基于西门子S7200 PLC的交通灯控制设计教材.docx

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基于西门子S7200PLC的交通灯控制设计教材

摘要…………………………………………………………………………………1

关键词………………………………………………………………………………1

Abstract……………………………………………………………………………1

Keywords……………………………………………………………………………1

1绪论…………………………………………………………………………………………2

1.1课题的研究背景与意义…………………………………………………………………2

1.2主要内容………………………………………………………………………………2

2PLC的概述…………………………………………………………………………………2

2.1PLC的定义，分类及特点………………………………………………………………3

2.2PLC的功能和应用………………………………………………………………………3

2.3PLC的工作原理…………………………………………………………………………3

2.4PLC的工作过程…………………………………………………………………………3

2.5的编程语言………………………………………………………………………4

2.6PLC定时器指令介绍………………………………………………………………5

3PLC控制系统的实现………………………………………………………………………6

3.1方案的比较与选择………………………………………………………………………7

3.2I/0分配表…………………………………………………………………………………7

3.3接线图……………………………………………………………………………………8

3.4工作流程图………………………………………………………………………………8

3.5工作时序图………………………………………………………………………………9

3.6梯形图…………………………………………………………………………………9

3.7仿真过程…………………………………………………………………………………10

4.总结…………………………………………………………………………………………12

参考文献……………………………………………………………………………………13

致谢…………………………………………………………………………………………14

基于西门子S7-200PLC的交通灯控制设计

机械设计制造及其自动化李金辉

指导教师吕永田

摘要：

交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。

人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

虽然自交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统不断地被改进，设计方法也多种多样，但随着经济条件的升高，数字交通电路灯越来越不能满足日益增加的交通压力。

现今PLC技术飞速发展，可编程控制系统的功能日益完善，加上小型化，可靠性高，价格低等优点，在现代工业中的作用更加突出。

因此，本文的设计就是运用PLC技术实现对十字路口的交通灯控制，通过对交通灯控制系统进行实地考察，我选择了一种最优方案，运用西门子系列的S7-200PLC来控制交通灯的变化。

关键词：

交通灯控制系统PLC

Thedesignoftrafficlight’scontrolbasedonSiemens S7-200PLC 

StudentmajoringinMechanicaldesignandmanufacturingautomationLiJinhui

TutorLvYongtian

Abstract：

Thetrafficcontrolsystemisauniquepublicmanagementsystemnow,producingwithlogistics,travelandsoon.Thecoordinationoftherelationshipbetweenpeople,vehiclesandroadshasbecomeoneoftheimportantissueswhichneedtobeaddressedwithtrafficmanagement.Sincethetrafficlightsproduced,theinternalcircuitcontrolsystemhasbeenimprovedandthedesignmethodsvariedalso,butwiththeincreasingofeconomicconditions,digitaltrafficlightscannotmeettheincreasingtrafficpressure.Nowadays thePLC technologydevelopmentquickly,thefunctionofprogrammablecontrolsystembecomerefinementalsothecharactersofminiaturization,highreliability,andlowpricesmakeitmoreprominentinmodernindustry.

Thereforeused PLC technologytocontrolthetrafficlightsattheintersection,throughfieldingtripstotrafficlightcontrolsystem,selectedanoptimalprogrammer,thenusingSiemens S7-200PLC tocontrolthetrafficlights'change.

Keywords:

 trafficlights;controlsystem;PLC

1绪论

1.1课题的研究背景与意义

1.1.1研究背景

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，交通问题成为制约我国社会经济发展的一个大问题，我国人口众多，现在大多数城市都经常会出现交通拥堵现象，人、车、路三者关系的协调，已经成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

目前我国大中小城市都出现了交通拥堵的现象，特别是大城市，随着城市机动车量的不断增加，如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。

因此20多年来，这些大城市纷纷修建城市高速公路，在高速公路建设完成的初期，它们也曾有效的改善了交通状况。

但是，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用，而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速公路的交通状况必然受高速公路与普通公路耦合处交通状况的制约。

因此，如何采用合适的控制方法来缓解交通拥堵状况，也越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题，可见改善城市交通灯控制系统是多么的重要。

1.1.2研究意义

经改进交通灯的控制系统，在十字路口的交通灯可以对交通通行进行有效的疏通，缓解交通堵塞的压力，并为交通的参与者的安全提供强有力的保障。

1.2主要内容

在了解了PLC的各种功能的基础上，熟悉PLC的结构及工作原理，合理选择符合要求的硬件和软件，绘制出程序梯形图，编出能实现功能的指令，完成对基于西门子S7-200PLC的交通灯控制的设计。

2PLC的概述

2.１PLC的定义、分类及特点

1985年，国际电工委员会（IEC）确定了PLC的定义：

“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，并通过数字或模拟式输入/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，都按易于与控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”

分类：

（1）按结构形式分类：

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。

（2）按功能分类：

根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。

（3）按I/O点数分类：

 根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

特点：

（1） 可靠性高，抗干扰能力强。

（2）通用性强，控制程序可变，使用方便。

（3）功能强，适应面广。

（4）编程简单，容易掌握。

（5）减少了控制系统的设计及施工的工作量。

（6）体积小、重量轻、功耗低、维护方便。

组成：

（1）中央处理器

（2）存储器（3）输入输出接口（4）编程器（5）电源

2.2PLC的功能和应用

功能：

（1）逻辑控制

（2）定时控制（3）计数控制（4）步进（顺序）控制（5）PID控制（6）数据控制：

plc具有数据处理能力（7）通信和联网（8）其它：

plc还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：

定位控制模块，CRT模块。

应用：

最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。

随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。

具体有：

（1）用于开关量控制

（2）用于模拟量控制（3）用于数字量控制（4）用于数据采集（5）用于进行监控（6）用于联网、通讯。

2.3PLC的工作原理

采用循环扫描方式，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。

由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段时才能改变。

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同，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。

组合式（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，这些模块可按一定的规则组合配置。

2.4PLC的工作过程

为了满足工业逻辑控制的要求，同时结合计算机控制的特点，PLC的工作方式采用不断循环的顺序扫描工作方式。

每一次扫描所用时间称为扫描周期或工作周期。

CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮扫描。

PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

整个过程可分为以下几个部分：

第一部分是上电处理。

PLC上电后对系统进行一次

初始化，包括硬件初始化和软件初始化，停电保持范围设定及其他初始化处理等。

第二部分是自诊断处理。

PLC扫描一次，就执行—次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常。

第三部分是通讯服务。

PLC自诊断处理完成以后进入通讯服务过程。

首先检查有无通讯任务，要是有则调用相应进程，完成与其他设备的通讯处理，并对通讯数据作相应处理；然后进行时钟、特殊寄存器更新处理等工作。

第四部分是程序扫描过程。

PLC在上电处理、自诊断和通讯服务完成以后，如果工作选择开关在RUN的位置，则进人程序扫描工作阶段。

先完成输入处理，即把输入端子的状态读入输入映像寄存器中，然后再执行用户程序，最后把输出处理结果刷新到输出锁存器中。

2.5PLC的编程语言

（1）梯形图语言（LD） 

梯形图编程语言的特点是：

与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。

（2）指令表语言（IL）

指令表表编程语言的特点是：

采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；与梯形图有一一对应关系。

其特点与梯形图语言基本一致。

（3）功能模块图语言（FBD） 

功能模块图编程语言的特点：

以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员们是很容易掌握的编程；对于规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间也大大减少。

（4）顺序功能流程图语言（SFC） 

顺序功能流程图编程语言的特点：

以功能为主线，按照功能流程的顺序分配，条理清楚，便于对用户程序理解；避免了梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷，同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时，由于机械互锁造成的用户程序结构复杂、难以理解的缺陷；用户程序扫描时间也大大缩短。

（5）结构化文本语言（ST）

结构化文本编程语言的特点：

采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员要求较高。

直观性和操作性较差。

2.6定时器指令介绍

该指令为接通延时定时器指令，当定时器接通时开始计时，当前值大于或等于设定时间PT时，代表该定时器的触点接通，达到设定值后，定时器将继续定时，达到最大值32767时，停止计时。

该指令为断电延时定时器指令，常用于停机后的延时，当定时器接通时，定时器清零，当定时器断开接通时，开始计时，当前值等于设定时间PT时，代表该定时器的触点断开，达到设定值后，当前值仍然不变，

直到使能端再次接通时，定时器清零。

该指令为保持型接通延时定时器指令，当定时器接通时，开始定时，当定时器断开时，停止计时，当前值保持不变，当定时器再次接通时，将继续定时，当累积的当前值，大于或等于PT时，代表该指令的触点接通，达到预设值后仍继续计时，当达到最大值32767时，停止计时，该定时器只能通过复位指令来复位，定时器的状态为复位，当前值被清零。

下面是一个通电延时计时器的梯形图程序

当输入I0.0接通时，定时器T37开始定时，当前值大于或等于预设值10时，代表T37的触点接通，Q0.0输出。

3PLC控制系统的实现

3.1方案的比较与选择

方案一：

红灯变绿灯时：

红灯→绿灯

绿灯变红灯时：

绿灯→绿灯闪烁→黄灯→红灯

方案二：

红灯变绿灯时：

红灯→红灯黄灯一起亮→绿灯

绿灯变红灯时：

绿灯→绿灯闪烁→黄灯→红灯

经比较，在相同的时间限制下，方案二更适合，原因如下：

当红灯变绿灯时，如果红灯直接变为绿灯，驾驶者还没有反应过来，等驾驶者反应过来再启动车子，这样就浪费了时间，要是在绿灯亮之前黄灯也同时亮起，这样就可以提醒驾驶者们绿灯快亮了，要准备启动车子，这样就节省了时间，让更多的车子顺利通过绿灯，同时在某一程度上，缓解了交通压力。

当绿灯变红灯时，绿灯变黄灯时不明显且变为红灯过快，不易判断制动车辆所需时间，有一些机动车在通过路口时因为行驶速度快，很容易出现闯红灯交通违法，所以，在绿灯即将结束时闪烁几次后变黄灯提示再转为红灯运行模式，以减少驾驶人因辨识不清而闯红灯导致交通违法。

3.2I/O分配表

本文的设计只对东西绿灯，东西黄灯，东西红灯和南北绿灯，南北黄灯，南北红灯6个对象进行了控制，具体分配如表3-1所示：

表3-1PLC的I/O分配表

输入

输出

启动按钮I0.0

东西绿灯Q0.0

停止按钮I0.1

东西黄灯Q0.1

东西红灯Q0.2

南北红灯Q0.3

南北绿灯Q0.4

南北黄灯Q0.5

3.3接线图

接线图如图3-1所示：

图3-1接线图

3.4工作流程图

工作流程图如图3-2所示：

图3-2工作流程图

3.5工作时序图

工作时序图如图3-5所示：

图3-3工作时序图

3.6梯形图

程序如图3-4所示：

图3-4梯形图

3.7仿真图

下面是两张仿真过程中的截图

当接通启动按钮I0.0，定时器T37的值在0-27s时，输出为Q0.0（东西绿灯），Q0.3（南北红灯）。

此时，东西绿灯先亮23s，再闪亮4s，同时，南北红灯亮27s，其他灯不亮。

如图3-5：

图3-5仿真过程1

当定时器T37的值在27-30s时，输出为Q0.1（东西黄灯），Q0.3（南北红灯），Q0.4（南北黄灯）。

此时，东西黄灯，南北红灯，南北黄灯均亮3s，其他灯不亮。

如图3-6：

图3-6仿真过程2

4结论

经过两个月来的学习和努力，我对PLC有了一个新的更深入的认识，我学会了怎样用PLC指令来实现对交通灯控制系统的编程，学会了怎么把编程软件和仿真软件联合起来使用，也基本学会了一些常用指令的使用。

但也有些不足，在学习过程中，我着重对有关交通灯的指令和程序进行了学习，学会了比较指令和定时器指令的运用，还有很多其他的指令和复杂的程序没有真正学到，以后会对这方面再做努力，让毕业论文最有意义。

参考文献：

[1]李若谷,杨后川,孙剑.西门子S7-200系列PLC编程指令与梯形图快速入门[M].北京：

电子工业出版社，2011.1∽102.

[2]廖常初.PLC编程及应用（第三版）[M].北京：

机械工业出版社，2008.5∽24.

[3]田淑珍.S7-200PLC原理及应用[M].北京：

机械工业出版社，2009.45∽62.

[4]张运刚等.PLC技术与应用[M].北京：

人民邮电出版社，2007.2∽10.

[5]徐国林.PLC应用技术[M].北京：

机械工业出版社，2007.23∽34.

[6]廖常初.S7-200PLC基础教程（第二版）[M].北京：

机械工业出版社，2009.1∽50.

[7]廖常初.可编程序控制器应用技术（第四版）[M].重庆:

重庆大学出版社,2002.8∽20.

[8]廖常初.PLC顺序控制梯形图设计方法[J].中国电工网：

电工技术杂志，2001.12∽35.

[9]孙凌翔.顺序控制法在交通灯控制系统中的应用[J].中国工控网：

现代电子技术，2006.5∽16.

[10]张万忠.可编程控制器入门与应用实例[M].北京：

中国电力出版社，2004.20∽36.

致谢：

感谢吕永田导师的指导，使本文的撰写得以顺利，从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，费了老师很多的心，祝老师身体健康。

同时感谢各位老师多年以来的教导以及各位同学对我的帮助。