基于PLC的十字路口交通信号灯控制系统设计论文

PLC期末综合论文
题目：基于PLC的十字路口交通信号灯控制系统设计
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教研室（或答辩小组）及教学系意见
1
摘要
近年来，城市交通拥塞现象频繁，从而引起交通事故频发、驾驶员严重违规和交通秩序混乱问题。

大部分城市的交通出现了超负荷运行的情况，所以交通阻塞问题已经成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

对于如何采用合适的控制方法，最大限度的缓解主干道，利用好城市高速道路和解决城区交通拥堵现象，目前最为有效方案是使用交通信号控制系统，可见改善城市交通灯控制系统是很重要的一件事情。

随着电气工业及计算机科技的发展，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC以其结构简单、编程方便、可靠性高等优点在我国得到了广泛的应用。

其中，PLC在交通信号控制信号灯系统设计中也发挥着巨大的作用。

本文介绍了利用西门子系列PLC在十字路口交通信号灯控制系统设计中的应用,阐述了系统控制方案。

本文采用德国西门子公司生产的S7-200型PLC 作为核心控制器进行十字路口交通信号灯控制系统的设计，并且设计出了系统结构图、顺序功能图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。

同时根据十字路口交通信号灯控制系统总体控制要求和特点,确定PLC 的输入输出分配,并进行现场调试.
【关键字】PLC十字路口交通信号灯控制系统梯形图
Abstract
In recent years, the urban traffic congestion phenomenon occur frequently, causing frequent traffic accidents, the driver serious violations and traffic order problem. Most of the city traffic in the overload operation, so the traffic jam has already become the important problems traffic administrative department need to solve. How to adopt the appropriate control method, relieve the main road, make good use of urban expressway and solve the urban traffic congestion phenomenon, at present the most effective solution is to use the traffic signal control system, so improve the city traffic lights control system is an important thing.
With the development of electric industry and computer technology, more and more small medium-sized equipment adopted PLC control, which with its advantages of simple structure, convenient programming and high reliability has been widely used in our country. Among them, PLC plays an important role in the traffic signal control.
This paper describes the overall control using Siemens Series PLC control system for traffic lights. Describes the control scheme. In this paper, produced by the German company Siemens S7-200 PLC as the core controller-type intersection traffic signal control system design. And design a system configuration diagram of the program instructions, and input and output terminals of the ladder allocation scheme. While the overall control system based on intersection traffic signal control requirements and characteristics, determine the PLC input and output distribution and on-site commissioning. ）
【Keywords】PLC Traffic Signal Control System Ladder Diagram
目录
一、PLC概述 (1)
二、PLC的基本结构及分类 (2)
三、PLC的特点及应用领域 (6)
3.1PLC的特点 (6)
3.2PLC的应用领域 (7)
四、PLC工作原理 (8)
6.1电磁继电器基本结构及工作原理 (8)
6.2用触点和线圈实现逻辑运算 (8)
6.3PLC的操作模式 (8)
6.4PLC的工作原理 (9)
6.5PLC的输入/输出滞后时间 (9)
五、PLC编程语言 (10)
六、S7-200PLC编程元件及指令系统介绍 (12)
6.1S7-200的控制程序 (12)
6.2S7-200指令系统 (12)
6.3触点指令 (13)
6.4输出指令与其它指令 (15)
6.5定时器与计数器指令 (15)
6.6计数器指令 (16)
七、十字路口交通信号灯系统PLC控制应用 (17)
7.1模型介绍及控制过程分析 (17)
7.2控制系统结构 (18)
7.3顺序功能图 (20)
7.4梯形图程序编制方法介绍及程序 (20)
7.5程序调试过程、控制效果分析及控制结果 (21)
八、项目开发总结 (22)
九、参考文献 (22)
附录一 (23)
附录二 (26)
一、PLC概述
PLC即可编程控制器，由传统的工业自动控制系统——电磁继电器控制发展而来，为了顺应制造业对市场需求做出迅速反应这样现代社会要求而出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制设备。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛的应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，是其他计算控制设备无法比拟的。

国际电工委员会（IEC）对PLC的定义：PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。

从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能够完成各种各样的控制功能外，还有与其它计算机智能设备通信联网的功能。

本实验以西门子公司的S7-200系列小型PLC为实验对象。

S7-200以其极高的性能价格比，在我过占有很大的市场份额。

二、PLC的基本结构及分类
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和编程器等五部分组成，其特殊功能模块能用来完成某些特殊任务。

组成模块示意图如图1所示。

图1 PLC组成模块示意图
2.1 CPU模块
（1）由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。

它采用周期性循环扫描、分时操作的工作方式，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。

具体如图2所示：
输入采样程序执行输出刷新
周期性循环扫描分时操作
图2 PLC组成模块示意图
CPU每次扫描要完成以下工作：
①输入处理（输入采样）
将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。

②程序执行
逐条读入和解释用户程序，产生相应的控制信号去控制有关的电路，完成数据的存取、传送和处理工作，并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。

③输出处理（输出刷新）
将输出映像寄存器的内容送给输出模块，去控制外部负载。

CPU模块中存储器的作用：存储系统程序、用户程序和各种数据。

（2）存储器
存储器的作用是存储系统程序、用户程序和各种数据。

系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。

系统程序由PLC生产厂家固化在ROM中，用户不能直接存取。

用户程序由用户设计，它决定了PLC的输入信号与输出信号之间的具体关系。

用户程序一般储存于RAM或E2PROM中，用户程序存储器容量一般以字（每个字由二进制16位组成）为单位（一般指令和操作数各占一个字节），有的PLC将字称为步，每一步储存一条指令。

存储器的分类：按用途分类，可分为系统程序存储器和用户程序存贮器。

具体分类如下：
①RAM：随机存储器，存储用户程序和临时数据，易失性，断电信息丢失。

存储用户程序时，需后备电池。

②ROM：只读存储器，非易失性，断电保持，存储系统程序。

③E2PROM：可电擦除可编程只读存储器，非易失性，断电保持，写入时间比RAM慢，多用来存储用户程序和需长时间保存的重要数据。

④EPROM：可擦除可编程只读存储器，非易失性，断电保持，需用专用设备写入，比RAM速度慢。

信号擦除需用紫外灯照射数小时，使用不方便，趋于淘汰。

2.2 I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。

PLC 通过I/O模块与工业生产过程现场联系。

（1）输入模块
输入模块用来接收和采集输入信号。

PLC通过输入模块检测被控对象或被控生产过程的各种参数，以这些现场数据作为PLC对被控对象进行控制的信息依据。

PLC输入模块按工作分为开关输入模块和模拟输入模块。

①开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号。

②模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流或电压信号。

图3为开关量输入模块电路：
图3 开关量输入模块电路示意图
输入电路中有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。

（2）输出模块
输出模块将PLC处理结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制。

PLC 输入模块按工作也可分为开关量输出模块和模拟输出模块。

①开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。

②模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行机构。

（3）I/O模块的电平转换作用
PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O模块单元，有各种各样功能的I/O 单元供用户选用。

外部设备传感器和执行机构所需信号电平多种多样（如DC24V或
AC220V/380V），而PLC中CPU模块处理的信息只能是标准数字信号电平（5V工作电压），所以I/O模块需实现这种转换。

（4）I/O模块的噪声隔离的作用
I/O 模块从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部I/O装置直接相连，需要在I/O模块电路中进行滤波、光电隔离等抗干扰隔离处理措施。

常用噪声隔离措施：
①I/O回路滤波电路去除干扰信号
②I/O回路光电耦合器传递信号，去除干扰
③I/O回路继电器传递信号，回路物理隔离
2.3 编程器
（1）编程器的作用
用它来生成用户程序；编辑、检查、修改、调试用户程序；监视用户程序执
行情况。

（2）编程器的分类：
专用简易编程器：只能输入指令，不能图形编程，体积小，价廉，功能简单，通用性差。

专用图形编程器：支持指令及图形编程，功能较强，通用性差，价贵。

通用计算机编程：使用专业软件编程，通过通信电缆与PLC交换数据，功能强大，通用性强。

2.4 电源模块
PLC使用AC220V或DC24V电源。

内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。

小型PLC可以为输入电流或外部电子传感器提供DC24V直流电源。

驱动PLC负载（现场执行机构）的直流电源一般由用户提供。

三、PLC的特点及应用领域
3.1 P LC的特点
（1）编程方法简单易学
程序结构使用企业中电气技术人员熟悉并易于掌握的梯形图语言。

电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，程序控制过程形象直观，使用的指令数量少，易学易懂，易于为熟悉梯形图控制电路的电气技术人员学习和掌握。

（2）功能强、性价比高
一台小型PLC内部有成百上千个可供用户使用的编程元件（如存储器、定时器、计数器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器控制系统相比，具有很高的性价比。

PLC可以通过通信联网，组成DCS集散控制系统，实现分散控制，集中管理。

（3）硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

用户不必自己设计制作硬件装置，只需确定PLC的硬件配置和设计外部接线图即可。

PLC的安装接线方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

PLC的硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

（4）可靠性高，抗干扰能力强
可靠性是自动控制系统稳定工作的重要指标。

是用户选择自动控制装置的首要条件。

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替了继电器系统中容易出现故障的大量触点和接线，外部仅剩下输入和输出相关的少量硬件元件，接线大量减少，因触点接触不良的故障大为减少。

（5）系统设计、安装、调试工作量少
PLC用软件代替了继电器系统中容易出现故障的大量触点和接线，外部仅剩下输入和输出相关的少量硬件元件，接线大量减少，因触点接触不良的故障大为减少。

大多数PLC用户程序采用顺序控制设计法设计，编程方法规律性强，容易掌握，程序设计时间较继电器控制系统设计短。

PLC的用户程序可在实验室开发和模拟调试，大大缩短现场调试时间和工作量，系统调试时间较继电器控制系统少得多。

（6）维修工作量少、维修方便
PLC故障率低，且有完善的自诊断和显示功能，发生故障时可以根据PLC的发光二极管或编程设备提供的信息快速查明故障点及其原因，用更换模块的方法可
以迅速排除故障。

（7）体积小，能耗低，易于集成
PLC用软件替代了大量中间继电器和时间继电器，节省大量配件和接线，减少大量安装接线工作量，控制柜体积小，能耗低，易于同被控设备集成，实现机电一体化。

3.2 P LC的应用领域
（1）数字量逻辑控制
这是PLC最基本最广泛的应用。

其输入输出均为开关量信号，控制过程与继电器控制系统最为接近，控制成本低廉，可靠性极高。

可以用于单台设备，也可用于自动生产线，还可用于民用或家庭场合。

（2）运动控制
使用专用的运动控制模块，实现直线运动、圆周运动等场合的位置、速度等过程控制，广泛应用于各种机械的加工场合。

（3）闭环过程控制
通过PLC的模拟量A/D、D/A模块，可以完成模拟量和数字量之间的相互转换，实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID（比例－积分－微分）闭环过程控制。

广泛应用于塑料加工、锅炉控制等设备控制。

（4）数据处理
现代PLC具有数学运算、数据传输、数据转换、排序、查表等功能，可能实现数据采集、分析和处理，大大增强了PLC自动控制系统的功能。

（5）通信联网
经通讯端口，可以实现PLC之间、PLC与其它智能设备 (如计算机、变频器、数控装置等)之间通信，组成功能强大的“分散控制、集中管理”的分布式自动控制系统(DCS 系统)，为现代工业自动化生产提供强有力的控制支持。

四、PLC工作原理
6.1 电磁继电器基本结构及工作原理
电磁继电器工作状态：
①线圈得电状态
产生磁场，衔铁受力，常开触点闭合，常闭触点断开。

②线圈失电状态
磁场消失，衔铁在拉力弹簧作用下复位，常开触点断开，常闭触点接通。

6.2 用触点和线圈实现逻辑运算
例如图4所示的交流接触器控制异步电动机的起动-保持-停止电路。

图4 起动-保持-停止电路
.KM ―接触器（大功率继电器或电磁阀）
.SB1―启动按钮
.SB2―停止按钮
.M ―三相电动机
逻辑表达式：
6.3 P LC的操作模式
PLC有两种基本的工作状态: RUN / STOP, 通过模式开关进行选择、运行状态通过面板上的LED指示灯显示。

（1）RUN模式： CPU通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

“RUN” LED亮。

（2）STOP模式： CPU不执行用户程序，可以用编程软件创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件信息下载到PLC。

CPU模块上的模式开关在STOP位置时，将停止用户程序的运行，在RUN位置时，将启动用户程序的运行。

模式开关在STOP或TERM（Terminal，终端）位置时，电源通电后CPU自动进入STOP模式，在RUN位置时，电源通电后自动进入RUN模式。

PLC - PLC之间建立起通信连接后，若模式开关在RUN或TERM
位置, 可用编程软件中的命令改变CPU的工作模式。

在程序中插入STOP指令，可以使CPU由RUN模式进入STOP模式。

6.4 P LC的工作原理
PLC通电后，需要对硬件和软件进行初始化，为使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不只是执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP状态。

这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

PLC在RUN工作模式下，采用周期性循环扫描、分时操作的工作方式，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷
新系统输出。

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信服务等工作。

其扫描过程图5所示：
图5 扫描过程示意图
6.5 P LC的输入/输出滞后时间
输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。

数字量输入模块的RC滤波器用来滤除由输入端引入的干扰噪声，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。

输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器输出电路的滞后时间一般在10ms左右，场效应晶体管输出电路的滞后时间为数us至100多us，双向可控硅输出负载接通时滞后约1ms，导通到断开的最大滞后时间为10ms。

由于PLC在一个扫描工作周期的各个阶段采用分时操作的工作方式，引起的滞后时间最长可达两三个扫描周期。

图6 扫描过程示意图
五、PLC编程语言
PLC中的程序由两部分组成：
①操作系统：由PLC的生产厂家提供，它支持用户程序的运行；
②用户程序：是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序。

要开发应用程序，就要用到PLC的编程语言和指令系统
为了方便PLC的开发和使用，IEC（国际电工委员会）制定了PLC的全球标准(IEC61131)。

该标准包含了如下五个组成部分：通用信息、设备与测试要求、编程语言、用户指南和通信。

其中的第三部分（IEC61131-3）是PLC的编程语言标准，也是至今为止唯一的工业控制系统的编程语言标准。

目前已有越来越多的PLC生产厂家提供了符合IEC 61131-3标准的产品。

IEC 61131-3标准的5种编程语言：
(1) 顺序功能图(Sequential Function Chart)；
(2) 梯形图(Ladder Diagram)；
(3) 功能块图(Function Block Diagram)；
(4) 指令表(Instruction List)；
(5) 结构文本(Structured Text)。

标准中有两种图形语言——梯形图和功能块图；
标准中有两种文字语言——指令表和结构文本
1.顺序功能图
是一种位于其它编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。

它提供了一种组织程序的图形方法，步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元素。

有三种基本结构：顺序结构（单系列）、选择系列和并行系列。

对目前大多数PLC来说，顺序功能图还仅仅作为组织编程的工具使用，尚需用其它编程语言（如梯形图）将它转化为PLC的可执行程序。

因此，通常只是将顺序功能图作为PLC的辅助编程工具，而不是一种独立的编程语言
2.梯形图程序
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。

是使用得最多的PLC图形编程语言。

梯形图与工厂的继电器控制系统的电路图相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的技术人员掌握，特别适合于开关量逻辑控制。

3.功能块图
是一种类似于数字逻辑电路的一种编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。

该编程语言使用类似于与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量。

梯形图与语句表功能块图
4.指令表程序
指令是程序的最小独立单位，用户程序是由若干条顺序排列的指令构成的。

一条指令由一个操作码和一个操作数组成，操作数由标识符和参数组成。

操作码定义要执行的功能，它告诉CPU该执行什么操作；操作数为执行该操作所需要的信息，它告诉CPU用什么去做。

一般情况下，指令的操作数在PLC的存贮器中。

5.结构文本
是为国际标准IEC 61131-3标准创建的一种专用的高级语言。

与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写程序非常简洁和紧凑。

6.编程语言的相互转换和选用
在S7-200的编程软件中，用户可以选用梯形图、指令表和功能块图来编程，编程软件可以自动切换用户程序使用的编程语言。

梯形图程序与继电器电路图的表达方式极为相似，梯形图中输入信号与输出信号之间的逻辑关系一目了然，易于理解，程序可读性强。

而指令表程序逻辑关系难于一眼看出，程序可读性差。

在设计复杂程序时建议使用梯形图编程。

但指令表输入方便快捷，还可以为每一条指令加上注释，便于复杂程序的阅读。

在设计通信、数学运算等高级应用程序是时可以采用。

梯形图中一个网络只能有一个独立电路。

语句表中，几块独立电路对应的语句可以放在一个网络中，但是这种网络不能转换为梯形图。

梯形图程序一定能转换为指令表。