基于plcs7200交通信号灯的控制系统设计本科生毕业论文本科毕设论文.docx
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基于plcs7200交通信号灯的控制系统设计本科生毕业论文本科毕设论文
编号
2014180329
研究类型
应用研究
分类号
TP29
学士学位论文（设计）
Bachelor’sThesis
论文题目
基于PLCS7-200交通信号灯的控制系统设计
作者姓名
曾繁荣
学号
2010118020329
所在院系
机电与控制工程学院
学科专业名称
自动化
导师及职称
高红亮讲师
论文答辩时间
2014年5月11日
学士学位论文（设计）诚信承诺书
中文题目：
基于PLCS7-200交通信号灯的控制系统设计
外文题目：
DesignoftrafficlightscontrolsystembasedonPLCS7-200
学生姓名
曾繁荣
学生学号
2010118020329
院系专业
机电与控制工程学院
学生班级
1003班
学生承诺
我承诺在学士学位论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人学士学位论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。
如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。
学生（签名）：
年月日
指导教师承诺
我承诺在指导学生学士学位论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术道德规范，经过本人核查，该生学士学位论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。
指导教师（签名）：
年月日
基于PLCS7-200的交通信号灯的控制系统设计
曾繁荣（指导教师：
高红亮）
（湖北师范学院机电与控制工程学院，中国黄石435002）
摘要：
本文结合SIEMENS公司的S7-200系列的PLC的性能和顺序控制法的特点，在介绍PLC系统基本硬件组成的基础上，结合交通信号灯控制系统的发展，深入的分析交通信号灯控制系统的工作原理，同时着重分析了S7-200PLC硬件设计和软件设计。
研究并提出了基于PLCS7-200的交通信号灯的控制系统设计方案，通过合理的选择和设计，实现根据不同的道路实况选择不同的控制方法，解决不同的交通问题。
关键字：
PLC;顺序控制法;模式选择;控制
中图分类号：
TP29
DesignoftrafficlightscontrolsystembasedonPLCS7-200
ZengFanrong（tutor:
GaoHongliang）
（CollegeofMechatronicsandControlEngineering,HubeiNormalUniversity,Huangshi,China,435002）
Abstract:
ThisthesiscombinesthecharacteristicpropertiesandsequencecontrolmethodforSIEMENScompany'sS7-200seriesPLC,basedonintroducingthebasichardwareonthePLCsystem,combiningwiththedevelopmentofcontrolsystemoftrafficlights,analysisoftheworkingprincipleofthetrafficsignallampfurthercontrolsystem,andanalyzestheS7-200PLChardwaredesignandsoftwaredesign.StudyandproposethedesignschemeofthecontrolsystemoftrafficlightsbasedonPLCS7-200,throughtherationalselectionanddesign,accordingtodifferentroadsituationchoosedifferentcontrolmethods,tosolvethetrafficproblemsofdifferent.
Keywords:
PLC;sequencecontrol;modeselection;control
基于PLCS7-200的交通信号灯的控制系统设计
曾繁荣（指导教师：
高红亮）
（湖北师范学院机电与控制工程学院中国黄石435002）
1前言
1.1研究背景与现状
1.1.1问题的提出和研究背景
随着经济的发展，车辆急剧增多，城市道路交通堵车现象日益严重。
因此，许多城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速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，也决定了其交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道车流量繁忙的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门有待解决的主要问题。
鉴于当前实际中，一般在主干道是行车道而次道是人行横道和一些非机动车通行的十字马路处的交通灯仍然采用固定通行的一般的交通灯系统。
这样的系统，不利于提高道路的利用率，也利于主要车道的通行，在没有行人需要通过人行横道的时候，主要车道上的行人也必须在停止线以外停车侯车道绿灯亮。
本文提出了一种全新的思路来解决此类问题，来缓解日益严重的交通拥堵。
文中采用西门子S7-200PLC来实现带有人行横道请求的十字马路交通灯控制系统的设计。
1.1.2国内外研究现状及发展趋势
当前，国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯，它具有固定的“红灯—绿灯”转换间隔，并自动切换。
它们一般由“通行与禁止时间控制显示、红黄绿三色信号灯和方向指示灯”三部分组成。
在交通灯的通行与禁止时间控制显示中，通常要么东西、南北两方向各50秒；要么根据交通规律，东西方向60秒，南北方向40秒，时间控制都是固定的。
交通灯的时间控制显示，以固定时间值预先“固化”在单片机中，每次只是以一定周期交替变化。
但是，实际上不同时刻的车辆流通状况是十分复杂的，是高度非线性的、随机的，还经常受认为因素的影响。
采用定时控制经常造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压。
其最大的缺陷就在于当路况发生变化时，不能满足司机与路人的实际需要，轻者造成时间上的浪费，重者直接导致交通堵塞。
目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计;有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。
目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。
加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。
对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：
（1）两车道的车辆轮流放行时间相同，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。
（2）两条干道的红绿时间不能随时间的改变而修改。
目前较先进的交通信号灯控制系统的功能：
（1）收集交通情报。
设在道路上的车辆检测器随时把检测到的车辆数、车辆行驶速度、车辆阻塞度和空间占有率等情报，通过传输系统送到中心处理机处理。
（2）控制终端信号机和可变标志。
中心处理机根据交通流量的变化，实时地改变控制模型，随时发出控制指令，控制终端信号机和可变标志。
（3）诱导车辆。
中心处理机根据收集的交通情报，对于交通阻塞地点，一方面控制有关的终端信号机和可变标志以诱导车辆，另一方面通过通信系统，发布交通阻塞情报，诱导车辆避开阻塞地点。
（4）集中监视。
通过各种显示设备和电视监视系统，工作人员可了解控制区域内的交通状况，为迅速排除交通阻塞、处理异常情况、采取人工干预提供直观依据。
因有上述功能，所以对疏导交通流量，提高道路通行能力，减少交通事故和交通公害有明显的效果。
1.2本论文研究的内容
通过对西门子S7-200PLC的学习和应用，首先建立交通灯控制系统模型，力求用组态王的相关软件对其进行模拟和仿真，然后再在实验室设计并搭建硬件电路。
在电路搭建成功交通灯控制系统的I/O分配的基础上，编写程序，用顺序控制法实现对交通灯控制系统的控制。
顺序控制就是指系统或生产设备在各输入信号的作用下,内部元件状态按照生产工艺预先规定的时间顺序变化,使得各执行机构在生产过程中自动有序地进行操作。
将交通灯控制系统的各个环节转换成各个步骤，进行顺序精准的控制。
通过西门子S7-2OOPLC的编程方法、原理及编程环境的研究,实现对交通信号灯的控制，查阅交通灯控制系统的相关资料，以及了解国内外前沿技术，发展趋势,以达到设计方案更优化。
将用顺序控制方法,实现对交通信号灯控制系统顺序控制,并周期循环运作。
用梯形图将顺序控制法语句指令呈现出来，并能按照当时不同的道路情况选择较合适的交通信号灯的控制。
2交通信号灯控制系统的设计原理
2.1S7-200PLC的简介
2.1.1S7-200PLC的发展和应用
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。
西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高。
S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等[1]。
西门子SIMATIC系列PLC，诞生于1958年，经历了C3,S3,S5,S7系列，已成为应用非常广泛的可编程控制器。
西门子公司的产品最早是1975年投放市场的SIMATICS3，它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器。
1979年，S3系统被SIMATICS5所取代，该系统广泛地使用了微处理器。
20世纪80年代初，S5系统进一步升级——U系列PLC，较常用机型：
S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U。
1994年4月，S7系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的WINDOWS用户界面等优势，其机型为：
S7-200、300、400。
1996年，在过程控制领域，西门子公司又提出PCS7（过程控制系统7）的概念，将其优势的WINCC（与WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工业现场总线）、COROS（监控系统）、SINEC（西门子工业网络）及控调技术融为一体。
西门子公司提出TIA（TotallyIntegratedAutomation）概念，即全集成自动化系统，将PLC技术溶于全部自动化领域。
由最初发展至今，S3、S5系列PLC已逐步退出市场，停止生产，而S7系列PLC发展成为了西门子自动化系统的控制核心，而TDC系统沿用SIMADYND技术内核，是对S7系列产品的进一步升级，它是西门子自动化系统最尖端，功能最强的可编程控制器。
2.1.2S7-200PLC的系统组成
PLC主要由CPU模块、输入/输出模块、电源模块和编程器组成。
PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊任务[2]。
（1）CPU模块主要由微处理器和存储器组成。
在PLC控制系统中CPU模块相当于人的大脑和心脏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的输出，存储器用来存储程序和数据[5]。
（2）输入/输出I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。
PLC提供了各种操作电平和输出驱动能力的I/O模块供用户选用。
I/O模块要求具有抗干扰性能并与外界绝缘因此多数都采用光电隔离回路、消抖动回路、多级滤波等措施。
I/O模块可以制成各种标准模块根据输入、输出点数来增减和组合。
I/O模块还配有各种发光二极管来指示各种运行状态[8]。
（3）电源模块PLC配有开关式稳压电源的电源模块用来对PLC的内部电路供电[9]。
（4）编程器编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。
它经过接口与CPU联系以便完成人机对话互动。
编程器分简易型和智能型两种。
简易型编程器只能在线编程它通过一个专用接口与PLC连接。
智能型编程器即可在线编程又可离线编程还以远离PLC插到现场控制站的相应接口进行编程。
智能型编程器有许多不同的应用程序软件包功能齐全适应的编程语言和方法也较多。
2.2交通信号灯控制系统设计的控制方法
在交通信号灯控制系统中运用到了顺序控制设计法，顺序控制就是指系统或生产设备在各输入信号的作用下,内部元件状态按照生产工艺预先规定的时间顺序变化,使得各执行机构在生产过程中自动有序地进行操作[10]。
PLC顺序控制设计法最基本的思路是将控制系统的一个完整的工作周期划分为若干个顺序相连的阶段,这些阶段称为步,然后用转换条件控制代表各步的内部编程元件（例如辅助继电器M,状态继电器S等）,使其状态按照一定的时间顺序变化,最终输出控制相应执行机构的动作步是根据输入量状态的变化来划分的。
在任何一步之内各输出量的状态不变,但相邻两步输出量总的状态是不同的。
步的这种划分方法代表各步编程元件的状态与各输出量状态之间有着极为简单的逻辑关系。
顺序控制设计法中的转换条件可以是外部的输入信号,例如:
按钮、指令开关、行程开关（包括有触点或无触点行程开关、光电开关、干簧管开关、霍尔元件开关等位置检测开关）、压力继电器、时间继电器之类的信号转换元件等,也可以是PLC内部产生的信号,例如:
定时器、计数器的触点提供的信号,还可能是若干信号的“与”、“或”、“非”逻辑状态。
让他们的状态按一定的顺序变化,然后用代表各步的编程元件控制PLC的各输出位[10]。
3交通信号灯控制系统总体结构框架的设计
3.1方案的选择与论证
成本系统就现在掌握的技术而言有以下两种方案：
方案一：
使用51或者PIC单片机来设计一套十字路口交通灯的控制系统单片机虽说PIO端口比较多、单片价格较为便宜但是其编程相比较PLC而言较为复杂且不容易维护，要求较高的单片机专业知识故而不选择本方案。
方案二：
使用西门子S7-200PLC可编程控制器，其编程方法简单易学且功能强大工业控制能力较为强大一台小型的PLC内有成百上千个可以为用户提供使用的变成元件可以实现非常复杂的控制能力就控制能力而言较普通的单片机要强一些具有很高的性能价格比故而本系统选择西门子S7-200PLC作为本设计的主控制器。
3.2总体方案的确定
PLC的最小控制系统是由CPU模块、I/O模块、以及编程装置模块组成的，一般经由相应的模拟信号送入输入模块中处理再送达CPU模块中在CPU模块中根据客户提前用编程装置中所设定的相应程序处理输入的信号最后经由输出模块将相应的数字信号转化为相应的模拟信号输出到指定的外设中以此达到控制的效果。
这仅仅是一个PLC的最小控制系统此方法可利用相应的通信设备和技术达到控制若干PLC系统的运行从而达到中小型工业系统的生产和运营。
CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置组成可编程序控制器PLC最小控制系统[12]。
采用S7-200PLC设计交通灯控制系统，要求能实现交通灯的各种控制功能，在常规交通灯控制功能及基础上要求能显示时间以适应道路的不同繁忙程度的情况下的交通控制要求。
在控制方法上，将改变定周期的系统控制,使系统内的周期可随时改变,增加系统的灵活性，以适应瞬时变化的交通流量。
该系统属于连续循环工作的控制系统要求系统启动后能够周期性地连续循环工作故系统中设置一个输入信号控制系统的启动。
PLC选用西门子S7-200基本单元。
图3.1PLC控制器系统结构图
4交通灯控制系统硬件电路的设计
4.1控制要求分析
4.1.1控制要求分析
对于单交叉路口的信号灯控制主要在于求取最佳信号周期和两交叉方向的绿信比。
当交通车流稀少时，信号周期尽量短些，但一般不能少于30秒，以免某一方向的绿灯时间小于15秒使车辆来不及通过路口而影响交通安全。
当交通车流需求量较大时，信号周期应该长些，但一般也不能超过120秒，否则某一相位的红灯时间超过60秒，司机和行人的心理上不能忍受。
系统开始工作时，首先给南北方向固定的15秒的绿灯时间，利用PLC，可使上述描叙的各传感器以及各道口的信号灯与之直接相连，非常方便可靠。
4.1.2控制要求
本设计实现三种交通信号灯系统状态。
以I0.0为一个启动并带有选择功能的输入信号：
（1）当I0.0按一下，此时交通信号灯应适应的道路状况为南北方向交通流量多，南北方向道路繁忙，南北路绿灯亮的时间为30S，此后闪烁3S，进入南北路黄灯亮减速的状态，南北路黄灯亮2S，在南北路黄灯亮完后南北路红灯亮25S，与此同时东西路绿灯亮起，亮的时间为20S，此后闪烁3S，进入东西路黄灯亮减速状态，东西路黄灯亮2S，在东西路黄灯亮完后，东西路红灯亮35，与此同时南北路绿灯亮起，实现一个控制周期。
（2）当I0.0按两下，此时交通信号灯应适应的道路状况为东西路方向交通流量多，东西方向道路繁忙，东西路绿灯亮的时间为30S，此后闪烁3S，进入东西路黄灯亮减速的状态，东西路黄灯亮2S，在东西路黄灯亮完后，东西路红灯亮25S，与此同时南北路绿灯亮起，亮的时间为20S，此后闪烁3S，进入南北路黄灯亮减速状态，南北路黄灯亮2S，在南北路黄灯亮完后南北路红灯亮35，与此同时东西路绿灯亮起，实现一个控制周期。
（3）当I0.0按三下，交通信号灯停止工作。
图4.1模式1的时序图
图4.2模式2的时序图
4.2交通信号灯控制系统模型图
建立交通信号灯控制系统的十字路口应用的模型，这个十字路路口分别是南北主干道和东西主干道的交汇处，分别在南北方向和东西方向设有红黄绿三种颜色的交通信号灯，在东西方向和南北方向分别设有甲和乙两辆汽车灯分别代表东西方向和南北方向的通行情况[15]。
图4.3交通信号灯系统模型图
4.3交通信号灯控制系统电气控制线路
在本设计中南北方向两个路口上的红绿黄共有六盏灯，但是在实际操作中只需控制三个支路，每个支路应该有两盏任何时候都是相同状态的灯即可。
通过一个启动按钮I0.0来操作整个系统的启动和模式选择。
由PLC的8个输出端口来控制六个交通信号灯和两个表示路段流通两个汽车灯。
电气控制线路图如下：
图4.4电气控制线路图
4.4I/O分配
在本系统的I/O端口分配中，有一个输入继电器对应的输入端口I0.0，有八个输出继电器对应的八个输出端口分别对应的南北红灯Q0.0，南北绿灯Q0.1，南北黄灯Q0.2，东西红灯Q0.3，东西绿灯Q0.4，东西黄灯Q0.5，南北方向的车灯Q0.6，东西方向的车灯Q0.7，进行控制。
表4.1I/O分配表
I/O口分配
类型
地址
功能
输入
I0.0
启动、选择
输出
Q0.0
南北红灯
Q0.1
南北绿灯
Q0.2
南北黄灯
Q0.3
东西红灯
Q0.4
东西绿灯
Q0.5
东西黄灯
Q0.6
南北车灯
Q0.7
东西车灯
5交通灯控制系统软件的设计
5.1程序流程图
图5.1程序流程图
5.2主要梯形图解析
（1）系统初始化
网络1用于系统初始化，SM0.1为常用特殊继电器，在首次扫描时为ON，常用做初始化脉冲，M0.0作为辅助继电器，在PLC中没有外部的输入端子和输出端子与之对应，因此它不受外部信号的直接控制，其触电也不能直接驱动外部负载，用于在程序设计中处理逻辑控制任务，下文出现的M也是作为辅助继电器。
图5.2网络1梯形图
（2）上升沿脉冲触发的状态
网络2是在按动I0.0瞬间，常开触电I0.0通电，表现为高电平，此时通过上升沿脉冲使得寄存器加法指令执行一次相加的操作，在LAD中，IN1+IN2=OUT，数据类型为整数，所以在双整数相加时输出也为整数，传递给VW1，在第二次上升沿脉冲触发时继续在VW1上累加。
在对VW1赋值的同时，在每一次上升沿脉冲产生时，辅助继电器需要进行处理，将M10.0和M0.0置位，其他辅助触点均复位，M10.0在整个梯形图中只是起个排除干扰的作用。
图5.3网络2梯形图
在网络4中按动I0.0瞬间，常开触电I0.0通电，表现为高电平，此时通过上升沿脉冲使得移位寄存器加法指令执行一次移位的操作将IN的数值赋予OUT，而在此处移位寄存器的作用是当第三次上升沿脉冲到来时将0值赋予VW1，使得VW1中的数值一直在0、1、2这三个数中循环变换。
图5.4网络4梯形图
（3）比较指令实现模式选择
在网络5和网络6中，当M0.0为置位高电平，I0.0按下，常开触电I0.0闭合时，通过VW1中的数值与“1”和“2”相比，如果当VW1等于1，此时辅助继电器M0.1置位高电平，其他辅助继电器复位，定义为模式一；如果当VW1等于2，此时辅助继电器M2.1置位高电平，其他辅助继电器复位，定义为模式二；这两个网络运用比较指令实现了模式的选择。
图5.5网络5梯形图（模式1的选择）
图5.6网络6梯形图（模式2的选择）
（4）置位复位指令控制辅助继电器的状态
在网络2、网络3、网络5到网络22这十五个网络中均出现置位和复位指令。
在网络2、网络3、网络5和网络6中，置位复位指令是初始化辅助继电器的状态，而在网络7到网络22中，通过与定时器的串联，使得各个辅助继电器在以时间轴为顺序下，先后置位复位交替进行。
以网络7为例，当定时器T44计时结束，M1.0为高电平时，又将M0.1置位高电平，同时M1.0复位低电平，在某个时间段时只允许有一个辅助继电器为高电平，其余为低电平。
这种辅助继电器的置位和复位使得顺序控制按照时间轴的指向各个环节一次进行。
图5.7网络7梯形图
（5）特殊继电器在闪烁电路中的应用
在网络24和网络27中，为实现南北绿灯和东西绿灯闪烁3S时间的控制，用到了特殊继电器SM0.5.SM0.5的作用是在1S的时钟脉冲里，0.5S闭合，0.5S断开，再串联一个T43或T39（定时时间为3S）的常闭触点，在3S之中闪烁电路作用，3S之后闪烁电路断开不再工作。
图5.8网络24梯形图
（6）辅助继电器和定时器的结合，循环控制的实现
在梯形图的网络中辅助继电器触点与定时器的常闭触点的串联，实现辅助继电器状态的控制，同时辅助继电器的状态为高电平是触发定时器开始工作。
以网络9、网络18和网络31为例当M0.1或M2.5置位高电平触发T37计时，T37计时结束时常开触点T37闭合，此时网络9中M0.2置位，M0.1复位，通过这网络9和网络31这两个网络，辅助继电器M0.1置位高电公平的时间就是T37计时的时间1S。
通过这网络18和网络31这两个网络，辅助继电器M2.5置位高电公平的时间就是T37计时的时间1S。
图5.9网络31梯形图
图5.10网络9梯形图
图5.11网络18梯形图
以网络11、网络20和网络32为例当M0.2或M2.6置位高电平触发T8计时，T38计时结束时常开触点T38闭合，此时网络11中M
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