PLC交通灯控制课程设计.doc

中 州 大 学 工 程 技 术 学 院可编程控制器课程设计设计题目：十字路口交通信号灯的PLC控制专 业： 应用电子技术 班 级： 08应用电子技术 姓 名： 徐慧颖 学 号： 200801132157 指导教师： 甄敬然 目录目录2一摘 要3二Abstract4三正文61PLC的工作原理61.1. 扫描技术61.2 PLC的结构81.3. 中央处理单元(CPU)91.4 存储器111.4.1 PLC 常用的存储器类型1114.2 PLC 存储空间的分配111.5 电源131.6 I/O模块131.7 PLC系统的其它设备141.8 外部设备152PLC在交通灯领域的应用153交通灯的控制要求和状态图173. 1. 控制要求1732. 交通灯状态图184. 硬件电路设计184. 1. I/O通道分配184. 2.十个定时器的通道分配194. 3. PLC外围硬件接线图195. 软件设计205. 1 梯形图2052. 指令22四致谢24五参考资料24一摘 要目前我国许多大中城市的交通压力都非常大。部分交通路口的信号灯工作时间不合理，交通违章或肇事记录不确切。所以，改善与提高现有的交通系统的工作效率，加强交通路口的信号灯控制是非常重要的。本系统主要设计利用PLC来实现十字路口交通灯的控制。达到调节流量，使交通保持顺畅的目的。它弥补了现行交通灯的不足，而且克服了在同一时刻机动车辆和非机动车辆之间的交叉通行的缺点，避免了交通事故，保证了在任一时刻只有一个方向为绿灯，可供车辆通行，使交通更为安全可靠，可避免交通事故的产生。另外特种车辆，如：消防车、救护车、警车、工程抢险车等，在紧急情况之下必须强行通过十字路口时，启用急车强通方式而不至于引起交通事故。程序的设计中，分析控制交通的多种原理，用传统的方法实现难度较大，使用可编程控制器，用步进操作指令简化设计程序，使程序具有良好的可读性、可维护性和可移植性，简单明了，可靠性极高。本系统采用德国西门子的S7-200系列的CPU226做主机，配以扩展模块EM222。设计中采用S7-200编程软件STEP 7 - Micro/WIN3.2进行编程。采用顺序功能图与梯形图相结合的方法设计程序。实现对城市十字路口的合理控制。关键词：PLC控制系统；梯形图；交通灯 二AbstractAt present, traffic pressure in many large and medium-sized cities in China is very great. Some traffic lightss working hours is unreasonable, violation and records of the incident is inaccurate too. Therefore, to improve and enhance the existing transport systems efficiency and strengthen the control of traffic lights and monitoring the security situation is very important. Design using the design of the main PLC to achieve the control of traffic lights at a crossroads. To achieve regulation of the flow, so that the purpose of smooth traffic. It made up for the inadequacy of the existing traffic lights and at the same time overcome the motor vehicle and non-motor vehicle access between the shortcomings of the cross, to avoid traffic accidents, ensure that at any one time in only one direction for the green light for vehicles, so that more safe and reliable transport to prevent the emergence of a traffic accident. Other special vehicles, such as: fire engines, ambulances, police vehicles, emergency vehicles and other works, in an emergency situation must be forced through the crossroads, the opening of the emergency vehicles pass strong manner without causing a traffic accident. Process design, analysis of a wide range of traffic control principles, to achieve with traditional methods difficult, the use of programmable controllers, stepping operation instruction by simplifying the design process, so that the procedure has good readability, maintainability and portability, simplicity, reliability, very high.The system uses the Siemens S7-200 series, so the host CPU226 to make the main engine, matches expands module EM222. In the design uses S7-200 programming software STEP 7 - Micro/WIN3.2 to carry on the programming. Uses methods design procedure which the smooth functional diagram and the trapezoidal chart unify. Realizes to the city intersection reasonable control .Keywords: PLC controlling system；Trapezoidal diagram；Traffic Light三正文1PLC的工作原理PLC的工作原理：电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。 1.1. 扫描技术 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。 (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。1.2 PLC的结构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，如图所示： a. 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。 b、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。 C、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1.3. 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。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1.4 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。1.4.1 PLC 常用的存储器类型 （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)，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。（3） EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。1.4.2 PLC 存储空间的分配虽然各种PLC 的CPU 的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域： (1)系统程序存储区在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，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在EPROM 中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC 的性能。(2)系统RAM 存储区(包括I/O 映象区和系统软设备等) 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。 I/O 映象区，由于PLC 投入运行后只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O 的状态和数据，这些单元称作I/O 映象区，一个开关量I/O 占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/O 占用存储单元中的一个字(16 个bit)， 因此整个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。系统软设备存储区除了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)的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC 断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当PLC 断电时数据被清零1) 逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM 存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器，另外不同的PLC 还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。2) 数据寄存器 与模拟量I/O 一样，每个数据寄存器占用系统RAM 存储区中的一个字(16bits) ，另外PLC 还提供数量不的特殊数据寄存器，具有不同的功能。3) 计时器4) 计数器(3) 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC 其存储容量各不相同。1.5 电源PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得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。1.6 I/O模块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。 1.7 PLC系统的其它设备编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及1.8 外部设备外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类 1.8.1. 编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。 1.8.2.监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。 1.8.3.存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。 1.8.4.入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。 了解了PLC的基本结构，我们在购买程控器时就有了一个基本配置的概念，做到既经济又合理，尽可能发挥PLC所提供的最佳2PLC在交通灯领域的应用可编程控制器简称PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C技术（Computer Control Communication）相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大下面就其在公路交通领域的应用PLC型交通灯控制器现代城市交通日益拥挤，为了保证交通安全，防止交通堵塞，使城市交通井然有序，十字路口的交通在大多数城市已经使用自动控制的交通信号灯来指挥。 交通信号灯的基本作用是：红灯亮时表示车辆禁止通行，绿灯亮时表示可以通行。前几秒，可用黄灯亮来提示驾驶员、行人即将禁止通行。本系统配有显示部分。该系统的显示部分采用倒计时方式表示红绿灯的切换时间，用可编程控制器控制一个十字路口的信号灯，根据交通规则控制东西南北四个方向的黄绿红三色信号灯，以及人行横道信号灯按照一定时间间隔进行控制。要求在每个路口要有时间的数码显示，通行时为绿色数码显示，停止时为红色数码显示。时间显示器的作用是协助红绿灯工作，跟随红绿灯反复是进行切换，使驾驶员、行人能更清楚地知道此时该继续通行或减速，才不会使驾驶员盲目地加速和减速停车而阻碍另一车道车辆或行人的通行，从而也可以提高十字路口车辆及行人流通率，当然也可以减少事故的发生，为交通安全提供保障。 3交通灯的控制要求和状态图3. 1. 控制要求（1）. 系统工作受开关控制，启动开关ON则系统工作；起动开关OFF则系统停止工作。（2）. 控制对象有八个：东西方向红灯两个；南北方向红灯两个，东西方向黄灯两个，南北方向黄灯两个，东西方向绿灯两个，南北方向绿灯两个，东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。（3）、控制规律当起动开关接通时，交通信号灯控制系统则开始工作；先同时使南北红灯，东西红灯亮，南北左转信号灯亮；20秒后，东西红灯灭，东西绿灯亮，南北左转信号灯灭；35秒到时，东西绿灯开始闪烁；3秒后东西绿灯灭，东西黄灯亮；2秒到，东西黄灯灭，东西红灯亮，东西左转信号灯亮；20秒后，东西左转信号灯灭，南北红灯灭，南北绿灯亮；35秒到时，南北绿灯开始闪烁；3秒后南北绿灯灭，南北黄灯亮，2秒到，南北黄灯灭，南北红灯亮，南北左转信号灯亮；20秒后，东西红灯灭，东西绿灯亮，南北左转信号灯灭，则一个周期完成，此后，整个交通灯控制系统就按照以上的时序一个周期又一个周期的循环。当起动开关关断时，交通信号灯系统停止工作。32. 交通灯状态图4. 硬件电路设计4.1. I/O通道分配类型原件端子号作用输出东西红灯东西绿灯东西黄灯东西左转向灯南北红灯南北绿灯南北黄灯南北左转向灯4. 2.十个定时器的通道分配定时器设定值作用TIM00080s南北红灯亮时间TIM00180s东西红灯亮时间TIM00235s东西绿灯亮时间TIM0033s东西绿灯闪烁时间TIM0042s东西黄灯亮时间TIM00520s东西左转向灯亮时间TIM00620s南北左转向灯亮时间TIM00735s南北绿灯亮时间TIM0083s南北绿灯闪烁时间TIM0092s南北黄灯亮时间4. 3. PLC外围硬件接线图 5. 软件设计5.1 梯形图52. 指令步序 指令 注解1 LD 0.00 启动按钮2 AND NOT TIM0093 TIM000 #800 南北红灯定时时间4 TIM001 #800 东西红灯定时时间5 TIM006 #200 南北左转向灯定时时间6 LD TIM0067 TIM002 #