..學號：18課程設計題目交通燈的PLC控制系統設計學院物流工程學院專業物流工程班級物流zy1001姓名宋金龍指導教師有源教授2013年7月5日課程設計任務書學生：宋金龍專業班級：物流卓越1001班指導教師：有源教授工作單位：物流工程學院題目:交通燈的PLC控制系統設計初始條件：1)PLC型號：西門子公司S7系列，S7-3002)編程環境：SIMATICManager/Step7V5.4或更高版本3)根據控制要求分配PLCI/O地址，畫出PLC與控制對象的接線圖，設計控制流程，按照模塊化的方式設計程序，既可以采用LAD編程，也可以采用STL編程，還可以采用組合方式編程。4)編寫的需要輸入PLC，調試通過。要求完成的主要任務:十字路口交通信號燈，共有兩組信號燈，其中一組控制直行，一組控制轉彎。當輪到一個方向開場直行時，控制該方向直行的綠燈亮，指示該方向可以直行，并維持20s，當通行時間即將完畢時，綠燈閃爍3s以作提示。隨后，該方向的黃燈亮2s，熄滅，通行時間完畢，該方向的紅燈亮，制止該方向通行。同時控制該方向轉彎的綠燈亮，指示該方向轉彎，轉彎時，綠燈維持15s，當轉彎時間即將完畢時，綠燈閃爍3s以作提示。緊接著，該方向的黃燈亮2s，熄滅，轉彎時間完畢。4)接下來，該方向的紅燈亮，制止該方向轉彎。同時另一方向直行的綠燈亮，輪到另一方向直行了。如此周而復始。指導教師簽名：年月日系主任〔或責任教師〕簽名：年月日摘要城市規模不斷擴大，城市的交通問題也變的日益突出，如堵車問題，城市交通問題也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。為了解決穿插口混合交通流中的相互影響或彼此的相互影響，我們可以合理的設置穿插路口的紅綠燈系統，幫助疏導交通流，從而有效的減少交通阻塞等問題，并為行人的平安提供強有力地保障。

現在，城市的紅綠燈根本上都是程序控制，在實際使用中采用可編程序控制器〔PLC〕控制占很大比例，其主要原因是因為PLC具有簡單易懂、操作方便、可靠性高、通用靈活、體積小、使用壽命長等一系列的優點。

本設計介紹了應用PLC實現十字路口交通信號燈的自動控制。通過對交通信號燈的控制要求分析，對PLC控制系統進展了軟、硬件設計，并通過仿真實驗證明該系統的實用性，利用PLC對十字路口交通燈進展模擬控制，從而能夠對真正的十字路口交通燈控制系統有更深入的了解。關鍵詞：十字路口，交通燈，PLC控制..目錄TOC\o"1-3"\h\u8616摘要 I4907第一章緒論 118881.1PLC的根本知識 145331.1.1PLC的概念 1134451.1.2PLC的根本組成 1189071.1.3PLC根本工作原理 376571.2研究目的和意義 417659第二章十字路口交通燈設計 619852.1設計任務 6292972.2設計要求 718570第三章系統硬件設計 8138743.1I/O分配表 8179373.2交通信號燈PLC控制硬件接線圖 820954第四章系統軟件設計 10272634.1十字路口交通燈的控制時序表及時序圖 10250914.2交通燈正常循環運行流程圖 1158364.3交通燈PLC控制系統的LAD圖 12182784.4交通燈的控制過程分析 189704第五章系統調試與仿真 19250595.1硬件組態調試 19281885.2系統仿真 29923總結 2523146參考文獻： 26..第一章緒論1.1PLC的根本知識1.1.1PLC的概念國際電工委員會〔IEC〕1987年公布的可編程邏輯控制器的定義如下："可編程邏輯控制器是專為在工業環境下應用而設計的一種數字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器、可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執行命令，進展邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作，并通過數字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關的外圍設備，都應按易于工業控制系統形成一個整體、易于擴展其功能的原那么設計。〞1.1.2PLC的根本組成在種類繁多的PLC中，其組成構造和工作原理都根本一樣。用PLC實施控制，其實質是按一定算法進展輸入/輸出轉換，并將這個轉換給予物理實現，并應用于工業現場。PLC專為工業現場而設計，采用了典型的計算機構造，它主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入/輸出接口電路等組成。1.中央處理器(CPU)中央處理器(CPU)一般由控制器運算器和存放器組成。它們都集成在一個芯片，CPU通過數據總線、地址總線和控制總線與存儲單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣，CPU是PLC的核心，它是按照PLC中系統程序賦予的功能指揮PLC有條不序地進展工作。用戶程序和數據事先存入存儲器中，當PLC處于運行方式時，CPU按循環掃描方式執行用戶程序。CPU的主要任務如下：(1)按PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序和數據。(2)用掃描方式接收現場輸入裝置的狀態與數據，并存入輸入映像存放器或數據存放器。(3)診斷電源或PLC部電路工作狀態和編程過程中的語法錯誤。(4)在PLC進入運行狀態后，從存儲器中逐條讀取用戶，程序經過命令解釋后，按指令規定的任務產生相應的控制信號，去啟、閉有關控制電路，分時地去執行數據的存取、傳送、組合、比擬、變換等動作。完成用戶程序中規定的邏輯運算或算術運算等任務。根據運算結果更換有關標志位的狀態和輸入映像存放器的容，實現輸出、制表、打印或數據通信等控制。2.存儲器PLC的存儲器包括系統存儲器和用戶存儲器兩個局部。(1)系統存儲器系統存儲器是指用來存放PLC的系統程序的存儲器。它由PLC生產廠家編寫并固化在ROM，用戶不能直接更改。它使PLC具有根本的功能，能夠完成PLC設計者規定的各項工作。其主要容包括3個局部：系統管理程序、用戶指令解釋程序和標準程序模塊與系統調試。(2)用戶存儲器用戶存儲器由用戶程序存儲器和數據存儲器兩局部組成，其主要任務作用是用來存放用戶針對具體控制任務用規定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。PLC使用的存儲器有3種類型：隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和可擦除可編程只讀存儲器(EEPRO)。3.輸入/輸出接口單元PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關量、模擬量和數字量。輸入/輸出接口單元從廣義上可分為2個局部：一局部是與被控制設備相連的接口電路，另一局部是輸入和輸出的映像存放器。4.擴展接口和通信接口PLC具有擴展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)擴展接口的作用是將擴展單元和功能模塊與根本單元相連，是PLC的配置更加靈活以滿足不同控制的系統需求。(2)通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監視器打印機和其他的，PLC或計算機相連從而實現"人-機〞或"機-機〞之間的對話。5.電源局部PLC一般使用220交流電源，部的開關電源位PLC的中央處理器、存儲器等。電路提供5V、+-12V、24V等直流電源使PLC能正常工作。6.編程設備編程設備的作用是供用戶進展程序的編制、編輯、調試和監視。7.其他部件有些PLC還可以有ERROM寫入器、存儲器卡等其他外部設備，用于增強PLC的存儲容量和擴展功能。PLC的硬件構造組成如下列圖1.1所示：編程器輸出電路輸入電路中央處理器〔CPU〕系統程序存儲器用戶程序存儲器電源圖1.1PLC硬件構造組成框圖1.1.3PLC根本工作原理PLC是一種存儲程序的控制器。用戶根據某一對象的具體控制要求，編好程序后，編程器將程序鍵入PLC的用戶存儲器中存儲。PLC的控制功能就是運用用戶程序來實現的。PLC運行程序的方式與微型機算計相比有較大的不同，微型計算機運行程序時，一旦執行到END指令，程序運行完畢。而PLC從0000存儲地址所存放的第一條擁護指令開場，在無中斷或跳轉的情況下，按存儲地址好遞增的方向順序執行擁護程序，直到END指令完畢。然后再從頭開場，并周而復始的重復，直至到停機或運行〔RUN〕切換到停頓〔STOP〕工作狀態。我們把PLC這種執行程序的方式成為掃描工作方式。每掃描完一次程序就構成一個掃描周期。另外，PLC對輸出，輸出信號的處理與微型機算機不同。微型機算機對輸出、輸出信號實時處理。而PLC對輸出、輸出信號是集中批處理。PLC掃描工作方式分為三個階段：輸出采樣、程序執行、輸出刷新。(1)輸入采樣階段PLC：在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態存入對應的輸入元件映像存放器。此時，輸入元件映像存放器被刷新，接著進入用戶程序執行階段。在用戶程序執行階段或輸出階段，輸入元件映像存放器與外界隔離，無論輸入端子信號如何變化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新容重新寫入。(2)用戶程序執行階段：根據PLC梯形圖程序掃描規那么，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句掃描。當指令中涉及輸入/輸出時，PLC從輸入映像存放器中讀入上一階段采入的對應輸入端子狀態，從輸出映像存放器讀入對應輸出映像存放器的當前狀態。然后，進展相應的運算，運算結果在存入元件映像存放器中。對元件映像來說，每一個元件的狀態會隨程序的執行過程而變化。(3)輸出刷新階段：在所有指令執行完畢后，輸出映像存放器中所有繼電器的狀態在〔通/斷〕在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅動外部負載。對于小型PLC，I/O點數較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統的響應速度，但從根本上提高了系統的抗干擾能力，增強了系統的可靠性。1.2研究目的和意義在十字路口設置交通燈可以對交通進展有效的疏通，并為交通參與者的平安提供了強有力的保障。但是隨著社會、經濟的快速開展，原先的交通燈控制系統已經不能適應現在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統，使其適應現在的交通狀況，成為研究的課題。傳統的十字路口交通控制燈，通常的做法是：事先經過車輛流量的調查，運用統計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而，實際上車輛流量的變化往往是不確定的，有的路口在不同的時段甚至可能產生很大的差異。即使是經過長期運行、較適用的方案，仍然會發生這樣的現象：綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準確模型的，統計的方法已不能適應迅猛開展的交通現狀，更為現實的需要是能有一種能夠根據流量變化情況自適應控制的交通燈。目前，大局部城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉換時間間隔的控制方法。由于十字路口不同時刻車輛的流量是復雜的、隨機的和不確定的，采用固定時間的控制方法，經常造成道路有效利用時間的浪費，出現空等現象，影響了道路的暢通。為此，采用不依賴數學模型的模糊控制方法設計交通燈控制器，能較好地解決這個問題。另外隨著眾多高科技技術在日常生活的普遍應用，城市空中各種電磁干擾日益嚴重，為保證交通控制的可靠、穩定，選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環境下正常工作的PLC是必要的。隨著科學技術的日新月異，自動化程度要求越來越高，原有的交通燈裝置遠遠不能滿足當前高度自動化的需要。可編程控制器交通燈控制系統集成自動控制技術、計量技術、新傳感器技術、計算機管理技術于一體的機電一體化產品；充分利用計算機技術對生產過程進展集中監視、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系統和集中控制系統的優點，采用標準化、模塊化、系統化設計，配置靈活、組態方便。可編程控制器交通燈控制系統的特點：①脫機手開工作；②聯機自動就地工作；③上機控制的單周期運行方式；④由上位機通過串口向下位機送入設定配方參數實現自動控制；⑤自動啟動、自動停機控制方式。近年來PLC的性能價格比有較大幅度的提高，使得實際應用成為可能。本系統采用PLC是基于以下四個原因：①PLC具有很高的可靠性，通常的平均無故障時間都在30萬小時以上；②編程能力強，可以將模糊化、模糊決策和解模糊都方便地用軟件來實現；③抗干擾能力強，目前空中各種電磁干擾日益嚴重，為了保證交通控制的可靠穩定，我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環境下正常工作的PLC；根據交通信號燈系統的要求與特點，我們采用了德國西門子公司S7-200型PLC。西門子PLC有小型化、高速度、高性能等特點，是S7-200系列中最高檔次的超小型程序裝置。西門子可編程控制器指令豐富，可以接各種輸出、輸入擴大設備，有豐富的特殊擴展設備，其中的模擬輸入設備和通信設備是系統所必需的，能夠方便地聯網通信。本系統就是應用可編程序控制器(PLC)對十字路口交通控制燈實現控制。第二章十字路口交通燈設計2.1設計任務圖1為十字路口交通信號燈示意圖，共有兩組信號燈，其中一組控制直行〔大圓〕，一組控制轉彎〔小圓〕。當輪到一個方向開場直行時，控制該方向直行的綠燈亮，指示該方向可以直行，并維持20s，當通行時間即將完畢時，綠燈閃爍3s以作提示；隨后，該方向的黃燈亮2s，熄滅，通行時間完畢，該方向的紅燈亮，制止該方向通行。同時控制該方向轉彎的綠燈亮，指示該方向轉彎，轉彎時，綠燈維持15s，當轉彎時間即將完畢時，綠燈閃爍3s以作提示；緊接著，該方向的黃燈亮2s，熄滅，轉彎時間完畢；接下來，該方向的紅燈亮，制止該方向轉彎。同時另一方向直行的綠燈亮，輪到另一方向直行了。如此周而復始。2.2設計要求1.PLC型號：西門子公司S7系列，S7-300。2.編程環境：SIMATICManager/Step7V5.4或更高版本。3.根據控制要求分配PLCI/O地址，畫出PLC與控制對象的接線圖，設計控制流程，按照模塊化的方式設計程序，既可以采用LAD編程，也可以采用STL編程，還可以采用組合方式編程。4.編寫的需要輸入PLC，調試通過。第三章系統硬件設計3.1I/O分配表為了將十字路口交通燈的控制關系用PLC控制器實現，PLC需要2個輸入點〔啟動開關、停頓開關〕，12個輸出點。為了使用方便，所以選擇了西門子型的PLC。輸入輸出表如下列圖3.1所示。圖3.1輸入輸出點分配表輸入輸出名稱符號輸入點名稱符號輸出點啟動按鈕SB1I0.0東西直行綠燈H1Q4.0停頓按鈕SB2I0.1東西直行黃燈H2Q4.1東西直行紅燈H3Q4.2東西轉向綠燈H4Q4.3東西轉向黃燈H5Q4.4東西轉向紅燈H6Q4.5南北直行綠燈H7Q5.0南北直行黃燈H8Q5.1南北直行紅燈H9Q5.2南北轉向綠燈H10Q5.3南北轉向黃燈H11Q5.4南北轉向紅燈H12Q5.53.2交通信號燈控制硬件接線圖根據十字路口交通燈的輸入輸出點分配表，畫出如圖3.2所示的PLC控制系統I/O接線圖。其中,S7-300CPU313系統有16個輸入信號和24個輸出信號。圖3.2PLC控制系統I/O接線圖在硬件接線圖中，輸入口I0.0接收啟動按鈕SB1的輸入，輸入口I0.1接收停頓按鈕SB2的輸入；輸出口Q4.0控制東西直行綠燈(H1)，Q4.1控制東西直行黃燈〔H2〕，Q4.2控制東西直行紅燈〔H3〕,Q4.3控制東西轉向綠燈〔H4〕，Q4.4控制東西轉向黃燈〔H5〕，Q4.5控制東西轉向紅燈〔H6〕，Q5.0控制南北直行綠燈(H7)，Q5.1控制南北直行黃燈(H8)，Q5.2控制南北直行紅燈(H9)，Q5.3控制南北轉向綠燈(H10)，Q5.4控制南北轉向黃燈(H11)，Q5.5控制南北轉向紅燈(H12)。第四章系統軟件設計4.1十字路口交通燈的控制時序表及時序圖代碼/方向東西直行東西轉彎南北直行南北轉彎綠黃紅綠黃紅綠黃紅綠黃紅S0100001001001S1010001001001S2001100001001S3001010001001S4001001100001S5001001010001S6001001001100S7001001001010S8100001001001注：0表示燈不亮，1表示燈亮圖4.1交通燈控制時序表圖4.2時序圖4.2交通燈正常循環運行流程圖編寫程序流程圖是編寫一個好的程序之前，所必須要求認真做的一步。只有先按照系統的控制要求，一步一步地寫出程序控制流程圖，才能夠在編寫程序的時候，不至于出現思維上的混亂，導致編寫的程序出現較大的錯誤。所以，在編寫十字路口交通燈控制系統之前我們也編寫了程序控制流程如下列圖所示。圖4.3交通燈流程圖注：括號為各燈點亮時間4.2.1控制思路將控制過程分為十二個步驟，分別為每個過程設置一個定時周期，從T0到T11，通過控制每個過程的時間來實現各燈的點亮順序。4.3交通燈PLC控制系統的LAD圖1.啟動與停頓對交通燈各燈進展定時對交通燈進展PLC控制4.4交通燈的控制過程分析當按下開場開關SB1時，系統開場工作，中間繼電器M0.0通電自鎖，T14和T15開場產生占空比為50%的方波信號，此時東西轉向紅燈，南北直行紅燈，南北轉向紅燈均顯示點亮，顯示紅燈，東西直行為綠色，同時東西直行綠燈定時器T0開場定時，定時17s。當定時時間到，定時器T0的常閉出點斷開，常開觸點閉合東西直行綠燈閃爍定時器T1開場定時，定時時間為3s。當定時時間到，T1常開觸點閉合，東西直行黃燈點亮，同時東西黃燈定時器T2開場定時，定時2s，此時東西黃燈亮，東西轉向紅燈，南北直行紅燈，南北轉向紅燈點亮。當T2定時時間到，T2常開觸點閉合，東西轉向綠燈定時器T3開場定時，轉向綠燈點亮，持續時間為12s，當定時時間到，T3的常開觸點閉合，東西轉向綠燈閃爍定時器T4開場定時，綠燈閃爍時間持續3s，T4定時時間到，其常開觸點閉合，轉向黃燈定時器T5接通開場定時，黃燈點亮，持續時間2s。T5時間到，東西方向直行和轉向全部變為紅燈，南北轉向也為紅燈，此時南北直行綠燈被點亮，定時器T6開場定時，定時時間17s，當T6定時時間到，南北直行綠燈開場閃爍，閃爍定時器T7定時3s，閃爍完畢后，T7常開觸點閉合，南北直行黃燈定時器T8接通開場定時，黃燈點亮2s。當黃燈時間到時，T8常開觸點閉合，T9開場定時，南北轉向綠燈開場定時，定時時間有T9決定，點亮12s，12s后，T9敞開觸點閉合，南北轉向綠燈閃爍定時器開場定時，定時器T10開場工作，定時3s，定時時間到時，T10常開觸點閉合，南北轉向黃燈定時器T11接通定時時間2s，此時東西方向直行轉向都為紅燈，南北直行也為紅燈。當T11定時時間到時，與T0串聯的T11的常閉觸點斷開，T0失電，定時器置零，同時由于T0置零，其常開觸點復位，T1也置零，同樣從T0一直到T11全部復位，T11復位后，其常閉觸點閉合，T0開場計時，新的一個周期便由此開場，如此反復循環。當按下停頓按鈕SB2時，中間繼電器斷電，各個定時器均斷電，系統停頓工作。第五章系統調試與仿真5.1硬件組態調試根據PLC選擇對應的地址和相應的電源、CPU、輸入、輸出等的型號，配置如下：5.2系統仿真將程序編寫好、保存以后，翻開仿真S7-PLCSIM軟件，將程序下載到PLC中，對程序進展仿真。圖1按下啟動按鈕I0.0系統開場工作東西綠燈亮20s圖2東西直行黃燈亮2s圖3東西轉彎綠燈亮15s圖4東西轉彎黃燈2s圖5南北直行綠燈亮20s圖6南北直行黃燈亮2s圖7南北轉彎綠燈亮15s圖8南北轉彎黃燈亮2s圖9按下停頓按鈕SB2，系統停頓工作總結通過本系統的設計，對于西門子S7-300系列PLC的特點有了更深的了解。十字路口交通燈控制系統利用了西門子S7-300系列PLC的特點，對按鈕、開關、交通等輸入/輸出點進展控制，實現了十字路口交通燈控制中的自動化。這個實驗進一步穩固和加深我們對自己所學的可編程控制器