毕业设计（论文）-基于PLC的交通灯控制系统.doc

枣庄职业学院毕业设计（论文）枣庄职业学院毕 业 设 计（论 文）基于plc的交通灯控制系统姓 名 系 部 专 业 班 级 学 号 指导老师 2011 年 5 月摘要 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，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。城市交通控制系统是用于城市交通数据检测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控的重要组成部分。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好城市高速道路，缓解交通拥挤情况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门急需解决的问题。传统的交通灯控制一般采用电子线路和继电器来实现，结构复杂，可靠性低，故障率高，较难实现功能的变换。而可编程控制器（plc）以微处理器为核心，恰恰可以克服这些缺点，而且使用灵活方便。特别是由plc实现的控制系统，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形语言进行程序设计，结构简单，抗干扰能力强、运行稳定可靠、可方便的设置定时时间，编程容易、功能扩展方便、修改灵活等，并且有完善的自诊断和显示功能，维修工作极为简单。采用plc控制交通信号灯，主要是考虑其具有对使用环境适应性强的特性。同时其内部定时器资源十分丰富，可对目前普遍使用的“渐进式”信号灯进行精确控制，特别是方便的实现对多岔路口的控制。由于plc本身具有通讯联网功能，将同一条道路上的信号灯组成一局域网进行统一调度管理，课缩短车辆通行等候时间。实现科学化管理。关键词 可编程控制系统 交通灯 plc目录第一章 plc的概况31.1 plc的产生31.2 plc的基本结构31.3 plc的基本工作原理4第二章 认识、了解s7-200系列plc62.1 s7-200系列plc的概述62.2 s7-200系列cpu224型plc的结构7第三章 step 7编程软件介绍83.1 step 7概述83.2 step 7的安装8第四章 plc应用系统的设计104.1 plc应用系统设计系统概述104.2 plc应用系统设计的设计步骤104.3 plc设计常用的方法11第五章 基于plc的交通灯控制系统的设计135.1 十字路口交通灯控制实际概况135.2结合十字路口交通灯的路况画出模拟图135.3 十字路口交通灯模拟控制时序图145.4 可变控制器i/o分配表145.5 程序梯形图及其语言表155.6 plc的外部接线图185.7 程序调试195.8 难点分析195.9收获与体会20致 谢21参考文献22基于plc的交通灯控制系统第一章 plc的概况1.1 plc的产生 1969年，美国数字设备公司（dec）研制出了世界上第一台plc，当时又叫可编程逻辑控制器（programmable logic controller）目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。随着半导体技术尤其是微处理器和微型计算机的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，plc已经广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使lc的概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。这时的plc已经不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理功能和数据通信功能，所以称为可编程序控制器更为合适，简称pc，但为了与个人计算机（personal computer）的简称pc相区别，一般一般仍将它简称为plc。1.2 plc的基本结构 plc实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a、电源 plc的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(cpu) 中央处理单元(cpu)是plc的控制中枢。它按照plc系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高plc的可靠性，近年来对大型plc还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是plc与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用plc通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块 f、通信模块 如以太网、rs485、profibus-dp通讯模块等1.3 plc的基本工作原理 当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即i/o指令则可以直接存取i/o点。即使用i/o指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是plc的真正输出。plc的工作实物图如下：第二章 认识、了解s7-200系列plc2.1 s7-200系列plc的概述 西门子s7系列plc分为s7-400、s7-300和s7-200三个系列，分别为s7系列中的大、中、小型plc系统，s7-200系列plc具有以下特点：1） 集成的24v电源。可以直接接到传感器和变送执行器上。2） 高速脉冲输出。具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20khz，用于控制进进电动机和伺服电动机，实现定位任务。3） 通信口。cpu221.cpu222,cpu224有一个通信口，cpu226,cpu226xm有两个。4） 模拟电位器。cpu221/222有一个模拟电位器，cpu224/226/226xm有两个。模拟电位器用来改变特殊寄存器中的数值，以改变程序运行时参数。5） 中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。6） eeprom存储模块。可作为修改与修复程序的快速工具，无需编程器，并可进行辅助软件归档工作。7） 电池模块。用户数据可以通过内部的超级电容存储大约5天。8） 不同的设备类型。cpu221cpu226各有2种类型的cpu，具有不同的电源电压和控制电压。9） 高速计数器。cpu221/222有4个30khz高速计数器，cpu224/226/226xm有6个30khz的告诉计数器，用于捕捉比cpu扫描频率更快的脉冲信号。2.2 s7-200系列cpu224型plc的结构s7-200 plc的外形 cpu224型plc的外形如上图所示，其输入、输出、cpu、电源模块均装在一个基本单元的机壳内，是典型的整体式结构；底部端子盖下是输入量的接线端子和为传感器提供的24v直流电源端子；顶部端子盖下是输出端子和外部给cpu的供电电源接线端子；基本单元前盖下有工作模式选择开关、电位器和扩展i/o连接器。下面是其接线端子：cpu224型plc的接线端子第三章 step 7编程软件介绍3.1 step 7概述 step 7编程软件用于西门子系列工控产品包括simatic s7、m7、c7和基于pc的winac,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是simatic工业软件的重要组成部分。 step 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。step 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按f1可以得到该对象的在线帮助。 在step 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。step 7用simatic管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览simatic s7、m7、c7和winac的数据。实现step 7各种功能所需的simatic软件工具都集成在step 7中。 step 7的硬件接口 pc/mpi适配器用于连接安装了step 7的计算机的rs-232c接口和plc的mpi接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，plc一侧的通信速率为19.2kbit/s1.5mbit/s。除了pc适配器，还需要一根标准的rs-232c通信电缆。3.2 step 7的安装 step 7编程软件用于西门子系列工控产品包括simatic s7、m7、c7和基于pc的winac,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是simatic工业软件的重要组成部分。 step 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。step 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按f1可以得到该对象的在线帮助。 在step 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。step 7用simatic管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览simatic s7、m7、c7和winac的数据。实现step 7各种功能所需的simatic软件工具都集成在step 7中。 step 7的硬件接口 pc/mpi适配器用于连接安装了step 7的计算机的rs-232c接口和plc的mpi接口。计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，plc一侧的通信速率为19.2kbit/s1.5mbit/s。除了pc适配器，还需要一根标准的rs-232c通信电缆。第四章 plc应用系统的设计4.1 plc应用系统设计系统概述 在了解了plc的基本工作原理、软件的安装及应用和指令系统之后，可以结合实际进行plc的设计。plc的设计包括硬件和软件两部分，其原则如下：1） 充分发挥plc的控制功能，最大限度地满足被控制的生产机械或控制要求。2） 在满足控制要求的情况下，力求使控制系统经济、简单、维修方便。3） 保证控制系统安全可靠。4） 在选用plc时，在i/o点数和内存容量上要适当留有余地。5） 程序结构清楚，可读性强，程序简短，占用内存少，扫描周期短。4.2 plc应用系统设计的设计步骤 1）工艺分析。深入了解控制对象的工艺过程、工作特点、控制要求，并划分控制的各个阶段，归纳各个阶段的特点和其之间的转换条件，画出空盒子流程图和功能流程图。 2）选择合适的plc类型。在选择plc机型时主要考虑以下几点： a 功能的选择。对于小型的plc主要考虑i/o的扩展模块、a/d及d/a模块及指令功能。 b i/o点数的确定。统计被控制的开关量、模拟量的i/o点数，并考虑以后的扩充。 c内存的估计。用户程序所需的内存量主要和系统的i/o点数、控制要求、程序结构长短等因素有关。一般可按下式估算：内存容量=开关量输入点数*10+开关量输出点数*8+模拟通道数*100+定时器/计数器数量*2+通信接口数*300+备用量。3）分配i/o点。分配plc的输入/输出点、编写输入/输出分配表或画出输入/输出端子的接线图，接着就可以进行plc程序设计。4）程序设计。对于较复杂的控制系统，根据生产工艺要求，画出控制流程图或功能流程图，然后设计成梯形图，再根据梯形图编写语句表程序清单，对程序进行模拟调试和修改，直到满足控制要求为止。5）控制柜或操作台的设计和现场施工。设计控制柜及操作台的电器布置图及安装接线图、设计控制系统及各部分的电器互锁图、根据图样进行现场接线，并检查。6)应用系统整体调试。如果控制系统有几个部分组成，则应先做局部调试再进行整体调试；如果控制系统程序的步序较多，则可先进行分段然后再进行连接调试。7）编制技术文件。技术文件应包括：plc的外部接线图等电器图样，电器布置图，电器元件明细表，顺序功能图，带注释的图形图和说明。4.3 plc设计常用的方法 plc程序设计常用的方法主要有：经验设计法、继电器控制电路转换为梯形法、顺序控制设计法。（1）经验设计法。经验设计法即在一个典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合并多次反复调试和修改梯形图，有时需郑家一些辅助点和中间编程环节才能达到预定的控制要求。主要用于较为简单的梯形图设计。（2）继电器控制电路转换为梯形图法 继电器控制器控制系统经过长期的使用，已经有一套完成系统要求的控制功能并进过验证控制电路图，而plc控制否认梯形图和继电器控制电路图很相似，因此可以直接将经过验证的继电器控制电路图转换为梯形图。步骤如下： a 熟悉现有的继电器控制线路。 b 对照i/o端子接线图，将继电器电路图上的被控文件换成接线图上对应的 输出点的编号，将电路图上的输入装置触点都换成对应的输入点的编号。 c 将继电器电路图中中间继电器、定时器用plc辅助继电器、定时器代替。 d 画出全部梯形图，并于简化和修改。 这种方法对简单的控制系统是可行的，但对较复杂的控制就不适用了。 （3）顺序控制设计法 根据功能流程图以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。首先将控制对象的工作过程按输出状态的变化分为若干步，并指出工步之间的转换条件和每个工步的控制对象。这种工艺流程图集中了工作的全部信息。在进行程序设计时，可以用中间继电器m来记忆工步，一步一步地顺序进行，也可以用顺序控制指令来实现。 这种设计方法比较复杂，但是可以适合任何复杂的plc设计。而本文接下来的基于plc的交通灯控制系统也是通过本种方法来实现的。第五章 基于plc的交通灯控制系统的设计5.1 十字路口交通灯控制实际概况 通过对十字路口交通灯的实际考察，其实际控制概况如下1信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始正常工作，且先南北红灯亮，后东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯熄灭。2南北红灯维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒，到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮；同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。3东西红灯亮维持30秒，南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒熄灭；同时南北黄灯亮维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。上述信号灯周而复始5.2结合十字路口交通灯的路况画出模拟图图2 交通灯平面图5.3 十字路口交通灯模拟控制时序图根据十字路口交通灯控制的实际概况绘制了红、黄、绿灯的时序图。十字路口交通灯时序图5.4 可变控制器i/o分配表输入单元输入地址输出单元输出地址开启按钮sb1i0.0南北绿灯f0q0.0停止按钮sb2i0.1南北黄灯f1q0.1南北红灯f2q0.2东西绿灯f3q0.3东西黄灯f4qo.4东西红灯f5qo.55.5 程序梯形图及其语言表东西红灯工作延时东西绿灯工作延时东西黄灯工作延时南北绿灯闪烁延时南北红灯工作东西绿灯闪烁东西绿灯工作东西黄灯工作000000380000000001380000002003380000tim 0004tim 0000#0250tim 0000tim 0004#0250tim 0006#0200tim 0007#0030002003380000tim 0000tim 0005#0020tim 0001#0250tim 0002#0030tim 0006tim 0007tim 0000tim 0001tim 0003#0020tim 0002002003380000tim 0000tim 0000002002002006002002tim 0006tim 0006tim 0007tim 0008tim 0008#0005tim 0007tim 0005002004002005002006tim 0001tim 0001tim 0002tim 0008002000002001tim 0003tim 0002tim 0009#0005380000tim 0009tim 0008002000002004002003启动/停止按钮南北红灯工作延时东西绿灯闪烁延时南北绿灯工作延时南北黄灯工作延时东西红灯工作南北绿灯闪烁南北绿灯工作南北黄灯工作事故报警end(001)梯形图如下语言表： 步序 指令 注解0 ld 0.001 or 200.002 and-not 0.01 3 out 200.00 启动停止 4 ld-not 10.035 and 200.006 and-not tim0047 out tim0008 #0250 南北红灯工作延时9 ld tim00010 out tim00411 #0250 东西红灯工作延时12 ld-not 10.0313 and 200.0014 and-not tim00015 out tim00616 #0200 东西绿灯工作延时17 ld tim00618 out tim00719 #0030 东西绿灯闪烁延时20 ld tim00721 out tim00522 #0020 东西黄灯工作延时23 ld tim00024 out tim00125 #0200 南北绿灯工作延时26 ld tim00127 out tim00228 #0030 南北绿灯闪烁延时29 ld tim00230 out tim00331 #0020 南北黄灯工作延时32 ld-not 10.0333 and-not tim00034 and 200.0035 out 10.02 南北红灯工作36 ld tim00037 out 10.06 东西红灯工作38 ld tim00639 and-not tim00740 and tim00841 ld 10.0242 and-not tim00643 or-ld44 out 10.04 东西绿灯工作及闪烁45 ld tim00746 and-not tim00547 out 10.05 东西黄灯工作48 ld tim00149 and-not tim00250 and tim00851 ld 10.0652 and-not tim00153 or-ld54 out 10.00 南北绿灯工作及闪烁55 ld tim00256 and-not tim00357 out 10.01 南北黄灯工作58 ld 200.0059 and-not tim00960 out tim008 振荡电路61 #000562 ld tim00863 out tim009 振荡电路64 #000565 ld 10.0066 and 10.0467 out 10.03 事故报警68 end5.6 plc的外部接线图 根据可控控制器的i/o分配表以及程序梯形图绘制出plc的外部接线图如下：十字路口交通灯的plc外部接线图5.7 程序调试 1）检查程序，编译无误后，运行程序，依次按梯形图中程序的顺序按下各按钮并记录观察到得现象。看是否符合控制要求。 2）建立状态图表，在重复上述操作，观察移位状态位的变化，并记录。十字路口交通灯模拟控制调试记录（表）按下sb1南北灯红灯亮30s，红灯灭，绿灯亮，持续25s后闪3s后红灯亮。然后依次循环。东西灯绿灯亮25s后闪3s，然后绿灯灭黄灯亮2s，黄灯灭红灯亮持续30s。依次循环。按下sb2