毕业设计（论文）-基于PLC的十字路口交通灯控制系统设计（全套图纸）.pdf

基于基于 s7- 200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 1 设计主要内容及要求 1.1 设计目的： 编程序控制器（PLC）于 20 世纪 60 年代在美国诞生，在我国的发展与应用已有 30 多 年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高工业装备电气 自动化水平的重要设备和强大支柱。因此，PLC 技术已成为电气自动化专业技能型人才必 不可少的重要技能，通过实践，可以帮助学生加深对理论知识消化吸收，提高 PLC 编程技 能。 1.2 基本要求 信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红 灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。 南北红灯亮维持 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，绿灯亮。 东西红灯亮维持 30 秒。南北绿灯亮维持 25 秒，然后闪亮 3 秒后熄灭。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，周而复始。要求完成以下项目： 1、画出交通信号灯时序状态示意图 2、画出交通灯的控制流程图 3、完成可编程控制器 I/O 端口分配和外部接线图 4、完成十字路口交通信号灯 PLC 控制梯形图编程 1.3 发挥部分 自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求： 2.1 设计过程的基本要求 （1）基本部分必须完成，发挥部分可任选； （2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份； （3）报告的电子档需全班统一存盘上交。 2.2 课程设计论文的基本要求 （1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于 4000 字。图纸为 A4，所有插图不允许复印。 （2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设 计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的 参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍） 、小结、参考文献、附录（总体 设计框图与电路原理图）。 3 时间进度安排 顺序 阶段日期 计 划 完 成 内 容 备注 1 2014.9.1 讲解主要设计内容，安排学生查阅资料 打分 2 2014.9.2 检查整个设计总体设计概况 打分 3 2014.9.3 指导学生进行传感器的选择和 plc 应用的注意事项 打分 4 2014.9.4 检查学生核心内容的设计情况 打分 5 2014.9.5 答辩、写报告 打分 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - II 2014- 9- 1 摘要摘要 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采 用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算 等操作的指令，并通过数字或模拟的输入(I)和输出(O)接口，控制各种类型的机械设备或 生产过程。可编程序控制器(PLC)作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，它将传 统的继电器- 接触器控制技术与计算机和通信技术融为一体，在工业自动化，机电一体化以 及传统的工业控制方面，得到了广泛的应用， 发挥着越来越大的作用。已被广泛应用于 机械制造、冶金、化工、能源等各种行业。它可靠性高、功能完善、抗干扰性好，具有结 构简单、 重量轻等优点。 是一种专门用于工业环境及过程控制的数字运算操作的电子系统。 城市交通信号控制是通过对交通流的调节、警告和诱导以达到改善人和货物的安全运输， 提高运营效率。 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。 目前，PLC 已广泛应用于工业控制中，但是在交通控制方面应用方面还不是很广泛。 PLC 应用于交通控制还有很大的潜能，PLC 以其可方便操作、可方便编程调试等特点，使 得其有逐步取代以往的单片机在交通灯中的地位的趋势。 利用德国西门子公司的 S7200 PLC 来实现交通信号灯的自动控制。通过对交通信号 灯的控制要求的分析，结合西门子 S7- 200 的控制性能，通过系统时序图的分析，对交通灯 系统进行了软、硬件设计，实现了十字路口交通灯的合理控制的功能，通过实验证明该方 法设计的系统简单、经济实用、远行可靠，具有很高的实用价值。 关键字：PLC 交通灯控制 设计 调试 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - III 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 4 目录目录 基于基于 s7- 200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 . I 摘要 . II 目录 . 4 1 设计任务描述 . 5 1.2 设计要求设计要求. . 5 1.2.2 基本要求基本要求 . 5 1.2.3 发挥部分发挥部分 . 5 2 设计思路 . 6 3 设计与分析 . 7 3.1 设计框图 . 7 3.2 设计分析 . 7 4 硬件部分 . 9 4.1 PLC I/O 分配 . 9 4.2 系统的硬件结构图. 10 4.3 PLC 的接线形式 . 11 5 软件设计部分 . 12 5.1 梯形图 . 13 5.2 语句表 . 16 6 PLC 概述 . 19 6.1PLC 硬件结构 . 19 6.2 中央处理单元(CPU) . 19 6.3 存储器 . 20 6.4 输入/输出模块 . 21 图图 6.4.1 . 23 图图 6.4.2 . 23 7 元件清单 . 24 小结 . 24 致致 谢谢 . 25 参考文献 . 26 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 5 1 设计任务描述设计任务描述 1.1 设计题目：设计题目：基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设 计 1.2 设计要求设计要求. 1.2.1 设计目的设计目的 可编程控制器是一种数字式的电子装置， 它使用可编程序的存储器来存储指 令，并实现逻辑运算、顺序运算、记数和算术运算等功能。用来对各种机械或生 产过程进行控制。 自 1969 年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最 重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。编程序控制器（PLC）于 20 世纪 60 年代在美国诞生，在我国的发展与应用已有 30 多年的历史，现在它已经广泛 应用于国民经济的各个工业生产领域， 成为提高工业装备电气自动化水平的重要 设备和强大支柱。 因此， PLC 技术已成为电气自动化专业技能型人才必不可少的 重要技能，通过实践，可以帮助学生加深对理论知识消化吸收，提高 PLC 编程 技能。 1.2.2 基本要求基本要求 信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且 先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。 南北红灯亮维持 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，绿 灯亮。 东西红灯亮维持 30 秒。南北绿灯亮维持 25 秒，然后闪亮 3 秒后熄灭。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，周而复始。要求 完成以下项目： 1、画出交通信号灯时序状态示意图 2、画出交通灯的控制流程图 3、完成可编程控制器 I/O 端口分配和外部接线图 4、完成十字路口交通信号灯 PLC 控制梯形图编程 1.2.3 发挥部分发挥部分 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 6 2 设计思路设计思路 按照交通灯系统控制要求下，结合西门子 S7- 200 系列可编程控制器的特性 （见附录）， 选择适合的型号。设计思想分析如下：给一个启动的输入信号，要配合一个 SB1 的按钮，当 SB1 启动按钮动作，系统工作。 首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状 态。 南北方向道路亮红灯状态过程中， 南北红灯亮 25S,需计时器设定延时 25 秒， 才会转入下一状态南北绿灯亮； 同时， 东西方向道路也一起亮绿灯 20S,需计时器 设定延时 20 秒，才会转下一状态东西绿灯闪烁；东西绿灯闪烁 3S，需振荡器或 脉冲源（秒/次）动作使东西绿灯闪烁，还需要计时器设定延时 3 秒，才会转下 一状态东西黄灯亮；东西黄灯亮 2S,需计时器设定延时 2 秒，才会转入下一状态 东西红灯亮。 其次，东西方向道路处于禁止通行的状态，南北方向道路处于允许通行的状 态。 东西方向道路亮红灯状态过程中， 东西红灯亮 30S,需计时器设定延时 30 秒， 才会转入下一状态东西绿灯亮； 同时， 南北方向道路也一起亮绿灯 25S,需计时器 设定延时 25 秒，才会转下一状态南北绿灯闪烁；南北绿灯闪烁 3S，需振荡器或 脉冲源（秒/次）动作使南北绿灯闪烁，还要需计时器设定延时 3 秒，才会转下 一状态南北黄灯亮；南北黄灯亮 2S,需计时器设定延时 2 秒，才会转入下一状态 南北红灯亮。 如此循环下去。 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 7 3 设计与分析设计与分析 3.1 设计框图设计框图 3.2 设计分析设计分析 开始 南北红灯亮，东西绿灯亮 南北红灯亮，东西绿灯闪 南北红灯亮，东西绿灯亮 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，南北绿灯亮 开始 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 8 图图 1 十字路口交通示意图十字路口交通示意图 这 12 个交通灯共有 6 个状态： 南北红灯（1 7）亮 东西绿灯（6 12）亮 南北红灯（1 7）继续亮 东西绿灯（6 12）闪 南北红灯（1 7）继续亮 东西绿灯（5 11）亮 东西红灯（4 10）亮 南北绿灯（3 9）亮 东西红灯（4 10）继续亮 南北绿灯（3 9）闪 东西红灯（1 7） 继续亮 南北绿灯（2 8）亮 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 9 4 硬件部分硬件部分 4.1 PLC I/O 分配分配 交通灯控制系统共有一个输入点：启动按钮。输出信号有东西方向、南北方 向两组指示灯驱动信号以及东西方向、南北方向的车辆运行指示灯驱动信号甲、 乙。由于每一方向的指示灯中，同种颜色的指示灯运行情况相同，为节省输出点 数，采用并联输出法。由此确定，系统所需的输入点数为 1，输出点数为 8，全 部为开关量。PLC IO 点分配如表一所示。 表一 PLC I/O 口分配 输入元件 输入地址 输出元件 输出地址 启动按钮 I0.0 南北红灯 Q0.0 南北黄灯 Q0.1 南北绿灯 Q0.2 东西红灯 Q0.3 东西黄灯 Q0.4 东西绿灯 Q0.5 南北车灯（乙） Q0.6 东西车灯（甲） Q0.7 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 10 4.2 系统的硬件结构图系统的硬件结构图 根据系统对 IO 口量的需求，选用 s7200 来完成设计，系统的硬件结构 如图 2 所示。 PLC 图图 2 系统的硬件结构系统的硬件结构 检测装置 交通灯 计数器 CPU 定时器 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 11 4.3 PLC 的接线形式的接线形式 如图 3 所示 图 3 PLC 接线图 端口 I0.0 为接入系统开关的传送信号，端口 Q0.0 接起报警作用的信号灯，端口 Q0.1 接南北红灯，端口 Q0.2 接东西绿灯，端口 Q0.3 接东西黄灯，端口 Q0.4 接东西黄灯，Q0.5 接南北绿灯，Q0.6 接南北黄灯。 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 12 5 软件设计部分软件设计部分 控制系统的程序可分为两个模块：开始模块和十字路口信号灯控制模块。其 中十字路口信号灯控制模块是主模块。时间设定由定时器(T)完成，通过不同的 定时器的交替触发和定时来控制各个车道每个信号灯的亮灭时间。 时间的设定可 根据实际状况分时设置。根据控制任务要求，运用 step7 一 microwin32 软件设 计交通灯系统的梯形图程序， 如图 4。 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 13 5.1 梯形图梯形图 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 14 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 15 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 16 5.2 语句表语句表 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 17 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 18 5.3 时序图时序图 图 4 十字路口交通灯时序 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 19 6 PLC 概述概述 6.1PLC 硬件结构硬件结构 PLC 实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算 机相同，中央处理单元(CPU)，如下图 2-1 所示。 4- 1 PLC 硬件结构 6.2 中央处理单元中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它PLC系统程序赋予功能接收并存储 从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器状 态，并能诊断用户程序中语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描方式接 收现场各输入装置状态和数据，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，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区 各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停 止运行。 进一步提高 PLC 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表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 20 6.3 存储器存储器 存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户 程序存储器。 1、PLC 常用存储器类型 （1） RAM （Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)， 其存取速度最快，由锂电池支持。 （2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦 除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下 可擦除存储器内容)。 （3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这 是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修 改。 3 2、PLC 存储空间分配 各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括 以下三个区域： （1）系统程序存储区 （2）系统 RAM 存储区（包括 I/O 映象区和系统软设备等） （3）用户程序存储区 4 系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程 序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序 等。由制造厂商将其固化 EPROM 中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了 该 PLC 性能。 系统 RAM 存储区：系统 RAM 存储区包括 I/O 映象区以及各类软设备，如： 逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。 5 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 21 （1）I/O 映象区：PLC 投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态 和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一定数量存 储单元(RAM)以存放 I/O 状态和数据，这些单元称作 I/O 映象区。一个开关量 I/O 占用存储单元中一个位 （bit） ，一个模拟量 I/O 占用存储单元中一个字 （16 个bit） 。整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O 映象区。 （2） 系统软设备存储区 ：I/O 映象区区以外，系统 RAM 存储区还包括 PLC 内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储 区。该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者 PLC 断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当 PLC 断电时，数据被清 零。 用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序时指使用 户根据工程现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。次程序由使用者通 过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序 存放在 EEPROM 中。 6.4 输入输入/输出模块输出模块 输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借 口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关 量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到 PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器 CPU 所处理的信息只能是标 准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成 PLC 能够接受和处理的数字信 号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场 执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机 构。可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟 量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不 同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上 都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于 PLC 内部对信号的处理，这些 模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 22 电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字两 输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块 主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系 统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必 须通过模拟量输入/输出模块与 PLC 的中央处理器连接。模拟量输入模块 A/D 转 换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。现在 标准量程的模拟电压主要是 05 伏和 010 伏两种。另外还有：0somV、0 IV、5+SV、10+10V，010mA 等。模拟量输入模块接收标准量程的模 拟电压或电流猴，把它转换成 8 未、10 未或 12 位的二进制数字信号，送给中央 处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准 量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 23 图 6.4.1 图 6.4.2 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 24 7 元件清单元件清单 小结小结 PLC课程结束了， 又到了课程设计的时候， 我们组分到了： 基于S7- 200 PLC 的十字路口交通信号灯的系统设计 面对这个题目根据老师课堂讲的内容很快就确定了设计的方向， 并与同学们 名称 型号 数量 备注 计算机 1 可编程控制器 S7- 200 1 西门子 数据线 1 STEP7-Micro/WIN 1 基于基于 s7-200 plc 的十字路口交通信号灯控制系统设计的十字路口交通信号灯控制系统设计 - - 25 的合作解决遇到的问题。通过这次设计，我意识到了 PLC 编程技术在现实中的 广泛应用，并了解到自己学习中的不足之处，看到了理论与实践的差距。 通过一周的 PLC 设计实践。我学会了 PLC 的基本编程方法，对 PLC 的 工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工 程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节 不加重视，当我们把自己想出来的程序与到 PLC 中的时候，问题出现了，不是 不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出 现的问题，我们对 PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。 通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高