PLC在十字路口交通燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計.doc

畢業(yè)設(shè)計題目(中 文):(英 文):姓 名學(xué) 號院 （系）專 業(yè)指導(dǎo)教師2010年 03月 15日II20 目 錄緒論11 PLC的基礎(chǔ)21.1 PLC的特點21.2 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理31.2.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)31.2.2 PLC的工作原理42 西門子S7-200系列PLC的硬件單元62.1 主機62.1.1 CPU的主要特點72.1.2 存儲系統(tǒng)72.2 擴展單元72.3 特殊功能模塊82.4 內(nèi)部軟元件92.5 基本指令103 系統(tǒng)的設(shè)計與仿真123.1 控制要求123.2 硬件設(shè)計133.2.1 交通信號燈PLC的輸入/輸出點的分配表133.2.2 交通信號燈PLC控制硬件接線圖133.3 軟件設(shè)計143.3.1 交通信號燈PLC控制梯形圖143.3.2 交通信號燈PLC控制的指令表153.3.3 程序說明163.3.4 交通信號燈的狀態(tài)波形圖17結(jié)論18參考文獻19致 謝20插圖索引圖1 交通燈的放置12圖2 交通信號燈PLC控制硬件接線圖13圖3 交通信號燈的狀態(tài)波形圖17附表索引表1 S7-200 I/O編址8表2 交通燈亮閃表12表3 交通信號燈PLC的輸入/輸出點的分配表13PLC在十字路口交通燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用摘 要PLC可編程序控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動控制中。據(jù)統(tǒng)計，可編程控制器是工業(yè)自動化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認(rèn)為，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，PLC、機器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。由于PLC具有對使用環(huán)境適應(yīng)性強的特性，同時其內(nèi)部定時器資源十分豐富，可對目前普遍使用的“漸進式”信號燈進行精確控制，特別對多岔路口的控制可方便地實現(xiàn)。因此現(xiàn)在越來越多地將PLC應(yīng)用于交通燈系統(tǒng)中?？煽s短車輛通行等候時間，實現(xiàn)科學(xué)化管理。在該設(shè)計中，還引入EDA模擬十字路口紅綠燈閃亮及車輛通行，十分形象地顯示出了PLC在交通燈系統(tǒng)中的實際應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】：十字路口 交通燈 PLCThe application of PLC in intersection traffic light control systemAbstractThe PLC programmable logic controller is a new industrial control devices, which is based on microprocessor, synthesizes computer technology, automatic control technology and communication technologies. It has the simple structure, the convenient programming, the reliable higher merit, and has widely used in the commercial run and position automatic control. Statistics have indicated, the programmable controller is most one kind of equipment in the industrial automation installment applies. The expert believed that the programmable controller will become the main method and one of important foundation equipment in further, PLC, the robot, CAD/CAM will become the industrial production three big props. Because PLC adapts to environment strong, simultaneously its internal timer resources are extremely rich, which carry on the accuracy control to the present universal use many “the evolution type” the signal light, special to the multi-road fork control. Therefore the present PLC is used in the traffic light system, which may reduce the vehicles general waiting time and realize scientific style management. In this design, also introduces the EDA simulation intersection traffic light to glisten and the vehicles to passes through, which visual demonstrates PLC in the traffic light system practical application.【Key words】 crossroads traffic light PLC緒論隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運行的情況，因此，自80年代后期，些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。隨著交通越來越發(fā)達所出現(xiàn)的問題也越來越多,路面狹窄,車輛擁擠。尤其是到了上下班的時候,許多車輛在路口浪費了很多的時間,不僅給車主帶了很多的麻煩也給交通部門帶了不少麻煩。為了解決這些問題,國家政府也花了不少的心思和精力去研究,探討。為了能有效地解決交通問題,政府對城市進行了有規(guī)模的城市規(guī)劃和道路擴建與維修。還有就是對交通燈進行了研究和改善,調(diào)整交通燈的時間控制和變換頻率以及工作時間的控制,從而使交通更為暢通和安全,提高了交通燈的自身作用和價值。本論文通過對交通燈的現(xiàn)狀和發(fā)展，利用PLC技術(shù)對交通燈進行邏輯控制。本文第一章主要介紹交通的一些基本情況和PLC的一些基礎(chǔ)知識；第二章是對所選芯片西門子S7-200系列的PLC做簡單的介紹，主要是從硬件上了解該產(chǎn)品。第三章主要是PLC的控制系統(tǒng)，對硬件和軟件的要求。了解PLC的控制系統(tǒng)。1 PLC的基礎(chǔ)PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義： 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 ?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?？傊?，可編程控制器是一臺專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的計算機，它是將傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)，計算機技術(shù)和通信技術(shù)相融合而發(fā)展起來的一種新型的控制裝置 。在具體的國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用中，由于它不是針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，因此它的硬件應(yīng)根據(jù)實際需要來進行配置，其軟件則根據(jù)控制要求進行編寫。 隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模、集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的不斷進步，PLC也迅速發(fā)展其發(fā)展過程大致可以分為三個階段1。 1. 早期的PLC早期的PLC稱為可編程邏輯控制器。這時，PLC主要功能只是執(zhí)行原先由繼器完成的順序控制、定時等。早期的PLC的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂、便于安裝、體積小、能耗低、有故障指示及能重復(fù)使用等。其中PLC特有的編程語言梯形圖，一直沿用到現(xiàn)在。2. 中期的PLC這時PLC產(chǎn)品已使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理，通信技術(shù)是PLC的應(yīng)用得到了進一步的發(fā)展。在硬件方面，除了保留原有的開發(fā)模塊外，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器，使PLC的范圍更大。在軟件方面，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送通信、直診斷等功能。3. 近期的PLC由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器價格的大幅度下降，使的各種類型的PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。為了提高PLC的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。 世界上生產(chǎn)PLC產(chǎn)品的廠家多達200多個，其中比較著名的有美國的AB、通用(GE)，日本的三菱(MITSBISHI)、 歐姆龍(OMRON)、松下，德國的西門子(SIEMENS)，韓國的三星(SUMSUNG)、 LG等。1.1 PLC的特點PLC具有以下主要特點： 1. 可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。由于PLC模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，所以的I/O接口電路均采用光電隔離;在結(jié)構(gòu)上對、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮;在硬件上采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施;在軟件上采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施。以上這些使PLC具有較高的抗干擾能力。2. 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強在PLC控制系統(tǒng)中，只需要在PLC輸入/輸出端子上接入相應(yīng)的信號線即可，不需要連接如繼電器之類的低壓電器和大量而又復(fù)雜的硬件接線線路 ，大大簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。，PLC的輸入/輸出可直接與交流220V、直流24V等強電相連，并且具有較強的帶負(fù)載能力。3. 編程方便，易于使用PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4. 功能完善PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。在PLC內(nèi)部具備許多控制功能，如：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步進控制、PID控制、數(shù)據(jù)控制、通信和聯(lián)網(wǎng)，還有其他特殊功能模塊。5. 設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。6. 體積小，維護操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝，不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。1.2 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理1.2.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)在種類繁多的PLC中，其組成結(jié)構(gòu)和工作原理都基本相同。用PLC實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進行輸入/輸出轉(zhuǎn)換，并將這個轉(zhuǎn)換給予物理實現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。PLC專為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計，采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，它主要由CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入/輸出接口電路等組成2。 1. 中央處理器(CPU) 中央處理器(CPU)一般由控制器運算器和寄存器組成。它們都集成在一個芯片內(nèi)，CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元輸入/輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC有條不序地進行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，當(dāng)PLC處于運行方式時，CPU按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。 CPU的主要任務(wù)如下： (1) 按PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器輸入用戶程序和數(shù)據(jù)。 (2) 用掃描方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)與數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。 (3) 診斷電源或PLC內(nèi)部電路工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤。 (4) 在PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器中逐條讀取用戶，程序經(jīng)過命令解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去啟、閉有關(guān)控制電路，分時地去執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較、變換等動作。完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運算或算術(shù)運算等任務(wù)。根據(jù)運算結(jié)果更換有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸入映像寄存器的內(nèi)容，實現(xiàn)輸出、制表、打印或數(shù)據(jù)通信等控制。 2. 存儲器 PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩個部分。 (1)系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器是指用來存放PLC的系統(tǒng)程序的存儲器。它由PLC生產(chǎn)廠家編寫并固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計者規(guī)定的各項工作。其主要內(nèi)容包括3個部分：系統(tǒng)管理程序、 用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系統(tǒng)調(diào)試。 (2)用戶存儲器用戶存儲器由用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分組成，其主要任務(wù)作用是用來存放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。PLC使用的存儲器有3種類型：隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和可擦除可編程只讀存儲器(EEPRO)。3. 輸入/輸出接口單元PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出接口單元從廣義上可分為2個部分：一部分是與被控制設(shè)備相連的接口電路，另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 4. 擴展接口和通信接口PLC具有擴展接口和通信接口的能力，其作用如下：(1)擴展接口的作用是將擴展單元和功能模塊與基本單元相連，是PLC的配置更加靈活以滿足不同控制的系統(tǒng)需求。(2)通信接口的作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器打印機和其他的，PLC或計算機相連從而實現(xiàn)”人-機”或”機-機”之間的對話。5. 電源部分PLC一般使用220交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源位PLC的中央處理器、存儲器等。電路提供5V、+-12V、24V等直流電源使PLC能正常工作。6. 編程設(shè)備編程設(shè)備的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。7. 其他部件有些PLC還可以有ERROM寫入器、存儲器卡等其他外部設(shè)備，用于增強PLC的存儲容量和擴展功能。1.2.2 PLC的工作原理PLC在程序運行方式、輸入輸出操作、特殊功能模塊等方面做了特別的考慮2。1. PLC的3個工作階段當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段三個階段完成。上述3個階段即為一個周期。在整個運行期間PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個階段。(1)輸入采樣階段PLC。在輸入采樣階段，先掃描所以輸入端子并將各輸入端子狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入元件映像寄存器。此時，輸入元件映像寄存器被刷新，接著進入用戶程序執(zhí)行階段。在用戶程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入元件映像寄存器與外界隔離，無論輸入端子信號如何變化，輸入元件映像積存器始終保持不變，直到下個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端子的新內(nèi)容重新寫入。(2)用戶程序執(zhí)行階段。根據(jù)PLC梯形圖程序掃描規(guī)則，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句掃描。當(dāng)指令中涉及輸入/輸出時，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進行相應(yīng)的運算，運算結(jié)果在存入元件映像寄存器中。對元件映像來說，每一個元件的狀態(tài)會隨程序的執(zhí)行過程而變化。(3)輸出刷新階段。在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有繼電器的狀態(tài)在（通/斷）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出驅(qū)動外部負(fù)載。對于小型PLC，I/O點數(shù)較少，用戶程序較短，用集中采樣集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。2. PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則PLC對輸入/輸出的處理規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點在上有個刷新期間的通/斷狀。2 西門子S7-200系列PLC的硬件單元西門子公司的PLC產(chǎn)品包括S7-200、S7-300、S7-400、LOGO、HMI人機界面、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)軟件等。S7系列PLC具有體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強，可靠性更高的優(yōu)點。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（S7-200）、小規(guī)模性能要求的PLC（S7-300）和中高規(guī)模性能要求的PLC（S7-400）等。其中S7-200系列的PLC的出色主要表現(xiàn)在以下幾個方面3：1. 極高的可靠性2. 極豐富的指令集3. 易于掌握4. 便捷的操作5. 豐富的內(nèi)置集成功能6. 實時特性7. 強勁的通信能力8. 豐富的擴展模塊S7-200系列PLC主要由下面幾個部分組成。1. 基本單元基本單元又稱為CPU模塊，有的也稱為主機或本機。它包括CPU、存儲器、基本輸入/輸出點和電源等，是PLC的主要部分。實際上它就是個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨完成一定的任務(wù)。2. 擴展單元S7-200 CPU22*系列PLC具有2到7個擴展模塊，用戶可以根據(jù)需要擴展各種I/O模塊。 3. 特殊功能模塊當(dāng)需要完成某些特殊功能的控任務(wù)時，需要擴展模塊和功能模塊。它是完成某種特殊控制任務(wù)的一些裝置。4. 相關(guān)設(shè)備為了充分利用系統(tǒng)硬件和軟件資源而開發(fā)的相關(guān)設(shè)備，主要包括編輯設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和人機操作界面等。5. 為了能夠更好地使用以上設(shè)備開發(fā)的配套程序。它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運行軟件和人機接口軟件等幾大類構(gòu)成。2.1 主機S7-200 CPU22*系列的CPU模塊主要包括一個中央處理器、電源、通信口及I/O接口。它的主要作用有：執(zhí)行程序；從現(xiàn)場設(shè)備中采集信號；輸出控制信號；驅(qū)動外部負(fù)載。S7-200 CPU22*系列的PLC具有以下5種不同的結(jié)構(gòu)配置：(1)CPU221具有6個輸入點和4個輸出點，共計10個I/O點。無擴展能力。有4路高速計數(shù)器（30KHZ），2路高速脈沖輸出，1個RS485通信/編程口，2個獨立的輸入端，可同時作加、減計數(shù)，可連接2個相位差為90度的A/B相增量編碼器。程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小，適用于少點的控制系統(tǒng)。(2)CPU222具有8個輸入點和6個輸出點，共計14個I/O點。1個模擬量電位器，最多可擴展10AI/AO點。4KB用戶程序區(qū)和2KB數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有4路高速計數(shù)器（30KHZ），2路高速脈沖輸出，1個RS485通信/編程口，2個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接2個相位差為90度的A/B相增量編碼器?？梢赃M行一定模擬量的控制和2個模塊的擴展，因此是應(yīng)用更廣泛全功能控制器。(3)CPU224具有14個輸入點和10個輸出點，共計24個I/O點。2個模擬量電位器，最多可擴展35AI/AO點。8KB用戶程序區(qū)和5KB數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有6路高速計數(shù)器（30KHZ），2路高速脈沖輸出，1個RS485通信/編程口，有7個擴展模塊。它具有更強的模擬量處理能力，是S7-200系列產(chǎn)品中使用最多的。(4)CPU226。具有24個輸入點和16個輸出點，共計40個I/O點。2個模擬量電位器，最多可擴展35AI/AO點。8KB用戶程序區(qū)和5KB數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有6路高速計數(shù)器（30KHZ），2路高速脈沖輸出，2個RS485通信/編程口。它主要用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。(5)CPU226XM。這是西門子公司推出的一種增強型主機。它在用戶程序存儲容量和數(shù)據(jù)存儲容量上進行了擴展，其他指標(biāo)和CPU226相同。2.1.1 CPU的主要特點1. 內(nèi)部集成的具有強勁的通信能力的PPI接口是S7-200的用戶口，CPU接口物理特性為RS485，可在三種方式下工作。(1)PPI方式：通過PPI方式，S7-200系列PLC與計算機之間或者是PLC相互之間可通過普通的兩芯屏蔽雙絞電纜進行聯(lián)網(wǎng)。(2)MPI方式：通過MPI方式，S7-200可以通過內(nèi)置接口連接到MPI網(wǎng)絡(luò)上，它可以與S7-300/S7-400CPU進行通信。(3)自由口通信方式；通過自由口通信方式，S7-200系列PLC可以與任何通信協(xié)議公開的其他設(shè)備、控制器進行通信。2. 豐富的內(nèi)置集成功能(1)集成的24V負(fù)載電源，可直接連接到傳感器和變送器(2)對于不同的設(shè)備類型，其CPU各有2個類型，具有不同的電源電壓和控制電壓。(3)中斷輸入，允許以極高的速度對過程信號的上升沿作出響應(yīng)。(4)具有4到6個高數(shù)計數(shù)器（30KHZ）。(5)2路脈沖輸出由于控制步進電機，或伺服電機的運動，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的定位任務(wù)。3. 豐富的擴展模塊對數(shù)字量和模擬量擴展模塊可方便選用。4. 具有易于掌握，便捷的操作以及豐富的指令集。2.1.2 存儲系統(tǒng)S7-200系列PLC的存儲系統(tǒng)由RAM和EEPROM兩種類型的存儲器構(gòu)成，CPU模塊內(nèi)部配備了一定容量的RAM和EEPROM。同時，S7-200系列PLC的CPU模塊支持可選的EEPROM存儲器卡。在CPU模塊內(nèi)部的超級電容和電池模塊用于長時間的保存數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)可通過主機的超級電容存儲若干天。2.2 擴展單元當(dāng)CPU需要進行某種特殊的功能控制或其I/O的擴展，通常I/O擴展包括I/O的點數(shù)擴展和功能模塊的擴展兩類。 1. I/O擴展模塊 S7-200系列PLC提供了五大類擴展模塊：(1)數(shù)字量輸入擴展模板EM221（8路擴展輸入）。(2)數(shù)字量輸出擴展模板EM222（8路擴展輸出）。(3)數(shù)字量輸入和輸出混合擴展模板EM223（8I/O，16I/O，24I/O）。(4)模擬量輸入擴展模塊EM231，每個EM231可擴展3路模擬量輸入通道，A/D轉(zhuǎn)換時間25uS，分辨率為12位。(5)模擬量輸入擴展模塊EM235，每個EM235可同時擴展3路模擬輸入和1路模擬量輸出通道，其中A/D轉(zhuǎn)換時間25uS，D/A轉(zhuǎn)換時間100uS，分辨率均為12位。 2. 熱電偶/熱電阻擴展模塊 3. 通信擴展模塊表1 S7-200 I/O編址信息類型CPU221CPU222CPU224CPU226I_數(shù)字量輸入0.015.70.015.70.015.70.015.7Q_數(shù)字量輸出0.015.70.015.70.015.70.015.7M_中間標(biāo)志位0.015.70.015.70.015.70.015.7C_計數(shù)器0255025502550255T_計時器0255025502550255AIW_模擬輸入字030030030AQW_模擬輸出字030030030 2.3 特殊功能模塊S7-200系列PLC的特殊功能模塊有數(shù)字量擴展模板、模擬量擴展模塊、熱電偶/熱電阻擴展模塊、通信擴展模塊和現(xiàn)場設(shè)備接口模塊。 1. 數(shù)字量擴展模板(1)EM221 數(shù)字量輸入模板，24V，8輸入。(2)EM222 數(shù)字量輸出模板，24V，8輸出。(3)EM223 數(shù)字量混合模板，24V。2. 模擬量擴展模塊(1)EM231 4模擬輸入點，2W，12位。(2)EM232 2模擬輸入點，2W，12位。(3)EM235 4模擬輸入點，1模擬輸出點， 2W，12位。3. 熱電偶/熱電阻擴展模塊EM231為常用的熱電偶/熱電阻擴展模塊。其功率損失為1.8W，15位加符號位，WM231 AI4熱電偶有4模擬量輸入點，EM231 AI2 熱電阻有2模擬量輸入點。4. 通信擴展模塊EM277 JPROFIBU-DP模塊是常用的通信擴展模塊，它用于PLC現(xiàn)場總線通信連接。其波特變化范圍為960011500波特。5. 現(xiàn)場設(shè)備接口模塊CPU243-2通信處理器是AS-I主站連接部分，專用于S7-200 CPU22*，連接的同時顯著增加了S7-200可利用的I/O點數(shù)。2.4 內(nèi)部軟元件用戶使用的PLC中的每一個I/O、內(nèi)部存儲單元、定時器和計數(shù)器都稱為軟元件。各個軟元件的功能不同，都有其固定的地址。軟元件是PLC內(nèi)部具有一定功能的器件，這些器件實際上都是由電子電路、寄存器及存儲單元等組成的。它的特點是；它具有繼電器的特性，但它沒有機械性的特點，它的最大的優(yōu)點是其觸點可以無限次使用，并且它們的壽命長。編程時，用戶只要記住軟元件的地址就可以了。下面對軟元件介紹一下。1. 輸入繼電器（I） 它是PLC用來接收用戶設(shè)備輸入信號的接口。當(dāng)外部開關(guān)信號閉合，則輸入繼電器的線圈得電，在程序中的常開觸點閉合，常觸點斷開，這些觸點可以在編程時任意使用，不受次數(shù)限制。輸入繼電器位存取的地址編號范圍為I0.0I15.7，輸入繼電器的數(shù)據(jù)存取可采用位、字節(jié)、字或雙字來存取。2. 輸出繼電器（Q）它是用來將輸出信號傳送到負(fù)載的接口，每一個輸出繼電器線圈都與相應(yīng)的PLC輸出端相連，并有無數(shù)對常開和常閉觸點供編程時使用。輸出繼電器位存取的地址編號范圍為Q0.0Q15.7，輸出繼電器可采用位、字節(jié)、字或雙字來存取。3. 通用輔助繼電器（M）通用輔助繼電器又稱為內(nèi)部標(biāo)志位存儲器，它的作用和繼電接觸器控制系統(tǒng)的中間繼電器相同，它是用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)。內(nèi)部標(biāo)志位存儲器可采用位、字節(jié)、字或雙字來存取。內(nèi)部標(biāo)志位存儲器位存取的地址編號為M0.0M31.7，共32個字節(jié)。4. 特殊繼電器（SM） 特殊繼電器是指用來存儲系統(tǒng)的狀態(tài)變量有關(guān)的控制參數(shù)和信息的具有特殊功能的輔助繼電器。特殊標(biāo)志位存儲器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。CPU224的SM的位地址編號范圍為SM0.0SM179.7，共180個字節(jié)。常用的特殊存儲器的用途如下：(1) SM0.0 運行監(jiān)視。SM0.0始終為1狀態(tài)。當(dāng)PLC運行時可以利用其觸點驅(qū)動輸出繼電器，在外部顯示程序是否處于運行狀態(tài)。(2) SM0.1 初始化脈沖。(3) SM0.3 開機進入RUN時，接通一個掃描周期，可在啟動操作之前，給設(shè)備提前預(yù)熱。(4) SM0.4、0.5 占空比為50%的時鐘脈沖。當(dāng)PLC處于運行狀態(tài)時，SM0.4產(chǎn)生周期為1min的時鐘脈沖，SM0.5產(chǎn)生周期為1S的時鐘脈沖。(5) SM0.6 掃描時鐘，一個掃描周期ON，另一個為OFF，循環(huán)交替。(6) SM0.7 改造方式開關(guān)位置指示，開關(guān)放置在RUN位置時為1。(7) SM1.0 零標(biāo)志位，運算結(jié)果=0，該位置1。(8) SM1.1 溢出標(biāo)志位，結(jié)果溢出或為非法值時，該位置1。(9) SM1.2 負(fù)數(shù)標(biāo)志位，運算結(jié)果為負(fù)數(shù)時，該位置1。(10) SM1.3 被0除標(biāo)志位。5. 變量存儲器（V）變量存儲器主要用于存儲變量。它可以存放程序執(zhí)行過程中控制邏輯操作的中間結(jié)果，也可以使用變量存儲器來保存與工序或任務(wù)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)。變量存儲器可以是位尋址，也可以是按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號范圍根據(jù)CPU的型號不同，CPU221/222為V0.0V2047.7，共2KB存儲容量，CPU224/226為V0.0V5119.7，共5KB存儲容量。6. 局部變量存儲器（L） 局部變量存儲器和變量存儲器十分相似，都是用來存儲變量的存儲器。區(qū)別在于局部變量存儲器用來存放局部變量，而不存儲全局變量。局部變量存儲器位存取的地址編號范圍為L0.0L63.7，它可以按位、字節(jié)、字、雙字直接尋址。7. 順序控制繼電器（S）通常用在順序控制或步進控制中，并與其指令一起使用以實現(xiàn)順序或步進控制功能流程圖的編程。順序控制繼電器的地址編號范圍為S0.0S31.7。8. 定時器（T）它是累計時間增量的內(nèi)部器件，作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時間繼電器。其設(shè)定時間由程序設(shè)置。并且每個定時器可提供無數(shù)對常開觸點和常閉觸點供編程使用。定時器的定時精度分別為1ms、10ms和100ms三種，CPU222、CPU224及CPU226的定時器地址編號范圍為T0T255，它們的分辨率、定時范圍并不相同，用戶根據(jù)所用CPU型號及時基，正確選用定時器的編號。9. 計數(shù)器（C）計數(shù)器用于累計計數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個數(shù)，主要用于對產(chǎn)品進行計數(shù)或進行特定功能的編程。計數(shù)器可提供無數(shù)對常開和常閉觸點供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。計數(shù)器的地址編號范圍為C0C255。10. 模擬量輸入映像寄存器（AI）和模擬量輸出映像寄存器（AQ）11. 高速計數(shù)器（HC）12. 累加器（AC）2.5 基本指令S7-200系列PLC的基本指令包括常用指令、堆棧操作指令、計數(shù)指令、定時器指令、比較指令和程序控制指令等1。 1. 觸點指令 觸點指令包括邏輯取和線圈驅(qū)動指令，它有兩種連接形式，即串聯(lián)和并聯(lián)。 (1)邏輯取和線圈驅(qū)動指令。指令格式為：LD 取指令；LDN 取反指令；= 線圈輸出指令。 (2)觸點串聯(lián)指令。指令格式為：A 常開觸點串聯(lián)：AN 常閉觸點串聯(lián)。 (3)觸點并聯(lián)指令。指令格式為：O 常開觸點并聯(lián)：ON 常閉觸點并聯(lián)。 2. 邏輯電路塊的連接指令 電路塊連接指令主要有兩種形式：串聯(lián)電路塊的并聯(lián)指令和并聯(lián)電路塊的串聯(lián)指令。串聯(lián)電路塊的并聯(lián)指令其格式為：OLD；并聯(lián)電路塊的串聯(lián)指令其格式為：ALD。 3. 置位，復(fù)位指令 置位指令的格式為：S bit, N;復(fù)位指令的格式為：R bit N。 4. 取反指令 其格式為：NOT。 5. 邏輯入棧LPS、邏輯出棧LPP和邏輯讀棧LRD指令 邏輯入棧LPS的功能是用于生成一條新的邏輯母線，右側(cè)為新的邏輯塊，是分支電路邏輯塊的開始。 邏輯出棧LPP的功能是用于LPS產(chǎn)生新母線右側(cè)的最后一個邏輯塊，結(jié)束LPS開始的這個分支電路邏輯塊。 邏輯讀棧LRD的功能是用于LPS開始的分支電路邏輯塊中第二條邏輯塊，本身不進行任何進棧和出棧操作。 6. 計數(shù)器指令 增計數(shù)器指令CTU：其指令格式為：CTU Cx, PV。x為計數(shù)器編號。 減計數(shù)器指令CTD：其指令格式為：CTD Cx, PV。x為計數(shù)器編號。 增減計數(shù)器指令CTUD：其指令格式為：CTUD Cx, PV。x為計數(shù)器編號。 7. 定時器指令接通延時指令TON：其指令格式為：TON Tx, PT。x為定時器編號。斷開延時指令TOF：其指令格式為：TOF Tx, PT。x為定時器編號。有記憶接通延時指令TONR：其指令格式為：TOR Tx, PT。x為定時器編號。8. 結(jié)束及暫停指令結(jié)束指令可分為有條件結(jié)束指令END和無條件結(jié)束指令MEND。暫停指令的指令格式為：STOP。9. 子程序指令子程序指令包括3個指令：建立子程序、子程序調(diào)用和子程序返回。子程序調(diào)用指令又有2條指令：子程序調(diào)用指令CALL和子程序條件返回指令CRET。3 系統(tǒng)的設(shè)計與仿真3.1 控制要求1.信號燈由一個按鈕控制其啟動，一個按鈕控制其停止。 2.信號燈分為南北綠燈，南被黃燈，南北紅燈和東西綠燈，東西黃燈，東西紅燈及報警燈。 3.南北紅燈亮，并維持25S。當(dāng)南北紅燈亮?xí)r，東西綠燈也亮，維持20S后，東西綠燈閃爍3S后熄滅，然后東西黃燈亮2S后熄滅，接著東西紅燈亮，南北綠燈亮。 4.東西紅燈亮，并維持30S。當(dāng)東西紅燈亮?xí)r， 南北綠燈也亮，維持25S后， 南北綠燈閃爍3S后熄滅，然后南北黃燈亮2S后熄滅，接著南北紅燈亮， 東西綠燈亮。按以上方式周而復(fù)始地工作。如表2：表2 交通燈亮閃表東西 信號 綠燈亮 綠燈閃 黃燈亮 紅燈亮 時間 20S 3S 2S 30S 南北 信號 紅燈亮 綠燈亮 綠燈閃 黃燈亮 時間 25S 25S 3S 2S 圖1 交通燈的放置3.2 硬件設(shè)計3.2.1 交通信號燈PLC的輸入/輸出點的分配表表3 交通信號燈PLC的輸入/輸出點的分配表輸入信號輸出信號 名稱 代號 輸入點編號啟動按鈕 SB1 I0.0停止按鈕 SB2 I0.1名稱 代號 輸入點編號南北綠燈 HL1-1 HL1-2 Q0.0南北黃燈 HL2-1 HL2-2 Q0.1 南北紅燈 HL3-1 HL3-2 Q0.2報警燈 HL4 Q0.3東西綠燈 HL5-1 HL5-2 Q0.4東西黃燈 HL6-1 HL6-2 Q0.5東西紅燈 HL7-1 HL7-2 Q0.63.2.2 交通信號燈PLC控制硬件接線圖 圖2 交通信號燈PLC控制硬件接線圖其中,S7-200 CPU222系統(tǒng)有8個輸入信號和6個輸出信號. 1個模擬量電位器，最多可擴展10AI/AO點。4KB用戶程序區(qū)和2KB數(shù)據(jù)存儲區(qū)。有4路高速計數(shù)器（30KHZ），2路高速脈沖輸出，1個RS485通信/編程口，2個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接2個相位差為90度的A/B相增量編碼器?？梢赃M行一定模擬量的控制和2個模塊的擴展，對于比較適合小型的控制系統(tǒng)。所以在這個設(shè)計中選用了S7-200 CPU2224。 在硬件接線圖中，輸入口I0.0接收啟動按鈕SB1的輸入，輸入口I0.1接收停止按鈕SB2的輸入；輸出口Q0.0接收南綠燈(HL1-1)和北綠燈(HL1-2) ， 輸出口Q0.1接收南黃燈(HL2-1)和北黃燈(HL2-2) ， 輸出口Q0.2接收南紅燈(HL3-1)和北紅燈(HL3-2) ，輸出口Q0.3接收報警燈(HL4)， 輸出口Q0.4接收東綠燈(HL5-1)和西綠燈(HL5-2) ， 輸出口Q0.5接收東黃燈(HL6-1)和西黃燈(HL6-2) ， 輸出口Q0.6接收東紅燈(HL7-1)和西紅燈(HL7-2)。3.3 軟件設(shè)計 設(shè)計交通信號燈PLC控制梯形圖和指令語句。3.3.1 交通信號燈PLC控制梯形圖 3.3.2 交通信號燈PLC控制的指令表 LD I0.0 O M0.0 AN I0.1 = M0.0 LD M0.0 LPS AN Q0.3 AN T41 TON T37 , +250 LRD A T37 TON T38 , +250 LRD A T38 TON T39 , +30 LRD A T39 TON T40 , +20 LRD A T37 TON T41 , +300 LRD A T44 TON T42 , +20 LRD AN Q0.3 AN T37 TON T43 , +200 LRD A T43 TON T44 , +30 LRD AN T46 TON T45 , +5 LRD A T45 TON T46 , +5 LRD AN T37 AN Q0.3 = Q0.2 LRD LD Q0.6 AN T38 LD T 38 AN T39 A T45 OLD ALD = Q0.0 LRD AN T38 AN T40 = Q0.1 LRD LD Q0.2 AN T43 LD T43 AN T44 A T45 OLD ALD = Q0.4 LPP LPS A T44 AN T42 = Q0.5 LRD A T37 = Q0.6 LPP A Q0.0 A Q0.4 = Q0.33.3.3 程序說明(1)按下啟動