用顺序控制指令实现十字路口交通信号灯 的 的PLC控制.doc

1、学 号 天津城建大学现代电气控制及 PLC 应用技术课程设 计 说 明 书用顺序控制指令实现十字路口交通信号灯的的 PLC 控制起止日期： 2014 年 月 日 至 2014 年 月 日学 生 姓 名班 级成 绩指 导 教 师 (签 字 )控制与机械工程学院2014 年 月 日天津城建大学课程设计任务书2013 2014 学年第 1 学期控制与机械工程 学院 电气工程及其自动化 专业班课程设计名称： 现代电气控制及 PLC 应用技术课程设计 设计题目： 用顺序控制指令实现十字路口交通信号灯的 plc 控制 完成期限：自 2014 年 月 日至 2014 年 月 日共 周设计依据、要求及主要内容

2、：一、课程设计的目的（1） 能够根据功能要求选择 PLC 的类型及其根据 I/O 点的要求选择该类 PLC 的型号。（2） 根据所选的 PLC 的类型，掌握该 PLC 的编程软件并能够利用该软件绘制设计课题的梯形图。（3） 根据 I/O 点的定义，绘制 PLC 外部电气接线图。二、课程设计的基本要求要求每位同学独立完成设计任务。设计任务要完成内容的基本要求如下：（1）电气原理图设计：根据设计课题的工艺流程，绘制系统的电气原理图（主电路图） 。原理图设计要符合项目的工作原理， 。原理图要完整，连线要正确。（2）硬件选型：根据要实现的功能要求，确定 PLC 的型号和所需 I/O 点数。所选 PLC

3、 型号应能满足设计要求，如所选 PLC 型号 I/O 点不满足设计需要，则还需进行 I/O 口扩展模块选型。（3）PLC 外部接线图设计：根据设计要求，自行分配 I/O 点，列 I/O 分配表；根据 I/O 点的分配情况，绘制 PLC 外部电气接线图。（4）软件流程图设计：根据要求，将总体项目分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。根据总体要求及分解功能模块，确定各功能模块之间的关系，设计出完整的程序流程图。（5）梯形图设计：根据所绘制流程图，利用相应 PLC 编程软件编写出梯形图。（6）书写设计说明书：课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图标正确，书写工整。1）电气原理图设

4、计说明：简要说明设计目的，原理图中所使用的器件功能及作用。2）PLC 选型和 I/O 口分配说明：对 PLC 选型过程进行说明，给出 I/O 口分配表和 PLC 外部接线图。3）程序设计说明：对程序设计总体功能进行说明，对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述，给出程序流程图，并给出相应的程序清单，选择比较有难度的程序段进行详细说明。三、课程设计控制要求（1）接通交通灯工作开关（X000）后，南北红灯亮 60s 时间（同时东西绿灯亮 55s 后闪烁3s 停止，而后东西黄灯亮 2s 停止）停止；（2）南北红灯结束点亮后，东西红灯亮 60s 时间（同时南北绿灯亮 55s 后闪烁 3s

5、停止，而后南北黄灯亮 2s 停止）停止；（3）再循环到南北红灯点亮 60s 时间停止，如此循环；（4）甲指示灯模拟东西向行驶车，乙指示灯模拟南北向行驶车。指 导 教 师 （签字）： 系（教研室）主任（签字）： 批准日期： 年 月 日目 录一、绪论 .11.1 设 计 目 的 与 意 义 11.2 设 计 要 求 1二、设备选择 .12.1 PLC 的产生和定义 12.2 PLC 的基本组成 22.3 PLC 的基本工作原理 22.4 PLC 的特点 22.5 本次设计的 plc 型号及其优点 .2三、设计方案 .33.1 十字路口交通灯布置图 .33.2 十字路口交通灯接线图 .33.3 PL

6、C 的 I/O 地址分配 43.3 系统硬件图设计 .43.4 系统流程控制图 .53.5 顺序功能图 .63.6 系统梯形图 .6四、总结 .9五、参考文献 101一、绪论1.1 设 计 目 的 与 意 义随 着 社 会 经 济 的 发 展 ， 城 市 交 通 问 题 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 。 城 市 交 通 控 制 系 统 是 用 于 城 市 交 通 数 据 监 测 、 交 通 信号 灯 控 制 与 交 通 疏 导 的 计 算 机 综 合

7、管 理 系 统 ， 它 是 现 代 城 市 交 通 监 控 指 挥 系 统 中 最 重 要 的 组 成 部 分 。随 着 城 市 机 动 车 量 的 不 断 增 加 ， 许 多 大 城 市 如 北 京 、 上 海 、 南 京 等 出 现 了 交 通 超 负 荷 运 行 的 情况 ， 因 此 ， 自 80 年 代 后 期 ， 这 些 城 市 纷 纷 修 建 城 市 高 速 道 路 ， 在 高 速 道 路 建 设 完 成 的 初 期 ， 它 们也 曾 有 效 地 改 善 了 交 通 状 况 。 然 而 ， 随 着 交 通 量 的 快 速 增 长 和 缺 乏 对 高 速 道 路 的 系 统 研 究

8、和 控 制 ，高 速 道 路 没 有 充 分 发 挥 出 预 期 的 作 用 。 而 城 市 高 速 道 路 在 构 造 上 的 特 点 ， 也 决 定 了 城 市 高 速 道 路 的交 通 状 况 必 然 受 高 速 道 路 与 普 通 道 路 耦 合 处 交 通 状 况 的 制 约 。 所 以 ， 如 何 采 用 合 适 的 控 制 方 法 ， 最大 限 度 利 用 好 耗 费 巨 资 修 建 的 城 市 高 速 道 路 ， 缓 解 主 干 道 与 匝 道 、 城 区 同 周 边 地 区 的 交 通 拥 堵 状 况 ，越 来 越 成 为 交 通 运 输 管 理 和 城 市 规 划 部 门

9、亟 待 解 决 的 主 要 问 题 。根 据 交 通 灯 工 艺 控 制 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

10、 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 。1.2 设 计 要 求本 次 设 计 任 务 是 用 顺 序 功 能 指 令 实 现 十 字 路 口 交 通 信 号 灯 的 plc 控 制 。 具 体 要 求 如 下 ：（1）接通交通灯工作开关（X000）后，南北红灯亮 60s 时间（同时东西绿灯亮 55s 后闪烁 3s 停止，而后东西黄灯亮 2s 停止）停止；（2）南北红灯结束点亮后，东西红灯亮 60s 时间（同时南北绿灯亮 55s 后闪烁 3s 停止，而后南北黄灯亮 2s 停止）停止；（3）再循

11、环到南北红灯点亮 60s 时间停止，如此循环；（4）甲指示灯模拟东西向行驶车，乙指示灯模拟南北向行驶车。二、设备选择2.1 PLC 的产生和定义1968 年由美国通用汽车公司（GE）提出，1969 年有美国数字设备公司（DEC）研制成功，有逻辑运算、定时、计算功能称为 PLC（programmable logic controller） 。 80 年代，由于计算机技术的发展，PLC 采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC 运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为 PC（programmable controller）即可编程控制器。国际电工委员会（IEC）1987 年

12、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” 。22.2 PLC 的基本组成目前，可编程控制器的产品很多，不同的厂家生产的 PLC 以及同一家生产的不同型号的 PLC 其结构个不相同，但就其工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅

13、基于硬件的作用，而更靠软件的支持。PLC 的主机由微处理器（CPU） 、存储器（EPROM、ROM） 、输入/输出模块、外设 I/O 接口、通信接口及电源组成。下图为 PLC 各组成部分及作用。图 1 PLC 硬件结构组成框图2.3 PLC 的基本工作原理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

14、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）切换到停止（STOP）工作状态。我们把 PLC 这种执行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。2.4 PLC 的特点PLC 是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的特点而设计制造和发展的,这就使 PLC 具有许多其他控制器所

15、无法相比的优点：（1) 可靠性高，抗干扰能力强；（2）通用性强，使用方便；（3) 采用模块化结构，使系统组合灵活方便；（4) 编程语言简单、易学，便于掌握；（5) 系统设计周期短；（6) 对生产工艺改变适应性强；（7) 安装简单、调试方便、维护工作量小；(8）体积小、重量轻、功耗低。2.5 本次设计的 plc 型号及其优点根据交通灯工艺控制要求与特点，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

16、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。本系统采用 PLC 是基于以下四个原因：31）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；2）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；3）抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为了保证交通控制的可靠稳定，我们选择了能4）够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的 PLC；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。三、设计方案3.1 十字路口交通灯布置图在十字路口的东、西、南、北方向主的干道装有“红绿黄”灯。

17、交通灯闪亮表和十字路口交通灯示意图具体布置如下。表 1 交通灯闪亮表图 2 十字路口交通灯示意图3.2 十字路口交通灯接线图根据十字路口交通灯的实际连线，画出如图 3 所示的十字路口交通灯的接线图。信号 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 红灯亮 东西 时间 55S 3S 2S 60S 信号 红灯亮 绿灯亮 绿灯闪 黄灯亮 南北 时间 60S 55S 3S 2S4图 3 十字路口交通灯接线图3.3 PLC 的 I/O 地址分配I/O 地址分配采用自动分配的方式，输入地址分配和输出地址分配分别如下表表 2 I/O 口分配表输入信号 输出信号名称 代号 输入点编号 名称 代号 输入点编号南北红灯 HL1 Q0

18、.0启动按钮 SB1 I0.0南北绿灯 HL2 Q0.1南北黄灯 HL3 Q0.2停止按钮 SB2 I0.1东西绿灯 HL4 Q0.3东西黄灯 HL5 Q0.4东西红灯 HL6 Q0.53.3 系统硬件图设计S7-200 CPU222 系统有 8 个输入信号和 6 个输出信号。1 个模拟量电位器，最多可扩展 10AI/AO 点。4KB 用户程序区和 2KB 数据存储区。有 4 路高速计数器（30KHZ） ，2 路高速脉冲输出，1 个 RS485 通信/编程口，2 个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接 2 个相位差为 90 度的 A/B 相增量编码器。可以进行一定模拟量的控制和 2 个模块的

19、扩展，对于比较适合小型的控制系统。所以在这个设计中选用了 S7-200 CPU222。5在硬件接线图中，输入口 I0.0 接收启动按钮 SB1 的输入，输入口 I0.1 接收停止按钮 SB2 的输入；输出口 Q0.0 接收南北红灯(HL1)，输出口 Q0.1 接收南北绿灯(HL2)，输出口 Q0.2 接收南北黄灯(HL3)，输出口 Q0.3 接收东西绿灯(HL4)，输出口 Q0.4 接收东西黄灯(HL5)，输出口 Q0.5 接收东西红灯(HL6)。1 LI 0 . 0 Q 0 . 0I 0 . 1Q 0 . 1S 7 - 2 0 0 P L CC P U 2 2 2Q 0 . 2Q 0 . 3

20、Q 0 . 4Q 0 . 51 M 2 LS B 2S B 1H L 1H L 2H L 3H L 4H L 5H L 6图 4 交通信号灯 PLC 控制硬件接线图3.4 系统流程控制图本系统的设计流程图如下。图 5 系统流程图6系统流程控制图采用线性程序设计。线性程序设计就是把工程中需要的控制任务按照工艺要求书写在主程序中。线性程序设计结构简单，分析起来一目了然、这种结构适用于一些规模较小、运行过程比较简单的控制程序。对于一些控制规模较大，运行过程比较复杂的控制程序，特别对于分支较多的控制程序，则不宜选用这种结构。3.5 顺序功能图通过对控制系统进行分析，可用如下的顺序功能图来表示，其中初始

21、步为顺序控制继电器 S0.0，其他顺序继电器代表各个工作步。S 0 . 0S 0 . 1M 0 . 3Q 0 . 0 T 3 7S 0 . 2 M 0 . 0 T 3 8S 0 . 3 T 3 9S 0 . 4 M 0 . 1 T 4 0S 0 . 5 Q 0 . 2 T 4 1S 1 . 1 M 0 . 2 T 4 2S 1 . 2 T 4 3T 4 4S 1 . 4 Q 0 . 4 T 4 5S 1 . 5 Q 0 . 5 T 4 6S 1 . 3S M 0 . 1M 1 . 0T 3 7T 3 8T 3 9C 2 0C 2 0T 4 0T 4 2T 4 3T 4 4C 2 1T 4 5T

22、 4 4C 2 1T 4 6T 4 0图 6 顺序功能图3.6 系统梯形图根据顺序功能图设计梯形图，在此程序设计过程中采用了使用顺序控制继电器的设计方法。具体梯形图如下所示：789四、总结通过本系统的设计，我对于西门子 S7-200 系列 PLC 的特点有了更深的了解。十字路口交通灯控制10系统利用了西门子 S7-200 系列 PLC 的特点，对按钮、开关、交通等输入 /输出点进行控制，实现了十字路口交通灯控制中的自动化。这只是一个简单的控制系统，并不能十分有效的改变交通的现状，不过可以根据现实中某一方向车流量的大小来对程序进行改变，使之更适合交通的现实状况。通过此次课程设计的学习，使我收获丰富。各种系统的适应条件，各种设备的选择标准，我都随着设计的不断学习而熟悉。五、参考文献1 郁汉琪. 电气控制与可编程控制器应用技术M. 南京:东南大学出版社,2003.P1412 宋伯生.陈东旭. PLC 应用及实验教程M.北京:机械工业出版社,2006.P2123 孙同景. PLC 原理及工程应用D. 北京: 机械工业出版社 ,2008.P2564 钟肇新.范建东.冯太合. 可编程控制器原理及应用M.广州: 华南理工大学出版社.2008.P1885周波.胡修玉. 可编程控制器原理与应用M. 北京: 国防工业出版社.2008.P122