机电一体化 毕业论文Word文档下载推荐.docx

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ProgrammableLogicController（PLC）microprocessorcore,basedoncommonlyusedelectricalrelaycontactorcontrolsystemladderdiagramcompiledprogramminglanguage,programmingiseasy,convenientfeaturesextend,modifyandflexible,andsimple,anti-interferenceability.SiemensPLCinstructionrich,youcantakeavarietyofoutput,inputexpansiondevicewithrichspecialexpansiondevices,includinganaloginputdevicesandcommunicationsequipmentisaccordingtothetrafficlightcontrolsystemrequirementsandfeatures,theabilitytoeasilynetworkcommunication.

ThischoiceofSiemensS7-200programmablecontrollerasthecorecomponents,hardwareinterfacedesignfocusesontheuseofladderandstatementstableprogramming,acrossroadsoftrafficlightcontrolsystemautomation.EachintersectionwithLEDdigitaltube,countdowndisplay,makingtimingmoreintuitivefunctionality.

【KeyWord】:

siemens;

PLC;

trafficlights;

control;

LED;

countdown

摘要II

ABSTRACTIII

第一章绪论1

1.1引言1

1.2课题研究目的及意义1

1.3课题主要研究工作2

1.3本课题的主要内容2

第二章PLC的基础3

2.1PLC的基础和特点3

2.2PLC的结构和工作原理4

2.2.1PLC的基本结构4

2.2.2PLC的工作原理6

第三章西门子S7-200系列PLC的硬件单元7

3.1主机7

3.1.1CPU的主要特点7

3.1.2存储系统8

3.2扩展单元8

3.3特殊功能模块9

3.4内部软元件10

3.5基本指令11

第四章控制方案设计13

4.1技术控制要求13

4.2总体方案确定14

4.2.1方案的原理14

4.2.2方案的特点15

4.2.3方案的选择依据15

第五章I/O分配及元器件选型16

5.1输入点、输出点的地址分配16

5.2PLC选型17

5.3倒计时模块选型18

5.3.1常用译码器18

5.3.2LED七段数码显示器20

5.4电气接线图20

第六章交通信号灯的PLC控制器详细设计过程21

6.1交通信号灯控制系统动作流程图21

6.2十字路口交通信号灯控制的梯形图及语句表21

6.3倒计时控制程序梯形图及语句表25

第七章系统的调试30

7.1系统程序调试30

7.2系统硬件调试30

7.3联机调试30

第八章结束语32

致谢33

参考文献34

附件35

电气接线图：

35

程序指令表36

程序梯形图38

第一章绪论

1.1引言

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。

这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。

它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。

1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。

1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。

这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。

红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；

另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。

红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。

红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。

绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。

左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。

红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。

黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

1.2课题研究目的及意义

在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。

但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。

如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。

传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：

事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。

然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。

即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：

绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。

这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。

目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。

由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。

为此，采用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。

另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。

1.3课题主要研究工作

城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。

近多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。

本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。

（1）静态多段配时控制

静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。

它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。

但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。

因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。

这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢迎。

（2）准动态多段配时控制

准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。

交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。

被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。

准动态多段配时控制是一闭环控制系统。

由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。

1.3本课题的主要内容

认识并了解PLC的基础，S7-200系列PLC的硬件单元。

对十字路口交通灯的任务进行了分析，确定了输入/输出管脚分配，原器件选型。

并给出了具体的控制方案，以及时序图。

详细的设计过程，包括程序流程图、交通灯和倒计时模块的梯形图及语句表，同时做出相应解释。

第二章PLC的基础

2.1PLC的基础和特点

PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

随着微处理器的出现，大规模、超大规模、集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC也迅速发展其发展过程大致可以分为三个阶段[1]。

a.早期的PLC

早期的PLC称为可编程逻辑控制器。

这时，PLC主要功能只是执行原先由继器完成的顺序控制、定时等。

早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示及能重复使用等。

其中PLC特有的编程语言－－梯形图，一直沿用到现在。

b.中期的PLC

这时PLC产品已使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术是PLC的应用得到了进一步的发展。

在硬件方面，除了保留原有的开发模块外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。

并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的范围更大。

在软件方面，还增加了算术运算、数据处理和传送通信、直诊断等功能。

c.近期的PLC

由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器价格的大幅度下降，使的各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。

为了提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片。

世界上生产PLC产品的厂家多达200多个，其中比较著名的有美国的AB、通用（GE），日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、松下，德国的西门子（SIEMENS），韩国的三星（SUMSUNG）、LG等。

PLC具有以下主要特点：

1.可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

由于PLC模块均采用大规模与超大规模集成电路，所以的I/O接口电路均采用光电隔离;

在结构上对、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑;

在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施;

在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。

以上这些使PLC具有较高的抗干扰能力。

2.控制系统结构简单，通用性强

在PLC控制系统中，只需要在PLC输入/输出端子上接入相应的信号线即可，不需要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路，大大简化了控制系统的结构。

PLC的输入/输出可直接与交流220V、直流24V等强电相连，并且具有较强的带负载能力。

3.编程方便，易于使用

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4.功能完善

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

在PLC内部具备许多控制功能，如：

逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PID控制、数据控制、通信和联网，还有其他特殊功能模块。

5.设计、施工、调试的周期短

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

6.体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

2.2PLC的结构和工作原理

2.2.1PLC的基本结构

在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。

用PLC实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现，并应用于工业现场。

PLC专为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。

1.中央处理器（CPU）

中央处理器（CPU）一般由控制器运算器和寄存器组成。

它们都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元输入/输出接口电路相连接。

与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不序地进行工作。

用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。

CPU的主要任务如下：

（1）按PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器输入用户程序和数据。

（2）用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。

（3）诊断电源或PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。

（4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户，程序经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传送、组合、比较、变换等动作。

完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。

根据运算结果更换有关标志位的状态和输入映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。

2.存储器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。

（1）系统存储器

系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器。

它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。

它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。

其主要内容包括3个部分：

系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调试。

（2）用户存储器

用户存储器由用户程序存储器和数据存储器两部分组成，其主要任务作用是用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。

PLC使用的存储器有3种类型：

随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和可擦除可编程只读存储器（EEPRO）。

3.输入/输出接口单元

PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。

输入/输出接口单元从广义上可分为2个部分：

一部分是与被控制设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。

4.扩展接口和通信接口

PLC具有扩展接口和通信接口的能力，其作用如下：

（1）扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，是PLC的配置更加灵活以满足不同控制的系统需求。

（2）通信接口的作用是通过这些通信接口可以与监视器打印机和其他的，PLC或计算机相连从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。

5.电源部分

PLC一般使用220交流电源，内部的开关电源位PLC的中央处理器、存储器等。

电路提供5V、+12V、24V等直流电源使PLC能正常工作。

6.编程设备

编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

7.其他部件

有些PLC还可以有ERROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展功能。

2.2.2PLC的工作原理

PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面做了特别的考虑。

1.PLC的3个工作阶段

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段完成。

上述3个阶段即为一个周期。

在整个运行期间PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。

（1）输入采样阶段PLC。

在输入采样阶段，先扫描所以输入端子并将各输入端子状态存入对应的输入元件映像寄存器。

此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。

在用户程序执行阶段或输出阶段，输入元件映像寄存器与外界隔离，无论输入端子信号如何变化，输入元件映像积存器始终保持不变，直到下个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。

（2）用户程序执行阶段。

根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。

当指令中涉及输入/输出时，PLC从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。

然后，进行相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。

对元件映像来说，每一个元件的状态会随程序的执行过程而变化。

（3）输出刷新阶段。

在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有继电器的状态在（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。

对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。

2.PLC对输入/输出的处理规则

PLC对输入/输出的处理规则如下：

输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上有个刷新期间的通/断状。

第三章西门子S7-200系列PLC的硬件单元

3.1主机

S7-200CPU22*系列的CPU模块主要包括一个中央处理器、电源、通信口及I/O接口。

它的主要作用有：

执行程序；

从现场设备中采集信号；

输出控制信号；

驱动外部负载。

S7-200CPU22*系列的PLC具有以下5种不同的结构配置：

（1）CPU221具有6个输入点和4个输出点，共计10个I/O点。

无扩展能力。

有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，2个独立的输入端，可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。

程序和数据存储容量较小，适用于少点的控制系统。

（2）CPU222具有8个输入点和6个输出点，共计14个I/O点。

1个模拟量电位器，最多可扩展10AI/AO点。

4KB用户程序区和2KB数据存储区。

有4路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接2个相位差为90度的A/B相增量编码器。

可以进行一定模拟量的控制和2个模块的扩展，因此是应用更广泛全功能控制器。

（3）CPU224具有14个输入点和10个输出点，共计24个I/O点。

2个模拟量电位器，最多可扩展35AI/AO点。

8KB用户程序区和5KB数据存储区。

有6路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口，有7个扩展模块。

它具有更强的模拟量处理能力，是S7-200系列产品中使用最多的。

（4）CPU226。

具有24个输入点和16个输出点，共计40个I/O点。

有6路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，2个RS485通信/编程口。

它主要用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。

（5）CPU226XM。

这是西门子公司推出的一种增强型主机。

它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU226相同。

3.1.1CPU的主要特点

1.内部集成的具有强劲的通信能力的PPI接口是S7-200的用户口，CPU接口物理特性为RS485，可在三种方式下工作。

（1）PPI方式：

通过PPI方式，S7-200系列PLC与计算机之间或者是PLC相互之间可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。

（2）MPI方式：

通过MPI方式，S7-200可以通过内置接口连接到MPI网络上，它可以与S7-300/S7-400CPU进行通信。

（3）自由口通信方式；

通过自由口通信方式，S7-200系列PLC可以与任何通信协议公开的其他设备、控制器进行通信。

2.丰富的内置集成功能

（1）集成的24V负载电源，可直接连接到传感器和变送器

（2）对于不同的设备类型，其CPU各有2个类型，具有不同的电源电压和控制电压。

（3）中断输入，允许以极高的