1、0内容摘要本课程设计以“多时段十字路口交通信号灯 PLC 控制系统设计”为题目，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，同时系统具有一定的智能性，可以对交通灯实现高峰期、正常期及晚间三个时段进行分段控制。它们分别和各自的时序图相对应，从而控制交通灯的信号。本系统采用主程序调用子程序的设计方案，通过主程序调用当前时间，对时间段的判别而调用相关的子程序，达到设计要求。为了达到时间一致性的目的，时钟的校对是不可缺少的，所以我设计了校对时间的子程序 SBR_0。主程序使用了调用子程序，设定实时时钟指令，读实时时钟指令，移位指令，BCD码与整数转换指令，乘法指令，加法
2、指令，比较指令等等。子程序尽管比较长，但是相对来说指令简单些，它主要使用了定时器，触点和输出线圈等等。 关键词：多时段；交通信号灯；PLC；设定实时时钟1目 录第 1 章 引言 1第 2 章 系统总体方案分析与设计 32.1 控制要求 3 2.2 方案分析 52.3 硬件选型 5 2.4 方案设计 62.5 元器清单 6第 3 章 PLC 控制系统设计 7 3.1 控制要求分析及设计 7 3.1.1 主电路设计 7 3.1.2 确定 I/O 点数量及 PLC 类型 7 3.2 控制程序流程图 9 3.3 控制程序编制 103.3.1 梯形图（见附录 I） 103.3.2 指令表（见附录 II）
3、 103.4 程序调试 10结论 14设计总结 152致谢 16附录 17附录 I 梯形图 17附录 II 指令表 27参考文献 330第 1 章 引言社会的发展使汽车进入家庭的步伐不断加快，城市汽车的数量越来越多，城市道路交通问题显得异常重要。解决好十字路口交通信号灯控制问题是保障交通安全、有序、快速运行的重要组成部分。由于人们工作、作息的特点，使得城市总是存在早、晚高峰的问题，为了更好地解决交通拥堵问题，我在老师的指导下并查阅了很多资料进行了这次以“多时段十字路口交通信号灯 PLC 控制系统设计”为题目的课程设计。我的设计方案利用西门子公司的 S7-200 可编程逻辑控制器对十字路口的交通
4、灯进行控制，同时系统具有一定的智能性，可以对交通灯实现高峰期、正常期及晚间三个时段进行分段控制。它们分别和各自的时序图相对应，从而控制交通灯的信号，能很好的满足控制要求。系统仅实现了小型 PLC 系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的分析、研究和调试工作。如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品，则需要作更多、更深入的研究。可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称 PLC) 根据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设
5、计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。PLC 作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机，有其显著的特
6、点。(1) 可靠性高，抗干扰能力强 。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的 1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说
7、，使用 PLC 构成控制系统，1和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。(2) 硬件配套齐全，功能完善，适用性强。PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC 的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接
8、线。PLC 有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。(3) 易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的
9、人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。(4) 安装方便，扩展灵活。PLC 采用标准的整体式和模块式硬件结构，现场安装简便，接线简单，工作量相对较小；而且能根据应用的要求扩展输入输出模块或插件，系统集成方便灵活。各种控制功能通过软件编程完成，因而能适应各种复杂情况下的控制系统，也便于控制系统的改进和修正，特别适应各种工艺流程变更较多的场合。(5) 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造。PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。(6) 体积小，重量轻，能耗低。以超小型 PL
10、C 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2第 2 章 系统总体方案分析与设计2.1 控制要求1、系统工作受开关控制，启动开关 “ON” 则系统工作；启动开关“ OFF” 则系统停止工作；2、控制对象：东西方向红灯（REW）两个，南北方向红灯 (RSN) 两个，东西方向黄灯（YEW）两个，南北方向黄灯 (YSN) 两个，东西方向绿灯（GEW）两个，南北方向绿灯 (GSN) 两个，东西方向左转弯绿灯(LEW)两个，南北
11、方向左转弯绿灯(LSN)两个。3、控制规律：（1）高峰时段，交通信号灯按时序图 2-2 运行；正常时段，交通信号灯按时序图2-3 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。（2）高峰时段、 正常时段及晚上时段的时序分配按时序图 2-1 运行。图 2-1 时段分配时序图3图 2-2 高峰时段信号灯时序控制图图 2-3 正常时段信号灯时序控制图42.2 方案分析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
12、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
13、 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。2.3 硬件选型由于根据控制要求所确定的输入点为三个，输出点为八个，控制开关输入的启、停信号和时钟初始化信号是输入信号；在交通灯布置图中，南北方向的三色灯，共六盏，同颜色的灯在同一时间亮、灭；
14、所以，可将同色灯两两并联，用一个输出信号控制。同理，东西方向的三色灯也依此设计。再加上东西方向左转的三色灯，共八盏，所以其占 8 个输出点。由于我是以一个路口信号单独控制为例，考虑到够用为准。所以我选择了 CPU224 这一具有较强控制功能的控制器。在这里我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。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5量输出点，最多能够带 8 个数字量信号模板，使用内部 24V 直流电源为输入回路供电，输出为晶体管
15、式的硬件连接方式。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，从资料中我了解到，外部电源不可与 S7-200的传感器电源并联使用。否则，将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
16、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。2.4 方案设计系统采用主程序调用子程序的设计方案，通过主程序读取、计算并比较当前时间，根据对时间段的判断和分析来确定所调用得子程序段。子程序段分别是正常时间段、高峰时间段和晚间时间段，它们分别和各自的时序图相对应，从而控制交通灯的信号。2.5 元器清单表 2-1 多时段十字路口交通信号灯元器件目录表序号 文字符号 名 称 数 量1 HL7-1,2 HL7-1,2 转弯灯 42 HL3-1, HL6-1,2 红灯 43 HL2-1,2 HL5-1,2 黄灯 44 HL1-1,2 HL4-1,2 绿灯 45 SB1 时钟初始化开关 16 SB2 启动按钮 17 SB3 停止按钮 18 LPC S7-200 可编程序控制器 16
