方向红灯和东西方向左转弯灯亮；其他灯灭。东西方向绿灯亮，南北方向红灯仍亮；其他灯灭。东西方向黄灯闪烁,南北方向红灯仍亮；其他灯灭。正常时段控制结构图正常时段控制结构图10—40s0—10s40—45s45—55s55—85s85—90s东西方向红灯、南北方向红灯和南北方向左转绿灯亮；其他灯灭。南北方向绿灯亮,，东西方向红灯仍亮；其他灯灭。南北方向黄灯闪烁,东西方向红灯仍亮；其他灯灭。南北方向红灯、东西方向红灯和东西方向左转弯灯亮；其他灯灭。东西方向绿灯亮，南北方向红灯仍亮；其他灯灭。东西方向黄灯闪烁,南北方向红灯仍亮；其他灯灭。总结通过这次十字路口交通信号灯的PLC控制，使我对PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更深刻的了解，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。附录源程序-STL语句TITLE=交通灯Network1//从PLC中读出当前的时间//数据送往VB110之后的空间，其中VB110→年VB111→月VB112→日VB113→时VB114表→分VB115→秒VB117→星期LDSM0.0TODRVB110Network2//判断当前时间是否在高峰时段（直接用BCD码比较）VD113存储的就是小时和分钟LDI0.0LDD>=VD113,16#07000000AD<=VD113,16#08150000LDD>=VD113,16#16300000AD<=VD113,16#18300000OLDALDRM0.1,2SM0.0,1Network3//判断当前时间是否在正常时段（直接用BCD码比较）LDI0.0LDD>=VD113,16#06300000AD<=VD113,16#07000000LDD>=VD113,16#08150000AD<=VD113,16#16300000OLDLDD>=VD113,16#18300000AD<=VD113,16#21000000OLDALDRM0.0,1RM0.2,1SM0.1,1Network4//判断当前时间是否在晚间时段（直接用BCD码比较）LDI0.0LDD>=VD113,16#0AD<=VD113,16#06300000OD>=VD113,16#21000000ALDRM0.0,2SM0.2,1Network5//正常闪烁脉冲LDSM0.0LPSANT38TONT37,5LPPAT37TONT38,5Network6//晚间闪烁脉冲LDSM0.0LPSANT50TONT49,4LPPAT49TONT50,6Network7//高峰和正常时期相同的计时时间设置（存储在VW120~VW138）LDSM0.0MOVW16#70,VW120MOVW16#0100,VW122MOVW16#0820,VW134MOVW16#0850,VW136MOVW16#0900,VW138Network8//高峰时期计时时间设置LDM0.0MOVW16#0420,VW124MOVW16#0450,VW126MOVW16#0500,VW128MOVW16#0570,VW130MOVW16#0600,VW132Network9//正常时期计时时间设置LDM0.1MOVW16#0370,VW124MOVW16#0400,VW126MOVW16#0450,VW128MOVW16#0520,VW130MOVW16#0550,VW132Network10//高峰和正常时期各个计时器LDI0.0ANT48TONT39,VW120TONT40,VW122TONT41,VW124TONT42,VW126TONT43,VW128TONT44,VW130TONT45,VW132TONT46,VW134TONT47,VW136TONT48,VW138Network11LDM0.0OM0.1ANT45=Q0.3Network12LDM0.0OM0.1LDNT39LDT37