多时段十字路口交通信号灯PLC控制系统设计

电气控制课程设计
设计题目：基于S7-200 PLC十字路口交通信号灯控制系统的设计
姓名：覃水桥
班级：电气11203
学号：12032411
指导教师：张明
成绩评定：
2015年6月16日
内容摘要
本课程设计利用西门子公司的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。

1.控制要求
1、系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作；
2、控制对象：
东西方向红灯两个，南北方向红灯两个，
东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个，
东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个，
东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。

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
图2-2 高峰时段信号灯时序控制图
2.2 硬件选型
图2-3 正常时段信号灯时序控制图
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。

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；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。

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。

5.确定I/O点数量及PLC类型
分析PLC的输入和输出信号,在满足控制要求的前提下,要尽量减少占用PLC的I/O 点。

由系统控制要求可见，由控制开关输入的启、停信号是输入信号。

由PLC的输出信号控制各指示灯的亮、灭。

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；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次设计。

再加上东西方向左转的灯共16盏，所以其占8个输出点。

选择PLC型号：CPU224DC，内部电源供电，继电器输出形式。

5.1.I/O点的分配与编号
控制信号信号/元件名称元件符号地址编码
输入信号校正当前始终SB1 I0.0 启动信号SB2 I0.1 停止信号SB3 I0.2
输出信号
东西方向绿灯HL1-1、1-2 Q0.0 东西方向黄灯HL2-1、2-2 Q0.1 东西方向红灯HL3-1、3-2 Q0.2 南北方向绿灯HL4-1、4-2 Q0.3 南北方向黄灯HL5-1、5-2 Q0.4 南北方向红灯HL6-1、6-2 Q0.5 东西方向左转弯绿灯HL7-1、7-2 Q0.6 南北方向左转弯绿灯HL8-1、8-2 Q0.7 表3-1 系统I/O地址分配表
5.2. PLC外部端子接线图
根据I/O表及PLC的配置图很容易就可以得到PLC外部端子接线图3-1如下所示：
图3-1 PLC外部端子接线
5.3 控制程序编制
5.3.1梯形图（见附录I）
5.3.2指令表（见附录II）
结论
本系统采用PLC比采用传统的电子线路和继电器具有可靠性高、维护方便、使用简单、通用性强等特点，PLC还可以联成网络，根据实测各十字路口之间的距离，车流量和车速等，合理确定各路口信号灯之间的时差，把N台PLC联网到一台控制电脑上，以方便操作、管理和监控，从而极大的提高城市道路交通管理能力，减少交通事故的发生。

该交通灯所设计的程序采用主程序调用子程序的思想，完成多时段交通灯的智能控制。

这一设计是一个创新亮点，可根据时序段划分来设定相应的时钟，进而来调整多时段交通灯控制。

本系统适应性和应变能力都强，在应变情况下不需要大改动相关程序，只需要做微小设定和修改。

系统兼有手动和自动操作功能，可根据不同的需要，选择不同的工作方式。

该系统可用实际生活中，能在指挥交通中发挥重要作用。

本系统同样存在很多不合理的地方，编写程序时前期工作量很大，而且需要用到各种繁琐的指令和相应的寄存器及众多定时器。

画梯形图工作量比较大，编写较多指令，理解起来不太容易。

程序过多。

治学者在学习中，追求简单而有效的解决方法是最可取的，是世人所推崇的。

那么后续的工作是改进设计思路，简化设计程序。

我们要研究的方向就是要用最简单，最有效的程序来控制多时段交通灯，使其在现实生活中体现设计思路的价值。

设计总结
此次课程设计培养了我综合运用所学的基础理论课，技术基础课，专业课的知识和实践技能分析和解决实际工作中的一般工程问题的能力，使我建立了正确的设计思想学会了如何把几年来所学的理论知识运用到实践当中去。

掌握了PLC控制系统的原理，并进一步巩固、扩大和深化了我所学的基本理论，基本知识和基础技能，提高了我的逻辑思维能力。

通过对PLC十字路口交通灯自动控制系统的设计，我对所学PLC内容更加熟悉，在设计的过程中遇到了一些自己暂时还无法解决的问题，通过老师的帮助和查阅相关书籍，对遇到的问题进行分析解答，在这个过程中受益匪浅。

经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

该设计让我充分的意识到PLC在实际生活中有很多的用处，激起了我在今后的生活中继续学习和运用PLC的兴趣，我也希望我能够把它运用的生活当中比如自己改造家里的电器让它拥有更多的功能。

附录I 梯形图
上接A 上接B
SBR_0
SBR_1
SBR_2
C D
上接C 上接D
E F
上接E 上接F
SBR_3
G H
上接G 上接H
I J
上接I 上接J
附表II 指令表主程序：
子程序
SBR_0
子程序SBR_2
子程序
SBR_3。