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基于s7-200 plc的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設計 基于s7-200 plc的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設計 1 設計主要內容及要求 1.1 設計目的： 編程序控制器（PLC）于20世紀60年代在美國誕生，在我國的發(fā)展與應用已有30多年的歷史，現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個工業(yè)生產(chǎn)領域，成為提高工業(yè)裝備電氣自動化水平的重要設備和強大支柱。因此，PLC技術已成為電氣自動化專業(yè)技能型人才必不可少的重要技能，通過實踐，可以幫助學生加深對理論知識消化吸收，提高PLC編程技能。 1.2 基本要求 信號燈受一個啟動開關控制，當啟動開關接通時，信號燈系統(tǒng)開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。當啟動開關斷開時，所有信號燈都熄滅。 南北紅燈亮維持25秒，在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅。在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮。 東西紅燈亮維持30秒。南北綠燈亮維持25秒，然后閃亮3秒后熄滅。同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅，這時南北紅燈亮，東西綠燈亮，周而復始。要求完成以下項目： 1、畫出交通信號燈時序狀態(tài)示意圖 2、畫出交通燈的控制流程圖 3、完成可編程控制器I/O端口分配和外部接線圖 4、完成十字路口交通信號燈PLC控制梯形圖編程 1.3 發(fā)揮部分 自由發(fā)揮 2 設計過程及論文的基本要求： 2.1 設計過程的基本要求 （1）基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選； （2）符合設計要求的報告一份，其中包括總體設計框圖、電路原理圖各一份； （3）報告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。 2.2 課程設計論文的基本要求 （1）參照畢業(yè)設計論文規(guī)范打印，包括附錄中的圖紙。項目齊全、不許涂改，不少于4000字。圖紙為A4，所有插圖不允許復印。 （2）裝訂順序：封面、任務書、成績評審意見表、中文摘要、關鍵詞、目錄、正文（設計題目、設計任務、設計思路、設計框圖、各部分電路及相應的詳細的功能分析和重要的參數(shù)計算、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結、參考文獻、附錄（總體設計框圖與電路原理圖）。 3 時間進度安排 順序 階段日期 計 劃 完 成 內 容 備注 1 2014.9.1 講解主要設計內容，安排學生查閱資料 打分 2 2014.9.2 檢查整個設計總體設計概況 打分 3 2014.9.3 指導學生進行傳感器的選擇和plc應用的注意事項 打分 4 2014.9.4 檢查學生核心內容的設計情況 打分 5 2014.9.5 答辯、寫報告 打分 2014-9-1 摘要 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可以編制程序的存儲器，用來在執(zhí)行存儲邏輯運算和順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬的輸入(I)和輸出(O)接口，控制各種類型的機械設備或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破?PLC)作為一種以微電腦技術為核心的自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制技術與計算機和通信技術融為一體，在工業(yè)自動化，機電一體化以及傳統(tǒng)的工業(yè)控制方面，得到了廣泛的應用， 發(fā)揮著越來越大的作用。已被廣泛應用于機械制造、冶金、化工、能源等各種行業(yè)。它可靠性高、功能完善、抗干擾性好，具有結構簡單、重量輕等優(yōu)點。是一種專門用于工業(yè)環(huán)境及過程控制的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。城市交通信號控制是通過對交通流的調節(jié)、警告和誘導以達到改善人和貨物的安全運輸，提高運營效率。采用PLC控制交通信號燈，主要是考慮其具有對使用環(huán)境適應性強的特性，同時其內部定時器資源十分豐富。 目前，PLC已廣泛應用于工業(yè)控制中，但是在交通控制方面應用方面還不是很廣泛。PLC應用于交通控制還有很大的潛能，PLC以其可方便操作、可方便編程調試等特點，使得其有逐步取代以往的單片機在交通燈中的地位的趨勢。 利用德國西門子公司的S7—200 PLC來實現(xiàn)交通信號燈的自動控制。通過對交通信號燈的控制要求的分析，結合西門子S7-200的控制性能，通過系統(tǒng)時序圖的分析，對交通燈系統(tǒng)進行了軟、硬件設計，實現(xiàn)了十字路口交通燈的合理控制的功能，通過實驗證明該方法設計的系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟實用、遠行可靠，具有很高的實用價值。 關鍵字：PLC 交通燈控制 設計 調試 27 - - 目錄 基于s7-200 plc的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設計 I 摘要 III 目錄 4 1 設計任務描述 5 1.2 設計要求. 5 1.2.2 基本要求 5 1.2.3 發(fā)揮部分 5 2 設計思路 6 3 設計與分析 7 3.1設計框圖 7 3.2設計分析 7 4 硬件部分 9 4.1 PLC I/O分配 9 4.2系統(tǒng)的硬件結構圖 10 4.3 PLC的接線形式 11 5軟件設計部分 12 5.1 梯形圖 13 5.2語句表 16 6 PLC概述 19 6.1PLC硬件結構 19 6.2中央處理單元(CPU) 19 6.3存儲器 20 6.4輸入/輸出模塊 21 圖6.4.1 23 圖6.4.2 23 7元件清單 24 小結 25 致 謝 26 參考文獻 27 1 設計任務描述 1.1 設計題目：基于s7-200 plc的十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設計 1.2 設計要求. 1.2.1 設計目的 可編程控制器是一種數(shù)字式的電子裝置，它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實現(xiàn)邏輯運算、順序運算、記數(shù)和算術運算等功能。用來對各種機械或生產(chǎn)過程進行控制。 自1969年第一臺可控編程控制器問世以來，目前可編程控制器已經(jīng)成為一種最重要、最普及、應用場合最多的工業(yè)控制器。編程序控制器（PLC）于20世紀60年代在美國誕生，在我國的發(fā)展與應用已有30多年的歷史，現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個工業(yè)生產(chǎn)領域，成為提高工業(yè)裝備電氣自動化水平的重要設備和強大支柱。因此，PLC技術已成為電氣自動化專業(yè)技能型人才必不可少的重要技能，通過實踐，可以幫助學生加深對理論知識消化吸收，提高PLC編程技能。 1.2.2 基本要求 信號燈受一個啟動開關控制，當啟動開關接通時，信號燈系統(tǒng)開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。當啟動開關斷開時，所有信號燈都熄滅。 南北紅燈亮維持25秒，在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮，并維持20秒。到20秒時，東西綠燈閃亮，閃亮3秒后熄滅。在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮，并維持2秒。到2秒時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時，南北紅燈熄滅，綠燈亮。 東西紅燈亮維持30秒。南北綠燈亮維持25秒，然后閃亮3秒后熄滅。同時南北黃燈亮，維持2秒后熄滅，這時南北紅燈亮，東西綠燈亮，周而復始。要求完成以下項目： 1、畫出交通信號燈時序狀態(tài)示意圖 2、畫出交通燈的控制流程圖 3、完成可編程控制器I/O端口分配和外部接線圖 4、完成十字路口交通信號燈PLC控制梯形圖編程 1.2.3 發(fā)揮部分 2 設計思路 按照交通燈系統(tǒng)控制要求下，結合西門子S7-200系列可編程控制器的特性（見附錄）， 選擇適合的型號。設計思想分析如下：給一個啟動的輸入信號，要配合一個SB1的按鈕，當SB1啟動按鈕動作，系統(tǒng)工作。 首先，南北方向道路處于禁止通行的狀態(tài)，東西方向道路處于允許通行的狀態(tài)。 南北方向道路亮紅燈狀態(tài)過程中，南北紅燈亮25S,需計時器設定延時25秒，才會轉入下一狀態(tài)南北綠燈亮；同時，東西方向道路也一起亮綠燈20S,需計時器設定延時20秒，才會轉下一狀態(tài)東西綠燈閃爍；東西綠燈閃爍3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使東西綠燈閃爍，還需要計時器設定延時3秒，才會轉下一狀態(tài)東西黃燈亮；東西黃燈亮2S,需計時器設定延時2秒，才會轉入下一狀態(tài)東西紅燈亮。 其次，東西方向道路處于禁止通行的狀態(tài)，南北方向道路處于允許通行的狀態(tài)。 東西方向道路亮紅燈狀態(tài)過程中，東西紅燈亮30S,需計時器設定延時30秒，才會轉入下一狀態(tài)東西綠燈亮；同時，南北方向道路也一起亮綠燈25S,需計時器設定延時25秒，才會轉下一狀態(tài)南北綠燈閃爍；南北綠燈閃爍3S，需振蕩器或脈沖源（秒/次）動作使南北綠燈閃爍，還要需計時器設定延時3秒，才會轉下一狀態(tài)南北黃燈亮；南北黃燈亮2S,需計時器設定延時2秒，才會轉入下一狀態(tài)南北紅燈亮。 如此循環(huán)下去。 3 設計與分析 3.1設計框圖 開始 南北紅燈亮，東西綠燈亮 南北紅燈亮，東西綠燈閃 南北紅燈亮，東西綠燈亮 東西紅燈亮，南北綠燈亮 東西紅燈亮，南北綠燈閃 東西紅燈亮，南北綠燈亮 開始 3.2設計分析 圖1 十字路口交通示意圖 這12個交通燈共有6個狀態(tài)： 南北紅燈（1 7）亮 東西綠燈（6 12）亮 南北紅燈（1 7）繼續(xù)亮 東西綠燈（6 12）閃 南北紅燈（1 7）繼續(xù)亮 東西綠燈（5 11）亮 東西紅燈（4 10）亮 南北綠燈（3 9）亮 東西紅燈（4 10）繼續(xù)亮 南北綠燈（3 9）閃 東西紅燈（1 7） 繼續(xù)亮 南北綠燈（2 8）亮 4 硬件部分 4.1 PLC I/O分配 交通燈控制系統(tǒng)共有一個輸入點：啟動按鈕。輸出信號有東西方向、南北方向兩組指示燈驅動信號以及東西方向、南北方向的車輛運行指示燈驅動信號甲、乙。由于每一方向的指示燈中，同種顏色的指示燈運行情況相同，為節(jié)省輸出點數(shù)，采用并聯(lián)輸出法。由此確定，系統(tǒng)所需的輸入點數(shù)為1，輸出點數(shù)為8，全部為開關量。PLC I／O點分配如表一所示。 表一PLC I/O口分配 輸入元件 輸入地址 輸出元件 輸出地址 啟動按鈕 I0.0 南北紅燈 Q0.0 南北黃燈 Q0.1 南北綠燈 Q0.2 東西紅燈 Q0.3 東西黃燈 Q0.4 東西綠燈 Q0.5 南北車燈（乙） Q0.6 東西車燈（甲） Q0.7 4.2系統(tǒng)的硬件結構圖 根據(jù)系統(tǒng)對I／O口量的需求，選用s7—200來完成設計，系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示。 檢測裝置 PLC 計數(shù)器 CPU 定時器 交通燈 圖2 系統(tǒng)的硬件結構 4.3 PLC的接線形式 如圖3所示 圖3 PLC接線圖 端口I0.0為接入系統(tǒng)開關的傳送信號，端口Q0.0接起報警作用的信號燈，端口Q0.1接南北紅燈，端口Q0.2接東西綠燈，端口Q0.3接東西黃燈，端口Q0.4接東西黃燈，Q0.5接南北綠燈，Q0.6接南北黃燈。 5軟件設計部分 控制系統(tǒng)的程序可分為兩個模塊：開始模塊和十字路口信號燈控制模塊。其中十字路口信號燈控制模塊是主模塊。時間設定由定時器(T)完成，通過不同的定時器的交替觸發(fā)和定時來控制各個車道每個信號燈的亮滅時間。時間的設定可根據(jù)實際狀況分時設置。根據(jù)控制任務要求，運用step7一micro／win32軟件設計交通燈系統(tǒng)的梯形圖程序， 如圖4。 5.1 梯形圖 5.2語句表 5.3 時序圖 圖4 十字路口交通燈時序 6 PLC概述 6.1PLC硬件結構 PLC實質是一種專用于工業(yè)控制計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，中央處理單元(CPU)，如下圖2-1所示。 4-1 PLC硬件結構 6.2中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是PLC控制中樞。它PLC系統(tǒng)程序賦予功能接收并存儲從編程器鍵入用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器狀態(tài)，并能診斷用戶程序中語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描方式接收現(xiàn)場各輸入裝置狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，命令解釋后按指令規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內數(shù)據(jù)傳送到相應輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 進一步提高PLC可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU表決式系統(tǒng)。這樣，某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 6.3存儲器 存放系統(tǒng)軟件存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件存儲器稱為用戶程序存儲器。 1、PLC常用存儲器類型 （1）RAM （Random Assess Memory） 這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。 （2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除只讀存儲器。斷電情況下，存儲器內所有內容保持不變。紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內容)。 （3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除只讀存儲器。使用編程器就能很容易對其所存儲內容進行修改。[3] 2、PLC存儲空間分配 各種PLCCPU最大尋址空間各不相同，PLC工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： （1）系統(tǒng)程序存儲區(qū) （2）系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等） （3）用戶程序存儲區(qū)[4] 系統(tǒng)程序存儲區(qū)：系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC性能。 系統(tǒng)RAM存儲區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設備，如：邏輯線圈；數(shù)據(jù)寄存器；計時器；計數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲器。[5] （1）I/O映象區(qū)：PLC投入運行后，輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應外設。它需要一定數(shù)量存儲單元(RAM)以存放I/O狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象區(qū)。一個開關量I/O占用存儲單元中一個位（bit），一個模擬量I/O占用存儲單元中一個字（16個bit）。整個I/O映象區(qū)可看作兩個部分組成：開關量I/O映象區(qū)；模擬量I/O映象區(qū)。 （2）系統(tǒng)軟設備存儲區(qū) ：I/O映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)還包括PLC內部各類軟設備（邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持存儲區(qū)域和無失電保持存儲區(qū)域，前者PLC斷電時，由內部鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失；后者當PLC斷電時，數(shù)據(jù)被清零。 用戶程序存儲區(qū)：主要用來存放用戶的應用程序。所謂用戶程序時指使用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的的產(chǎn)生過程和工藝要求編寫的控制程序。次程序由使用者通過編程器輸入到PLC機的RAM存貯器中，以便于用戶隨時修改。也可將用戶程序存放在EEPROM中。 6.4輸入/輸出模塊 輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的借口。現(xiàn)場的輸入信號，如按鈕開關，行程開關、限位開關以及傳感輸出的開關量或模擬量（壓力、流量、溫度、電壓、電流）等，都要通過輸入模塊送到PLC。由于這些信號電平各式各樣，而可編程控制器CPU所處理的信息只能是標準電平，所以輸入模塊還需將這些信號轉換成PLC能夠接受和處理的數(shù)字信號。輸入模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號，并把它轉換成現(xiàn)場執(zhí)行部件所能接收的控制信號，以驅動如電磁閥、燈光顯示、電機等執(zhí)行機構?？删幊炭刂破饔卸喾N輸入/輸出模塊其類型有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。這些模塊分直流和交流、電壓和電流類型，每種類型又有不同的參數(shù)等級，主要有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入輸出/模塊，部件上都設有接線端子排，為了濾除信號的噪聲和便于PLC內部對信號的處理，這些模塊上都帶有濾波、電平轉換、信號鎖存電路。數(shù)字量輸入模塊帶有廣電耦合電路，其目的是把PLC與外部電路隔離起來，以提高PLC的抗干擾能力。數(shù)字兩輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模擬量輸入/輸出模塊主要用來實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉換，即A/D或D/A轉換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機構有一些信號是連續(xù)變化的模擬量，因此這些模擬量必須通過模擬量輸入/輸出模塊與PLC的中央處理器連接。模擬量輸入模塊A/D轉換后的二進制數(shù)字量，經(jīng)光電耦合器和輸出鎖存器宇PLC的1/0總線掛接?，F(xiàn)在標準量程的模擬電壓主要是0—5伏和0—10伏兩種。另外還有：0—somV、0—IV、—5—+SV、—10—+10V，0—10mA等。模擬量輸入模塊接收標準量程的模擬電壓或電流猴，把它轉換成8未、10未或12位的二進制數(shù)字信號，送給中央處理器進行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進制數(shù)字信號轉換成標準量程的電壓或電流輸出信號，提供給執(zhí)行機構。 圖6.4.1 圖6.4.2 7元件清單 名稱 型號 數(shù)量 備注 計算機 1 可編程控制器 S7-200 1 西門子 數(shù)據(jù)線 1 STEP7-Micro/WIN 1 小結 PLC課程結束了，又到了課程設計的時候，我們組分到了：基于S7-200 PLC的十字路口交通信號燈的系統(tǒng)設計 面對這個題目根據(jù)老師課堂講的內容很快就確定了設計的方向，并與同學們的合作解決遇到的問題。通過這次設計，我意識到了PLC編程技術在現(xiàn)實中的廣泛應用，并了解到自己學習中的不足之處，看到了理論與實踐的差距。 通過一周的PLC設計實踐。我學會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質，在沒有做實踐設計以前，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視，當我們把自己想出來的程序與到PLC中的時候，問題出現(xiàn)了，不是不能運行，就是運行的結果和要求的結果不相符合。能過解決一個個在調試中出現(xiàn)的問題，我們對PLC的理解得到加強，看到了實踐與理論的差距。 通過合作，我們的合作意識得到加強。合作能力得到提高。上大學后，很多同學都沒有過深入的交流，在設計的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人互責一定的部分，同時在一定的階段共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題，在交流中大家積極發(fā)言，和提出意見，同時我們還向別的同學請教。在此過程中，每個人都想自己的方案得到實現(xiàn)，積極向同學說明自己的想法。能過比較選出最好的方案。在這過程也提高了我們的表過能力。 通過此次課設，讓我了解了PLC梯形圖、指令表、順序功能圖有了更好的了解，也讓我了解了關于PLC設計原理。有很多設計理念來源于實際，從中找出最適合的設計方法。實踐不同于理論，理論上可行的設計，在考慮實際條件的種種影響下，必須有所取舍，有側重，才能事半功倍，紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。 致 謝 在設計的過程中我們還得到了老師的幫助與意見。在學習的過程中，不是每一個問題都能自己解決，向老師請教或向同學討論是一個很好的方法，不是有句話叫做學而不思則怠,做事要學思結合。PLC不僅需要編程能力，更是要求設計者了解控制電路的時序關系，作用原理，在接到題目之后，通過查詢資料對題目的所需要的編程器件，設計思路有了一定準備，但還是遇到了很多問題，感謝祝老師給予的及時指導和幫助，能夠跳出我們的思維局限性，從更高的，宏觀的層面和維度來分析問題，給出中肯和針對性的建議，通過和同學的討論，更是使我完善了自己能力的不足之處，并能使我們一起提高。感謝學校老師給我們提供實踐的機會和條件，能夠鍛煉自己的實際動手能力，不僅停留在理論層面的學習，更要將所學轉化為一種能力和素質，培養(yǎng)自己的工程實踐經(jīng)驗，從最基礎的課程設計做起，為實際動手操作，打實基礎，因為只有實踐，才能出真知。 參考文獻 [1] 王永華 .現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術.北京：北京航空航天大學出版社，2013 [2] 趙景波等.零基礎學西門子S7-200 PLC.北京：機械工業(yè)出版社，2010 [3] 龔威，張樹臣，王瀛. 實例解讀西門子PLC.北京：中國電力出版社,2013 [4] 李國麗，朱維勇電子技術實驗指導書合肥：中國科技大學出版社，2000