基于西門子S7-200 PLC的交通燈控制設(shè)計(jì)

1、目錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words11 緒論21.1課題的研究背景與意義21.2主要內(nèi)容22 PLC的概述22.1 PLC的定義，分類及特點(diǎn)32.2 PLC的功能和應(yīng)用32.3 PLC的工作原理32.4 PLC的工作過(guò)程32.5的編程語(yǔ)言42.6 PLC定時(shí)器指令介紹53 PLC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)63.1方案的比較與選擇73.2 I/0分配表73.3接線圖83.4工作流程圖83.5工作時(shí)序圖93.6梯形圖93.7仿真過(guò)程104.總結(jié)12參考文獻(xiàn)13致謝14基于西門子S7-200 PLC的交通燈控制設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 李金輝指導(dǎo)教師 呂永田摘要：交通控制系統(tǒng)是近現(xiàn)代社會(huì)隨

2、著物流、出行等交通發(fā)展產(chǎn)生的一套獨(dú)特的公共管理系統(tǒng)。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(wèn)題之一。雖然自交通燈誕生以來(lái)，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)不斷地被改進(jìn)，設(shè)計(jì)方法也多種多樣，但隨著經(jīng)濟(jì)條件的升高，數(shù)字交通電路燈越來(lái)越不能滿足日益增加的交通壓力?，F(xiàn)今PLC技術(shù)飛速發(fā)展，可編程控制系統(tǒng)的功能日益完善，加上小型化，可靠性高，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中的作用更加突出。 因此，本文的設(shè)計(jì)就是運(yùn)用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)十字路口的交通燈控制，通過(guò)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地考察，我選擇了一種最優(yōu)方案，運(yùn)用西門子系列的S7-200 PLC來(lái)控制交通燈的變化。關(guān)鍵詞：交通燈 控制系統(tǒng) PLC The

3、 design of traffic lights control based on SiemensS7-200 PLC Student majoring in Mechanical design and manufacturing automation Li JinhuiTutor Lv YongtianAbstract：The traffic control system is a unique public management system now, producing with logistics, travel and so on. The coordination of the

4、relationship between people, vehicles and roads has become one of the important issues which need to be addressed with traffic management. Since the traffic lights produced, the internal circuit control system has been improved and the design methods varied also, but with the increasing of economic

5、conditions, digital traffic lights can not meet the increasing traffic pressure. Nowadaysthe PLCtechnology development quickly, the function of programmable control system become refinement also the characters of miniaturization, high reliability, and low prices make it more prominent in modern indu

6、stry. Therefore usedPLCtechnology to control the traffic lights at the intersection, through fielding trips to traffic light control system, selected an optimal programmer, then using SiemensS7-200 PLCto control the traffic lights change.Key words:traffic lights;control system;PLC1 緒論1.1課題的研究背景與意義1.

7、1.1研究背景隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注，交通問(wèn)題成為制約我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)大問(wèn)題，我國(guó)人口眾多，現(xiàn)在大多數(shù)城市都經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)交通擁堵現(xiàn)象，人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已經(jīng)成為交通管理部門需要解決的重要問(wèn)題之一 。目前我國(guó)大中小城市都出現(xiàn)了交通擁堵的現(xiàn)象，特別是大城市，隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況。因此20多年來(lái)，這些大城市紛紛修建城市高速公路，在高速公路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效的改善了交通狀況。但是，隨著交通量的快速增長(zhǎng)和缺乏對(duì)高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒(méi)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(diǎn)，

8、也決定了城市高速公路的交通狀況必然受高速公路與普通公路耦合處交通狀況的制約。因此，如何采用合適的控制方法來(lái)緩解交通擁堵?tīng)顩r，也越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問(wèn)題，可見(jiàn)改善城市交通燈控制系統(tǒng)是多么的重要。1.1.2 研究意義經(jīng)改進(jìn)交通燈的控制系統(tǒng)，在十字路口的交通燈可以對(duì)交通通行進(jìn)行有效的疏通，緩解交通堵塞的壓力，并為交通的參與者的安全提供強(qiáng)有力的保障。1.2主要內(nèi)容在了解了PLC的各種功能的基礎(chǔ)上，熟悉PLC的結(jié)構(gòu)及工作原理，合理選擇符合要求的硬件和軟件，繪制出程序梯形圖，編出能實(shí)現(xiàn)功能的指令，完成對(duì)基于西門子S7-200 PLC的交通燈控制的設(shè)計(jì)。2 PLC的概述2.PL

9、C的定義、分類及特點(diǎn)1985年，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)確定了PLC的定義： “可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。” 分類：(1)按結(jié)構(gòu)形式分類：根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。(2)按功能分類：根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。(3)按I/O點(diǎn)數(shù)分類：根據(jù)P

10、LC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。特點(diǎn)：(1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。(2)通用性強(qiáng)，控制程序可變，使用方便。(3)功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣。(4)編程簡(jiǎn)單，容易掌握。(5)減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量。(6)體積小、重量輕、功耗低、維護(hù)方便。組成：(1)中央處理器(2) 存儲(chǔ)器(3)輸入輸出接口(4)編程器(5)電源2.2 PLC的功能和應(yīng)用功能：(1)邏輯控制 (2)定時(shí)控制 (3)計(jì)數(shù)控制(4)步進(jìn)(順序)控制 (5)PID控制(6)數(shù)據(jù)控制：plc具有數(shù)據(jù)處理能力 (7)通信和聯(lián)網(wǎng)(8)其它：plc還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如：定位控制模塊

11、，CRT模塊。應(yīng)用：最初，PLC主要用于開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。隨著PLC技術(shù)的進(jìn)步，它的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。具體有：(1) 用于開(kāi)關(guān)量控制 (2) 用于模擬量控制(3) 用于數(shù)字量控制(4) 用于數(shù)據(jù)采集(5)用于進(jìn)行監(jiān)控(6)用于聯(lián)網(wǎng)、通訊。2.3 PLC的工作原理采用循環(huán)掃描方式，在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。由于PLC是掃描工作過(guò)程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)變化，要等到下一周期的輸入處理階段時(shí)才能改變。PLC實(shí)質(zhì)上是一種專用與工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，在結(jié)構(gòu)上分為固

12、定式和組合式（模塊式）兩種，固定式PLC包括CPU板，I/O板，顯示面板，內(nèi)存塊，電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。組合式（模塊式）PLC包括CPU模塊，I/O模塊，內(nèi)存模塊，電源模塊，底板或機(jī)架，這些模塊可按一定的規(guī)則組合配置。2.4 PLC的工作過(guò)程為了滿足工業(yè)邏輯控制的要求，同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)控制的特點(diǎn)，PLC的工作方式采用不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令執(zhí)行開(kāi)始，按順序逐條執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開(kāi)始新一輪掃描。PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。整個(gè)過(guò)程可分為以下幾個(gè)部分：第一部分是上電處理。

13、PLC上電后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化，包括硬件初始化和軟件初始化，停電保持范圍設(shè)定及其他初始化處理等。第二部分是自診斷處理。PLC掃描一次，就執(zhí)行次自診斷檢查，確定PLC自身的動(dòng)作是否正常。第三部分是通訊服務(wù)。PLC自診斷處理完成以后進(jìn)入通訊服務(wù)過(guò)程。首先檢查有無(wú)通訊任務(wù)，要是有則調(diào)用相應(yīng)進(jìn)程，完成與其他設(shè)備的通訊處理，并對(duì)通訊數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理；然后進(jìn)行時(shí)鐘、特殊寄存器更新處理等工作。第四部分是程序掃描過(guò)程。PLC在上電處理、自診斷和通訊服務(wù)完成以后，如果工作選擇開(kāi)關(guān)在RUN的位置，則進(jìn)人程序掃描工作階段。先完成輸入處理，即把輸入端子的狀態(tài)讀入輸入映像寄存器中，然后再執(zhí)行用戶程序，最后把輸出處理結(jié)果

14、刷新到輸出鎖存器中。2.5 PLC的編程語(yǔ)言（1）梯形圖語(yǔ)言（LD）梯形圖編程語(yǔ)言的特點(diǎn)是：與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性；與原有繼電器控制相一致，電氣設(shè)計(jì)人員易于掌握。（2）指令表語(yǔ)言（IL）指令表表編程語(yǔ)言的特點(diǎn)是：采用助記符來(lái)表示操作功能，具有容易記憶，便于掌握；在手持編程器的鍵盤上采用助記符表示，便于操作，可在無(wú)計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合進(jìn)行編程設(shè)計(jì)；與梯形圖有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。其特點(diǎn)與梯形圖語(yǔ)言基本一致。（3）功能模塊圖語(yǔ)言（FBD）功能模塊圖編程語(yǔ)言的特點(diǎn)：以功能模塊為單位，分析理解控制方案簡(jiǎn)單容易；功能模塊是用圖形的形式表達(dá)功能，直觀性強(qiáng)，對(duì)于具有數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)人員們是很容易掌

15、握的編程；對(duì)于規(guī)模大、控制邏輯關(guān)系復(fù)雜的控制系統(tǒng)，由于功能模塊圖能夠清楚表達(dá)功能關(guān)系，使編程調(diào)試時(shí)間也大大減少。（4）順序功能流程圖語(yǔ)言（SFC）順序功能流程圖編程語(yǔ)言的特點(diǎn)：以功能為主線，按照功能流程的順序分配，條理清楚，便于對(duì)用戶程序理解；避免了梯形圖或其他語(yǔ)言不能順序動(dòng)作的缺陷，同時(shí)也避免了用梯形圖語(yǔ)言對(duì)順序動(dòng)作編程時(shí)，由于機(jī)械互鎖造成的用戶程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以理解的缺陷；用戶程序掃描時(shí)間也大大縮短。（5）結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言（ST）結(jié)構(gòu)化文本編程語(yǔ)言的特點(diǎn)：采用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程，可以完成較復(fù)雜的控制運(yùn)算；需要有一定的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言的知識(shí)和編程技巧，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員要求較高。直觀性和操作性較差。2

16、.6 定時(shí)器指令介紹 該指令為接通延時(shí)定時(shí)器指令，當(dāng)定時(shí)器接通時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)前值大于或等于設(shè)定時(shí)間PT時(shí)，代表該定時(shí)器的觸點(diǎn)接通，達(dá)到設(shè)定值后，定時(shí)器將繼續(xù)定時(shí)，達(dá)到最大值32767時(shí)，停止計(jì)時(shí)。 該指令為斷電延時(shí)定時(shí)器指令，常用于停機(jī)后的延時(shí)，當(dāng)定時(shí)器接通時(shí)，定時(shí)器清零，當(dāng)定時(shí)器斷開(kāi)接通時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)前值等于設(shè)定時(shí)間PT時(shí)，代表該定時(shí)器的觸點(diǎn)斷開(kāi)，達(dá)到設(shè)定值后，當(dāng)前值仍然不變， 直到使能端再次接通時(shí)，定時(shí)器清零。 該指令為保持型接通延時(shí)定時(shí)器指令，當(dāng)定時(shí)器接通時(shí)，開(kāi)始定時(shí)，當(dāng)定時(shí)器斷開(kāi)時(shí)，停止計(jì)時(shí)，當(dāng)前值保持不變，當(dāng)定時(shí)器再次接通時(shí)，將繼續(xù)定時(shí)，當(dāng)累積的當(dāng)前值，大于或等于PT時(shí)，代表該指令

17、的觸點(diǎn)接通，達(dá)到預(yù)設(shè)值后仍繼續(xù)計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到最大值32767時(shí)，停止計(jì)時(shí)，該定時(shí)器只能通過(guò)復(fù)位指令來(lái)復(fù)位，定時(shí)器的狀態(tài)為復(fù)位，當(dāng)前值被清零。下面是一個(gè)通電延時(shí)計(jì)時(shí)器的梯形圖程序當(dāng)輸入I0.0接通時(shí)，定時(shí)器T37開(kāi)始定時(shí)，當(dāng)前值大于或等于預(yù)設(shè)值10時(shí)，代表T37的觸點(diǎn)接通，Q0.0輸出。 3 PLC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.1方案的比較與選擇方案一：紅燈變綠燈時(shí)：紅燈綠燈綠燈變紅燈時(shí)：綠燈綠燈閃爍黃燈紅燈方案二：紅燈變綠燈時(shí)：紅燈紅燈黃燈一起亮綠燈綠燈變紅燈時(shí)：綠燈綠燈閃爍黃燈紅燈經(jīng)比較，在相同的時(shí)間限制下，方案二更適合，原因如下：當(dāng)紅燈變綠燈時(shí)，如果紅燈直接變?yōu)榫G燈，駕駛者還沒(méi)有反應(yīng)過(guò)來(lái)，等駕駛者反應(yīng)過(guò)

18、來(lái)再啟動(dòng)車子，這樣就浪費(fèi)了時(shí)間，要是在綠燈亮之前黃燈也同時(shí)亮起，這樣就可以提醒駕駛者們綠燈快亮了，要準(zhǔn)備啟動(dòng)車子，這樣就節(jié)省了時(shí)間，讓更多的車子順利通過(guò)綠燈，同時(shí)在某一程度上，緩解了交通壓力。當(dāng)綠燈變紅燈時(shí)，綠燈變黃燈時(shí)不明顯且變?yōu)榧t燈過(guò)快，不易判斷制動(dòng)車輛所需時(shí)間，有一些機(jī)動(dòng)車在通過(guò)路口時(shí)因?yàn)樾旭偹俣瓤欤苋菀壮霈F(xiàn)闖紅燈交通違法，所以，在綠燈即將結(jié)束時(shí)閃爍幾次后變黃燈提示再轉(zhuǎn)為紅燈運(yùn)行模式，以減少駕駛?cè)艘虮孀R(shí)不清而闖紅燈導(dǎo)致交通違法。 3.2 I/O分配表本文的設(shè)計(jì)只對(duì)東西綠燈，東西黃燈，東西紅燈和南北綠燈，南北黃燈，南北紅燈6個(gè)對(duì)象進(jìn)行了控制，具體分配如表3-1所示：表3-1 PLC的I/

19、O分配表輸入輸出啟動(dòng)按鈕I0.0東西綠燈Q0.0停止按鈕I0.1東西黃燈Q0.1東西紅燈Q0.2南北紅燈Q0.3南北綠燈Q0.4南北黃燈Q0.53.3接線圖接線圖如圖3-1所示：圖3-1 接線圖3.4工作流程圖工作流程圖如圖3-2所示：圖3-2 工作流程圖3.5工作時(shí)序圖工作時(shí)序圖如圖3-5所示：?jiǎn)?dòng)23S4S3S28S4S3S東西綠燈東西黃燈東西紅燈南北紅燈南北黃燈南北綠燈燈圖3-3 工作時(shí)序圖3.6梯形圖程序如圖3-4所示：圖3-4 梯形圖3.7仿真圖下面是兩張仿真過(guò)程中的截圖當(dāng)接通啟動(dòng)按鈕I0.0，定時(shí)器T37的值在0-27s時(shí)，輸出為Q0.0（東西綠燈），Q0.3（南北紅燈）。此時(shí)，東西綠燈先亮23s，再閃亮4s，同時(shí)，南北紅燈亮27s，其他燈不亮。如圖3-5：圖3-5 仿真過(guò)程1當(dāng)定時(shí)器T37的值在27-30s時(shí)，輸出為Q0.1（東西黃燈），Q0.3（南北紅燈），Q0.4（南北黃燈）。此時(shí)，東西黃燈，南北紅燈，南北黃燈均亮3s，其他燈不亮。如圖3-6：圖3-6 仿真過(guò)程2 4 結(jié)論經(jīng)過(guò)兩個(gè)月來(lái)的學(xué)習(xí)和努力，我對(duì)PLC有了一個(gè)新的更深入的認(rèn)識(shí)，我學(xué)會(huì)了怎樣用PLC指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)的編程，學(xué)會(huì)了怎么把編程軟件和仿真軟