西门子plc交通灯课程设计.doc

焦 作 大 学西 门 子 plc 交 通 灯 设 计 姓 名： 学 号： 班 级： 专 业：应 用 电 子 指导教师： 目录 序言 .1第一章 PLC的基础知识.2 1.1 PLC 的发展历程.2 1.2 S7-200系列PLC 简介.3 1.3 PLC的定义.3 1.4 plc的结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 1.5 PLC在交通灯中的应用.5第二章 控制系统的控制要求.62.1 正常循环运行具体控制要求.62.2 急车强通控制的具体控制要求.6第三章 交通灯的布置.7第四章 硬件设置.74.1 框架配置图.7第五章 软件设计.85.1 交通信号灯设置.85.2控制要求.85.3控制系统硬件设计.85.4控制系统软件设计.9六章 总结.12参考文献.1212序言近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。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。由于PLC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，特别对多岔路口的控制可方便地实现。因此现在越来越多地将PLC应用于交通灯系统中。同时，PLC本身还具有通讯联网功能，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，可缩短车辆通行等候时间，实现科学化管理。在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用，仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。十分形象地显示出了PLC在交通灯系统中的实际应用。1第一章PLC的基本知识1.1 PLC 的发展历程可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。 1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作和按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势。在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效的办法；控制机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产，金属加工生产批量中有四分之三有50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而生产的。自上世纪六十年代，机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在不断发展，最典型的发展是生产者将此产品大量应用于卫生行业（全自动生化分析仪），从而实现了卫生检验中急需短时间、大量样品数据的要求，但在卫生领域的机械手因采用样品品单一酶试剂显色法，且采用滤光片结构设计，造成试剂价格昂贵，限制了产品市场的发展。 随着技术的进步，机械手的设计已经实破了单一试剂、加热及滤光片的束缚。比如美国 OI 公司的产品，可针对单一项目，次序加 4 种试剂，加热温度也提高到 50 ，检测器则采用二极管陈列技术，这些进步为新领域的应用提供了强大支持。有专家估计未来10 年，全自动流动分析仪的市场份额中，将有 50 被全自动化学分析机械手取代。 通过了解上述两类产品的技术特点我们不难看出，机械手具有微升级试剂消耗，不受模板束缚，分析中不同检测项目可穿插完成，可完成研发性波长扫描优化检测条件，用户可自行设计新的检测项目，体积小，甚至可做现场快速分析等特点。 由此也不难看出，以前流动分析中不适合的用户群，如样品检测单一种类少而样品量多的情况，为机械手的应用提供了可能性。对卫生行业的快速分析中，也因新型机械手的设计特点而使取代昂贵的试剂，降低分析成本成为可能。机械手不能完全取代流动分析产品一个重要的理由是：一些特殊样品处理技术不能在线实现，如萃取、高温蒸馏，需要离线进行，相信随着技术的进步，这些方面的技术也会提高。正如一句广告语所讲的“没有最好，只有更好”1.2 S7-200系列PLC 简介S7-200 PLC系列具有较高的性价比，较强的功能使其无论在单独运动中，还是相连成网络皆能完成各种控制任务。S7-200系列PLC有基本单元、I/O扩展单元、功能单元和外界设备等组成，其基本单元的结构形式为整体式.1.3 PLC的定义可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLCPLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association） 经过四年的调查工作，于1984 年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC 作了如下定义“PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC 之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987 年2 月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定 时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系 统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制.1.4 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1.5 PLC在交通灯中的应用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重要的组成部分。 随着城市机动车量的不断增加，自80年代后期,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。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。传统的交通信号灯控制一般采用电子线路和继电器实现，结构复杂，可靠性低，故障率高,较难实现功能的变更。而可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活方便等优点。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图语言进行程序设计，结构简单，抗干扰能力强，运行稳定可靠，可方便地设置定时时间，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。由于PLC内部均配有实时时钟，因此通过PLC控制可对交通灯实施全天无人化管理。另外因为PLC具有通信联网功能，所以可以将同一条道路上的交通灯组成局域网进行统一调度管理，可以缩短车辆等候时间，实现科学化管理。第二章 控制系统的控制要求交通灯的控制要求是能实现“正常循环运行”和“急车强通控制”两种控制形式。2.1 正常循环运行具体控制要求。按下启动按钮后，交通灯控制系统开始工作。先亮南北方向绿灯和东西方向红灯，再亮东西方向绿灯和南北方向红灯，然后再亮南北方向绿灯和东西方向红灯，这样一直循环执行。(1) 南北直行绿灯先亮，持续30秒，南北直行绿灯闪亮3秒，然后南北直行黄灯亮2秒，南北直行红灯亮45秒。南北黄灯亮的同时南北左传绿灯亮持续10秒，南北左传黄灯亮持续2秒，然后南北左传红灯持续亮78秒。在南北左传红灯亮的同时东西直行绿灯亮持续30秒，然后东西直行绿灯闪亮3秒接着东西直行黄灯亮2秒，东西直行红灯亮45秒，在东西直行黄灯亮的同时东西左传绿灯亮持续10秒，接着东西左传黄灯亮2秒，然后东西左传变为红灯。在其变为红灯的同时南北直行绿灯亮，开始下一个循环。(2) 南北方向和东西方向人行道均设有绿灯、黄灯、红灯。人行道上的“红黄绿”与同方向主干道上直行“红黄绿”灯运行方式相同。2.2 急车强通控制的具体控制要求。（1） 急车强通控制受强通开关的控制。无急车时，按正常循环时序控制，有急车时按下急车强通开关。不管原来信号是什么状态，一律强制让急车来车方向的绿灯亮，直到急车通过为止，断开急车强通开关后即按正常时序控制。（2） 急车强通信号只能响应一条路上的车来，若两条交叉的；路口在两条交叉的路口，东西和南北先后都来车，则响应先来的一方，随后响应另一方。第三章 交通灯的布置1. 南北主干道南北主干道的交通灯有六个，分别是左转红灯、左转绿灯、左转黄灯、直行红灯、直行绿灯、直行黄灯。2. 东西主干道 东西主干道的交通灯也是六个，分别是左传红灯、左转绿灯、左转黄灯、直行红灯、直行绿灯、直行黄灯。3. 南北人行道 南北人行道的交通灯有三个，分别是红灯、绿灯、黄灯。4. 东西人行道东西人行道的交通灯也是三个，分别是红灯、绿灯、黄灯。第四章 硬件设置4.1 框架配置图交通灯控制系统采用西门子公司的S7-200系列整体式PLC。PLC框架设置如下图所示。模块功能概述（1） CPU采用CPU224-AR ( AC/DC/继电器) 模块。它控制着整个系统有条不紊地工作。它有 14数字量输入点，10数字量输出点，采用交流220V供电。由于控制交通灯需要5个输入12个输出，所以虽不再需要另外的输入模块但需要扩展输出模块。(2)扩展模块采用EM232，他有两个模拟量输出。扩展的输出口用于输出控制左转红灯和左转黄灯的信号。第五章 软件设计5.1 交通信号灯设置某十字路口的东西方向和南北方向分别安装红、绿、黄交通信号灯。1-1交通信号灯设置示意图5.2控制要求交通信号灯在白天和夜晚的工作状态不同，由选择开关SA进行控制。 交通信号灯在白天工作时的具体控制要求：当选择开关SA选在白天位置时信号灯按照预先规定的时序循环往复地工作。交通信号灯在夜晚工作时的具体控制要求：当选择开关SA选在夜晚位置时，红灯和绿灯停止工作，只有黄灯一直闪烁，闪烁的频率为1s次。1-2交通信号灯的具体控制要求东西方向信号灯绿灯亮绿灯闪烁黄灯亮红灯亮信号时间25s3s（1次s）2s30s南北方向信号灯红灯亮绿灯亮绿灯闪烁黄灯亮信号时间30s25s3s（1次s）2s1-3交通信号灯白天工作时的控制时序5.3控制系统硬件设计PLC控制系统的模板配置如表插槽号模板名称模板型号数量1电源模板 PS307 5A6ES7 307-1EA00-0AA012CPU模板 CPU3146ES7 314-1AE04-0AB013DI模板 SM3216ES7 321-1BH01-0AA014DO模板 SM3226ES7 322-1BH01-0AA015.4控制系统软件设计（1） 采用线性编程（2） 因为本控制比较简单，可考虑线性编程。其他编程元件地址分配表编程元件地址PV值作用辅助继电器M0.0白天工作M0.1夜晚工作M100.5（在STEP 7软件中设定）1Hz时钟存储器定时器T3730s南北向红灯亮T3825s东西向绿灯常亮T393s东西向绿灯闪烁T402s东西向黄灯亮T4130s东西向红灯亮T4225s南北向绿灯常亮T433s南北向绿灯闪烁T442s南北向黄灯亮编程元件IO端子电路器件作用输入继电器I0.0SB1启动按钮I0.1SB2停止按钮I0.2SA_1选择白天工作I0.3SA_2选择夜晚工作输出继电器Q0.0K1东西向绿灯Q0.1K2东西向黄灯Q0.2K3东西向红灯Q0.3K4南北向绿灯Q0.4K5南北向黄灯Q0.5K6南北向红灯 编程元件地址分配表（3） 梯形图