1、武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制学 号： 0121018700318课 程 设 计题 目交通灯的 PLC 控制系统设计学 院 物流工程学院专 业 物流工程班 级 物流 zy1001姓 名 宋金龙指导教师 刘有源教授2013 年 7 月 5 日武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制课程设计任务书学生姓名： 宋金龙 专业班级：物流卓越 1001 班 指导教师： 刘有源教授 工作单位：物流工程学院 题目: 交通灯的 PLC 控制系统设计 初始条件：1)PLC 型号：西门子公司 S7 系列，S7-3002)编程环境：SIMATIC Manager /Ste
2、p7 V5.4 或更高版本3)根据控制要求分配 PLC I/O 地址，画出 PLC 与控制对象的接线图，设计控制流程，按照模块化的方式设计程序，既可以采用 LAD 编程，也可以采用STL 编程，还可以采用组合方式编程。4)编写的需要输入 PLC，调试通过。要求完成的主要任务: 1)十字路口交通信号灯，共有两组信号灯，其中一组控制直行，一组控制转弯。当轮到一个方向开始直行时，控制该方向直行的绿灯亮，指示该方向可以直行，并维持 20s，当通行时间即将结束时，绿灯闪烁 3s 以作提示。2)随后，该方向的黄灯亮 2s，熄灭，通行时间结束，该方向的红灯亮，禁止该方向通行。同时控制该方向转弯的绿灯亮，指示
3、该方向转弯，转弯时，绿灯维持 15s，当转弯时间即将结束时，绿灯闪烁 3s 以作提示。3)紧接着，该方向的黄灯亮 2s，熄灭，转弯时间结束。4)接下来，该方向的红灯亮，禁止该方向转弯。同时另一方向直行的绿灯亮，轮到另一方向直行了。如此周而复始。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制摘要城市规模不断扩大，城市的交通问题也变的日益突出，如堵车问题，城市交通问题也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。为了解决交叉口混合交通流中的相互影响或彼此的相互影响，我们可以合理
4、的设置交叉路口的红绿灯系统，帮助疏导交通流，从而有效的减少交通阻塞等问题，并为行人的安全提供强有力地保障。 现在，城市的红绿灯基本上都是程序控制，在实际使用中采用可编程序控制器（PLC）控制占很大比例，其主要原因是因为 PLC 具有简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列的优点。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，并通过仿真实验证明该系统的实用性，利用 PLC 对十字路口交通灯进行模拟控制，从而能够对真正的十字路口交通灯控制系统有更深入的了解。关键词：十字路口，交通灯， P
5、LC 控制武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制目录摘要 .I第一章 绪论 .11.1 PLC 的基本知识 .11.1.1 PLC 的概念 .11.1.2 PLC 的基本组成 .11.1.3 PLC 基本工作原理 .31.2 研究目的和意义 .4第二章 十字路口交通灯设计 .62.1 设计任务 .62.2 设计要求 .7第三章 系统硬件设计 .83.1 I/O 分配表 .83.2 交通信号灯 PLC 控制硬件接线图 .8第四章 系统软件设计 .104.1 十字路口交通灯的控制时序表及时序图 .104.2 交通灯正常循环运行流程图 .114.3 交通灯 PLC 控制系统的 L
6、AD 图 .124.4 交通灯的控制过程分析 .18第五章 系统调试与仿真 .195.1 硬件组态调试 .195.2 系统仿真 .20总结 .25参考文献： .26武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制0第一章 绪论1.1 PLC 的基本知识1.1.1 PLC 的概念 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
7、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。 ”1.1.2 PLC 的基本组成在种类繁多的 PLC 中，其组成结构和工作原理都基本相同。用 PLC 实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。PLC 专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。1.中央处理器(CPU)中央处理器(CPU)一般由控制器运算器和寄存器组成。它们都集成在一个芯片内，CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。与一
8、般计算机一样，CPU 是 PLC 的核心，它是按照 PLC 中系统程序赋予的功能指挥 PLC 有条不序地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当 PLC 处于运行方式时，CPU 按循环扫描方式执行用户程序。CPU 的主要任务如下：(1)按 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制1(2)用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。(3)诊断电源或 PLC 内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。(4)在 PLC 进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规
9、定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。2.存储器PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。(1)系统存储器 系统存储器是指用来存放 PLC 的系统程序的存储器。它由 PLC 生产厂家编写并固化在 ROM 内，用户不能直接更改。它使 PLC 具有基本的功能，能够完成PLC 设计者规定的各项工作。其主要内容包括 3 个部分：系统管理程序、 用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。(2
10、)用户存储器用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的 PLC 编程语言编写的各种用户程序。PLC 使用的存储器有 3 种类型：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和可擦除可编程只读存储器(EEPRO)。3.输入/输出接口单元PLC 的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出接口单元从广义上可分为 2 个部分：一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。4.扩展接口和通信接口PLC 具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，
11、是 PLC 的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。(2)通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制2PLC 或计算机相连从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。5.电源部分PLC 一般使用 220 交流电源，内部的开关电源位 PLC 的中央处理器、存储器等。电路提供 5V、+-12V、24V 等直流电源使 PLC 能正常工作。6.编程设备编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。7.其他部件有些 PLC 还可以有 ERROM 写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC 的存储容量和扩展功能。PLC
12、 的硬件结构组成如下图 1.1 所示：图 1.1 PLC 硬件结构组成框图1.1.3 PLC 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拥护指令开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址好递增的方向顺序执行拥护程序，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
13、到停止（STOP）工作状态。我们把 PLC 这种执行编程器输出电路输入电路中央处理器（CPU ）系统程序存储器 用户程序存储器 电源武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制3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：输出采样、程序执行、输出刷新。(1)输入采样阶段 PLC：在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进
14、入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。(2)用户程序执行阶段：根据 PLC 梯形图程序扫描规则，PLC 以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。当指令中涉及输入/输出时，PLC 从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。(3)输出刷新阶段：在所有指令执行完毕后，输出映像
15、寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型 PLC，I/O 点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。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
16、统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制4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
17、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。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC 是必要的。随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品；充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统
18、和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。可编程控制器交通灯控制系统的特点：脱机手动工作；联机自动就地工作；上机控制的单周期运行方式；由上位机通过串口向下位机送入设定配方参数实现自动控制；自动启动、自动停机控制方式。近年来 PLC 的性能价格比有较大幅度的提高，使得实际应用成为可能。本系统采用 PLC 是基于以下四个原因：PLC 具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在 30 万小时以上；编程能力强，可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现；武汉理工大学机电传动及控制课程设计-交通灯的 PLC 控制5抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保
19、证交通控制的可靠稳定，我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC；根据交通信号灯系统的要求与特点，我们采用了德国西门子公司 S7-200型 PLC。西门子 PLC 有小型化、高速度、高性能等特点，是 S7-200 系列中最高档次的超小型程序装置。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是系统所必需的，能够方便地联网通信。本系统就是应用可编程序控制器(PLC)对十字路口交通控制灯实现控制。第二章 十字路口交通灯设计2.1 设计任务图 1 为十字路口交通信号灯示意图，共有两组信号灯，其中一组控制直行（大圆） ，一组控制转弯（小圆） 。当轮到一个方向开始直行时，控制该方向直行的绿灯亮，指示该方向可以直行，并维持 20s，当通行时间即将结束时，绿灯闪烁 3s 以作提示；随后，该方向的黄灯亮 2s，熄灭，通行时间结束，该方向的红灯亮，禁止该方向通行。同时控制该方向转弯的绿灯亮，指示该方向转弯，转弯时，绿灯维持 15s，当转弯时间即将结束时，绿灯闪烁 3s 以作提示；
