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西门子PLC交通灯设计安 徽 国 防 科 技 职 业 学 院毕 业 论 文（设 计）任 务 书论文（设计）题目 西门子PLC交通灯设计 系 别 机电工程系 专 业 （班 级） 08机电一体化技术 学 生 姓 名 张纬国 学 号 指 导 教 师 章飞 摘要随着社会经济的发展，城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，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监测、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指挥系统中最重要的组成部分。 实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器件如门电路等的影响，调试工作极为不易，而笔者对单片机运用来进行系统的设计开发也不是很熟悉，因此，最终笔者选择了用西门子PLC来实现系统功能的设计，完成本次设计的题目。关键字：西门子S7-200，交通灯，PLC，梯形图。目录1 引言41.1 PLC概述41.2 PLC的功能41.3 PLC的工作原理和结构51.3.1 PLC的工作原理：51.3.2 结构：51.4 PLC的硬件介绍和选型51.5 西门子S7-200系列PLC的基本指令81.5.1 逻辑取及输出线圈指令（LD、LDI、OUT）81.5.2 单个触点串联指令（AND、ANI）91.5.3 S7-200系列PLC的定时器指令101.6 西门子S7-200系列的编程软件111.6.1 编程准备111.6.2 程序的调试和监控122 交通灯控制要求132.1 路况示意图132.2 工作要求和过程132.3 根据交通灯示意图模拟控制实验143 交通灯控制的设计143.1 顺序图143.2 I/O分配及接线图153.3 编制程序173.4 交通灯时序波形图213.5 PLC系统调试214 致谢225 参考文献221 引言1.1 PLC概述 PLC是Programmable Logic Controller的缩写，即可编程逻辑控制器。它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，所以现在仍然将可编程逻辑控制器简称plc。它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。1.2 PLC的功能 1：控制功能逻辑控制，包括（定时，计数，顺序，逻辑）控制 2：数据采集、存储与处理功能数学运算功能 3：输入/输出接口调理功能具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。 具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。 4：通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。如西门 子S7-200的Profibus现场总线口，其通信速率可以达到12Mbps。 在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。5：人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。 6：编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视 、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。1.3 PLC的工作原理和结构1.3.1 PLC的工作原理： 采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。注意：由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。1.3.2 结构：plc实质上是一种专用与工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机再结构上分为固定式和组合式（模块式）两种，固定式plc包括CPU板，I/O板，显示面板，内存块，电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式plc包括CPU模块，I/O模块，内存模块，电源模块，底板或机架。这些模块可以按照一定的规则组合配置。接口部件输出输入接口部件件中央处理单元 CPU板 电源部件PLC的基本结构框图1.4 PLC的硬件介绍和选型（一）PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。 （二）输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。 （三）CPU的构成 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 （四）I/O的分配 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （五）电源的选择 根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。 电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压.电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和,同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素;电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。直流输入电源对于输入电压一般都是宽范围:如5V为4.5-9V,12V为9-18V,24V为18-36V,48V为36-72V,110V为60-160V。交流输入电源一般为220VAC(176-264V)和三相三线(四线),并带有PFC功率因数校正功能。（六）存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 经济性的考虑 ，选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。 输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。 （七）PLC 接地良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制干扰，PLC一般最好单独接地，与其它设备分别使用各自的接地装置，PLC的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近PLC。同时，接地电阻要小于100，接地线的截面应大于mm。另外，PLC的CPU单元必须接地，若使用了I/O扩展单元等，则CPU单元应与它们具有共同的接地体，而且从任一单元的保护接地端到地的电阻都不能大于100。（八）底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 1.5 西门子S7-200系列PLC的基本指令1.5.1 逻辑取及输出线圈指令（LD、LDI、OUT）（一）指令用法LD：取指令，用于常开触点与母线连接。LDI：取反指令，用于常闭触点与母线连接。OUT：线圈驱动指令，用于将逻辑运算的结果驱动一个指定线圈。（二）指令用法说明（1）LD、LDI指令用于将触点接到母线上，操作目标元件为X、Y、M、T、C、S。LD、LDI指令还可与AND、ORB指令配合，用于分支回路的起点。（2）OUT指令的目标元件为Y、M、T、C、S和功能指令线圈。（3）OUT指令可以连续使用若干次，相当于线圈并联。1.5.2 单个触点串联指令（AND、ANI）1.指令用法AND：与指令。用于单个触点的串联，完成逻辑“与”运算，助记符号为AND*，*为触点地址。ANI：与反指令。用于常闭触点的串联，完成逻辑“与非”运算，助记符号为ANI*，*为触点地址。2.指令用法说明（1）AND、ANI指令均用于单个触点的串联，串联触点数目没有限制。该指令可以重复多次使用。指令的目标元件为X、Y、M、T、C、S。（2）OUT指令后，通过触点对其他线圈使用OUT指令称为纵接输出。（3）串联触点的数目和纵接的次数虽然没有限制，但由于图形编程器和打印机功能有限制，因此尽量做到一行不超过10个触点和1个线圈，连续输出总共不超过24行。（4）串联和并联指令是用来描述单个触点与其他触点或触点组成的电路连接关系的。指令名称指令符功能操作数取LD bit读入逻辑行或电路块的第一个常开接点Bit：I，Q，M，SM，T，C，V，S取反LDN bit读入逻辑行或电路块的第一个常闭接点与A bit串联一个常开接点与非AN bit串联一个常闭接点或O bit并联一个常开接点或非ON bit并联一个常闭接点电路块与ALD串联一个电路块无电路块或OLD并联一个电路块输出= bit输出逻辑行的运算结果Bit：Q，M，SM，T，C，V，S置位S bit，N置继电器状态为接通Bit：Q，M，SM，V，S复位R bit，N使继电器复位为断开表 S7-200系列的基本逻辑指令1.5.3 S7-200系列PLC的定时器指令 类型、编号及分辨率1.TON接通延时 2.TONR有记忆接通延时 3.TOF断开延时3种分辨率（时基）：1ms、10ms、100ms分别对应不同的定时器号 定时器6个要素： 指令格式（时基、编号等） 预置值PT 使能IN 复位3种定时器不同 当前值Txxx 定时器状态（位）可由触点显示 定时值=时基预置值PT。由于定时器的计时间隔与程序的扫描周期并不同步，定时器可能在其时基（1ms、10ms、100ms）内任何时间启动，所以，未避免计时时间丢失，一般要求设置PT预置值必须大于最小需要的时间间隔。例如：使用10ms时基定时器实现140ms延时（时间间隔），则PT应设置为15（10ms15=150ms）梯形图LAD语句表功能操作码操作数IN TONPTTxxxTONTxxx PT使能1计数，计数到设定值时（一直计数到32767），定时器位1。使能0复位（定时器位0）。一般用于单一时间间隔的定时IN TOFPTTxxxTOFTxxx PT使能1，定时器位1，计数器复位（清零）。使能由1到0负跳变，计数器开始计数，到设定值时（停止计数），定时器位0。IN TONRPTTxxxTONRTxxx PT使能1，计数器开始计数，计数到设定值时，计数器位1。使能断开，计数器停止计数，计数器位仍为1，使能位再为1时，计数器在原来的计数基础上计数。 S7-200的定时器指令以上三种计数器可以通过复位指令复位。1.6 西门子S7-200系列的编程软件1.6.1 编程准备（一）. 指令集和编辑器的选择写程序之前，用户必须选择指令集和编辑器。在S7-200系列PLC支持的指令集有SIMATIC和IEC1131-3两种。SIMATIC是专为S7-200PLC设计的，专用性强，采用SIMATIC指令编写的程序执行时间短，可以使用LAD、STL、FBD三种编辑器。IEC1131-3指令集是按国际电工委员会（IEC）PLC编程标准提供的指令系统，作为不同PLC厂商的指令标准，集中指令较少。有些SIMATIC所包含的指令，在IEC 1131-3中不是标准指令。IEC1131-3标准指令集适用于不同厂家PLC，可以使用LAD和FBD两种编辑器。本教材主要用SIMATIC编程模式。1单命令“工具”“选项” “一般”标签“编程模式” 选SIMATIC。程序编辑器有LAD、STL、FBD三种。本论文主要用LAD和STL。2择编辑器的方法如下：用菜单命令“检视” LAD或STL。或者菜单命令“工具”“选项” “一般”标签“默认编辑器”。（二）根据PLC类型进行参数检查在PLC和运行STEP7-Micro/WIN的PC连线后，在建立通信或编辑通信设置以前，应根据PLC的类型进行范围检查。必须保证STEP7-Micro/WIN中PLC类型选择与实际PLC类型相符。方法如下：1菜单命令“PLC”“类型” “读取PLC”。2在指令树“项目”名称“类型” “读取PLC”1.6.2 程序的调试和监控在运行STEP 7-Micro/WIN 32编程设备和PLC之间建立通信并向PLC下载程序后，便可运行程序，收集状态进行监控和调试程序。（一）选择工作方式PLC有运行和停止两种工作方式。在不同的工作方式下，PLC进行调试的操作方法不同。 单击工具栏中的“运行”按钮或“停止”按钮可以进入相应的工作方式.（1）选择STOP工作方式在STOP（停止）工作方式中，可以创建和编辑程序，PLC处于半空闲状态：停止用户程序执行；执行输入更新；用户中断条件被禁用。PLC操作系统继续监控PLC，将状态数据传递给STEP 7-Micro/WIN 32，并执行所有的“强制”或“取消强制”命令。当PLC位于STOP（停止）工作方式可以进行下列操作：1 使用图状态或程序状态检视操作数的当前值。（因为程序未执行，这一步骤等同于执行“单次读取”）2 可以使用图状态或程序状态强制数值。使用图状态写入数值。3 写入或强制输出。4 执行有限次扫描，并通过状态图或程序状态观察结果。（2） 选择运行工作方式当PLC位于RUN（运行）工作方式时，不能使用“首次扫描”或“多次扫描”功能。可以在状态图表中写入和强制数值，或使用LAD或FBD程序编辑器强制数值，方法与在STOP（停止）工作方式中强制数值相同。还可以执行下列操作（不能在STOP工作方式使用）：1 使用图状态收集PLC数据值的连续更新。如果希望使用单次更新，图状态必须关闭，才能使用“单次读取”命令。2 使用程序状态收集PLC数据值的连续更新。3 使用RUN工作方式中的“程序编辑”编辑程序，并将改动下载至PLC。2 交通灯控制要求2.1 路况示意图 北 西 东 南2.2 工作要求和过程主要程序要求如下：信号灯受启动开关控制。当启动开关接同时，信号灯系统开始工作，先南、北红灯亮，在东、西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。（1）南、北绿灯和东、西绿灯不能同时亮，如果同时亮则应关闭信号灯系统，并立刻报警。（2）南、北红灯亮维持25s，在南、北红灯亮的同时东.西灯也亮，并维持20s，到20s时，东、西绿灯闪亮，闪亮3s 后熄灭。在动系绿灯熄灭时，东.西黄灯亮，并维持2s。到2s时，东、西黄灯熄灭，东、西红灯亮。同时，南、北红灯熄灭，绿灯亮。（3）东、西红灯亮维持30s，南、北绿灯亮维持25s，然后闪亮3s后熄灭，同时南、北黄灯亮，维持2s后熄灭，这时南、北红灯亮，东、西绿灯亮。（4）上述动作循环进行。注意：要求南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，否则关闭系统，并立刻报警。2.3 根据交通灯示意图模拟控制实验在PLC交通灯模拟模块中，东西南北都有3个控制信号灯，他们分别是： 1， 禁止通行灯 （亮时为红色） 2， 允许通行 （亮时为绿色） 3， 准备禁止通行 （亮时为黄色）所以结合交通灯实际情况可以设计交通灯模拟控制实验：当交通系统起动开关接通时按照工作要求南北向和东西向均设有红灯25秒，绿灯20秒，绿灯闪亮3秒和黄灯2秒。当东西方向的红灯点亮时，南北方向应该依次点亮绿灯，绿灯闪亮，然后黄灯点亮。反之，当南北方向的红灯点亮时，东西方向应该依次点亮绿灯，绿灯闪亮，然后黄灯点亮。当起动开关断开时，所有信号灯都熄灭。3 交通灯控制的设计3.1 顺序图根据第二章交通灯的控制要求可以画出顺序功能图设启动按钮用I0.0表示, 6个工作状态分别用顺序控制继电器位S0.0,S0.1,S0.2,S0.3,S0.4.S0.5表示,分别用T0.T1,T2,T3,T4,T5表示定时器.当I0.0启动按钮得电时,将激活S0.0,进入第一步状态,在该状态南北红灯亮,东西绿灯亮,同时启动定时器T1, T1定时时间到时,转换条件满足,结束S0.0激活S0.1进入下一个工作状态, 在该状态南北红灯亮,东西绿灯闪.同时启动定时器T2, T2定时时间到时,转换条件满足,结束S0.1激活S0.2进入下一个工作状态, 在该状态南北红灯亮,东西黄灯亮,依次激活S0.3,S0.4.S0.5,当定时器T6时间到时再次激活S0.0,不断循环执行.顺序功能图如图3.1所示南北红灯亮东西绿灯闪南北红灯亮东西绿灯亮南北红灯亮东西黄灯亮东西红灯亮南北绿灯亮东西红灯亮南北绿灯闪东西红灯亮南北黄灯亮原始状态S0.0S0.1S0.5S0.2S0.3S0.4南北绿灯亮东西绿灯亮报警并使I0.0失电I0.0T0T1T2T3T4T5交通灯顺序功能图3.2 I/O分配及接线图硬件结构设计了解各个对象的控制要求,分析对象的控制要求,确定输入/输出(I/O)接口的数量,确定所控制参数的精度及类型.如对开关量,模拟量的控制,用户存储器的存储容量等.选择合适的PLC机型及外设,完成PLC的硬件结构配置. 根据上述选型及工作要求,绘制PLC控制交通灯的电路接线图,编制I/O接口功能表,根据信号控制要求,I/O分配及其接线分别如图3.2（1），（2）所示所谓输入/输出接口电路是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件，各输入输出点的通断态用发光二极管（LED）显示，外部接线一般接在PLC的接线端子上。下面先跟据输入/输出接口的数量编制出输入输出分配表：I/O分配表输入输出机内器件报警灯 Q0.0T37 南北红灯 25S南北红灯Q0.1T38 东西红灯 25S启动开关I0.0南北绿灯Q0.2T39 东西绿灯 20S南北黄灯Q0.3T40 东西绿灯闪 3S停止开关I0.1东西红灯Q0.4T41 东西黄灯 2S东西绿灯Q0.5T42 南北绿灯 20S东西黄灯Q0.6T43 南北绿灯闪 3ST44 南北黄灯 2ST3725I0.0 Q0.0 Q0.1 Q0.2I0.1 1L Q0.31M Q0.4 Q0.52L GND+24V L1 NSB1SB2220VPLC交通灯外部分配及接线图3.3 编制程序根据上述I/O分配表编制出程序如下：T38I0.0Q0.0IN TONPT 100ms250ssT38T37IN TONPT 100ms250sT39T37I0.0Q0.0IN TONPT 100ms200sSsST40T39IN TONPT 100ms30T41T40IN TONPT 100ms20T42T37IN TONPT 100ms200T43T423020T44T43IN TONPT 100msIN TONPT 100msQ0.1I0.0Q0.0T37 Q0.4T37 Q0.2T39Q0.1 T40T40 =I1T40T40=I20T41Q0.3T40T42Q0.5T42Q0.4 T43T43=I1T43T43=I20Q0.6T44T43 Q0.0Q0.5Q0.2指令表如下LDI0.0TONT38, 250ANQ0.0LDNQ0.0ANT38AI0.0TONT37, 250AT37LDT37TONT39, 200LDT39LDT40TONT40, 30ANT41LDT40=Q0.3TONT41, 20LDQ0.4LDT37ANT42TONT42, 200=Q0.5LDT42LDT43 =I,I=1TONT43, 30AT43 =I,I=20LDNT37AT43 =I,I=1AT40 =I,I=20AT40 =I,I=30=Q0.23.4 交通灯时序波形图所谓时序图(Sequence Diagram)用来显示对象之间的关系，并强调对象之间消息的时间顺序，同时显示了对象之间的交互。下面就根据交通灯的工作要求画出他的时序波形图.如图3.4 启动开关南北红灯南北绿灯南北黄灯东西红灯东西绿灯东西黄灯交通灯控制时序图3