1、棗莊職業學院畢 業 設 計（論 文）基于plc的交通燈控制系統姓 名 系 部 專 業 班 級 學 號 指導老師 2011 年 5 月摘要 隨著社會經濟的發展，城市交通問題越來越引起人們的關注，人、車、路三者關系的協調，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統是用于城市交通數據檢測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統，它是現代城市交通監控的重要組成部分。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，緩解交通擁擠情況，越來越成為交通運輸管理和城市規劃部門急需解決的問題。傳統的交通燈控制一般采用電子線路和繼電器來實現，結構復雜，可靠性低，故障率高，較難實現功能

2、的變換。而可編程控制器（plc）以微處理器為核心，恰恰可以克服這些缺點，而且使用靈活方便。特別是由plc實現的控制系統，普遍采用依據繼電接觸器控制系統電氣原理圖編制的梯形語言進行程序設計，結構簡單，抗干擾能力強、運行穩定可靠、可方便的設置定時時間，編程容易、功能擴展方便、修改靈活等，并且有完善的自診斷和顯示功能，維修工作極為簡單。采用plc控制交通信號燈，主要是考慮其具有對使用環境適應性強的特性。同時其內部定時器資源十分豐富，可對目前普遍使用的“漸進式”信號燈進行精確控制，特別是方便的實現對多岔路口的控制。由于plc本身具有通訊聯網功能，將同一條道路上的信號燈組成一局域網進行統一調度管理，課縮

3、短車輛通行等候時間。實現科學化管理。關鍵詞 可編程控制系統 交通燈 plc目錄第一章 plc的概況31.1 plc的產生31.2 plc的基本結構31.3 plc的基本工作原理4第二章 認識、了解s7-200系列plc62.1 s7-200系列plc的概述62.2 s7-200系列cpu224型plc的結構7第三章 step 7編程軟件介紹83.1 step 7概述83.2 step 7的安裝8第四章 plc應用系統的設計104.1 plc應用系統設計系統概述104.2 plc應用系統設計的設計步驟104.3 plc設計常用的方法11第五章 基于plc的交通燈控制系統的設計135.1 十字路口

4、交通燈控制實際概況135.2結合十字路口交通燈的路況畫出模擬圖135.3 十字路口交通燈模擬控制時序圖145.4 可變控制器i/o分配表145.5 程序梯形圖及其語言表155.6 plc的外部接線圖185.7 程序調試195.8 難點分析195.9收獲與體會20致 謝21參考文獻22基于plc的交通燈控制系統第一章 plc的概況1.1 plc的產生 1969年，美國數字設備公司（dec）研制出了世界上第一臺plc，當時又叫可編程邏輯控制器（programmable logic controller）目的是用來取代繼電器，以執行邏輯判斷、計時、計數等順序控制功能。隨著半導體技術尤其是微處理器和微

5、型計算機的發展，到70年代中期以后，特別是進入80年代以來，plc已經廣泛地使用16位甚至32位微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規模甚至超大規模的集成電路，使lc的概念、設計、性能價格比以及應用方面都有了新的突破。這時的plc已經不僅僅是邏輯判斷功能，還同時具有數據處理功能和數據通信功能，所以稱為可編程序控制器更為合適，簡稱pc，但為了與個人計算機（personal computer）的簡稱pc相區別，一般一般仍將它簡稱為plc。1.2 plc的基本結構 plc實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為： a、電源 plc的電源

6、在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統是無法正常工作的，因此plc的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將plc直接連接到交流電網上去 b. 中央處理單元(cpu) 中央處理單元(cpu)是plc的控制中樞。它按照plc系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、i/o以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當plc投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入i/o映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指

7、令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入i/o映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將i/o映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。 為了進一步提高plc的可靠性，近年來對大型plc還采用雙cpu構成冗余系統，或采用三cpu的表決式系統。這樣，即使某個cpu出現故障，整個系統仍能正常運行。 c、存儲器 存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。 存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 d、輸入輸出接口電路 1、現場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是plc與現場控制的接口界面的輸入通道。 2、現場輸出接口電路由輸出數

8、據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用plc通過現場輸出接口電路向現場的執行部件輸出相應的控制信號。 e、功能模塊 如計數、定位等功能模塊 f、通信模塊 如以太網、rs485、profibus-dp通訊模塊等1.3 plc的基本工作原理 當plc投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，plc的cpu以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。 (一) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，plc以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入i/o映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸

9、出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，i/o映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (二) 用戶程序執行階段 在用戶程序執行階段，plc總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統ram存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在i/o映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定

10、的特殊功能指令。 即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在i/o映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在i/o映象區或系統ram存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 在程序執行的過程中如果使用立即i/o指令則可以直接存取i/o點。即使用i/o指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從i/o模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區別。 (三) 輸出刷新階段 當

11、掃描用戶程序結束后，plc就進入輸出刷新階段。在此期間，cpu按照i/o映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是plc的真正輸出。plc的工作實物圖如下：第二章 認識、了解s7-200系列plc2.1 s7-200系列plc的概述 西門子s7系列plc分為s7-400、s7-300和s7-200三個系列，分別為s7系列中的大、中、小型plc系統，s7-200系列plc具有以下特點：1） 集成的24v電源。可以直接接到傳感器和變送執行器上。2） 高速脈沖輸出。具有2路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達20khz，用于控制進進電動機和伺服電動機，實現定位

12、任務。3） 通信口。cpu221.cpu222,cpu224有一個通信口，cpu226,cpu226xm有兩個。4） 模擬電位器。cpu221/222有一個模擬電位器，cpu224/226/226xm有兩個。模擬電位器用來改變特殊寄存器中的數值，以改變程序運行時參數。5） 中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應。6） eeprom存儲模塊。可作為修改與修復程序的快速工具，無需編程器，并可進行輔助軟件歸檔工作。7） 電池模塊。用戶數據可以通過內部的超級電容存儲大約5天。8） 不同的設備類型。cpu221cpu226各有2種類型的cpu，具有不同的電源電壓和控制電壓。9） 高速計數器。

13、cpu221/222有4個30khz高速計數器，cpu224/226/226xm有6個30khz的告訴計數器，用于捕捉比cpu掃描頻率更快的脈沖信號。2.2 s7-200系列cpu224型plc的結構s7-200 plc的外形 cpu224型plc的外形如上圖所示，其輸入、輸出、cpu、電源模塊均裝在一個基本單元的機殼內，是典型的整體式結構；底部端子蓋下是輸入量的接線端子和為傳感器提供的24v直流電源端子；頂部端子蓋下是輸出端子和外部給cpu的供電電源接線端子；基本單元前蓋下有工作模式選擇開關、電位器和擴展i/o連接器。下面是其接線端子：cpu224型plc的接線端子第三章 step 7編程軟

14、件介紹3.1 step 7概述 step 7編程軟件用于西門子系列工控產品包括simatic s7、m7、c7和基于pc的winac,是供它們編程、監控和參數設置的標準工具，是simatic工業軟件的重要組成部分。 step 7具有以下功能：硬件配置和參數設置、通訊組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。step 7的所有功能均有大量的在線幫助，用鼠標打開或選中某一對象，按f1可以得到該對象的在線幫助。 在step 7中，用項目來管理一個自動化系統的硬件和軟件。step 7用simatic管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽simatic s7、m7、c7和winac的

15、數據。實現step 7各種功能所需的simatic軟件工具都集成在step 7中。 step 7的硬件接口 pc/mpi適配器用于連接安裝了step 7的計算機的rs-232c接口和plc的mpi接口。計算機一側的通信速率為19.2kbit/s或38.4kbit/s，plc一側的通信速率為19.2kbit/s1.5mbit/s。除了pc適配器，還需要一根標準的rs-232c通信電纜。3.2 step 7的安裝 step 7編程軟件用于西門子系列工控產品包括simatic s7、m7、c7和基于pc的winac,是供它們編程、監控和參數設置的標準工具，是simatic工業軟件的重要組成部分。 s

16、tep 7具有以下功能：硬件配置和參數設置、通訊組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。step 7的所有功能均有大量的在線幫助，用鼠標打開或選中某一對象，按f1可以得到該對象的在線幫助。 在step 7中，用項目來管理一個自動化系統的硬件和軟件。step 7用simatic管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽simatic s7、m7、c7和winac的數據。實現step 7各種功能所需的simatic軟件工具都集成在step 7中。 step 7的硬件接口 pc/mpi適配器用于連接安裝了step 7的計算機的rs-232c接口和plc的mpi接口。計算機一側的通信

17、速率為19.2kbit/s或38.4kbit/s，plc一側的通信速率為19.2kbit/s1.5mbit/s。除了pc適配器，還需要一根標準的rs-232c通信電纜。第四章 plc應用系統的設計4.1 plc應用系統設計系統概述 在了解了plc的基本工作原理、軟件的安裝及應用和指令系統之后，可以結合實際進行plc的設計。plc的設計包括硬件和軟件兩部分，其原則如下：1） 充分發揮plc的控制功能，最大限度地滿足被控制的生產機械或控制要求。2） 在滿足控制要求的情況下，力求使控制系統經濟、簡單、維修方便。3） 保證控制系統安全可靠。4） 在選用plc時，在i/o點數和內存容量上要適當留有余地。

18、5） 程序結構清楚，可讀性強，程序簡短，占用內存少，掃描周期短。4.2 plc應用系統設計的設計步驟 1）工藝分析。深入了解控制對象的工藝過程、工作特點、控制要求，并劃分控制的各個階段，歸納各個階段的特點和其之間的轉換條件，畫出空盒子流程圖和功能流程圖。 2）選擇合適的plc類型。在選擇plc機型時主要考慮以下幾點： a 功能的選擇。對于小型的plc主要考慮i/o的擴展模塊、a/d及d/a模塊及指令功能。 b i/o點數的確定。統計被控制的開關量、模擬量的i/o點數，并考慮以后的擴充。 c內存的估計。用戶程序所需的內存量主要和系統的i/o點數、控制要求、程序結構長短等因素有關。一般可按下式估算

19、：內存容量=開關量輸入點數*10+開關量輸出點數*8+模擬通道數*100+定時器/計數器數量*2+通信接口數*300+備用量。3）分配i/o點。分配plc的輸入/輸出點、編寫輸入/輸出分配表或畫出輸入/輸出端子的接線圖，接著就可以進行plc程序設計。4）程序設計。對于較復雜的控制系統，根據生產工藝要求，畫出控制流程圖或功能流程圖，然后設計成梯形圖，再根據梯形圖編寫語句表程序清單，對程序進行模擬調試和修改，直到滿足控制要求為止。5）控制柜或操作臺的設計和現場施工。設計控制柜及操作臺的電器布置圖及安裝接線圖、設計控制系統及各部分的電器互鎖圖、根據圖樣進行現場接線，并檢查。6)應用系統整體調試。如果

20、控制系統有幾個部分組成，則應先做局部調試再進行整體調試；如果控制系統程序的步序較多，則可先進行分段然后再進行連接調試。7）編制技術文件。技術文件應包括：plc的外部接線圖等電器圖樣，電器布置圖，電器元件明細表，順序功能圖，帶注釋的圖形圖和說明。4.3 plc設計常用的方法 plc程序設計常用的方法主要有：經驗設計法、繼電器控制電路轉換為梯形法、順序控制設計法。（1）經驗設計法。經驗設計法即在一個典型的控制電路程序的基礎上，根據被控制對象的具體要求，進行選擇組合并多次反復調試和修改梯形圖，有時需鄭家一些輔助點和中間編程環節才能達到預定的控制要求。主要用于較為簡單的梯形圖設計。（2）繼電器控制電路

21、轉換為梯形圖法 繼電器控制器控制系統經過長期的使用，已經有一套完成系統要求的控制功能并進過驗證控制電路圖，而plc控制否認梯形圖和繼電器控制電路圖很相似，因此可以直接將經過驗證的繼電器控制電路圖轉換為梯形圖。步驟如下： a 熟悉現有的繼電器控制線路。 b 對照i/o端子接線圖，將繼電器電路圖上的被控文件換成接線圖上對應的 輸出點的編號，將電路圖上的輸入裝置觸點都換成對應的輸入點的編號。 c 將繼電器電路圖中中間繼電器、定時器用plc輔助繼電器、定時器代替。 d 畫出全部梯形圖，并于簡化和修改。 這種方法對簡單的控制系統是可行的，但對較復雜的控制就不適用了。 （3）順序控制設計法 根據功能流程圖

22、以步為核心，從起始步開始一步一步地設計下去，直至完成。此法的關鍵是畫出功能流程圖。首先將控制對象的工作過程按輸出狀態的變化分為若干步，并指出工步之間的轉換條件和每個工步的控制對象。這種工藝流程圖集中了工作的全部信息。在進行程序設計時，可以用中間繼電器m來記憶工步，一步一步地順序進行，也可以用順序控制指令來實現。 這種設計方法比較復雜，但是可以適合任何復雜的plc設計。而本文接下來的基于plc的交通燈控制系統也是通過本種方法來實現的。第五章 基于plc的交通燈控制系統的設計5.1 十字路口交通燈控制實際概況 通過對十字路口交通燈的實際考察，其實際控制概況如下1信號燈受一個啟動開關控制，當啟動開關

23、接通時，信號燈系統開始正常工作，且先南北紅燈亮，后東西綠燈亮。當啟動開關斷開時，所有信號燈熄滅。2南北紅燈維持25秒，在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅。在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒，到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮；同時南北紅燈熄滅，南北綠燈亮。3東西紅燈亮維持30秒，南北綠燈亮維持25秒，然后閃亮3秒熄滅；同時南北黃燈亮維持2秒后熄滅，這時南北紅燈亮，東西綠燈亮。上述信號燈周而復始5.2結合十字路口交通燈的路況畫出模擬圖圖2 交通燈平面圖5.3 十字路口交通燈模擬控制時序圖根據十字路口交通燈控制的實際概況繪制了紅、黃、綠燈的

24、時序圖。十字路口交通燈時序圖5.4 可變控制器i/o分配表輸入單元輸入地址輸出單元輸出地址開啟按鈕sb1i0.0南北綠燈f0q0.0停止按鈕sb2i0.1南北黃燈f1q0.1南北紅燈f2q0.2東西綠燈f3q0.3東西黃燈f4qo.4東西紅燈f5qo.55.5 程序梯形圖及其語言表東西紅燈工作延時東西綠燈工作延時東西黃燈工作延時南北綠燈閃爍延時南北紅燈工作東西綠燈閃爍東西綠燈工作東西黃燈工作000000380000000001380000002003380000tim 0004tim 0000#0250tim 0000tim 0004#0250tim 0006#0200tim 0007#003

25、0002003380000tim 0000tim 0005#0020tim 0001#0250tim 0002#0030tim 0006tim 0007tim 0000tim 0001tim 0003#0020tim 0002002003380000tim 0000tim 0000002002002006002002tim 0006tim 0006tim 0007tim 0008tim 0008#0005tim 0007tim 0005002004002005002006tim 0001tim 0001tim 0002tim 0008002000002001tim 0003tim 0002ti

26、m 0009#0005380000tim 0009tim 0008002000002004002003啟動/停止按鈕南北紅燈工作延時東西綠燈閃爍延時南北綠燈工作延時南北黃燈工作延時東西紅燈工作南北綠燈閃爍南北綠燈工作南北黃燈工作事故報警end(001)梯形圖如下語言表： 步序 指令 注解0 ld 0.001 or 200.002 and-not 0.01 3 out 200.00 啟動停止 4 ld-not 10.035 and 200.006 and-not tim0047 out tim0008 #0250 南北紅燈工作延時9 ld tim00010 out tim00411 #0250

27、東西紅燈工作延時12 ld-not 10.0313 and 200.0014 and-not tim00015 out tim00616 #0200 東西綠燈工作延時17 ld tim00618 out tim00719 #0030 東西綠燈閃爍延時20 ld tim00721 out tim00522 #0020 東西黃燈工作延時23 ld tim00024 out tim00125 #0200 南北綠燈工作延時26 ld tim00127 out tim00228 #0030 南北綠燈閃爍延時29 ld tim00230 out tim00331 #0020 南北黃燈工作延時32 ld-n

28、ot 10.0333 and-not tim00034 and 200.0035 out 10.02 南北紅燈工作36 ld tim00037 out 10.06 東西紅燈工作38 ld tim00639 and-not tim00740 and tim00841 ld 10.0242 and-not tim00643 or-ld44 out 10.04 東西綠燈工作及閃爍45 ld tim00746 and-not tim00547 out 10.05 東西黃燈工作48 ld tim00149 and-not tim00250 and tim00851 ld 10.0652 and-not

29、tim00153 or-ld54 out 10.00 南北綠燈工作及閃爍55 ld tim00256 and-not tim00357 out 10.01 南北黃燈工作58 ld 200.0059 and-not tim00960 out tim008 振蕩電路61 #000562 ld tim00863 out tim009 振蕩電路64 #000565 ld 10.0066 and 10.0467 out 10.03 事故報警68 end5.6 plc的外部接線圖 根據可控控制器的i/o分配表以及程序梯形圖繪制出plc的外部接線圖如下：十字路口交通燈的plc外部接線圖5.7 程序調試 1）檢查程序，編譯無誤后，運行程序，依次按梯形圖中程序的順序按下各按鈕并記錄觀察到得現象。看是否符合控制要求。 2）建立狀態圖表，在重復上述操作，觀察移位狀態位的變化，并記錄。十字路口交通燈模擬控制調試記錄（表）按下sb1南北燈紅燈亮30s，紅燈滅，綠燈亮，持續25s后閃3s后紅燈亮。然后依次循環。東西燈綠燈亮25s后閃3s，然后綠燈滅黃燈亮2s，黃燈滅紅燈亮持續30s