基于西门子PLC交通灯论文设计

目录

前言 (1)

中文摘要 (2)

英文摘要 (3)

1 可编程序控制器PLC的概况 (5)

1.1 PLC的定义 (5)

1.2 PLC的工作原理 (5)

1.3 PLC的应用领域 (6)

1.4 PLC的发展趋势 (7)

2 控制要求 (9)

2.1 交通灯控制系统的设计要求和工作过程 (9)

2.2 交通灯的时序波形图 (10)

3 硬件介绍和选取 (11)

4 交通灯系统的设计与控制 (14)

4.1 顺序图 (14)

4.2 I/O分配及接线图 (15)

4.3 编制程序 (16)

4.4 调试程序 (22)

参考文献 (23)

谢辞............................................... 错误！未定义书签。综述............................................... 错误！未定义书签。封底............................................... 错误！未定义书签。

前言

我国是一个人口大国，许多城市都存在交通拥堵现象。特别是近十几年，随着我国经济的发展，城市人口与机动车辆的增多，城市交通问题越来越受到人们的关注。特别是那些大城市，情况尤为严重，如上海、北京、南京、武汉等出现了交通超负荷运行的情况。因此，如何改善与人们密切相关的交通问题也成为政府交通部门工作中的一个重要部分。交通拥堵问题的原因在道路的交叉口，堵车先堵交叉口，如何能够控制好十字路口车辆的通行，可以有效地解决交通拥堵问题。所以交通灯设计的合理与否，就显得尤为重要，对解决交通拥堵问题具有重要意义。

能完成交叉路口交通信号灯系统的控制方法有很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方法来实现。其中用标准逻辑器件来实现，电路在很大程度上要受到逻辑器件门电路等的影响，调试工作极为不易；单片机虽然成本低廉、专用性强，但其可靠性差、抗干扰能力弱、通用性差、扩展能力也不强；PLC虽然成本高，但其组成灵活、可靠性好、通用性强、控制功能强、操作方便、抗干扰能力强。因此，考虑到实际现场工作环境，我最终选择了可靠性好、抗干扰能力强、通用性好等诸多优点的PLC来实现对十字路口交通灯的控制，完成本次课程设计的任务。

中文摘要

传统的交通灯控制系统大多是由数字电路来实现的，交通灯控制系统稳定性可靠性与抗干扰能力较差，随着社会经济的发展，数字电路交通灯越来越不能满足日益增长的交通压力，因此必须寻求一种新的方法来取代这种复杂而工作不稳定的控制系统。

随着科技的发展，可编程控制器(PLC )的功能日益完善，可编程控制器已作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，已被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源等各种行业。它可靠性高、功能完善、抗干扰能力强，具有结构简单、重量轻等优点，是一种用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统。采用PLC控制交通信号灯，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性，同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别是方便地实现多岔路口的控制。由于PLC本身具有通信联网功能，可将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。

在实际应用中，采用PLC控制城市交通信号灯，能根据不同的路况要求，随时修改控制程序，以改变各信号灯的工作时间和工作状况。与继电器或逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更高的可靠性、灵活性和经济实用性。本论文就是运用PLC原理来实现对十字路口的交通灯的控制，介绍了基于PLC在交通系统的运用，系统介绍了PLC的基本原理。

关键词

交通灯控制系统；可编程控制器（PLC）；十字路口；科学化管理；稳定性；可靠性

ABSTRACT

The traditional traffic control system is mostly by digital circuit, traffic control system stability reliability and anti-interference ability is bad, With the development of society and economy, and digital circuit traffic lights to meet the growing traffic pressure, therefore, must seek a new method to replace the complex and working stability of the control system.

With the development of science and technology, the programmable logic controller (PLC) function, the programmable controller has, as a kind of microcomputer technology as the core in automatic control equipment, has been widely used in mechanical manufacturing, metallurgy, chemical, energy, etc. It has high reliability, complete functions, strong anti-jamming capability, with simple structure, light weight, it is a kind of process control for industrial environment and the number of operating system. PLC control traffic lights, mainly is for use with the consideration of the characteristics of strong adaptability to environment, and its internal timer resources are very rich, but for now the widespread use of "progressive" light accurately control, particularly easily realize more control of the cross-roads. Because of PLC network communication function, has the same path can be composed of a LAN for signal unified dispatching management, can shorten the time of waiting vehicles, scientific management.

In actual application of PLC control, urban traffic lights, can according to different conditions, modified at any time to change control procedures, the signal of working time and working conditions. And relay or logic circuit control system, PLC control system has higher reliability and flexibility and economic and practical. This paper is the application of the principle of PLC to control the traffic intersection, introduced in traffic system based on PLC is introduced, and the application of PLC system of basic principle.

Key words

Traffic control system；Programmable logic controller (PLC)；Crossroads；Scientific managemen；Stabilization；reliability

基于PLC交通灯控制系统的设计

1可编程序控制器PLC的概况

1.1 PLC的定义

早期的可编程控制器是为了取代继电器控制线路，采用存储器程序指令完成顺序控制而设计的。它仅有逻辑运算、定时、计数等功能，采用开关量控制，实际只能进行逻辑运算，所以称为可编程逻辑控制器，简称PLC（Programmable Logic Controller）。进入20世纪80年代后，采用了16位和少数32位微处理器构成PLC，使得可编程逻辑控制器在概念、设计、性能上都有了新的突破。采用微处理器之后，这种控制器的功能不再局限于当初的逻辑运算，增加了数值运算、模拟量的处理、通信等功能，成为真正意义上的可编程控制器（Programmable Controller），简称为PC。但是为了与个人计算机PC（Personal Computer）相区别，长将可编程控制器仍成为PLC。

随着可编程控制器的不断发展，其定义也在不断变化。国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月又颁布了第三稿。1987年颁布的可编程控制器的定义如下：“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。可编程控制器及其相关的外围设备，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。”

1.2 PLC的工作原理

PLC实质上是一种专用与工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计

算机相近，在结构上分为固定式和组合式（模块式）两种，固定式PLC包括CPU 板，I/O板，显示面板，内存块，电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块，I/O模块，内存模块，电源模块，底板或机架。这些模块可以按照一定的规则组合配置。

图1 PLC操作过程

按照可编程控制器系统的构成原理，可编程控制器系统由传感器，可编程控制器和执行器组成，可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序来实现控制任务，其操作过程如上图1所示。

PLC输入模块的输入信号状态与传感器信号相对应，为传感器信号经过隔

离和滤波后的有效信号。开关量输入电路通过识别传感器0、1电平，识别开关的通断。CPU在每个扫描周期的开始扫描输入模块的信号状态，并将其状态送

入到输入映像寄存器区域；CPU根据用户程序中的程序指令来处理传感器信

号，并将其处理的结果送到输出映像寄存器。现代的PLC已经具备了处理模拟量的功能，但是相对于开关量的处理较复杂一些。PLC输出模块具有一定的负

载驱动能力，在额定负载以内，直接和负载相连，可以驱动相应的执行器。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

1.3 PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为以下几类：

（1）开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、

组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使PLC能处理模拟信号，PLC厂家生产有配套的A/D、D/A转换模块，使PLC可用于模拟量控制。

（3）运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在可使用专门的运动控制模块。广泛的运用于各种机床、机械、机器人、电器等场合。

（4）过程控制这是对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。PLC能编制各种控制算法程序，完成闭环控制。PID控制时一般闭环控制系统中常用的控制方法。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用

（5）数据处理现代PLC具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较。一般用于大型系统，如无人控制的柔性制造业。

（6）通信及联网 PLC通信包含PLC之间的通信以及PLC与其他智能设备间的通信。在工业自动化网络发展加快前提下，厂家都十分重视PLC的通讯功能，纷纷推出各自的网络系统，通讯十分方便。

1.4 PLC的发展趋势

1969年，美国数字设备公司（DEC）首先研制出第一台符合要求的控制器，即可编程逻辑控制器，并在美国GE公司的汽车自动装配上试用获得成功。此后，这项技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。

总的来说发展趋势如下：

(1)向高速度、大容量方向发展为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的储存容量。

(2)向超大型、超小型两个方向发展。以适应不同类型的自动控制系统的需要。

(3)PLC大力开发智能模块，加强联网通信功能。为了扩大适用范围，厂家还制定了通用的通信彼岸准，已构成更大的网络系统。

(4)增强外部故障的检测与处理能力。外部故障的几率很大，因此，PLC厂家致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性

(5)编程语言多样化。PLC结构不断发展的同时,PLC的编程语言也越来越丰富。多种语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

2 控制要求

2.1交通灯控制系统的设计要求和工作过程 主要程序要求如下：

信号灯受启动开关控制。当启动开关接同时，信号灯系统开始工作，先南 北绿灯亮，后东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。

（1）东西方向红灯亮维持30s 期间，南北方向绿灯亮维持25s ，然后绿灯闪亮3s 后熄灭，同时南北方向黄灯亮，维持2s 后熄灭，这时南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮。

（2）南北方向红灯亮维持30s 期间，东西方向绿灯亮维持25s ，然后绿灯闪亮3s 后熄灭，同时东西方向黄灯亮，维持2s 后熄灭，这时南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。

（3）上述动作循环进行。

十字路口交通灯的简单示意图如图2所示：

东

图2 十字路口示意图

2.2 交通灯的时序波形图

根据以上描述可简单绘制交通灯的时序波形图，如图3所示，南北方向绿灯和东西方向红灯先亮。

3 硬件介绍和选取

（1）PLC的类型

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。

（2）输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。

（3）CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

（4）I/O的分配

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成

了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有

继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型

（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

（5）电源的选择

根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。

电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压.电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和,同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素;电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。

直流输入电源对于输入电压一般都是宽范围:如5V为4.5-9V,12V为9-18V,24V 为18-36V,48V为36-72V,110V为60-160V。

交流输入电源一般为220VAC(176-264V)和三相三线(四线),并带有PFC功率因数校正功能。

（6）存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应

用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

经济性的考虑

，选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

（7）PLC 接地

良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制干扰，PLC一般最好单独接地，与其它设备分别使用各自的接地装置，PLC的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近PLC。同时，接地电阻要小于100Ω，接地线的截面应大于２mm。

另外，PLC的CPU单元必须接地，若使用了I/O扩展单元等，则CPU单元应与它们具有共同的接地体，而且从任一单元的保护接地端到地的电阻都不能大于100Ω。

（8）底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

本设计决定选用S7-200系列PLC。

4 交通灯系统的设计与控制

4.1 顺序图

分析系统控制要求，可绘制系统功能顺序图如下图4所示：

图4 交通灯的功能顺序图

4.2 I/O分配及接线图

硬件结构设计必须了解各个对象的控制要求,分析对象的控制要求,确定输入/输出(I/O)接口的数量,确定所控制参数的精度及类型。如对开关量,模拟量的控制,用户存储器的存储容量等。选择合适的PLC机型及外设,以完成PLC的硬件结构配置。

根据上述选型及控制要求,绘制PLC控制交通灯的电路接线原理图,编制

I/O接口功能表, I/O分配及其接线原理图分别如下表1和图5所示。

表1 PLC I/O端口分配表

图5 电路原理图

4.3 编制程序

根据控制要求和I/O口分配，用STEP 7-Micro/WIN软件编制程序如下图6

所示：