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基于 plc 信号灯 基础 控制 节制

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基于PLC的红绿灯基础控制摘要：

可编程序控制器（PLC）在自动化控制系统中不可替代的位置，被各行各业广泛使用。随着科学技术的进步和市场的需求，可编程控制器在向高性能、小体积、大容量、信息化等方向发展。可编程序控制器（PLC）具有小型化、价格低、可靠性高等特点，使得在现代工业中的应用更加突出。交通信号灯控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本设计采用西门子S7-200的可编程控制器控制交通信号灯，同时说明可编程控制器硬件、软件的设计。解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。

关键词：PLC  交通信号灯  西门子

内容简介：

学院 毕业设计（论文）任务书 学 院 机械学院 专 业 班 级 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 学号 1 设计题 目 基于 PLC 的红绿信号灯基础控制 起 迄 日 期 2015.1.15 2015.5.19 设计 (论文 )地 点 晋中学院 指 导 教 师 职 称 高级工程师 院 长 职 称 副教授 发任务书日期 : 2015 年 1 月 14 日 nts 机械学院 毕业设计（论文）任务 书 毕业设计（论文）题目： 基于 PLC 的红绿信号灯基础控制 毕业设计（论文）要求及原 始数据（资料）： 要求 ： 1.根据原始数据和有关资料，进行文献检索、调查研究工作； 2.综合应用所学基础理论和专业知识，制定最佳设计方案； 3.设计内容要求方案合理，各种参数处理、选取得当，计算正确； 4.设计图纸要求布局合理，正确清晰，符合国家制图标准及有关规定； 5.毕业设计说明书要求内容完整、层次清晰、文理通顺，具体按照晋中学院毕业论文规范撰写； 6.通过毕业设计，掌握 PLC 硬件结构及程序设计原理，能够采用 PLC 进行编程完成逻辑控制，并能够对外部信号进行分类处理 ； 7.结合本课题涉及技术内容查阅并翻译 5000 8000 印刷字符的 PLC 或自动化控制英文资料； 8.独立按时完成毕业设计所承担的各项任务，杜绝抄袭。 原始数据（资料） ： 十字路口信号灯逻辑调研， 信号灯驱动设计， PLC 数据手册 ， PLC 编程手册 。 毕业设计（论文）主要内容： 1. 信号灯逻辑功能说明 ； 2. 信号灯驱动线路分析及选型理由 ； 3. 分析 PLC 程序执行机制及处理方式，完成相应程序设计 ； 4. PLC 性能及选型，采用最优控制模式进行逻辑处理，并比较不同模式方法的优缺点及功能扩展的可行性； 5. 结合本课题涉及技术内容查阅并翻译 5000 8000印刷字符的 PLC或自动化控制英文资料； 6.编写设计说明书。 nts 学生应交出的设计文件（论文）： 1. PLC 控制原理图，软件流程图，梯形图； 2. 信号灯驱动线路原理图及原理分析； 3. 毕业设计说明书。 主要参考文献（资料）： 1 廖常初 PLC 基础及应用北京：机械工业出版社， 2003 2 郭宗仁可编程控制器应用系统设计及通信网络技术北京：人民邮电出版社， 2002 3 王也仿可编程控制器应用技术北京：机械工业出版社， 2003 4 王永华现代电气及可编程控制技术 北京：航空航天大学出版社， 2002 5 郭新年交通信号灯的 PLC 控制攀枝花学院学报， 2003， 6 冯冬青，谢宋和模糊智能控制北京：化工工业出版社， 1998 7 陈伯时电力拖动自动控制系统北京：机械工业出版社， 2000 8 徐明铭城市十字路口交通灯控制系统的 PLC 程序设计福建电脑， 2007， 9 张君霞基于常规交通灯控制 PLC 的时间顺序控制编程方法工业控制计算机， 2005 10 童克波用 PLC 控制有时间显示的交通灯电路甘肃科技纵横， 2007 11 吴舰 基于 PLC 技术的交通信号灯控制与设计商场现代化， 2005， 专 业 班 级 学 生 nts 指 导 教 师 签 字 日期 教 研 室 主 任 签 字 日期 nts 机械学院 毕业设计（论文）开题报告 毕业设计（论文）题目 : 基于 PLC 的红绿信号灯基础控制 学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 姓 名 : 专 业： 机械设计制造及其自动化 2014 年 2 月 20 日 nts 1. 课题名称 ： 基于 PLC的红绿灯控制 2.课题研究背景： 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，因此，自 80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法， 最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。 3.课题研究意义： 我国 各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，北京、上海、广州三大城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。从我国目前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通系统发展不足，快速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调现象。 缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉，到 2010年 ，北京将投资 500亿元用于城市道路建设，到 2005年，北京仅高速公路通车里程就达到 600公里。但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵 修路 再拥堵”的怪圈。 因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围，充分发挥各种交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统的效率。当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与 计算机 密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发 展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。本 设计 给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的 PLC 设计方案。 用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能nts够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力，减少交通事故有明显效果。 4.文献 查阅、资料收集 概况 1 廖常初 PLC 基础及应用北京：机械工业出版社， 2003 2 郭宗仁可编程控制器应用系统设计及通信网络技术北京：人民邮电出版社， 2002 3 王也仿可编程控制器应用技术北京：机械工业出版社， 2003 4 王永华现代电气及可编程控制技术北京：航空航天大学出版社， 2002 5 郭新年交通信号灯的 PLC 控制攀枝花学院学报， 2003， 6 冯冬青，谢宋和模糊智能控制北京：化工工业出版社， 1998 7 陈伯时电力拖动自动控制系统北京：机械工业出版社， 2000 8 徐明铭城市十字路口交通灯控制系统的 PLC 程序设计福建电脑， 2007， 5.设计 （论文）的 主要内容 （ 1)根据原始数据和有关资料，进行文献检索、调查 研究工作； (2)综合应用所学基础理论和专业知识，制定最佳设计方案； (3)设计内容要求方案合理，各种参数处理、选取得当，计算正确； (4)设计图纸要求布局合理，正确清晰，符合国家制图标准及有关规定； (5)毕业设计说明书要求内容完整、层次清晰、文理通顺，具体按照晋中学院毕业论文规范撰写； (6)通过毕业设计，掌握变频器调速控制方法及采用 PLC 进行分段速度控制的硬件设计与软件编程； (7).结合本课题涉及技术内容查阅并翻译 5000 8000 印刷字符的 PLC 或自 动化控制英文资料； 6.设计 （论文）提交 形式 1. PLC 控制原理图，软件流程图，梯形图； 2. 信号灯驱动线路原理图及原理分析； 3. 毕业设计说明书。 7.进度 安排 第一周：认真细读设计任务书，查阅文献、收集资料、翻译英文资料； 第二周：认真准备撰写开题报告及制作开题报告 PPT nts 第三周：认真准备开题报告答辩、英文翻译答辩； 第四周：认真进行学校安排的毕业实习任务，实习期间学习关于 PLC 的基础知识和工作原理； 第五周：查阅关于西门子 S7-200 PLC 的相关资料，学习并了解 S7-200 PLC 的工作原理和编程指令； 第六周：查阅大量关于 PLC 控制系统的学术论文和相关文献； 第七周：查阅关于 PLC 编程软件的相关书籍，了解并掌握编程的相关知识； 第八周：学习关于控制电路电气原理图和 PLC 控制梯形图的相关知识； 第九周：确定控制系统的总体设计方案，编写程序； 第十周：绘制控制电路电气原理图，撰写毕业设计说明书初稿； 第十一周：绘制 PLC 控制梯形图，在一稿的基础上撰写毕业设计说明书二稿； 第十二周：对设计程序进行测试、调试仿真和调整修改并对程 序运行原理进行说明，对设计说明书进行调整修改； 第十三周 : 对毕业设计说明定稿，形成毕业设计全部文件，准备答辩； 第十四周 : 毕业答辩 8. 指导教师意见 签名： 年 月 日 nts nts 学 院 本科毕业设计 题 目 基于 PLC 的红绿信号灯基础控制 院 系 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 学 号 11 学习年限 2011 年 09 月至 2015 年 7 月 指导教师 职称 高级工程师 申请学位 工学 学士学位 2015年 4 月 25 日 nts 基于 PLC 的红绿灯基础控制 学生姓名 : 指导教师： 摘要 ： 可编程序控制器 （ PLC） 在 自动化控制系统中不可替代的位置，被各行各业广泛使用。随着科学技术的进步和市场的需求 ，可编程控制器 在向高性能、小体积、大容量、信息化等方向发展。 可编程序控制器 （ PLC）具有 小型化、价格低、可靠性高 等特点，使得 在现代工业中的应用更加突出。 交通信号灯 控制采用的可编程制器具有可靠性高、维护方便，用法简单、通用性强等特点，本 设计采用西门子 S7-200的可编程控制器控制 交通 信号灯 ，同时 说明可编程控制器硬件、软件的设计。 解决好公路交通灯控制问题将是保障交通有序、安全、快捷运行的重要环节。 关键词： PLC 交通信号灯 西门子 ntsPLC-Based Control Based on Traffic Lights Authors Name: Tutor: ABSTRACT: In the automation and control systems irreplaceable position programmable logic controller (PLC), is widely used in all walks of life. With the demand for scientific and technological progress and market development to the PLC in high performance, small size, large capacity, information such as the direction. Programmable Logic Controller (PLC) with a small size, low price, high reliability, makes the application in modern industry become more prominent. Traffic signal control system using a programmable device with high reliability, easy maintenance, are easy to use, versatile features, the design uses the Siemens S7-200 programmable controller to control traffic lights, at the same time explain the programmable controller hardware, design software. Solve the problem of road traffic light control will be an important part security. KEYWORDS: PLC Siemens Traffic lights nts目 录 1 引言 . 3 1.1 研究的背景 . 3 1.2 课题研究意义 . 4 1.3 PLC 的概述 . 4 2 系统总体设计 . 7 2.1 控制要求 . 7 2.2 系统设计方案分析 . 7 2.3 交通灯状态图 . 8 3 硬件设计 . 9 3.1 I/O 端口的估算 . 9 3.2 硬件设计 PLC选型及其资源配置 . 9 3.3 元器件的选型 . 10 4 软件设计 . 18 4.1 控制系统 PLC程序流程 . 18 4.2 PLC 的 I/O 资源配置 . 19 4.3 信号灯的驱动线路原理图 . 19 4.4 程序梯形图设计说明 . 20 4.5 本次设计语句表 . 23 4.6 时序图 . 26 总结和致谢 . 28 参考文献 . 29 nts附录 . 30 nts 1 引言 1.1 研究的背景 随着社会的不断发展， 交通量的增加， 城市交通问题与人们的生活息息相关，一个好的的交通对人们的生活有很重要的意义。处理好人与车之间的关系，已经成为交通管理部门亟待解决的问题之 一。 根据交通部门调查研究的最新数据显示 ， 我国的机动车数量发展十分迅速 ， 到2011年底为止 ， 中国现有机动车数量已超两亿 ,其中汽车 数量已超一亿 ； 同时全国驾驶员数量也过两亿 。 近十年以来 ， 我国机动车数量还在快速的增长 ,据有关单位调查机动车每年都会增加 1591 万辆， 仅 2011年 一年机动车的数量就 增加 1773 了 万辆。 机动车现有数量在全国各城市是不同的，其中 山东、河南、河北、四川、安徽等 8个 中部省份 的 现有 机动车保有量 已经 超过 1000万辆，山东、广东 现有机动车的数量甚至 超过了两千 万。 其中， 广东、山东、四川等 几个省 的机动车 数量仅在 2011 年， 一年数量就增加了 100万 ,中国有超过 20个城市的 现有机动车数量 超过 了 100万辆，其中，北京、成都、杭州等 7个城市 的机动车现有数量都 超过 200万辆。 有关部门的调查显示 ， 仅在 2011年， 中国 的 汽车 数量就增加超过了一千 万辆 ， 截止 2011年底，中国 汽车 现有数量 超过 1亿辆。汽车 的数量第一次超过了 摩托车 数量 ，这说明中国机动车行业的结构正在由摩托车向汽车转变 。 据估计，中国有超过十个 城市的汽车 数量 超过 了 100万辆 ,有的城市机动车数量甚至接近五百万 万辆。 在北京，私家车、微型客车的数量得到了迅猛增长 ， 现有 数量超过了 6100万辆。近五年 来 ， 我国驾驶员的数量每年平均会 增加 近两千万 人，目前， 据不完全统计，现有 机动车驾驶人数超过 了两 亿，其中，驾龄不满 1年的新驾驶 员占到全国驾驶员总人数的五分之一。 面对机动车辆如此迅猛的增加，全国各大城市甚至是一些中小城市都出现了交通超负荷的状况，因此，改革开放以来，许多城市都修建或扩展了原来的交通道路，在交通道路完成的初期，确实有效地改善了当时的交通状况。然而，面对交通量的迅速增和人们对交通道路的认识和管理不足，道路的扩展并没有充分发挥出人们所预期的效果。城市机动车量与交通道路的保 有量都决定了，单单靠交通道路的发展是不能有效的解决道路交通问题的，所以，采用合适的方法，来改善城市及周边地区的交通状况，势在必行。 nts 1.2 课题研究意义： 先如今我国各大城市，甚至是一些中、小城市都存在着不同程度的交通问题 ， 从我国道路建设情况来看， 我国城市 的道路面积一直存在着严重的不足 ， 虽然近几十年我国在道路建设方面有了大幅的增加，但对于现在的交通状况来说，现在的道路面积还是远远不够 。 尽管增长 的速度与幅度都是很大的 ， 但 仍 远远赶不上每年机动车的增长速度，据有关部门，调查显示，在当今中国人口超过百 万的城市，其中有超过三十个城市的道路面积低于全国其它城市的平均水平。 为什么在 公路 建设 如此迅速的今天 ， 交通压力还如此的不乐观呢？根据调查发现，导致这一问题最 直接原因 来源与 道路面积 的 严重不足。首先， 当今中国人口超过百万的 城市的人均 可修建 道路面积 还不到发达国家人均道路面积 的 1/3.其次， 随着我国经济的迅猛发展，我国各大城市的发展正在由市中心区域向市郊区发展，也就是说近五年来，我国道路面积的增加，增加的面积主要在新发展的郊区地带， 再 者，我国各大城市的住宅区的修建，都靠近市中心区域，这也迫使中心区域的人口增 加，给城市交通带来了很大的压力，使城市道路的负载增加， 此外， 我国经济的迅速发展，使得我们的城市也迅速得到了发展，但同时对于城市的管理，却没有得到相应的发展。在各大城市都存在占用城市道路和人行道的问题，但这样的问题一直没有解决，使得城市新建的交通道路，往往被小商小贩 和停车场 等占用 ，使 原本就不够用的城市道路负载更大 。 因此， 想要通过道路建设来改善，交通状况是一件很难的事情，必须清醒的认识各种交通工具的使用的优缺点，使其充分发挥各自的优点，有了合理的分工，才能使整个交通的效率最大化。 本设计给出了 一种 结构简单，性能稳定的用 实用的 PLC实现对红绿灯控制的 设计方案。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统， 实践 证明该系统 具有安装方便，操作简单，成本低的特点，同时对提高城市交通能力有明显效果。目前被广泛应用在交通设施中。 1.3 PLC 的概述 1.3.1 可编程控制器的定义 可编程控制器 （ PLC） 是 由于工业环境对 顺序逻辑控制的 需求产生的 ， 专门用于工业环境且包含了数字预运算操作的电子产品。 国际电工委员会（ IEC）在 1987年颁布nts的草案 中 对可编程控制器 （ PLC） 做了定义：“可编程控制器 （ PLC） 是一 种 具有 数字运算操作 功能的电子产品，专为工业环境下的应用而生。 它 具有能够 可编程序的存储器， 能够在其内部实现 逻辑运算、定时、计数和算术运算等 一系列操作的 指令。 还可以通过数字式和 模拟式 的输入、输出， 来 实现对多各种类型机械的控制 。 1.3.2 可编程控制器的结构 PLC本质上是为工业控制而生的一种计算机，其硬件结构与计算机是极其相似的。 1.CPU是 PLC中 的核心部分 ， 主要分为两部分，分别是 控制接口电路和微处理器。纵向来说，工作人员 将程序从 PLC输入端输入到用户程序的存储器 ，系统程序存储器将 给出一定的解释，同 时 CPU根据其独特的功能，根据上述解释来 完成 编译程序， 同时能够把用户自己编写的程序 翻译成 PLC能识别 的用户编译程序。 从 横向来说，输入端接口接受 到 现场的状态和数据， CPU把接收到的状态和数据存入输入 映像寄存器。再由 CPU把数据和程序根据 一定 原则结合起来，把 CPU处理过的数据 存入 到 输出映像寄存器，最后输出接口接收到信号继续控制外部设备。 CPU的控制接口电路 与 微处理器的电路都集成在 同 一芯片上。 可编程控制器 通过数据总线 与 地址总线 以及 I/O接口电路连接 在一起 。 2.存储器是一个半导体 的 电路， 同时 具有一定的记忆 功能 。 存储器分为两种一种是 系统程序存储器 ，另一种是 用户存储器。其中 的 系统程序存储器是只能读取信息 却不能记录信息的存储器，用来 存储 生产厂家 自己 编写的 相关 系统程序，用户不可 轻易访问和 更 改，断电后信息不会丢失。主要包括管理程序、监控程序和对用户指令解释编译程序。用户存储器有三种，分别为用户程序存储区、数据区和系统区。用户存储器 是不仅能 读取信息 还 能记录信息的存储器， 一般都 是用户使用的，断电后信息会丢失。所以需要大电容或备用电池为 其 供电，用户存储器 一般使用 高效的锂电池作为备用 的 电源 ，锂电池的使用寿命较长，一般能达到三 到五年。 3.输入 /输出单元 光电耦合器 通过 发光二极管与光电三极管 组合而 成的， 其主要 作用是 将 外部电路与 PLC两者 隔离开来。 变化的电信号从 光电耦合器的输入端 加入后 ，发光二极管发出特定的 光信号，光信号随着输入信号的变化而变化。光信号的照射作用会使得光电三极管导通，光信号越强，导通程度越强，而光信号越弱，导通程度越差。光电耦合器工作在 线性工作区 时 ，输出信号 与 输入信号 之间 成正比例变化。 输入单元工作原理，当工作人员接通电路时，二极管 通电响应 ， 同时 三极管 受 二极管的作 用发生响应 ， 最后 向中央处理器 （ CPU） 送入 电 信号 。而当工作人员切断电路nts时，二极管不会做出反应，三极管不会反应，也向中央处理器送入其相应的信号。总之就是通过输入单元将工作人员的动作信号转化成为 PLC中央处理器所能识别的二进制信号。 输出单元工作原理，当 可编程控制器的 中央处理器输出信号 1时，产生 电信号 ，使 继电器做出相应反应，继电器常闭触点 断开或常开触点闭合 ， 使得电路产生电压和电流的变化 ，使负载产生反应。当 PLC中央处理器输出二进制信号 0 时，则不会产生电流，且继电器不会做出相应的反应，这时继电器常开触点恢复切断，也使负载失去电压和电流。总之就是通过输出单元把 PLC中央处理器的二进制信号作用在负载上。 输出单元主要有三种类型 : 继电器输出的特点是 抵抗较大的干扰 ， 带动较大的负载 ， 但同时 响应 时间 慢，可使用交流电源也可使用直流电源。 晶体管输出的特点是可以放大功率，响应时间短即响应速度快，负载能力小，只能用直流电源。 晶闸管输出的特点是能放大功率，响应时间较短，负载能力较强，只能用交流电源。 4.编程器是 PLC 提供给 用户 用以完成 程序编制、编辑、监视和调试的外部设备。编程器 主要分为两 类 ， 第一类 是手持编程器， 其 主要 特征是使用 方便。手持编程器 主要在实验室里运用的较多 。 另一 类 是 由于 PLC 的 RS232端口与计算机相连， 我们用NSTP-GR软件或者 WINDOWS 软件 ，敲击键盘编制好程序，最后输入到 PLC的内部。 5.电源单元主要作用是将外部 供给可编程控制器 电源 转 换为 PLC 系统内部各单元所 能使用 的电源。与普通电源比较而言，这种电源输入的电压范围宽、抗干扰能力强、稳定性好、重量轻、体积小。有的电源单元还能向外提供 24VDC的稳压电源，用来对外部传感器供电。这样就能避免由于电源污染或者使用不合格的电源产品引起的故障，从而使系统的可靠性提高。 1.3.3 可编程控制器的工作 原理 PLC主要采用 了 “顺序扫描，不断循环”的工作方式 1.内部处理阶段，在 这个 阶段， PLC主要 检查 CPU模块的 相关 硬件是否正常， 清除内部继电器区， 使 监视定时器 处于复位状态 。 2.通信服务阶段， 可编程控制器 与 内部 智能模块 建立 通信 、 同时 响应 编程器 输入的相关程序 ， 同时使 编程器的显示内容 得以更新 ， 假设可编程控制器 处于 OFF状态，ntsPLC只能进行 程序 内容处理和通信操作。 如果输入端口 不能输入数据 或者程序 已经开始 执行时， 即使在输入端有新的数据 ， 也不能被 CPU读入。只有 等到 CPU对程序进行下一次扫描时 当程序， 输入端输入 的数据才能被读入 。 3.输入处理阶段，输入处理 阶段，同时 也 被 称为 输入采样 阶段 。在 输入采样 阶段系统 按照一定 顺序读取输入端子的状态， 然后 将所读取的 端子通断的 信息存 入 到输入映像 寄存器中， 与此同时， 输入映像寄存器 的数据 被刷新。 4.程序处理阶段， 可编程控制器会 按 照 先上后下，先左后右的 顺 序，对 用户编写好的 程序梯形图 的每条指令 扫描 ，并且还会对 输入映像寄存器中的 数据， 进行 一定的逻辑运算， 再将逻辑运算的数据或者状态， 存入 到 特定的输出 映像寄存器中。 在程序执行阶段 遇到程序 的 跳转指令， 若满足 跳转条件 ，程序执行跳转命了跳到相应的地 址，反之，不能满足跳转条件，程序不会执行。 5.输出刷新阶段， 可编程控制器执行完用户所编写的程序后 ， 把 所有输出 映像 寄存器中的 通断 状态， 在输出刷新阶段 转存 入 输出锁存器中， 直到下一次的输出刷新阶段开始，输出锁存器里面的状态都是不变的， 最后 根据输出锁存器里面的数据实现对外部的设备的控制。 可编程控制器 周而复始的巡回扫描 工作 ，执行上述 的 整个过程，直到停机。 2 系统总体设计 2.1 控制要求 本次设计信号灯的 控制要求如下： 1 交通 信号灯 的 起动 由 开关（ SB1）控制，当 开关闭合 时， 信号灯控制系统开始工作。 2 交通灯按如下顺序循环点亮： 南北 红 灯亮 （ 30s） 东西 绿 灯亮 （ 23s） 东西绿灯闪（ 2s） 东西 黄 灯亮 （ 5s） 东西 红 灯亮 （ 30s） 南北绿灯亮 （ 23s） 南北绿灯闪（ 2s） 南北黄灯亮 （ 5s） 南北 红 灯亮 （ 30s）。 3 周而复始。 2.2 系统设计方案分析 根据本次设计的控制要求， 结合 对 西门子 S7-200系列可编程控制器的 认识 ，选择适合 本次设计 的 PLC 型号。设计思 路 如下 所示 ：给 定 一个启动 开关，启动开关给出一nts个 输入信号， 控制系统得到信号后，交通信号灯控制 系统 运行 。 根据本次设计的 控制要求， 我们 将 信号灯的 控制过程 分为六步 ， 第一步南北红灯，东西绿灯同时亮；第二步，南北红灯亮，东西绿灯闪烁；第三步，南北红灯亮，东西黄灯亮；第四步，东西红灯亮，南北绿灯亮；第五步，东西红灯亮，南北绿灯闪烁；第六步，东西红灯亮，南北黄灯亮；编好的 程序 使得信号灯一步一步发生 跳转。 通过可编程控制器 可 使用 多种方案实现 设计所要求的 跳转， 本次设计 ，我们用传送指令与时间继电器 的 结合来控制程序的 跳 转。 通过脉冲来实现绿灯的闪烁。 首先， 电路接通电源 后，按下启动 开关 SB1， I0.0动作， 同时 通电延时时间继电器 T37和 T39得电 ， Q0.1和 Q0.5接通，南北红灯和东西 绿 灯 同时 亮， 23s后， T37常开触点闭合， 接通一个 0.4s的脉冲 ,实现绿灯闪烁 2s， 25s后 ,T38常闭触电断开， Q0.5断开，东西 绿 灯 灭 。 同时 时间继电器 T38， Q0.6接通 ， 东西 黄 灯亮 ， 延时 5s后， T38常开触点闭合，东西 黄 灯灭 ； T39常开触点闭合，南北红灯 灭；同时 启动通电延时时间继电器 T40和 T41， Q0.4和 Q0.2接通， 东西 红灯和 南北绿 灯亮， 53s后， T42常开触点闭合， 接通一个 0.4s的脉冲，实现绿灯 2s 闪烁， 55s后， T43常闭触点断开， Q0.2断开， 南北绿 灯 灭 。 同时 时间继电器 T42， Q0.3接通 ，南北黄 灯亮 ， 延时 5s后， T44常 闭 触点 断开 ，东西 黄 灯灭 ，同时 开始下一轮循环。 当南北红灯和东西红灯同时亮，或者南北绿灯和东西绿灯同时亮以及南北黄灯与东西黄灯同时亮，警示灯 Q0.0亮。 按照 本次设计 控制要求， 需要一个信号输入， 七 个信号输出，十字路口有十二个交通信号灯，南北、东西两个 设 为一组 ， 用 同 一个输出信号控制。 例外还有一个警示灯，单独用一个输出信号控制。 通过如下的十字路口交通灯状态分析表、 主流程图、使得对 交通灯控制系统设计思路 变得清晰起来 。 2.3 交通灯状态图 十字路口交通灯如下图 2-1所示，将 12个交通灯进行编号 nts 图 2-1 十字路口交通灯状态图 这 12个交通灯共有 六 个状态： 状态 1：南北红灯（ 1、 7）亮，东西绿灯（ 6、 12）亮； 状态 2： 南北红灯（ 1、 7）亮 东西绿灯 (6、 12）闪； 状态 3：南北红灯（ 1、 7）亮，东西黄灯（ 5、 11）亮； 状态 4：南北绿灯（ 3、 9）亮，东西红灯（ 4、 10）亮； 状态 4：南北绿灯（ 3、 9） 闪 ，东西红灯（ 4、 10）亮； 状态 6：南北黄灯（ 2、 8）亮，东西红灯（ 4、 10） 亮。 3 硬件设计 3.1 I/O 端口的估算 启动按钮一个输入端口，南北红灯一个输出端口，南北绿灯一个输出端口，南北黄灯一个输出端口，东西红灯一个输出端口，东西绿灯一个输出端口，东西黄灯一个输出端口，警示灯一个输出端口，共计一个输入，七个输出。 3.2 硬件设计 PLC 选型及其资源配置 3.2.1 PLC 选型 根据上述的计算结果，我选择 CPU224这个型号的 CPU,具体技术参数如表 3-1。 表 3-1 CPU224 的技术参数 nts 技术参数 说明 本机数字输入 14 路数字量输入 本机数字输出 10路数字量输出 高速计数器（ 32 位值） 6个高速计算器 脉冲输出 2个， 20kHz脉冲速率 模拟电位器 1个， 8位分辨率 3.3 元器件的选型 3.3.1 红绿灯的选取 红绿灯 通常 又称 为交通信号灯 ， 在规定的时间内变化灯色 ， 一般应用于十字路口 ，用来指导行人与车辆的通行，是一种常用的交通设施。是一种以电力为动力的交通设施 ， 有 红、 黄、绿 三 种等 色灯 或 音响作为辅助 ， 用以指导车辆行人，按正确的交通交通规则在十字路口行驶 。 红绿灯发展的早期 只有红、绿两种颜色，后来经过 发展与 改良后，增加了黄 颜色 ，红灯表示 禁止通行 ，黄灯表示 观察等待 ，绿灯则表示 可以 通行。 信号灯 之所以采用 红、黄 、绿 这三种颜色，一方面是 因为这三种颜色为 色，其他 任何一种 颜色 都是这三种调处来的 ，另一方面，用这 三种颜色作为信号灯颜色与人的视觉结构和心理反应也很重要的关系。 人 类 的视网膜含有 两种细胞，分别是 杆状 细胞、 三种锥状感光细胞， 科学研究发现， 杆状细胞 对 黄色 情有独钟，对人类的视神经有很大刺激 ，三种 锥状细胞 ，经研究发现对红色，绿色，蓝色，会强烈刺激人类的视网膜 。由于 人类这种独特的 视觉结构，使人类对红色与绿色最敏感。 虽然黄色与蓝色 都会对人类的视网神经有较强的刺激 ，但因为 人类 眼球对 蓝颜色 敏感的感 光细胞 数目较少 ， 所以红绿灯的分辨颜色设为红色与绿色最为合适。 红绿信号灯选取的相关要求： （ 1）设计 标准：符合 GB14887-2011标准。 （ 2）外观设计：红绿灯外观是依据 LED光源的特征所特别设计，结构为超薄型，外形简单大方，工艺特性简洁精致，可用于多种方式的组合中。 （ 3） 透光设计： 透光镜 片 采用了斜面设计 ，积尘 不会积压 。 （ 4） 外壳材料： 信号灯的材料要选取要 具有防尘 性好 、防水 性强 、阻燃 能力好 、抗老nts化 的 特点，使用寿命长。 （ 5） 光源：光源 一律采用 超高亮度 的 LED灯。 我们根据以上要求选取了深圳市安邦交通设备有限公司的型号为 JD120-3-15 的红绿灯其参数如下表 表 3-2 JD120-3-15 红绿灯主要参数 红绿灯型号 额定电压 额定功率 中心光强度 JD120-3-15 220V 15W 400cd 3.3.2 中间继电器选择 中间继电器 我们一般用来在电气控制电路做继电保护，还可以运用于 自动控制系统 中， 用以 增加触点的数量 。还经常在 控制电路中 被使用，用来 传递中间信号。中间继电器 与交流接触器的基本 结构 和原理 基本相同， 但是它们还是有差异的，交流接触器的触点，即使通过较大的电流，也能够正常使用。而中间继电器不能通过大的电流，由于它们的特性不一样，所以使用场合也不一样。中间继电器一般运用在 控制电路中。中间继电器 内部是没有主触点的 ， 正是因为如此，所以中间继电器的 过载能力比较小，它的触点只能作为辅助触点，但数量比较多。中间继电器在新国标中的符号是 K， 在老国标 中的符号 是 KA。 中间继电器 一般 采用 直流电源 供电， 只有极其 少数 的 使用交流电源 供电。 中间继电器的结构与原理 （ 1）中间继电器其内部有一个 U 型的磁铁 ， 把衔铁，安装在磁铁上，衔铁是能够活动的， 两排 带 触点 弹簧 片 安装在衔铁的两端 。在 不带电的 状态下触点 弹簧 片将衔铁向上托起，衔铁与导 磁体 留有一定的间隙 。当气隙间的电磁力超过 弹簧的 反作用力时，磁体 把衔铁吸起 ， 这时通过 衔铁 ，将磁力转换为压力，压在带触点的弹簧片 ，常闭触点 发生动作，断开，同时， 常开触点 发生动作， 闭合 ，中间 继电器 完成整个 工作 过程 。当线圈不得电时，电磁力消失，此时弹簧的弹力大于电磁力，弹簧片动作，衔铁回到原来的位置 。 （ 2） 中间 继电器的磁体 是 双铁心 式的 ， 这样可以在两个边柱，各装一个线圈 。 不是任何类型的中间继电器都是两个线圈，如 DZY 型 中间继电器，就 只 有一个 线圈 。 中间继电器的选型 （ 1） 地理位置气候作用要素 主要指 在选取中间继电器时， 要考虑到继电器所处位置的 海拔高度、 工作 环境温度、 空气 湿度、和 电磁干扰 等 基本 要素。考虑 继电器在 控制系统 中能够 普遍适用， 同nts时保证继电器具有较高的使用寿命 ，装置 的 关键部位 必须具有 较 高 的 绝缘 性能 、 较 强的 抗电性能 ，同时有很好的 全密封型中间继电器产品。 中间继电器具有良好的 全 密封性才能在恶劣的环境中保持良好的性能，使点接触稳定，具有很好的稳定性。 （ 2） 机械 作用要素 主要指 中间继电器在机械 振动、 机械 冲击、 机械 碰撞 等外 应力 下，继电器在控制系统中是否能保持良好的性能。对于工作环境可能遭受到机械作用的控制系统，选用带有 平衡衔铁机构的小型中间继电器。 （ 3） 激励线圈输入参量要素 主要是指过激励、欠激励、低压激励与高压（ 220 V）输出隔离、温度变化影响、远距离有线激励、电磁干扰激励等参量要素，这些都是确保 电力系统自动化 装置可靠运行必须认真考虑的因素。按小型中间继电器所规定的激励量激励是确保它可靠、稳定工作的必要条件。 （ 4） 触点输出参量要素 主要是指触点 负载性质 ，如灯负载， 容性负载 ， 电机 负载， 电感器 、 接触器 （继电器）线圈负载， 阻性负载 等；触点负载量值（开路电压量值、闭路 电流 量值），如低电平负载、干电路负载、小电流负载、大电流负载等。 任何 的 自动化设备 或控制系统 都必 须 考虑 实际所需的负载 的 性质、 负载量的实际大小 ，选用 适合的中间 继电器产品 显得更 重要。 中间 继电器的 可靠与不可靠 主要指触点能否完成 控制系统 所 要求的 电路功能。如 过中间继电器不能完成相应的电路功能，继电器就说不上是否就有可靠性 。 本次设计我们选取了乐清市明旺有限公司的型号 LY2NJ中间继电器 表 3-3 LY2NJ 中间继电器主要参数如下表 额定电压 触电切换电流 触点形式 线圈电源 220V 10A 常开 220V 3.3.3 熔断器选择 熔断器 是通过 串联在电路中， 保护电路的 。 电路工作正常的情况下 ，熔断器允许通过 正常的电路额定 电流，熔体 可以保持 长期不化； 当电路工作在非正常的情况下（电路负载太大导致电流过大或发生短路），此时电路将通过很大的电流，超过了熔断器所能允许的最大电流，此时熔断器的熔体融断，从而使电路断开，达到了 保护 电路 的目的。当电路 中接入较大的负载 时， 熔断器的 熔体 ，由于电流过大，熔体产生大量的热，导致熔体很快熔化 ；当电路发生短路时， 熔体瞬间通过，较大的电流，使 熔体能nts在瞬间熔化 。 所以 熔断器 说 对过载保护 效果不是很好 ，主要作 为 短路保护。 熔断器 主要分为三部分，分别是 熔体、熔管和熔座。 熔断器 的分类 ： 按结构形式分类 ： 半封闭插入式熔断器、无填料密闭管式熔断器、有填料封闭管式熔断器、快速熔断器 、 自复熔断器 按使用对象分类 ： 专职人员使用 、 非熟练人员使用 按工作类型分类 ： g类、 a类 g类 指的是 全范围分段熔断器， a类 指的是 部分范围分段熔断器。 按使用类别分类 ： G类、 M类 G类 指的是作为 一般用途熔断器， M 类 指的是专用于电动机电路 的 熔断器。 熔断器的型号选用 1.选择 熔断器 熔体的额定电流： （ 1） 对于我们在日常生活中以及在工业生产中所用到的各种负载，熔断器熔体电流应略大于负载中的电流 ； （ 2） 对于 日常生活 所用到的 输电、配电线 电路中 ， 熔断器熔体 额定电流的选择应该略微地大于线路中 所能 通过的 最大 安全电流； （ 3）当 熔断器作为电路中的短路保护装置时 ， 有 电动机 的电路 路 需要考虑电动机具体是哪一种启动条件 ， 具体选用哪种的熔断器要看电动机启动的时间是多少 。 在有电动机的电路中遇到 选用 a型熔断器来作为保护熔断器 时 ，此时的 熔断器熔体 额定电流要略大于电动机的额定电流才能 保证电动机 的正常工作 ； （ 4） 当电路 选用 g 型熔断器 ， g型熔断器 用来做 电容补偿柜回路的保护熔断器，这种情况下 ， 熔断体的额定电流约等于 1.8-2.5 倍的线路计算电流。但 a型的 熔断 器时，熔断器的熔体 额定电流可以约等于 1-2.5倍的 电路 电流。 （ 5） 当熔断器被用作 通电线路中上、下级之间的电流选择性保护 时 ，上 一 级熔断器熔体 的额定电流 不能小于 下 一 级熔断器 熔体 额定电流的 1.6倍，就能够 使在发生操作失误时，使故障减小到最小的范围 。 （ 6）降容使用 如果 熔断器工作在室温下 ， 要保证熔断器 熔体 的工作电流不大于熔体的额定电流，才能使熔断器正常工作 。 这就要求 在选用熔断体的时 ，要求工作人员必须考虑到熔断器所处的工作环境和温度。 熔断体 运用在实际的环境中时，受温度的影响是很大的，这是因为熔断器熔体的额定电流是在室温下检测出来的， 所以在选用 熔断器 时 ，必须nts考虑这一因素 。 当 熔断器 工作在温度较高的环境下时 的， 熔断器 工作时 的 温度就会越高，这就导致熔断器 的寿命减少 ；当然相反的是， 工作环境温度较低时，会使 熔断体的寿命 得到延长。 （ 7） 当熔断器被运用到 配电线路中，为了避免 因 发生越级动作而导致扩大故障停电的范围，一般情况下 ， 前一级 熔断器 熔体的额定电流 要比后一级 熔断器 熔体的额定电流大 2-3倍。 2.熔断器的选择： （ 1）熔断器的额定电压： 熔断器的额定电压 应大于或等于 熔断器在 实际电路的工作电压，即 UN熔断器 UN线路。 （ 2）熔断器的额定电流： 熔断器的额定电流 应大于 熔断器 熔体的 在实际电流中的工作电流 ，即 IN熔断器 IN线路。 （ 3）熔断器的额定分析能力：指 熔断器 在额定电压和功率因素（时间常数）的条件下，能分析的最大电流值必须大于 在实际 电路中可能出现的最大故障电流。 3.类型的选择： 熔断器的选择一般要根据熔断器所使用的场合，安装所需具备 的条件和熔断器的应用范围综合这些因素来选择合适的熔断器。熔断器应用在 电网配电 中时， 一般选用刀型触头熔断器（如 HDLRT0 RT36系列）； 熔断器应用在有 电动机 的电路时， 一般选用螺旋式熔断器进行； 熔断器应用在 照明电路 时， 一般选用圆筒帽形熔断器； 熔断器应用于 保护可控硅元件 时，一般选 用快速式熔断器保护 。 常用的熔断器有： (a)RS3系列有填料快速熔断器； (b)RT10有填料管式熔断器； (c)变压器保护用高压限流熔断器； (d)电动机保护用高压限流熔断器； (e)RL1螺旋式熔断器； (f)RT14系列有填料封闭管式圆筒帽形熔断器； (g)RT16刀型触点熔断器。 nts本设计选用 RT19 系列有填料封闭管式圆筒帽形熔断器： RT19系列有填料封闭管式圆筒帽形熔断器 的主要技术参数如表 3-4下： 表 3-4 RT19 系列有填料封闭管式圆筒帽形熔断器 的主要技术参数 熔断器型号 熔断器额定电流 熔体额定电流 RT19-16 16 2， 4， 6， 8， 10， 12， 16 RT19-63 63 6， 8， 10， 12， 16， 20， 2，52， 40， 50， 63 RT19-125 125 16， 20， 25， 32， 40， 50， 63 LED红绿灯额定功率 P=15W,额定 电压 U=220V AUPI 068.0额定电流 公式（ 3-1） 总共有 13 个 LED 红绿灯，所以电流总电流 AII 886.013 总 公式（ 3-2) 所以选取熔断器 RT19-16 3.3.4 刀开关的选择 刀开关又称闸刀开关或隔离开关，是一种结构简单，应用范围最广的一种手控电器。它广泛应用于各种配电设备和供电线路中，用来非频繁的接通和分断没有负载的低压供电线路，常见的一种胶盖瓷底闸刀开关也可以作为电源隔离 开关，并可对小容量的电动机作不频繁的直接启动。 刀开关的结构和类型 刀开关一般由手柄，触刀，静插座，铰链支座和绝缘底板组成。操作手柄时，使触刀绕铰链支座转动，就可以使触刀插入静插座内或使插座脱离静插座，从而完成接通或者断开。刀开关主要包括大电流开关，负荷开关，熔断器式开关三种。刀开关按触刀级数可分为单极式，双极式和三极式；按转换方式可分为单投式和双投式；按操作方式可分为手柄直接操作式和杠杆式。 大电流开关是一种新型电动操作并带手动的刀开关。它适合用于频率为 50HZ，交流电压至 1000 V、直 流电压至 1200V，额定工作电流为 6000A及以下的电路中，作为无载操作、隔离电源之用。 负荷开关包括开启式开关和封闭式开关两种。 开启式负荷开关俗称胶盖瓷底开关，主要作为电气照明电路，电热电路及小容量电动机的不频繁带负荷操作的控制开关，也可以作为分支电路和配电开关。开启式负荷开关由操作手柄、熔丝、触刀、触点座和底座组成。该开关装有熔丝，可起到短路nts保护作用。 封闭式负荷开关俗称铁壳开关，一般用于电力排灌，电热器及电气照明等设备中，用来不频繁的接通和分断电路及全电压启动的小容量异步电机中，对电路有过载和短路保 护。封闭式负荷开关还具有外壳门机械闭锁功能，开关在合闸状态时，外壳门不能打开。 刀开关的主要技术参数 （ 1） 额定电压：刀开关在长期工作中能承受的最大电压。目前生产的刀开关的额定电压一般在交流 500V 一下。 （ 2） 额定电流：刀开关在合闸位置允许长期通过的最大工作电流。小电流刀开关的额定电流有 10A、 15A、 20A 、 30A、 60A五级，大电流刀开关的额定电流有 100A、200A、 400A、 600A、 1000A、 1500A、 3000A等级别。 （ 3） 通断能力：刀开关在额定电压下能可靠地接通和分断的最大电流。对于小的刀开关，如 启动式负荷开关和封闭式开关，其通断电流的二、三十倍，但这并不是触点所能通断的电流，而是指与刀开关配合的熔丝或熔断器的通断能力，刀开关本身只能通断额定值一下的电流。 （ 4） 动稳定电流：当发生短路事故时，刀开关并不因为短路电流所产生的电动力作用而发生变形、损坏或者触刀自动弹出等现象，这一短路电流就是刀开关的动稳定电流，通常为其额定电流的十倍。 （ 5） 热稳定性电流：当发生短路事故时，刀开关能在一定的时间内通过某一最大电流，并不会因为温度急剧升高而发生熔焊现象，这一短路电流称为热稳定电流，通常刀开关的热稳定电流，通常为其额定电 流的十倍。 （ 6） 操作次数：刀开关的使用寿命，分为机械寿命和电寿命。机械寿命是指在不带电的情况下所能达到的操作次数，电寿命是指刀开关在额定电压下能可靠的分断一定百分数额定电流的总次数。 常用的刀开关有 常用的 刀开关 有 HD 型单投刀开关、 HS 型双投刀开关（ 刀形